JP2952851B1 - 超音波探触子による配管診断方法と装置 - Google Patents
超音波探触子による配管診断方法と装置Info
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Abstract
ことにより、従来の方法では正確に測定できなかった点
の測定を可能にし、測定精度の向上を図る。測定対象物
の形状変化に対する柔軟性を向上させる。探触子と被検
査面の間に作用する接触力を制御し、探触子の破損を防
止する。 【解決手段】肉厚測定用の超音波探触子を搭載したスラ
イダを円環状のレール上に配置し、超音波エコーを用い
て配管の肉厚を測定する。接触状態が不良と判定された
個所につき、スライダをその位置に移動して、超音波探
触子の姿勢を変化させ、超音波エコーの特徴量を抽出し
て姿勢を再調節し、不良個所について肉厚の測定を行
う。
Description
構を有する配管診断装置を用いた超音波パルス反射法に
よる配管の肉厚測定技術に関する。すなわち、得られる
超音波反射エコーの特徴量を用いて超音波探触子の接触
角度の制御、及び超音波探触子の変位量による接触力の
制御をそれぞれ行い、より正確な配管肉厚測定を行うた
めの技術を提供する。
法として、配管の外側に探触子を接触させて行う方法は
すでに周知である。パルス反射式直接接触垂直法を行う
場合、超音波探触子は被検査物に対して垂直に接触して
いる必要があり、その判断は現在のところ検査者の経験
や技量に委ねられているところが大きく、正確さに欠け
るという欠点がある。
配管メンテナンスロボット」やその他の超音波探触子を
用いて検査を行うロボット及び装置は、探触子の姿勢調
節機能を持ち合わせていないので、ロボット及び装置の
配管に対する姿勢(設置状態)によっては探触子が配管
に対して垂直に接触せず、検査精度がロボット及び装置
の設置の正確さに左右されることになる。
号、論文No.96−0794には、曲面溶射材の超音
波試験における探触子の姿勢制御を、得られるエコー高
さを用いて行う技術が記載されているが、水侵法による
ものであるため、建築設備配管の検査への導入は困難で
ある。特開平4ー53543号「超音波診断装置」に
は、測定対象物の表面形状に合わせて探触子又はプロー
ブの姿勢を変化させる方法が記載されているが、対象物
の形状を予め把握し、それによって求められる探触子の
傾き角度をシステムに入力して探触子の姿勢調節を行う
方法であるため、この方法をパルス反射式直接接触垂直
法による配管肉厚測定に応用しようとした場合、診断装
置の設置誤差や、配管表面の凹凸など把握した形状と実
際の形状との誤差等に対応できない。また、対象物が変
化した場合への柔軟性に欠ける。
に接触する探触子の姿勢を修正することにより、従来の
方法では正確に測定できなかった点の測定を可能にし、
測定精度の向上を図ることにある。本発明の他の目的
は、測定対象物の形状変化に対する検査・診断の柔軟性
を向上させることにある。本発明のさらに他の目的は、
探触子と被検査面の間に作用する接触力を制御すること
により、探触子に過大な力が作用するのを防止し、探触
子の破損を防止することにある。
ため、本発明はその第1の態様において、配管の外側か
ら肉厚を測定する配管診断方法であって、肉厚測定用の
超音波探触子を搭載したスライダを円環状のレール上に
配置し、配管の外周に沿って前記レールを同心円状に取
り付け、超音波探触子の先端を配管表面に接触させ超音
波エコーを用いて配管の肉厚を測定し、前記スライダを
前記レール上を一定の角度間隔で360°にわたって移
動させながら配管の肉厚測定を行い、各測定個所につき
前記超音波探触子から発せられた超音波パルスのエコー
に基づいて超音波探触子の先端と配管表面との接触状態
の良否を検出し、接触状態が不良と判定された個所につ
き、前記スライダをその位置へと移動し、前記レールの
姿勢をわずかに変化させ、超音波探触子の接触状態を再
調節して不良個所の肉厚測定を行うことを特徴とする配
管診断方法を提供する。
所に移動した後、超音波探触子を一定角速度で姿勢を変
化させ、同時に超音波エコーの特徴量を抽出してその極
値から探触子の姿勢を調節し、不良個所再測定前の姿勢
を確定させるようにする。
特徴量として、超音波探触子の傾き角の変化に対して単
調に変化する第2ピークが観測される時間に基づいて探
触子の先端と配管表面との接触状態の良否を判定し、探
触子が配管に接触した状態を保ちながら配管表面に対す
