JP2943567B2 - 管内形状検査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えば製鉄工場等におけ
る電縫管の製造ラインにおいて、管体の内周面に露出し
ている溶接部の形状（ビート形状）を外周面から超音波
を用いて検査する管内形状検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に電縫管は、帯状の鋼板を走行しな
がら丸めていって、管軸方向に沿う鋼板どうしの突き合
わせ部を連続的に電縫溶接することによって製造され
る。したがって、溶接したままであると、製造された電
縫管の外周面及び内周面に凹凸を有する溶接部が露出す
るので、この溶接部の盛り上がった部分、すなわち溶接
ビードをビート切削機で切断して、溶接部の表面を平ら
にする工程が必要となる。

【０００３】この場合、溶接ビードを残さないような切
削することが製造製品の品質上非常に重要なことであ
る。そこで、電縫管の製造ラインにおいては、ビード切
削機における溶接ビードの切削状況を検知して、その切
削状況をビード切削機に帰還させて、外周面及び内周面
の溶接部がより平坦になるよにビード切削機の切削動作
を制御している。

【０００４】外周面に露出した溶接部の溶接ビードの切
削状況は目視やカメラ等の光学手法を用いて比較的簡単
に把握できる。しかし、内周面に露出した溶接部の溶接
ビードの切削状況は簡単に把握できない。

【０００５】この内周面に露出した溶接部の凹凸状態を
外部から検出する代表的な手法として、現在まで以下に
示す３種類が提唱されている。 (1) 接触方式（実開昭５８−２４０６２号公報） この接触方式においては、溶接部位置手前側から溶接部
位置後方側に向けて長く突出させたロッドの先端に取付
けられた内周側カッターの近傍に、内面形状を検知する
接触センサを併設して、露出した溶接部の凹凸状態を検
出する。 (2) 超音波厚さ計方式（特開昭５６−３５０５７号公
報） この超音波厚さ計方式においては、図１３（ａ）に示す
ように、管体１の外周面に垂直型探触子２を取付けて、
超音波を管体１に対して垂直方向（半径方向）に入射さ
せて管体１の厚みｔを測定する。そして、厚みｔを測定
しながら、垂直型探触子２を周方向Ｄに移動させる。す
ると、図１３（ｂ）に示すように、内周面に溶接部３に
起因する凹凸部３ａが存在すれば、厚みｔの変化として
現れる。 (3) 超音波アレイ探触子方式（特開平２−１１４１１
４号公報） この超音波アレイ探触子方式においては、図１４（ａ）
に示すように、管体１の外周面における溶接部３を挟ん
だ対向位置に一対のアレイ探触子４ａ，４ｂを配設して
いる。そして、一方のアレイ探触子４ａを構成する各振
動子を順番に加振して超音波パルスを入射させながら、
他方のアレイ探触子４ａの各振動子を同期させながら走
査することによって、送信側の各振動子からの超音波を
受信した振動子を特定することによって、該当超音波の
内周面における反射位置を検出する。これを双方のアレ
イ探触子４ａ，４ｂから実施することによって、内周面
に露出した溶接部の凹凸を把握する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た(1) 〜(3) の各手法においてもまだ解消すべき次のよ
うな課題があった。先ず、接触方式(1) においては、接
触センサを管体１内に挿入する必要があるので、小径サ
イズの管体１に適用が困難である。また、溶接時に発生
するピットや切り屑によって接触センサが汚損しやす
く、測定精度や信頼性が低下する懸念がある。

【０００７】次に、超音波厚さ計方式(2) においては、
超音波厚さ計を用いるためには、探触子２と管体１との
間に水等を介在させる必要がある。しかし、ビード切削
機の近傍においては、溶接されたばかりの溶接部３の温
度は３００℃以上であるので、接触子２を音響接触させ
ることは不可能である。

【０００８】この対策として水を大量に使用すると、溶
接部３が急冷されるので、その組織が変化し、管体１の
材質品質が低下する。また、探触子２をビード切削機か
ら管体１の軸方向に遠く離れた位置に配設すると、溶接
部３の周方向位置が変動（捩じれる）ことがあるので、
この手法も採用できない。

【０００９】また、超音波アレイ探触子方式(3) におい
ては、図１４（ｂ）に示すように、内周面の溶接部の形
状が傾斜していると、超音波が透過しないので、受信側
のアレイ探触子において該当超音波を検出できない問題
が生じる。また、この手法においては、多くのチャンネ
ルを有したアレイ探触子４ａ，４ｂ及び多チャンネルの
超音波送送受信部が必要になるので、装置全体の製造費
が大幅に上昇する懸念がある。

【００１０】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、一対の斜角探触子のみを用いることによっ
て、小径サイズの管体の適用が可能であり、かつビード
切削機の近傍に設置可能であり、かつ低い製造費用でも
って、内周面における溶接部の形状を確実にかつ正確に
検出できる管内形状検査装置を提供することを目的す
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解消するため
に本発明の管内形状検査装置においては、管体の外周面
上における溶接部を挟んだ対向位置に配設され、内周面
に露出した溶接部方向へ超音波パルスを送波し反射波を
受波する一対の斜角探触子と、各斜角探触子に対して一
定周期で送信パルスを印加しかつエコー信号を受信する
一対の超音波送受信部と、受信されたエコー信号を複数
周期に亘って平均化する一対の同期加算平均化手段と、
平均化されたエコー信号における互いに異なる測定期間
を指定する複数のゲート手段と、指定された測定期間に
含まれる内周面の溶接部に起因するエコーを検出する複
数のエコー検出手段と、検出され各エコーに基づいて内
周面の溶接形状を特定する内面形状特定部とを備えてい
る。

【００１２】また、請求項２の発明においては、内面形
状特定部は、各エコー検出手段におけるエコー検出有無
情報の組合せに基づいて溶接形状の種類を判定する溶接
形状種類判定手段を有している。

