JP4263244B2 - 渦電流検査技術 - Google Patents

Description

本発明は、電気伝導性材料からなる物体を検査することに関する。明細書及び請求の範囲において、「物体の検査」なる用語は、物体の厚さの測定、物体の表面下の損傷のチェック、及び物体周囲の非伝導性材料からなる層の厚さの測定のような操作を意味する。物体としては、例えば容器の壁やパイプの壁が考えられる。
例えばスチール容器、パイプ又は導管の壁のような物体の有効厚さは、外部又は内部腐食により局所的に影響され得る。物体が絶縁材料からなる層を有している場合には、一般に目視検査による腐食検出は、絶縁材料を一時的に除去することになり、このための時間やコストも掛かる。
欧州特許明細書第３２１１１２号には、電気伝導性材料から成り近接表面を有する物体を検査するための装置が開示されており、該装置は、物体内に電磁場を発生するための非静的信号送信器と、非静的電磁場により発生された渦電流の変動を測定し且つ渦電流の減衰を表す信号を作るための受信器とを含む。
壁の厚さを求めるために、ある期間に亘る受信信号の減衰が、既知の壁厚を示す基準信号の減衰と比較される。
送信器は放出器コイルを含み、受信器は受信器コイルを含む。これらのコイルは、コアーの周りに巻かれ、通常動作中はコアーの中心の長手方向軸は物体表面に対して垂直である。
公知の装置を用いると、放出器コイルのサイズに匹敵するサイズの腐食スポットは検出できるが、コイルサイズに比較して相対的に小さいスポットは検出できないことが分かった。しかしながら、このような小さな腐食スポットは、局所的に壁厚を大きく減じ得る。さらに、このように小さなスポットのサイズは、例えばパイプとパイプを取り巻く絶縁層の間に液体の水が存在する場合には急速に成長し得る。
本発明の目的は、物体のさらに詳細な検査を可能にするため増強された分解能を有する装置を提供することである。
本発明の別の目的は、測定データを解釈して壁厚を求める改良された方法を提供することである。
この目的のため、本発明に従う電気伝導性材料からなる物体を検査するための装置の特徴は、非静的信号送信器が、横方向に一定の間隔だけ離れて配置され電磁場を放出するための少なくとも２つの放出器を含み、これらの放出器が、通常動作中、放出器間の中心領域で得られる電磁場が強化されるように駆動されることである。
中心領域内の電磁場を強化することにより、増大された密度を有する渦電流が、選択された小さな壁部分内で発生され、このようにして、渦電流がこの選択された壁部分にフォーカスされる。渦電流受信器手段は、より低い密度の渦電流、すなわち選択された壁部分の外側の渦電流の減衰を測定することなく、増大された密度を有する渦電流の減衰を測定するよう構成され得る。
次に、英国特許出願公報第２２２５８５６号を参照する。この公報は、隠れた固体バーの存在とその厚みを求めることに関する。この公報の図３から分かるように、バーを通って長手方向に通過する電磁場を作るのに、８の字状の放出器が用いられる。放出器の電気を切ると、バーの周囲に沿って回転する渦電流が発生される。この公報の方法では、バーの厚みは、回転する渦電流の減衰を解釈することにより求められる。バーを通して長手方向に通過する電磁場を発生する放出器の電気を切ると、上記回転する渦電流が発生される。８の字状の放出器を使用することにより感度は向上するが、この方法では、電磁場が通過するバーの断面サイズが小さくならず、よって、分解能は向上しない。従って、この公報は、本発明とは直接関係しない。
中心領域は、放出器間に配置され、適切には、放出器の中心間に配置される。
本発明の別の特徴によると、電気伝導性材料からなる物体の厚さを測定する方法が提供される。本発明による方法は、物体内にパルス渦電流を誘導する工程、渦電流の減衰を求めて減衰を表す信号を作る工程、及び該信号から物体の厚さを求める工程を含む。上記信号から物体の厚さを求める工程は、信号振幅の第１の大きさと、それより小さい第２の大きさを選択する工程、第１の大きさから第２の大きさまで信号が減衰する時間間隔の長さを測定する工程、及び時間間隔の長さから物体の厚さを求める工程を含む。