る探触子の姿勢を再調節するようにする。
側から肉厚を測定する配管診断装置であって、配管の外
周に取り付けられる架台と、配管の外周に沿って同心円
状に配置される円環状のレールと、前記レールを前記架
台上に支持して位置決めする伸縮式の複数のリンクと、
肉厚測定用の超音波探触子を搭載し前記レールの半径方
向に伸縮して超音波探触子を配管表面に接触離反させる
ためのエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタを搭
載し前記レール上を全周にわたって移動可能なスライダ
と、前記超音波探触子から発せられた超音波パルスのエ
コーに基づいて配管の肉厚を測定すると共に超音波探触
子の先端と配管表面との接触状態の良否を検出する計測
システムと、前記計測システムの検出結果に基づいて前
記レール上の超音波探触子の接触状態を調整する制御シ
ステムとを備えた配管診断装置を提供する。この制御シ
ステムは、超音波探触子と配管表面との間に作用する接
触力の大きさとエンドエフェクタの変位との関係を用い
て、エンドエフェクタの伸縮により超音波探触子の接触
力を調整するようになっている。
がレール上を一周する間に配管の外周との間隔を測定す
るリニアポテンショメータと、超音波探触子と配管との
接触力を検出する力センサとを有する。
本の直動リンクから成り、架台やレールを含めた全体で
パラレルリンク機構を構成し、各リンクの伸縮により円
環状のレール(リングパーム)を配管上の測定位置に設
置する。レール上を直動リンク及び超音波探触子を搭載
したスライダが360°移動し、配管の肉厚測定を行
う。最初にリングパームの位置、姿勢調節を行い、超音
波探触子が理論上はどの測定点においても配管表面に対
して垂直となるようにし、超音波探触子により360°
にわたって肉厚測定を行う。その後測定不良個所におい
て超音波探触子の姿勢調節を行って補充測定を実施す
る。
のリンクを動かして、探触子と配管面の接触点を中心と
して、一定角速度でレールの姿勢を変化させ、同時にエ
コーの特徴量を抽出して、その極値を探索することによ
り探触子の姿勢を調節する。この際、はじめに配管の軸
線方向と平行な向き(Y軸まわり)について姿勢調節を
行い、次に配管の軸線方向に垂直な向き(X軸まわり)
について姿勢調節を行って姿勢を確定させることが望ま
しい。
タ(手先効果器)に支持されており、超音波モータで駆
動されて配管表面に接触離反する。探触子の接触力制御
は、エンドエフェクタの変位に対する、探触子と配管表
面との間に作用する接触力の大きさとの関係を利用し
て、エンドエフェクタの位置制御によって行う。
ンピュータシステムは、2つのCPUにより管理された
2つのシステムから構成される。CPUはデュアルポー
トRAM(DPRAM)を読み書きすることによってデ
ータの通信を行う。
うためのシステムであり、モータ制御用ドライバ、A/
D・D/A変換ボード、PIOボード、カウンタボード
などから成る。
れるエコーデータから姿勢調節パラメータを抽出・監視
して探触子の目標姿勢角速度の更新の判断を行い、超音
波探触子の先端と配管表面との接触状態の良否を検出
し、さらに姿勢調節後のエコーデータから配管の肉厚を
測定し記憶するためのシステムであり、超音波探触子、
超音波探傷器(パルサーレシーバ)、デジタルストレー
ジオシロスコープ、GPIBボード等から成る。
位置・姿勢設定誤差や配管面の凹凸等により測定できな
かった点の測定を可能にすると共に、測定精度の向上が
図れる (2)姿勢を修正する方法として、得られる超音波エコ
ーの情報を用いることにより、測定点における法線方向
の把握が不要となり、測定対象物の形状変化に対する検
査の柔軟性が向上する (3)探触子と被検査面の間に作用する接触力を制御す
ることにより、探触子に過大な力が作用することがな
く、探触子の破損防止が図れる、などの利点が得られ
る。
触子の姿勢調節技術は、被検査物を配管に限らず直接接
触垂直法を用いるあらゆる超音波探傷試験に応用が可能
である。また、単調変化し極値を持つような情報を元
に、センサと測定対象物との相対的な位置(角度)関係
を推定する本技術は、一例として、指向性マイクを回転
させ、検知される音圧レベルが極大となる方向にマイク
の方向を収束させることにより、マイクから見た音源の
方向を推定するというような技術に応用できる。以下、
添付図面の実施形態を参照しながら、本発明について詳
述する。