【００１３】さらに、請求項３の発明においては、内面
形状特定部に対して、上述した溶接形状種類判定手段に
加えて、各エコー検出手段にて検出されたエコーのエコ
ー高さより溶接形状の半径方向寸法を算出する半径方向
寸法算出手段を付加している。

【００１４】さらに、請求項４の発明においては、上述
した溶接形状種類判定手段及び半径方向寸法算出手段に
加えて、各エコー検出手段は検出したエコーまでの超音
波パルスのビーム路程を検出するビーム路程検出手段を
有し、かつ、内面形状特定部に、検出された各ビーム路
程より溶接形状の周方向寸法を算出する周方向寸法算出
手段を付加している。

【００１５】また、請求項５の発明においては、同期加
算平均化手段を、超音波送受信部にて受信されたエコー
信号をデジタルのエコー信号に変換するＡ／Ｄ変換手段
と、Ａ／Ｄ変換手段から順次出力されるエコー信号を常
に最新の所定個数記憶する第１の信号メモリと、加算さ
れた１個の加算エコー信号を記憶する第２の信号メモリ
と、第１の信号メモリにおける最新のエコー信号から規
定個数先に書込まれれたエコー信号を読出す信号読出手
段と、Ａ／Ｄ変換手段から順次出力されるエコー信号と
第２の信号メモリから読出された加算エコー信号とを加
算する加算部と、加算部から出力された加算エコー信号
から信号読出手段にて読出された１個のエコー信号を減
算する減算部と、減算部から出力された加算エコー信号
を第２の信号メモリへ新たな加算エコー信号として書込
む加算エコー信号更新手段と、減算部から出力された加
算エコー信号を除算して平均化されたエコー信号を得る
除算部と、平均化されたエコー信号をアナログのエコー
信号に変換するＤ／Ａ変換手段とで構成している。

【００１６】

【作用】このように構成された管内形状検査装置の動作
原理（作用）を説明する。各斜角探触子は管体の外周面
における溶接部を挟んだ対向位置に配設されている。そ
して、各斜角探触子は超音波パルスを管体に垂直（半径
方向）でなく、内周面に露出した溶接部方向に向かって
一定の指向角度を有して送波する。したがって、内周面
に露出した溶接部に全く凹凸が存在しなければ、送波し
た超音波パルスの反射波は受波しない。よって、この場
合、この斜角探触子に接続された超音波送受信部から出
力されるエコー信号にはエコーが含まれない。内周面に
露出した溶接部に凹凸が存在すれば、斜角探触子はこの
溶接部の形状における斜角探触子に対向する部分で反射
されたエコーを受波する。

【００１７】同様に、この溶接部の反対側に配設された
斜角探触子においても前記内周面の溶接部に自己の斜角
探触子に対向する部分が存在すれば、この部分からのエ
コーを受波する。

【００１８】内周面に露出した一つの溶接部の形状にお
いても、超音波パルスの入射方向が異なるので、溶接部
に凹凸が存在すれは、必ずいずれか一方の斜角探触子に
対向する傾斜面ができ、溶接形状の各斜角探触子に対向
する傾斜面に対応する各エコーがそれぞれの斜角探触子
にて受波される。

【００１９】また、各超音波送受信部で受信された各エ
コー信号を複数の測定期間に分割すれば、各測定期間が
溶接形状のどの部分に対応するかが一義的に定まる。し
たがって、各エコー信号における各測定期間のエコーを
検出することによって、溶接形状がある程度特定でき
る。

【００２０】さらに、同期加算平均化手段を用いること
によって、超音波送受信部から出力されるエコー信号の
Ｓ／Ｎを上昇させている。すなわち、例えば管体を軸方
向に移動させながらオンライン検査する場合に、超音波
送受信部に起因する電気雑音や管体の材料の結晶粒界や
表面構造に起因する雑音を除去できる。

【００２１】また、凹凸を有する同一種類の溶接形状は
管体の軸方向に一定長以上継続し、欠陥は溶接形状に比
較して短いので、エコー信号を平均化することによっ
て、欠陥に起因するエコーの割合を小さくして、溶接形
状に起因するエコーのみを高いＳ／Ｎで検出できる。

【００２２】請求項２の発明においては、内周面に露出
している溶接部に一つの傾斜面が存在した場合に、この
傾斜面に対向する斜角探触子のみにエコーが受波され、
この傾斜面に対向しない斜角探触子にはエコーは受波さ
れない。一方、各ゲート手段によって、各測定期間毎に
該当測定期間にエコーが検出されると、該当エコーは溶
接部における概略の発生位置範囲が特定される。

【００２３】したがって、溶接部に一つの傾斜面が存在
すると、この傾斜面の傾斜方向と溶接部内の概略の位置
が特定される。その結果、各エコー検出手段におけるエ
コー検出有無の組合わせに応じて、いずれの方向に傾斜
している傾斜面を有するか等の溶接形状の種類を特定で
きる。

【００２４】請求項３の発明においては、超音波パルス
は一定の指向角を有して管体内を伝播するので、対向す
る傾斜面の面積が広くなれば、反射される超音波パルス
のエネルギーも大きくなる。よって、ある特定の斜角探
触子のある特定の測定時間に検出されたエコーのエコー
高さ（信号レベル）は、対向する傾斜面の面積すなわ
ち、内周面の溶接形状の半径方向寸法に対応する。

【００２５】請求項４の発明においては、各計測時間に
おいて検出されたエコーの超音波パルスのビーム路程
は、該当超音波パルスを送波した斜角探触子からエコー
に対応する傾斜面までの距離に対応する。斜角探触子の
位置は既知であるので、内周面における溶接形状の該当
傾斜面の位置が特定される。よって、溶接形状の周方向
寸法が算出可能である。