以下、本発明は例として添付図面を参照してさらに詳細に説明される。
図１は、本発明による装置の実施態様の斜視図を概略示す。
図２は、図１の装置の一部の横断面を拡大スケールにて示す。
図３は、図２に示された部分の上面図である。
図４は、本発明による装置の別の実施態様を概略示す。
図５は、本発明による装置の別の実施態様を概略示す。
図６は、本発明による装置の別の実施態様を概略示す。
図７は、両軸とも対数にて渦電流の減衰曲線を示す図である。
図８は、壁厚を求めるのに適用される線形較正曲線を示す。
図９は、減衰曲線上でのプローブと壁の間隔の効果を両軸とも対数にて示す図である。
以下の説明において、同様の参照番号は、同様のコンポーネントに関係する。
図１を参照すると、電気伝導性材料からなる物体を検査するためのプローブ１が示され、これは、例えば、壁２に腐食があることを検出するためにパイプ３の壁２の厚さを測定するプローブのようなものである。腐食は、壁２の外面又は内面に位置し得る。絶縁材料からなる層５は、該層５を取り囲む薄い金属スチールジャケット７により覆われ、パイプ３の周りに設けられる。プローブ１は、電気伝導性材料からなる物体を検査するための装置９を含み、これは、通常動作中、スチールジャケット７の外面に対して保持される。
次に、図２と図３を参照すると、電気伝導性材料からなる物体を検査するための装置９は、壁２の形態を為した物体中に非静的電磁場を発生するための非静的信号送信器（図示せず）と、非静的電磁場により発生される渦電流の変動を測定し且つ渦電流の減衰を表す信号を作るための受信器（図示せず）とを含む。
非静的信号送信器は、横方向に一定の間隔だけ離れて配置され電磁場を放出するための少なくとも２つの放出器を含み、これらは、第１放出器コイル１１及び第２放出器コイル１２の形態を為し、それらの中心長手方向軸１３及び１４の方向に対して横方向に一定の間隔だけ離れて夫々配置される。放出器コイル１１と１２の間には、相対的に小さなギャップ１６が存在する。通常動作中は、放出器コイルは、壁２の形態を為した物体の近接表面１７に対して平行に配置され、それにより、それらの中心長手方向軸１３及び１４は、近接表面１７に対して垂直となる。
送信器は、さらに放出器コイル１１及び１２の形態を為した放出器を駆動する手段（図示せず）を含む。
受信器は、壁２の形態を為した物体中において渦電流により発生された電磁場を受信するよう構成された少なくとも１つの受信器コイルを含み、この受信器コイルは、第１受信器コイル２０と第２受信器コイル２２の形態を為し、それぞれ中心長手方向軸２３と２４を有する。受信器コイル２０及び２２は同一であり、正方形の断面を有する。それらは、壁２の形態を為した物体の近接表面１７に対して実質的に平行に配置される。受信器コイル２０と２２の対は、対応する放出器コイル１１と１２の対に整列して配置される。すなわち、これらのコイルの中心長手方向軸１３と１４、及び２３と２４が、お互いに実質的に平行であり且つ同じ平面（図２の平面）内に延在する。受信器コイル２０と２２のサイズは、放出器コイル１１と１２のサイズよりも小さく、受信器コイル２０と２２の中心長手方向軸２３と２４は、放出器コイル１１と１２の中心長手方向軸１３と１４の間に延在する。受信器コイルの端末間の電圧が、物体内の渦電流の減衰を表す信号である。
通常動作中は、放出器コイル１１及び１２の形態を為した放出器は、放出器１１と１２の中心２５間の中心領域で得られる電磁場が強化されるように駆動される。中心領域は、参照番号２６で示される。このことは、放出器コイル中の電流方向が異なるように放出器コイル１１及び１２の各々に電流を流すことにより行われる。図３では、電流方向は、矢印Ａで示される。その結果、中心領域２６での電磁場は、強化される、すなわち、放出器コイル１１と１２間の領域ではより強く、中心領域２６の外側ではより弱くなる。従って、領域２７の外側よりも大きな電磁密度を有する領域２７が、物体２内に存在する。以下、電磁場の増大された密度を有する領域２７を、検出領域２７と称する。このようにして、より良い分解能が達成され、相対的に小さな腐食スポットが検出できる。