管診断装置の動作部分を表している。図において、診断
対象である配管のエルボー部分10の外周に沿って円環
状のレール(好ましくは2つ割り)12が配置され、レ
ール12は配管の外周に取り付けられた架台11から延
伸する6本の直動リンク13a〜13fによって支持さ
れている。各リンク内には超音波モータが内蔵され、制
御システムからの指令によって所定の長さに調節可能と
なっている。これらの直動リンク13a〜13fは、架
台11及びレール12と共にパラレルリンク機構20を
構成している。
エンドエフェクタ23を搭載したスライダ14は、レー
ル(リングパーム)12上を全周にわたって移動可能で
あり、探触子15はエンドエフェクタ23の超音波モー
タ22によってエルボー管10へと前進後退し肉厚測定
のための接触離反が可能になっている。エンドエフェク
タ23に隣接してリニアポテンショメータ21がスライ
ダ14上に搭載されている。リニアポテンショメータ2
1はスライダ14がレール12上を一周する間にエルボ
ー管10の外周との間隔を測定し、そのデータを基に、
レール12をエルボー管10に対して同心円状に配置す
るためのレールの位置、姿勢調節を行う。探触子15と
エルボー管10との接触力は力センサ24で検出され
る。
すような計測システム31と制御システム32を包含し
ている。計測システム31は、超音波探触子15により
受信される超音波エコーに基づいて姿勢調節パラメータ
を抽出・監視して接触状態の良否の判断、及び接触状態
不良の場合の超音波探触子15の姿勢調節における目標
姿勢角速度更新の判断、さらに、配管肉厚の検出を行
う。前述したように、計測システム31は、超音波探触
子15、超音波探傷器(パルサーレシーバ)、デジタル
ストレージオシロスコープ、GPIBボード等から成
る。制御システム32は、計測システム31の検出結果
に基づいてレール12上の超音波探触子15の接触状態
を調節する働きを行うものであり、前述したようにモー
タ制御用ドライバ、A/D・D/A変換ボード、PIO
ボード、カウンタボードなどから成る。
て、詳述する。まず、測定対象となる配管はあらかじめ
保温材を取り除き配管の表面処理を済ませておく。本発
明の配管診断装置を配管に設置し、配管診断装置はその
位置(配管に対する自身の相対位置)をセンサ等により
認識する。配管診断装置全体の移動は別個の移動装置も
しくは人力によって行う。
置の近くに設置する。 (1)測定位置(測定する断面の位置)、測定密度(配
管一周の角度分解数)を計測システムに入力する (2)入力された測定位置から、その位置における配管
断面の中心位置及びリングパームの姿勢を算出する (3)2で求めたリングパーム中心の位置・姿勢におけ
る各リンクの長さを求める (4)各リンク長さをPID制御によって3で求めた長
さにする
整をする (1)スライダを回転させ、10°毎に計36点でリニ
アポテンショメータの出力を読み込む (2)1のデータをリングパーム中心と配管表面間の距
離に換算する (3)2の各値と配管表面の式より、最小自乗法を用い
てリングパームの位置・姿勢を表すパラメータを推定す
る (4)推定した位置・姿勢から各リンク長さを求める (5)現在のリンク長さとの差を求め、各リンク長さを
調整する (6)1〜5を、リングパームと配管測定断面との位置
・姿勢の偏差が予め設定した値より小さくなるまで繰り
返す
表面に接触させる (2)配管表面で反射されたエコー(表面エコー)を取
得し、探触子の接触状態の良否を判定する (3)接触状態が良い場合、配管内面からのエコーデー
タを取得する (4)エンドエフェクタにより、超音波探触子を配管表
面から離して、スライダにより超音波探触子を次の測定
点に移動する (5)1〜4を全測定点について行う
た測定点について、探触子姿勢の微調整を行う (1)姿勢調整前の各リンク長さを初期長さとして記録
する (2)スライダにより、接触状態が適切でなかった測定
点に移動する (3)エンドエフェクタにより探触子を配管表面に接触
させる (4)探触子のY軸周りの姿勢を修正する (5)探触子のX軸周りの姿勢を修正する (6)表面エコーから接触状態の良否を判定し、悪い場
合は4から再度行う (7)配管内面からのエコーデータを測定する (8)エンドエフェクタにより探触子を配管表面から離
し、各リンク長さを初期長さに戻す (9)2〜8を、接触状態が適切でなかった全ての測定
点について行う
て、パルス反射式直接接触垂直法を行う場合、超音波探