【００２６】したがって、この請求項４の発明によっ
て、検査対象の内周面における溶接形状の種類、半径方
向寸法、周方向寸法が特定される。また、請求項５の発
明においては、同期加算平均化手段をデジタル処理で実
現しているので、時間遅れなく高速に平均化処理が可能
である。

【００２７】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。図１は実施例の管内形状検査装置の概略構成を示す
ブロック図である。例えば電縫管等の管体５は図示しな
い搬送機構によって、紙面に直交する軸方向に搬送され
ながら、溶接部６の外周面の露出部分６ａ及び内周面の
露出部分６ｂが図示しないビード切削機で切削される。

【００２８】このビード切削機の排出口近傍に切削済み
の管体５の内周面の溶接部６の露出部分６ｂ（溶接ビー
ド）の溶接形状を検査する管内形状検査装置が配設され
ている。図示するように、管体５の外周面上の溶接部６
を挟んだ対向位置に一対の斜角探触子７ａ，７ｂが配設
されている。具体的には、各斜角探触子７ａ，７ｂは管
体５の外周面に対して局部水浸接触法で取付けられてい
る。各斜角探触子７ａ，７ｂ内の各振動子８ａ，８ｂは
超音波パルスＰａ，Ｐｂの伝播方向が溶接部６の内周面
の中心位置を通過するように角度調整されている。

【００２９】各斜角探触子７ａ，７ｂには、同一構成の
超音波送受信部９ａ，９ｂから一定周期Ｔ₀ で送信パル
スが印加され、この送信パルスが各振動子８ａ，８ｂに
印加されることによって、超音波パルスＰａ，Ｐｂが管
体５内へ入射される。各斜角探触子７ａ，７ｂは、管体
５内に欠陥が存在したり、内周面の溶接部６に凹凸が存
在すると、これ等で反射されたエコーを各振動子８ａ，
８ｂで受波してエコー信号ａ，ｂとして対応する各超音
波送受信部９ａ，９ｂヘ送出する。

【００３０】すなわち、各超音波パルスＰａ，Ｐｂは、
図２（ａ）に示すように角度θの指向性を有しており、
この角度θ内に広がって伝播する。したがって、内周面
における露出部分６ｂの溶接形状の各斜角探触子７ａ，
７ｂに対向する各傾斜面からの反射波（エコー）を受波
する。したがって、各斜角探触子７ａ，７ｂから出力さ
れる各エコー信号ａ，ｂには手前側の傾斜面からのエコ
ーと奥側の傾斜面からのエコーとの２つのエコー又はそ
れ以上のエコーが含まれる。

【００３１】なお、実施例装置においては、斜角探触子
７ａ，７ｂの各振動子８ａ，８ｂは、８×９ｍｍ² の面
積を有し、かつ５ＭHzの振動周波数を有する。また、屈
折角度は４５度である。

【００３２】また、各超音波送受信部９ａ，９ｂから各
斜角探触子７ａ，７ｂへ送出される送信パルスの周期Ｔ
₀ は１ｍｓであり、各斜角探触子７ａ，７ｂから管体５
内へ入射される超音波パルスＰａ，Ｐｂが互いに干渉し
ないように、０．５ｍｓだけ位相をずらせている。

【００３３】さらに、検査対象の管体５は外径が219.1
mmで厚みｔが8.2 mmの電縫管である。そして、この管体
５は搬送機構によって、１ｍ／ｓの速度で軸方向に搬送
されている。その結果、各斜角探触子７ａ，７ｂから管
体５内へ入射される超音波パルスＰａ，Ｐｂの管体５に
対する軸方向入射密度は１mm/sとなる。

【００３４】各超音波送受信部９ａ，９ｂは受信したエ
コー信号ａ，ｂを次の同期加算平均化回路１０ａ，１０
ｂへ送出する。同期加算平均化回路１０ａ，１０ｂは受
信したエコー信号ａ．ｂを例えばＮａ周期分加算して平
均化する。平均化された各エコー信号ａ₁ ，ｂ₁ はそれ
ぞれ２個のゲート回路１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ
へ入力される。

【００３５】各超音波送受信部９ａ，９ｂから出力され
るエコー信号ａ，ｂは図３に示すように、送信パルスｃ
に同期する表面エコー（Ｓエコー）と露出部分６ｂの溶
接形状に起因するエコーとが含まれるが、ゲート回路１
１ａは、左側の斜角探触子７ａからのエコー信号ａ₁ の
うち、図２（ａ）に示すように、溶接部６の溶接中心か
ら手前側、すなわち露出部分６ｂの溶接形状の斜角探触
子７ａ側（手前側）の傾斜面に起因するエコーのみを含
む測定期間Ｔ_GAのみ通過させる。具体的には送信パルス
ｃの送出時刻から時間Ｔ₁ 経過後に測定期間Ｔ_GAのみゲ
ートを開く。

【００３６】また、ゲート回路１１ｂは、同左側の斜角
探触子７ａからのエコー信号ａ₁ のうち、図２（ａ）に
示すように、溶接部６の溶接中心から奥側、すなわち露
出部分６ｂの形状の斜角探触子７ｂ側（右側）の傾斜面
に起因するエコーのみを含む測定期間Ｔ_GBのみ通過させ
る。具体的には送信パルスｃの送出時刻から時間Ｔ₂経
過後に測定期間Ｔ_GBのみゲートを開く。

【００３７】なお、右側の斜角探触子７ｂからのエコー
信号ｂ₁ の通過時間を制御する各ゲート回路１１ｃ，１
１ｄは前記ケード回路１１ａ，１１ｂと同一測定期間Ｔ
_GA，Ｔ_GBを有する。