受信を改善するために、受信器コイル２０及び２２は、直列に接続され、ギャップ１６及び検出領域２７の両方に対向した側に配置される。
適切には、各放出器コイル１１及び１２の直径は、絶縁層５の厚さに実質的に等しい。例えば、７０ｍｍの絶縁厚さの場合、０．５ｍｍワイヤで２００回巻き且つ直径７０ｍｍの２つの放出器コイルが用いられる。
ギャップ１６は、腐食が検査されるパイプ３の壁２における検出領域２７に重なる。
図４には、別の実施態様が示されており、その放出器コイル４１及び４２の構成は、図２及び図３に示された放出器コイル１１及び１２の構成に類似している。しかしながら、放出器コイルの平面に対して平行な平面内に配置された２つの受信器コイルの代わりに、１つの受信器コイル４６のみ設けられる。受信器コイル４６は、放出器コイル４１と４２の間に配置され、その中心長手方向軸４７は、放出器コイル４１及び４２の中心長手方向軸４３及び４４に対して垂直に延在する。
図５を参照すると、第１対の放出器コイル５０と５２及び第２対の放出器コイル５４と５６を含む別のコイル構成が示されており、これらの対は、相互に垂直方向に配置される。矢印Ａは、放出器コイル５０、５２、５４及び５６内の電流の方向を示す。一方においては第１対の放出器コイル５０と５２が、他方においては第２対の放出器コイル５４と５６が、放出器コイル５０、５２、５４及び５６の間の選択された壁領域において増大された密度を有する渦電流を異なる方向に生じさせる。示された実施態様では、増大された密度を有する渦電流は、相互に垂直な方向に流れる。放出器コイルの各対は、対応する受信器コイルの対（図示せず）を備え、受信器コイルの各対は、同じタイプであり、図３に示されるような対応する放出器コイルと同様に配置される。この実施態様は、図３の実施態様に比べて、本装置が対象の壁領域により良くフォーカスされ、測定がより対称的であるという利点を有する。２対のコイルの代わりに、他の如何なる数の対のコイルでも、同様に適用できる。
図６を参照すると、本発明の別の実施態様が示されており、放出器コイル６０、６２、６４、６６、６８及び７０の中心５９が、物体（図示せず）の近接表面に垂直な平面内にある半円弧７１上に配置され、放出器コイル６０、６２、６４、６６、６８及び７０が、弧７１に垂直に配置される。このようにして、測定されるべき表面とは別の伝導表面からの影響が減じられる。
さらに別の実施態様では、強磁性材料からなる半円バー（図示せず）が、放出器コイル内部に配置される。
本発明の特徴は、横方向に一定の間隔だけ離れて配置された放出器が、放出器間の中心領域内で得られる電磁場が強化されるように駆動されることである。これまで、この効果は２つ、４つ又は６つの放出器コイルを用いて説明されてきたが、１つの放出器コイルのみでも同じ効果が達成できることが分かった。同じ効果を達成するために、横方向に一定の間隔だけ離れて配置された放出器は、物体の近接表面に実質的に平行なコイルと、物体の近接表面に実質的に垂直であり且つ強磁性材料からなるバーとを含む。別の実施態様では、横方向に一定の間隔だけ離れて配置された放出器は、物体の近接表面に実質的に平行であり且つ８の字上の形態を為した放出器コイルから成る。
次に、図２を参照する。適当な非静的信号は、パルスである。プローブ１の通常動作中は、パルス電流を生じさせ、放出器コイル１１及び１２内を互いに逆の回転方向に流す。各パルス時間Ｔの間、一定の電流が放出器コイル１１と１２を流れる。電流とそれに関連する電磁場が、パルスの立ち上がり及び立ち下がりエッジにおいてそれぞれオン及びオフされる。放出器コイル１１及び１２は、少なくとも幾つかの重磁場線（electromagnetic field lines）がジャケット７、絶縁層５及びスチールパイプ３の壁２を貫通するくらい十分に大きい。壁２内の電磁場線は、近接表面１７の近隣に主に集中される。電磁フラックスの変化は、電磁場がオン又はオフされるときに発生し、このフラックス変化は、外部表面７の近くのパイプ３の壁２中に渦電流を生じさせる。分離した放出器コイル１１及び１２から得られる渦電流は、壁２内で互いに反対の回転方向に流れ、それにより、増大した密度を有する渦電流が、ギャップ１６下のパイプ３の壁２における検出領域２７で生じる。発生された渦電流は、壁２を通って拡散し、外部表面７裏の壁２の内面により反射される。パルス持続時間Ｔは、典型的な拡散時間よりも長くなるように選択され、ステップ応答が測定されるのを保証する。パルス持続時間の範囲は、パイプ３の壁２の厚さに依存し、一般に５０から３００ｍｓの間である。
