JP4637607B2 - 超音波試験装置及びこれを用いた超音波試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、試験体に超音波の送信及び受信を行う探触子を複数有するセンサヘッドと、前記探触子に電気信号の送信及び受信を行う試験装置本体とを備えた超音波試験装置及びこれを用いた超音波試験方法に関する。

従来、複数の探触子を有するセンサヘッドを用いて超音波探傷を行うには、複数チャンネルの試験装置本体を準備し、各探触子を試験装置本体の各チャンネルに個別接続していた。そして、試験の度に、各チャンネルにおける受信波の受信時刻を個別に調整し、検査を実施していた（特許文献１参照）。
特開平８−３８４７３号

しかし、マルチチャンネルの試験装置本体は高価であり、また、試験結果の評価は複数チャンネルを全て確認する必要があった。

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、上述の如きセンサヘッドを用いながら安価に構成でき且つデータ採集の簡易な試験を行うことの可能な超音波試験装置及び超音波試験方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る超音波試験装置の特徴は、試験体に超音波の送信及び受信を行う探触子を複数有するセンサヘッドと、前記探触子に電気信号の送信及び受信を行う試験装置本体とを備えた構成において、各探触子と前記試験装置本体との間にこれら複数の探触子を同時に又は個別に切り替え接続する切替スイッチを有し、前記複数の探触子の受信側端子を試験装置本体の電気信号の受信端子に並列接続し、前記複数の探触子からの受信信号を同時に表示可能に構成し、前記切替スイッチを１つの探触子だけに接続するように切り替えて、前記各探触子における底面エコーが互いに重なるように前記各探触子と前記試験装置本体との間における電気信号の送信及び受信のタイミングを前記各探触子間で調整し、全ての探触子を前記切替スイッチにより並列接続して走査することにある。なお、さらに、前記複数の探触子の送信側端子を試験装置本体の電気信号の送信端子に並列接続し、前記複数の探触子に対してパルス信号を同時に発信してもよい。

上記特徴によれば、複数の探触子から受信される複数の信号を１チャンネルに収めることができるので、試験装置本体が安価となり、１チャンネルのデータを採集すればよいので、データ採集も簡易となる。上記離隔距離等の調整による受信信号のタイミングの調整で、例えば底面エコー前に出没する欠陥エコーをタイミング的に明確に識別することが可能となる。しかも、受信側端子を並列接続してあるので、受信側の複数探触子全体として抵抗値が増大することもなく、したがって感度低下を来すこともなく、極めて合理的な構成である。また、通常試験装置本体に設けられたオートゲインコントローラーにより、例えば底面エコー等が複数重複してもレベル圧縮され、また、中間に生じる小さな欠陥信号はレベル拡大される。なお、上記離隔距離等の調整による受信信号のタイミングの調整は、ねじ手段による調整の他、当初からスペーサーの製作誤差を調整したり、寸法が一定範囲のロットを選択して調整する等、製造上の工夫による調整も含まれるものとする。

また、前記各探触子と前記試験装置本体との間にこれら複数の探触子を同時に又は個別に切替え接続する切替スイッチを有する。複数の探触子を並列接続した状態での粗検査（試験）の後、切替スイッチを切替えて欠陥部の位置を特定することができる。

前記各探触子と前記試験体との離隔距離を一定にすることで前記調整を行うとよい。

前記離隔距離を一定にするための調整ねじを設けるとよい。前記調整ねじは、前記各探触子の四隅にそれぞれ設けられている。

前記センサヘッドのフレームと前記各探触子との間に弾性体を設けるとよい。試験体の屈曲や表面の凹凸を吸収し、各探触子と試験体との姿勢を同一に維持して信号状態を保つことができるからである。

前記センサヘッドが前記複数の探触子とは異なる他の探触子を備え、前記切替スイッチは前記複数の探触子と前記他の探触子とを切替え接続してもよい。これにより、粗検査の後の精密検査を他の探触子により行うことができる。

また、前記センサヘッドにおいて前記各探触子が隣り合う間において走査方向に変位され、走査直交方向に対し重ね合わされるとよい。各探触子間の不感帯による検査漏れを防ぐことができるからである。

さらに、前記複数の探触子の受信側端子に、超音波の受信を検知することにより探触子と試験体との間の接触媒質による接触状態を検出する接触状態検出装置を設けてもよい。

一方、上記特徴のいずれかに記載の超音波試験装置を用いた超音波試験方法の特徴は、各探触子と前記試験装置本体との間にこれら複数の探触子を同時に又は個別に切り替え接続する切替スイッチを有し、前記複数の探触子の受信側端子を試験装置本体の電気信号の受信端子に並列接続し、前記複数の探触子からの受信信号を同時に表示可能に構成し、前記切替スイッチを１つの探触子だけに接続するように切り替えて、前記各探触子における底面エコーが互いに重なるように前記各探触子と前記試験装置本体との間における電気信号の送信及び受信のタイミングを前記各探触子間で調整し、全ての探触子を前記切替スイッチにより並列接続して走査することにある。前記センサヘッドを前記探触子の並ぶ方向に直交する走査方向に向かって試験体上を移動させるとよい。