【００３８】実施例装置においては、各ゲート回路１１
ａ〜１１ｄは例えばアナログスイッチ等を用いて構成さ
れている。そして、前述した形状の管体５及び各斜角探
触子７ａ，７ｂを採用した場合においては、超音波パル
スＰａ，Ｐｂの管体５に対する入射点から内周面の溶接
中心までの距離は12.1mmであり、管体５内を伝播する超
音波パルスＰａ，Ｐｂの音速を3230m/s とすると、超音
波パルスＰａ，Ｐｂが入射点から内周面の溶接中心まで
伝播するのに要する時間は7.492 μｓである。よって、
手前側の各エコーを抽出する各ゲート回路１１ａ，１１
ｃの測定期間は3.5 〜7.4 μｓの時間範囲に設定し、奥
側の各エコーを抽出する各ゲート回路１１ｂ，１１ｄの
測定期間は7.5 〜11.5μｓの時間範囲に設定している。

【００３９】ここで、各エコー信号ａ，ｂの信号波形と
内周面における露出部６ｂの溶接形状との関係を図２及
び図３を用いて説明する。図２（ａ）（ｂ）（ｃ）
（ｄ）はそれそれ内周面における露出部６ｂの異なる溶
接形状に対して斜角探触子７ａから超音波パルスＰａが
伝播された状態を示す。そして、図３（ａ）（ｂ）
（ｃ）（ｄ）は図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）の状態に
対応するエコー信号ａの各波形を示す。

【００４０】例えば、図２（ａ）においては、超音波パ
ルスＰａは露出部６ｂの溶接形状の右側（奥側）の傾斜
面のみで反射されるので、図３（ａ）に示すようにエコ
ー信号ａにはゲート回路１１ｂのみにエコーが現れる。

【００４１】また、図２（ｂ）においては、超音波パル
スＰａは露出部６ｂの溶接形状の右側の傾斜面及び左側
の傾斜面で反射されるので、図３（ｂ）に示すようにエ
コー信号ａには両方のゲート回路１１ａ．１１ｂにエコ
ーが現れる。

【００４２】さらに、図２（ｃ）においては、超音波パ
ルスＰａは露出部６ｂの溶接形状の左側（手前側）の傾
斜面のみで反射されるので、図３（ｃ）に示すようにエ
コー信号ａにはゲート回路１１ａのみにエコーが現れ
る。

【００４３】また、図２（ｄ）に示すよように、露出部
６ｂの溶接形状が平坦で内周面と一致している場合にお
いては、斜角探触子７ａに対向する傾斜面が存在しない
ので、図３（ｄ）に示すように、エコー信号ａには全く
エコーは現れない。

【００４４】他方の斜角探触子７ｂから送波される超音
波パルスＰｂに対しても同様に露出部６ｂの溶接形状に
応じて、エコー信号ｂに現れるエコーの位置が変化す
る。したがって、各エコー信号ａ，ｂにおけるエコーの
有無及びエコー位置が決まれば、内周面における溶接部
６の露出部６ｂの溶接形状が定まる。

【００４５】各ゲート回路１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１
１ｄで時間抽出された各エコー信号ａ₂ ．ａ₃ ，ｂ₂ ，
ｂ₃ はそれぞれエコー検出回路１２ａ，１２ｂ，１２
ｃ，１２ｄへ送出される。各エコー検出回路１２ａ〜１
２ｄは例えばピークホールド回路と比較回路とで構成さ
れている。そして、各エコー検出回路１２ａ〜１２ｄ
は、それそれ入力した各測定期間Ｔ_GA，Ｔ_GB分のエコー
信号ａ₂ 〜ｂ₃ に予め定められた閥値を越えるエコーが
含まれるか否かを検出し、エコー有無情報と含まれる場
合はエコー高さＥを測定して内面形状特定部１３へ送出
する。

【００４６】内面形状特定部１３は、コンピュータ等の
一種の情報処理装置で構成されており、各エコー検出回
路１２ａ〜１２ｄから送出されるエコー有無情報の組合
せ及び各エコー高さＥに基づいて露出部分６ｂの溶接形
状の種類を判定し、溶接形状の半径方向寸法ｄを算出す
る。

【００４７】具体的には、内面形状特定部１３内に、図
６に示す組合せテーブル１４が記憶されている。この組
合せテーブル１４内には、各エコー検出回路１２ａ〜１
２ｄにおける各エコー検出有無情報の１番から９番まで
の各組合せに対して、前述した内周面の溶接形状が記憶
されている。

【００４８】例えば全部のエコー検出部１２ａ〜１２ｄ
にて全くエコーを検出しない１番の組合せに対しては、
平坦な溶接形状（内周面に等しい）が記憶されている。
また、エコー検出部１２ｂ，１２ｄにてエコーが検出さ
れる図７に示す２番目の組合せの場合は、内周面に対し
て矩形状に突出した溶接形状が記憶されている。

【００４９】さらに、エコー検出部１２ａ，１２ｃにて
エコーが検出される３番目の組合せの場合は、図示する
ように内周面に対して矩形状に陥没した溶接形状が記憶
されている。

【００５０】また、図８に示すように、エコー検出部１
２ｄのみにてエコーが検出される８番目の組合せの場合
は、図示するように内周面に対して楔形状に突出した溶
接形状が記憶されている。

【００５１】したがって、内面形状特定部１３は、各エ
コー検出部１２ａ〜１２ｄから各エコー検出有無情報を
受領すると、組合せテーブル１４内から該当する組合せ
を検索して、この組合せに対応する溶接形状の種類を判
定して、例えばＣＲＴ表示装置にそのパータンを表示出
力いる。

【００５２】次に、内面形状特定部１３が各エコー検出
部１２ａ〜１２ｄから受領したエコー高さＥを用いて先
に判定した露出部６ｂの溶接形状の半径方向寸法ｄを算
出する手順を図９を用いて説明する。図９（ａ）に示す
溶接形状を有する場合は、斜角探触子７ａで検出された
エコー信号ａには、溶接形状の左側の傾斜面で反射され
たエコー１５_L と右側傾斜面で反射されたエコー１５_R
との２つのエコーが含まれる。