パルス渦電流は、深さ方向に（すなわち、内面に向かって）、及びそれ自身のループに対して径方向に（すなわち、渦電流ループ半径を増すべく外に向かって）拡散する。さらに、渦電流ループに沿った電荷の伝搬が生じる。拡散速度は、渦電流ループに沿った電荷伝搬速度より約１００倍大きい。このことは、ミラー電荷だけがループに沿って変位するのみで、渦電流は壁２を通って拡散して内面から反射できることを意味する。従って、検出領域２７内部での拡散は、検出領域２７外部での拡散と電流の流れに大きく依存しない。このことは、渦電流の一部のみ検知できる測定を行うことを可能にする。適切には、部分的なパルス渦電流測定のためのエレクトロニクス、放出器及び受信器コイルは、インピーダンスの変化が測定に影響しないように設計される。
受信器コイル２０及び２２は、放出器コイル１１及び１２よりも小さいサイズを有し、受信器コイル２０及び２２は、検出領域２７内を流れる渦電流の電磁場線に対してのみ検知できる。受信器コイル２０及び２２の巻き付け向きは、渦電流電磁場線に対する絶対プローブが作られるようなものとする。すなわち、受信器コイル２０及び２２内で電磁場線により引き起こされた電流がお互いに強め合うようにする。同時に、ノイズ（５０／６０Ｈｚ）に対する差動プローブが作られる。すなわち、受信器コイル内でノイズにより引き起こされた電流がお互いに打ち消し合う。典型的には、矩形受信器コイル２０及び２２は、３０ｍｍｘ３０ｍｍｘ２ｍｍのサイズを有し、０．１ｍｍワイヤの１００回巻きである。
図４、図５及び図６の代替実施態様の通常の使用は、図１乃至図３を参照して説明した装置の通常の使用と同様である。
渦電流の減衰を表す信号は、受信器コイル間の電圧であり、その振幅Ａ（単位はＶ（ボルト））は、電流及び関連電磁場がパルスの立下がりでオフされた後の時間の関数として評価される。図７は両軸とも対数で表され、６つの渦電流減衰曲線の振幅Ａ（単位Ｖ）が、時間ｔ（単位ｍｓ（ミリ秒））に対してプロットされる。渦電流減衰は、異なる厚さのスチール容器壁に適当な渦電流プローブを適用することにより得られる。曲線ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ及びｆは、それぞれ２，４，６，８，１０及び１２ｍｍの厚さを有する壁に対する減衰を示す。曲線の初めの部分は、両軸とも対数の図において直線に近づく。出願人は、渦電流が第１の値から第２の値に、例えば１Ｖから０．０５Ｖに減衰するのに経過する時間と壁厚さの間には線形な関係が存在することを発見した。この線形な関係は、本発明において未知の壁の厚さを測定するのに用いられる。
図７の曲線は、線形関係における定数を求めるのに用いられる。このために、渦電流が１Ｖから０．０５Ｖまで減衰するのに経過する時間の関数として、壁厚がプロットされたものが図８に示される。
図８では、図７の曲線が１Ｖから選択された大きさ０．０５Ｖまで減衰するまでに経過する時間ｔ_i（単位ｍｓ）と壁厚Ｗ_t（単位ｍｍ）間の実質的に線形な関係を示す。示された点は、図７の曲線ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｆに属する測定に対応する。関係式は、
Ｗ_t＝（ｔ_i−Ａ）／Ｂ
であり、ＡとＢは、図８の線形較正曲線から求められる較正定数である。
渦電流プローブは、透磁率、温度及び壁曲率の変動を補償するべくＡの大きさを調整することにより較正できる。既知の壁厚の場所における１回の測定は、Ａの大きさを見つけるのに重要である。Ｂの大きさにおける小さな変動は、壁厚の読み取りにおける約１０％（又は約１ｍｍ）の偏差を生じさせ得る。このような精度は、絶縁材料層の下の腐食を検出するには十分である。