触子は被検査物に対して垂直に接触している必要があ
り、その判断は現在のところ検査者の経験や技量に委ね
られているところが大きい。本発明では、探触子の姿勢
と密接な関係がある超音波パルスの反射波(エコー)、
なかでも被検査物の表面からのエコー(表面エコー)か
ら得られる情報を元に、探触子の姿勢を微調整する点に
特徴を有する。
れる反射波は、被検査面からの表面エコー、裏面からの
エコー、欠陥面からのエコー、及び多重反射エコーであ
る。探触子が被検査物に対して垂直に接している状態か
ら、探触子を徐々に傾けていった場合、表面エコーは図
5のように、高さが小さくなり時間遅れの方向に移動す
るように変化する。図5において、探触子下側と被検査
物との間にはカップラント材が充填される。高さが小さ
くなることに関しては、図6左図のように探触子が傾く
ことにより、超音波パルスが配管表面に対してある角度
を持って入射し、同じ角度で反射することにより、探触
子で受信されるエコーのエネルギが減少することによっ
て起こる。また、エコーが観測される時間が変化するの
は、図6右図のように探触子が傾くことにより、探触子
と被検査面との間に間隔を生じてエコー伝播距離が増加
し、その分エコーが観測される時間が遅れるために起こ
る。このような理由から、これら2つの特徴量は探触子
傾き角の変化に対して単調に変化し、探触子が配管表面
に対して垂直に接している時点で極値をとる。この変化
を利用して、探触子の接触角度の良否を判定し、また探
触子が傾いている場合の姿勢調節を行う。本発明では、
表面エコーの観測時間を『姿勢調節パラメータ』と称す
る。
測時間は、探触子の傾き角の変化に対して単調に変化す
る第2ピーク(図7)が観測される時間とする。一例と
して、X軸周りの傾き角を固定した場合のY軸周りの傾
き角の変化に対する第2ピークの時間の変化を図8に、
及びその逆で、Y軸周りの傾き角を固定した場合のX軸
周りの傾き角の変化に対する第2ピークの時間の変化を
図9にそれぞれ示す。これらから、傾き角の変化に対し
て単調変化していることが分かる。
子姿勢を変化させ、その間に姿勢調節パラメータを一定
時間間隔で取得する。姿勢調節パラメータが1サンプリ
ング前の値より大きくなったら、探触子が被検査面に垂
直となる姿勢を超えたと判断し、角速度の向きを反転
し、大きさを1/2にして、同様の作業を繰り返す。最
終的にパラメータの変化が、予め設定したしきい値より
も小さくなった時点で、パラメータが極値に収束したと
判断し、調節を終了する。
自由度について調節を行う必要があるが、姿勢調節パラ
メータの変化がどちらの角度変化によるものなのかを判
断するのは困難なので、2自由度を順に調節する。さら
に、調節順序は図11において、(1)Y軸周り(配管
軸方向と平行の向き)、(2)X軸周り(配管軸方向に
垂直の向き)とする。
変化に対する姿勢調節パラメータの変化量が大きいた
め、X軸周りと比較してパラメータを極値に収束させや
すいので、先に調節してしまう。片方の姿勢の自由度が
調節し終わることにより、もう片方の姿勢の自由度の調
節においては、探触子姿勢が配管法線方向と一致してい
るときの表面エコーから得られるパラメータを目標値と
して与えることができるので、変化が比較的小さくても
調節を行うことができるからである。
いている方向の判断は、エンドエフェクタに搭載されて
いる6軸の力センサ(ストレインゲージ式)24を用い
て、探触子に対する、探触子と配管表面との間に作用す
る接触力の方向により行う。
により行う。探触子の目標姿勢角における各リンク長さ
を、ロボット技術に関して周知の、逆運動学問題を解く
ことによって求め、それを各リンク長さの目標値とし
て、各リンクに搭載された超音波モータによりPID制
御によって長さの制御を行う。姿勢制御のブロック線図
を図12に示す。
の姿勢制御を行うためには、探触子が常に配管表面に接
している必要があり、そのために姿勢制御と共に探触子
と配管面との接触力の制御を行う。
偏差をエンドエフェクタの変位に変換して、エンドエフ
ェクタの位置制御のみにより力の制御を行うものとす
る。そのために、予め図13のようにエンドエフェクタ
の変位とその際に接点に生ずる接触力との関係を求め
た。探触子を配管に押し付ける場合と探触子を配管から
離す場合について測定し、得られた校正式を用いて、接
触力の目標値との偏差からエンドエフェクタの変位量を
求め、エンドエフェクタの位置制御により力制御を実現
する。図14に力制御のブロック線図を示す。