【００５３】それぞれのエコー１５_L ，１５_R のエコー
高さ（振幅）Ｅ_L ，Ｅ_R は、前述したように各傾斜面の
面積に比例するので、最終的に各傾斜面の半径方向寸法
ｄ_L．ｄ_R に対応した値となる。したがって、各エコー
検出回路１２ａ，１２ｂで得られた各エコー高さＥ_L ，
Ｅ_R に実験的に求められた乗数を乗算して、溶接形状の
各半径方向寸法ｄ_L ．ｄ_R を算出する。算出された各寸
法は前記溶接形状のパータンに寸法を付加した形式でＣ
ＲＴ表示装置に表示出力する。

【００５４】図９（ｃ）は、予め既知のビード高さｄ
（半径方向寸法）を有した複数の溶接形状に対してエコ
ー信号ａのエコー高さＥを測定した場合における実測値
である。図示するように、ビード高さｄ（半径方向寸
法）はエコー高さＥにほぼ直線比例していることが実証
された。

【００５５】次に、各同期加算平均化回路１０ａ，１０
ｂの詳細構成及び動作を図４及び図５を用いて説明す
る。図４は同期加算平均化回路１０ａの概略構成を示す
ブロック図である。図１の超音波送受信部９ａから入力
されアナログのエコー信号ａはＡ／Ｄ変換器１６におい
て所定のサンプリング周波数ｆ_R でデジタルのエコー信
号ａ_D に変換されたのち、ＦＩＦＯ（先入れ先出）型レ
ジスタ１７へ一旦格納される。

【００５６】このＦＩＦＯ型レジスタ１７から同一サン
プリング周波数ｆ_R で順次読出されるエコー信号ａ_D を
構成するＮ_M （＝１０２４）個の８ビット（ｎ＝８）構
成の各データは第１の信号メモリ１８へ書込まれると共
に、デジタル加算処理を行う加算器１９に入力される。

【００５７】第１の信号メモリ１８は、図示するよう
に、エコー信号ａ_D を記憶する２５６個の領域１８ａが
形成されている。したがって、各領域１８ａはＮ_M （＝
１０２４）個のアドレスを有し、各アドレスには８ビッ
トの各データが記憶可能である。この第１の信号メモリ
１８に対する前記エコー信号ａ_D を構成する各データの
書込アドレスＷＡ₁ は第１の書込アドレスカウンタ２０
ａで指定される。また、この第１の信号メモリ２８に記
憶されているエコー信号ａ_D を読出す場合の読出アドレ
スＲＡ₁ は第１の読出アドレスカウンタ２０ｂで指定さ
れる。各カウンタ３０ａ，３０ｂは前記サンプリング周
波数ｆ_R と同一の周波数を有するクロック信号ｃｋで駆
動される。

【００５８】さらに、第１の読出読出アドレスカウンタ
２０ｂの読出アドレスＲＡ₁ は第１の書込アドレスカウ
ンタ２０ａの書込アドレスＷＡ₁ に対して領域１８ａの
平均回数Ｎａ倍だけ遅れた（小さい）値になるように初
期設定されている。

【００５９】ＲＡ₁ ＝ＷＡ₁ −Ｎ_M ・Ｎａ ＝ＷＡ₁ −１０２４・Ｎａ すなわち、入力された各エコー信号ａ_D の各データはク
ロック信号ｃｋに同期して増加する書込アドレスＷＡ₁
の指定する各アドレスに順番に格納されていく。同時
に、Ｎａ回前にこの第１の信号メモリ１８に記憶された
エコー信号ａ_D の同一波形位置の各データがこの書込動
作に同期して読出される。

【００６０】なお、書込アドレスＷＡ₁ 及び読出アドレ
スＲＡ₁ は第１の信号メモリ１８の最終アドレスまで達
すると、先頭のアドレスに戻る。この第１の信号メモリ
１８から読出されたＮａ回前のエコー信号ａ_D の各デー
タは次のデジタル減算処理を行う減算器２１に入力され
る。

【００６１】また、第２の信号メモリ２２は加算された
１個のエコー信号ａ_D 、すなわち加算エコー信号ａ_D1を
構成する記憶するためのＮ（＝１０２４）個のアドレス
を有し、各アドレスには１６ビットの各テータが記憶可
能である。この第２の信号メモリ２２には、前記減算器
２１から出力された加算エコー信号の各データが順次書
込まれる。さらに、この第２の信号メモリ２２から読出
された加算エコー信号ａ_D1は前記加算器１９へ入力され
る。

【００６２】減算器２１からの加算エコー信号の各デー
タの書込アドレスＷＡ₂ は第２の書込アドレスカウンタ
２３ａで指定される。また、加算器１９へ送出する加算
エコー信号ａ_D1の各データの読出アドレスＲＡ₂ は第２
の読出アドレスカウンタ２３ｂで指定される。各カウン
タ２０ａ，２０ｂは前記クロック信号ｃｋで駆動され
る。さらに、クロック信号ｄに同期して、前記４個の各
アドレスカウンタ２０ａ，２０ｂ，２３ａ，２３ｂがエ
コー信号ａ_D の波形信号上における同一位置、すなわち
各領域１８ａ及び第２の信号メモリ２２内の１〜１０２
４のなかの同一アドレスを指定するように初期設定され
ている。

【００６３】加算器１９は第２の信号メモリ３２から読
出された加算エコー信号ａ_D1を構成する１６ビット構成
の各データと、入力されたエコー信号ａ_D を構成する８
ビット構成の各データとを加算して、それぞれ１６ビッ
ト構成のデータからなる加算エコー信号を減算器２１へ
送出する。