次に図９を参照する。最後の送信器電流パルスの終了後の少なくとも初期周期時間の後では、渦電流受信器手段と電気伝導性材料からなる壁の間の間隔の効果は、例えば持ち上げ（lift-off）又は絶縁材料からなる層ゆえに、両軸とも対数で表した図においては曲線の垂直シフトを生じることが分かった。この効果は、８ｍｍ厚のスチール板に対する測定の場合が図８に示され、このスチール板は、１ｍｍアルミニウムジャケット、及びスチール板とアルミニウムジャケット間の絶縁層を備え、絶縁層は、曲線ｇ，ｈ，ｉ及びｊに対して夫々２０，４０，８０及び１００ｍｍの厚さを有する。曲線ｋは、絶縁層又はジャケットを有しないスチール板に対する測定に関する。
信号の振幅が、送信器電流パルスの終了後の例えば１０から２０ｍｓ間で選択された時間にて、好ましくは１５ｍｓにて第１の大きさ、例えば１Ｖを有するように、両軸とも対数で表された図における曲線を垂直方向にシフトさせることにより、測定における上記受信器と壁間の間隔が考慮される。このようにして該間隔を考慮に入れることにより、信号減衰曲線は共通の交点を有する。このことは、例えば図７に示され、最後のパルスの終了後の時間が１５ｍｓでのそれらの共通交点を有するように、信号減衰曲線が垂直方向にシフトされた。
絶縁層を取り囲むアルミニウムジャケットの効果は、電磁場がジャケットを貫通するときの振幅の変化と信号の遅延である。振幅変化は、壁厚の測定には影響しない。というのは、それらは曲線の交点（上記例では１５ｍｓ）を設定するのに用いられる振幅測定により補償されるからである。信号遅延は、ジャケット内で発生する渦電流の拡散を原因として起こる。しかしながら、遅延は、ジャケット材料に依存してほんの数ミリ秒であり、信号減衰曲線の傾斜は、ジャケットの存在によってはほとんど影響されない。遅延は、Ｂの大きさを調整することにより、例えば較正中にジャケットが存在することを保証することにより補償され得る。例えば重なり、窪み、又はネジによるジャケットのその他の影響は全て、相対的に早い時間に、すなわち最後のパルスの終了後の１５ｍｓ前に生じる。従って、これらの影響は、壁厚の測定には影響しない。というのは、測定の時間インターバルは、最後のパルスの終了後の１５ｍｓ後に始まるからである。
本発明による装置及び方法は、例えば絶縁層を備えたパイプ壁又は貯蔵タンクの壁のように電気伝導性材料からなり種々の構造を有する物体に適用できる。大きな貯蔵タンク（例えば石油貯蔵用）の底壁が検査される場合、本発明による装置は、例えばまずタンク下の地面に実質的に水平な孔を掘り、該蔵置をタンクの底に向かって孔を通して実質的に移動させることにより、底の下側に対して保持され得る。
さらに、本発明の装置と方法は、瀝青やエポキシ樹脂のような非伝導性材料からなる層を備えた容器、パイプ及び板に対して適用することに対して特に重要である。コーティングは、従来の技術（例えば超音波や目視）による検査を妨げる。検査する壁が極度に高い又は低い温度の場合も、壁に直接接触する必要のある従来技術を適用することが妨げられるが、この場合にも本発明の適用は重要である。というのは、本発明で用いられるプローブはそのような壁と直接接触する必要はないからである。

Claims (1)

1. 電気伝導性材料からなる物体の厚さを測定する方法であって、
   物体内にパルス渦電流を生じさせる工程、
   渦電流の減衰を求めて減衰を表す信号を作る工程、及び
   該信号から物体の厚さを求める工程、
   を含み、信号から物体の厚さを求める工程が、
   信号振幅の第１の大きさと、第１の大きさより小さい第２の大きさを選択する工程、
   信号が第１の大きさから第２の大きさまで減衰する時間間隔の長さを測定する工程、及び
   信号が第１の大きさから第２の大きさまで減衰する時間間隔の長さから物体の厚さを求める工程、
   を含み、物体の厚さ（Ｗ_t）が、次の関係式、
   Ｗ_t＝（ｔ_i−Ａ）／Ｂ
   を用いて時間間隔の長さ（ｔ_i）から求められ、ここで、ＡとＢは予め決められた較正定数である、電気伝導性材料からなる物体の厚さを測定する方法。

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