位時間で積分して角度変位とし、それを目標姿勢にして
姿勢制御を行う。この単位時間を姿勢制御の周期とし、
1周期毎に接触力の大きさを検出し、接触力が許容範囲
を超えているとき力制御を行う。そして次ステップの目
標姿勢を与えて同様の過程を繰り返す。
(人工腐食)を施したエルボー管(150A)の肉厚測
定を行った。人工傷はエルボー管内に図15に示すよう
な配置で機械加工により施した。配管の全周を1度毎に
測定し、その際に測定できなかった点(制御対象点)に
対し、前述の探触子姿勢制御を行った結果、全測定点の
97%以上の点で測定可能となった。図16に、人工傷
による腐食配管断面と肉厚測定断面の結果を示す。両者
の描く曲線がかなり近似した結果が得られることが判明
した。
診断方法によれば、配管に接触する探触子の姿勢を修正
することにより、従来の方法では正確に測定できなかっ
た点の測定が可能になり測定精度の向上を図ることがで
き、測定対象物の形状変化に対する検査・診断の柔軟性
を向上させることができる。さらに、探触子と被検査面
の間に作用する接触力を制御することにより、探触子に
過大な力が作用するのを防止し、探触子の破損を防止す
ることができる等、その技術的効果には極めて顕著なも
のがある。
である。
である。
線図である。
ある。
略図である。
である。
である。
時間変化のグラフである。
時間変化のグラフである。
する状態の概略図である。
表す斜視図である。
すグラフである。
ある。
Claims (5)
- 【請求項1】 配管の外側から肉厚を測定する配管診断
方法であって、 肉厚測定用の超音波探触子を搭載したスライダを円環状
のレール上に配置し、 配管の外周に沿って前記レールを同心円状に取り付け、 超音波探触子の先端を配管表面に接触させ超音波エコー
を用いて配管の肉厚を測定し、 前記スライダを前記レール上を一定の角度間隔で360
°にわたって移動させながら配管の肉厚測定を行い、 各測定個所につき前記超音波探触子から発せられた超音
波パルスのエコーに基づいて超音波探触子の先端と配管
表面との接触状態の良否を検出し、 接触状態が不良と判定された個所につき、前記スライダ
をその位置へと移動し、前記レールの姿勢をわずかに変
化させ、超音波探触子の接触状態を再調節して不良個所
の肉厚測定を行うことを特徴とする配管診断方法。 - 【請求項2】 前記スライダを測定不良個所に移動した
後、超音波探触子を一定角速度で姿勢を変化させ、同時
に超音波エコーの特徴量を抽出してその極値から超音波
探触子の姿勢を調節し、不良個所再測定前の姿勢を確定
させることを特徴とする請求項1記載の配管診断方法。 - 【請求項3】 前記超音波エコーの特徴量として、超音
波探触子の傾き角の変化に対して単調に変化する第2ピ
ークが観測される時間に基づいて超音波探触子の先端と
配管表面との接触状態の良否を判定し、超音波探触子が
配管に接触した状態を保ちながら配管表面に対する超音
波探触子の姿勢を再調節することを特徴とする請求項2
記載の配管診断方法。 - 【請求項4】 配管の外側から肉厚を測定する配管診断
装置であって、 配管の外周に取り付けられる架台と、 配管の外周に沿って同心円状に配置される円環状のレー
ルと、 前記レールを前記架台上に支持して位置決めする伸縮式
の複数のリンクと、 肉厚測定用の超音波探触子を搭載し前記レールの半径方
向に伸縮して超音波探触子を配管表面に接触離反させる
ためのエンドエフェクタと、 前記エンドエフェクタを搭載し前記レール上を全周にわ
たって移動可能なスライダと、 前記超音波探触子から発せられた超音波パルスのエコー
に基づいて配管の肉厚を測定すると共に超音波探触子の
先端と配管表面との接触状態の良否を検出する計測シス
テムと、 前記計測システムの検出結果に基づいて前記レール上の
超音波探触子の接触状態を調整する制御システムとを備
え、 前記制御システムは、超音波探触子と配管表面との間に
作用する接触力の大きさと前記エンドエフェクタの変位
との関係を用いて、前記エンドエフェクタの伸縮により
超音波探触子の接触力を調整するようになっていること
を特徴とする配管診断装置。 - 【請求項5】 前記スライダが前記レール上を一周する
間に配管の外周との間隔を測定するリニアポテンショメ
ータと、前記超音波探触子と配管との接触力を検出する
力センサとを有する請求項4記載の配管診断装置。
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