【００６４】減算器２１は、加算器１９から入力された
加算エコー信号の１６ビット構成の各データから第１の
信号メモリ１８から読出されたエコー信号の８ビット構
成の各データを減算する。そして、減算された１６ビッ
ト構成のデータからなる加算エコー信号を第２の信号メ
モリ２２へ送出すると共に、除算器２４へ送出する。

【００６５】除算器２４は、例えばビットシフターで構
成されており、加算エコー信号を平均回数Ｎａで除算し
て、平均化されたエコー信号ａ_D2として次のＦＩＦＯ型
レジスタ２５へ書込む。ＦＩＦＯ型レジスタ２５は書込
まれた平均化されたエコー信号ａ_D2の１０２４個の各デ
ータを前記サンプリング周波数ｆ_R で順番に読出してＤ
／Ａ変換器２６へ送出する。Ｄ／Ａ変換器２６はＦＩＦ
Ｏ型レジスタ２５から読出されたデジタルのエコー信号
ａ_D2を平均化されたアナログのエコー信号ａ₁に変換し
て、第１図の各ゲート回路１１ａ．１１ｂへ送出する。

【００６６】このように構成された同期加算平均回路１
０ａの動作を説明する。最初、エコー信号ａ_D が全く入
力していない初期状態においては、第１の信号メモリ１
８の各領域１８ａ及び第２の信号メモリ２２には全くエ
コー信号ａ_D の各データは記憶されていない。

【００６７】そして、ＦＩＦＯ型レジスタ１７から第１
回目のエコー信号ａ_D が入力すると、第１の信号メモリ
１８の先頭の領域１８ａに記憶される。同時に、第２の
信号メモリ２２に記憶される。すなわち、最初は第２の
信号メモリ２２及び第１の信号メモリ１８の読出アドレ
スＲＡ₁ が指定する領域１８ａの各アドレスには何も記
憶されていないので、入力したエコー信号ａ_D は加算器
１９及び減算器２１を素通りして第２の信号メモリ２２
に格納される。

【００６８】第２回目のエコー信号ａ_D が入力すると、
加算器１９は今回のエコー信号と前回（１回目）のエコ
ー信号とを加算して、加算エコー信号を作成する。しか
し、平均回数Ｎａ＞２の場合は、まだ、第１の信号メモ
リ１８の読出アドレスＲＡ₁が指定する領域１８ａの各
アドレスに何も記憶されていないので、加算エコー信号
は減算器２１を素通りして第２の信号メモリ２２に格納
される。

【００６９】このように、平均回数Ｎａ個のエコー信号
ａ_D が入力されるまでは、第２の信号メモリ２２にエコ
ー信号が順次加算されていく。そして、平均回数Ｎａ以
上のエコー信号ａ_D が入力されると、新規に入力したエ
コー信号ａ_D からＮａ個前に入力したエコー信号が読出
されて減算器２１へ送出される。

【００７０】すなわち、第２の信号メモリ２２に記憶さ
れている加算エコー信号ａ_D1は新規のエコー信号ａ_D が
入力されると、この新規のエコー信号ａ_D が加算され、
Ｎａ個前のエコー信号ａ_D が減算される。したがって、
第２の信号メモリ２２は常時最新のＮａ個のエコー信号
を加算した加算エコー信号ａ_D1を記憶する。

【００７１】よって、除算器２４からは、最新のＮａ個
のエコー信号を平均化したエコー信号ａ_D2が出力され
る。そして、この同期加算平均化回路１０ａから平均化
したアナログのエコー信号ａ₁ が出力される。

【００７２】なお、他方のエコー信号ｂを平均化する同
期加算平均化回路１０ｂも上述したエコー信号ａに対す
る同期加算平均化回路１０ａと同一構成である。このよ
うな構成の同期加算平均化回路１０ａ，１０ｂを採用す
ることによって、超音波送受信部９ａ，９ｂからから出
力される各エコー信号ａ，ｂのＳ／Ｎが上昇する。すな
わち、例えば管体５を軸方向に移動させながらオンライ
ン検査する場合に、超音波送受信部に起因する電気雑音
や管体５の材料の結晶粒界や表面構造に起因する雑音を
除去できる。

【００７３】また、前述したように管体５が、鋼板を走
行させながら丸め、その突き合わせ部を連続溶接して製
造された電縫管においては、溶接部６が管体５の軸方向
に沿って形成されるので、例えば図２（ａ）（ｂ）
（ｃ）に示すような内周面の同一種類の溶接形状は管体
５の軸方向に一定長以上継続する。しかし、前記溶接に
関係しない一般的な欠陥は上述した溶接部形に比較して
短い。

【００７４】したがって、エコー信号ａ，ｂを平均化す
ることによって、欠陥に起因するエコーの割合を小さく
して、溶接部形に起因するエコーをのみを高いＳ／Ｎで
検出できる。

【００７５】図５は平均回数Ｎａを４に設定した場合に
おける、同期加算平均化回路１０ａへ入力前の各エコー
信号ａの波形と、同期加算平均化回路１０ａにて平均化
されたエコー信号ａ₁ の波形との比較を示す実測図であ
る、図示するように、平均化されたエコー信号ａ₁ にお
けるエコーのＳ／Ｎが大幅に向上していることが理解で
きる。

【００７６】なお、平均回数Ｎａは、第１の書込アドレ
スカウンタ２０ａ及び第１の読出アドレスカウンタ２０
ｂのカウント値ＷＡ₁ ，ＲＡ₁ の関係を適宜設定するこ
とによって簡単に変更できる。

【００７７】なお、実施例装置においては、この各同期
加算平均化回路１０ａ，１０ｂにおけるエコー信号ａ，
ｂの平均回数Ｎａは、溶接に起因しない欠陥の軸方向長
さ等を考慮して、Ｎａ＝１２８回に設定している。

【００７８】このことは、管体５の走行速度が１ｍ／ｓ
で超音波パルスＰａ，Ｐｂのｃ送波周期Ｔ₀ が１ｍｓで
あるから、管体５における軸方向の１２８ｍｍ分の平均
に相当する。この程度の平均回数でも、内周面の溶接部
６の溶接形状は殆ど変化しないで、得られるエコー信号
ａ，ｂに含まれるエコー高さＥは減少しない。

【００７９】これに対して、管体５における欠陥の軸方
向長さは、長くても２０ｍｍ程度である。したがって、
１２８ｍｍの長さに亘って平均化すると、この欠陥に起
因するエコー高さの平均値が大幅に低下する。すなわ
ち、エコー信号ａ，ｂから欠陥に起因するエコーを除去
でき、溶接形状に起因するエコーのみを高いＳ／Ｎで抽
出できる。特に、電気性雑音に対しては、Ｓ／Ｎを１２
８^1/2 （約２１ｄＢ）向上させることができるため、溶
接部のわずかな段差を検出できる。

【００８０】図１０は本発明の他の実施例に係わる管内
形状検査装置の概略構成を示すブロック図である。図１
に示す実施例装置と同一部分には同一符号が付してあ
る。したがって、重複する部分の詳細説明は省略されて
いる。

【００８１】この実施例装置においては、ゲート回路１
１ａから出力されたエコー信号ａ₂はエコー高さ検出回
路４１ａ及びビーム路程検出回路４２ａへ入力される。
同様に、ゲート路１１ｂから出力されたエコー信号ａ₃
はエコー高さ検出回路４１ｂ及びビーム路程検出回路４
２ｂへ入力される。

【００８２】さらに、ゲート回路１１ｃから出力された
エコー信号ｂ₂ はエコー高さ検出回路４１ｃ及びビーム
路程検出回路４２ｃへ入力される。ゲート回路１１ｄか
ら出力されたエコー信号ｂ₃ はエコー高さ検出回路４１
ｄ及びビーム路程検出回路４２ｄへ入力される。

【００８３】各エコー高さ検出回路４１ａ〜４１ｄは入
力したエコー信号ａ₂ ，ａ₃ ，ｂ₂，ｂ₃ に閥値以上の
エコーが含まれるか否かを判断して、含まれる場合はそ
のエコーの高さＥを測定して、次の内面形状特定部４３
へ送出する。また、各ビーム路程検出回路４２ａ〜４２
ｄは、図１１に示すように、入力したエコー信号ａ₂，
ａ₃ ，ｂ₂ ，ｂ₃ にエコーが含まれていた場合に、エコ
ーａ，ｂの管体５に対する超音波パルスＰａ，Ｐｂの入
射時刻からエコーの立上がり時刻までの時間Ｔａ，Ｔｂ
を測定して、超音波パルスＰａ，Ｐｂのビーム路程Ｌ
₁ ，Ｌ₂ を算出する。算出したビーム路程Ｌ₁ ，Ｌ₂ は
次の内面形状特定部４３へ送出される。

【００８４】したがって、上記各エコー高さ検出回路４
１ａ〜４１ｄ及び各ビーム路程検出回路４２ａ〜４２ｄ
はエコー検出回路を構成する。次に、内面形状特定部４
３の動作を図１１及び図１２を用いて説明する。

【００８５】先ず、内面形状特定部４３は各エコー高さ
検出回路４１ａ〜４１ｄから受領したエコー検出有無情
報の組合わせ基づいて前述した組合せテーブル１４から
溶接形状の種類を特定する。次に、各エコー高さ検出回
路４１ａ〜４１ｄから受領した各エコー高さＥから溶接
形状の各半径方向寸法ｄを算出する。

【００８６】さらに、内面形状特定部４３は各ビーム路
程検出回路４２ａ〜４２ｄから受領した各ビーム路程Ｌ
から溶接形状の周方向寸法Ｌｓを算出する。すなわち、
図１２に示すように、エコーが生じた傾斜面は、超音波
パルスＰａ，Ｐｂの入射点を中心にビーム路程Ｌの半径
の円弧と管体５の内周面の交点に存在すると見なすこと
が可能である。各斜角探触子７ａ，７ｂと溶接部６の中
心線との間の距離及び管体５の厚みｔは既知であるの
で、前記傾斜面の位置、すなわち周方向位置が特定され
る。溶接波形の両端に存在する傾斜面の位置が特定され
れば、溶接波形の周方向寸法Ｌｓが算出される。

【００８７】例えば、図１２に示す２番目の組合わせ種
類に対応する矩形状の溶接形状の場合は、各エコー信号
ａ，ｂは図１１に示すように、エコー信号ａ₃ ，ｂ₃ の
みにそれぞれエコーが存在する。そして、各エコー高さ
Ｅ_R ，Ｅ_L が、溶接形状の両端位置における半径方向寸
法ｄ_R ，ｄ_L となる。また、各エコーにおける各ビーム
路程Ｌ₁ ，Ｌ₂ から溶接波形の周方向寸法Ｌｓが算出さ
れる。

【００８８】そして、判定された溶接波形のパターン及
び算出された半径方向の各寸法ｄ_R，ｄ_L 及び周方向の
寸法Ｌｓが図示しないＣＲＴ表示装置にグラフィク表示
する。

【００８９】このように構成された管内形状検査装置で
あれば、管体５の内周面における溶接形状の種類（パー
タン）のみならず、この溶接形状の各寸法も把握でき
る。したがって、この定量データをビード切削機に帰還
させることにより、ビード切削機がより緻密に制御で
き、管体５の内周面に存在する溶接に起因する僅かな凹
凸も見逃さずにより平坦にヒード切削できる。よって、
製造された管体５の歩留まり及び品質を向上できる。

【００９０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の管内形状検
査装置によれば、一対の斜角探触子を溶接部を挟んだ対
向位置に配設して、内周面に露出した溶接部に対して超
音波パルスを送波し、露出した凹凸に起因するエコーを
受波している。そして、エコー信号に含まれるエコーの
位置，エコー高さ、ビーム路程等を用いて溶接形状のパ
ータン（種類），寸法等を検査している。

【００９１】したがって、小径サイズの管体への適用が
可能であり、かつビード切削機の近傍に設置可能であ
り、かつ低い製造費用でもって、内周面における溶接部
の形状を確実にかつ正確に検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係わる管内形状検査装置
の概略構成を示すブロック図。

【図２】 溶接作業に起因して管体の内周面に生じる溶
接形状及び各溶接形状にて超音波パルスが反射される状
態を示す模式図。

【図３】 同実施例装置におけるエコー信号とゲート回
路の測定期間との関係を示す図。

【図４】 同実施例装置に組込まれた同期加算平均化回
路の概略構成を示すプロック図。

【図５】 同同期加算平均化回路の平均化動作を示すエ
コー波形図。

【図６】 同実施例装置内に記憶された組合せテーブル
を示す図。

【図７】 溶接形状とエコー信号波形との関係を示す
図。

【図８】 同じく溶接形状とエコー信号波形との関係を
示す図。

【図９】 同実施例装置における溶接形状の半径方向寸
法の測定原理及び実測値を示す図。

【図１０】 本発明の他の実施例に係わる管内形状検査
装置の概略構成を示すブロック図。

【図１１】 同実施例装置にて測定されたエコー信号波
形図。

【図１２】 同実施例装置における溶接形状の周方向寸
法の測定原理を示す図。

【図１３】 従来の管内形状測定手法を示す模式図。

【図１４】 同じく従来の管内形状測定手法を示す模式
図。

【符号の説明】

５…管体．６…溶接部、７ａ，７ｂ…斜角探触子、９
ａ，９ｂ…超音波送受信部、１０ａ，１０ｂ…同期加算
平均回路、１１ａ〜１１ｄ…ゲート回路、１２ａ〜１２
ｄ…エコー検出回路、１３，４３…内面形状特定部、１
４…組合せテーブル、１６…Ａ／Ｄ変換器、１７，２５
…ＦＩＦＯ型レジスタ、１８…第１の信号メモリ、１９
…加算器、２１…減算器、２２…第２の信号メモリ、２
６…Ｄ／Ａ変換器、４１ａ〜４１ｄ…エコー高さ検出回
路、４２ａ〜４２ｄ…エコー高さ検出回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中沢 晋 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−164540（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−151553（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−281045（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−28612（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−70706（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−80183（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 17/00 - 17/04 G01N 29/10

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 管体の外周面上における溶接部を挟んだ
   対向位置に配設され、内周面に露出した溶接部方向へ超
   音波パルスを送波し反射波を受波する一対の斜角探触子
   と、この各斜角探触子に対して一定周期で送信パルスを
   印加しかつエコー信号を受信する一対の超音波送受信部
   と、この受信されたエコー信号を複数周期に亘って平均
   化する一対の同期加算平均化手段と、この平均化された
   エコー信号における互いに異なる測定期間を指定する複
   数のゲート手段と、この指定された測定期間に含まれる
   前記内周面の溶接部に起因するエコーを検出する複数の
   エコー検出手段と、この検出され各エコーに基づいて内
   周面の溶接形状を特定する内面形状特定部とを備えた管
   内形状検査装置。
2. 【請求項２】 前記内面形状特定部は、前記各エコー検
   出手段におけるエコー検出有無情報の組合せに基づいて
   前記溶接形状の種類を判定する溶接形状種類判定手段を
   有することを特徴とする請求項１記載の管内形状検査装
   置。
3. 【請求項３】 前記内面形状特定部は、前記各エコー検
   出手段にて検出されたエコーのエコー高さより前記溶接
   形状の半径方向寸法を算出する半径方向寸法算出手段を
   有することを特徴とする請求項２記載の管内形状検査装
   置。
4. 【請求項４】 前記各エコー検出手段は検出したエコー
   までの前記超音波パルスのビーム路程を検出するビーム
   路程検出手段を有し、 前記内面形状特定部は、前記検出された各ビーム路程よ
   り前記溶接形状の周方向寸法を算出する周方向寸法算出
   手段を有することを特徴とする請求項３記載の管内形状
   検査装置。
5. 【請求項５】 前記同期加算平均化手段は、前記超音波
   送受信部にて受信されたエコー信号をデジタルのエコー
   信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、このＡ／Ｄ変換手段
   から順次出力されるエコー信号を常に最新の所定個数記
   憶する第１の信号メモリと、加算された１個の加算エコ
   ー信号を記憶する第２の信号メモリと、前記第１の信号
   メモリにおける最新のエコー信号から規定個数先に書込
   まれれたエコー信号を読出す信号読出手段と、前記Ａ／
   Ｄ変換手段から順次出力されるエコー信号と前記第２の
   信号メモリから読出された加算エコー信号とを加算する
   加算部と、この加算部から出力された加算エコー信号か
   ら前記信号読出手段にて読出された１個のエコー信号を
   減算する減算部と、この減算部から出力された加算エコ
   ー信号を前記第２の信号メモリへ新たな加算エコー信号
   として書込む加算エコー信号更新手段と、前記減算部か
   ら出力された加算エコー信号を除算して平均化されたエ
   コー信号を得る除算部と、この平均化されたエコー信号
   をアナログのエコー信号に変換するＤ／Ａ変換手段とで
   構成されたことを特徴とする請求項１記載の管内形状検
   査装置。