上記本発明に係る上述の如き超音波試験装置及び超音波試験方法の特徴によれば、複数探触子を配備したセンサヘッドを用いながら安価に構成できで且つデータ採集の簡易な試験を行うことが可能となり、その結果、複数探触子を利用して広範囲の試験体を飛躍的に早いスピードで試験することが可能となった。
本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。

次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
図１は第一実施形態を示し、本発明の超音波試験装置１であり、センサヘッド２、試験装置本体３、切替スイッチ４により構成されている。センサヘッド２は、送信子１１、受信子１２、間隔調整手段１５、弾性体１７により構成されている。本実施形態においては、間隔調整手段には調整ねじ１５が使用されており、弾性体にはスプリング１７が使用されている。送信子１１及び受信子１２で一単位の探触子１０を形成している。図１において示すように、複数の探触子（１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃ）がセンサフレーム１４で固定されている。この複数の探触子（１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃ…）が、センサフレーム１４と接しているスプリング１７によって試験体１００方向に弾性的に付勢されている（図３参照）。

図２に示すように試験装置本体３は、パルサー３ａと、オートゲインコントローラー３ｂにより構成されている。パルサー３ａは、接続端子３ａ１、３ａ２に対し並列に接続された送信子１１（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…）に検査パルスを供給している。このように複数の受信子１２が、パルサー３ａに並列に接続されているので、受信側の複数の探触子１０全体として抵抗値が増大することはない。

同様に図２に示すように、オートゲインコントローラー３ｂは、複数の受信子１２（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…）と切替スイッチ４を介して接続端子３ｂ１、３ｂ２に対し並列に接続されている。このオートゲインコントローラー３ｂは、切替スイッチ４により、複数の受信子１２（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…）からの信号が重畳し、大きい信号レベルとなっても、この信号レベルを圧縮する役割を果たす。また、信号レベルが小さい欠陥信号の、信号レベルを拡大する役割も果たす。また、試験装置本体３は複数の探触子１０からの受信信号を同時に表示することが可能である。

切替スイッチ４は、可動接点４ａにより端子４ｃの全てと端子４ｂとを接続すること、すなわち、複数の探触子（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…）の全てを並列に接続すること、又は、端子４ｃのいずれかと端子４ｂとを接続すること、すなわち、複数の探触子（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…）のうちのいずれか一つを選択して接続することを可能としている。

図３はセンサヘッド２の部分断面図である。また、図４は図３におけるＡ−Ａ断面図であり、図５は図３におけるＢ方向から見たセンサヘッド２の部分側面図である。図３、図５で示すように、スプリング１７により探触子１０Ｂは、試験体１００方向に付勢されており、調整ねじ１５のねじの高さで、試験体１００と探触子１０Ｂとの隔離距離を調整している。詳しくは、センサフレーム１４に貫通した孔１９が設けられ、この孔１９にドライバー等を挿通し調整ねじ１５を回転させ、調整ねじ１５のねじ高さを調整している。図４に示すように、調整ねじ１５は探触子１０Ｂの四隅に配置され、この四本の調整ねじ１５のねじ高さをドライバー等で調整している。各探触子１０の下面と試験体１００との間には超音波を伝播させるためのカプラントが介在し、カプラントには水、グリース、油等が用いられる。

次に、具体的な隔離距離の調整方法を説明する。最初に切替スイッチ４においてすべての探触子１０を並列に接続し、試験体１００における肉厚が均等な部分にセンサヘッド２を固定して底面エコーを測定する。この時点では、底面エコーは異なるタイミングで試験装置本体３に表示されている。次に、切替スイッチ４を一つの探触子だけに接続するように切替える。探触子１０Ａ、探触子１０Ｂ、探触子１０Ｃにおいて、底面エコーが重なるように（受信波形のタイミングが同じになるように）、調整ねじ１５を用いて、探触子１０と試験体１００との隔離距離を一定にする。このようにそれぞれの探触子１０と試験体１００との隔離距離が一定になると、底面エコーが同じタイミングで重なって試験体装置３に表示される。これにより、探触子１０と試験体１００との隔離距離を一定に調整している。ここでいう底面エコーとは、後述する図６（ａ）で示される波形Ｅ１、（ｂ）で示される波形Ｅ２、（ｃ）で示される波形Ｅ３である。

次に、欠陥の検出方法について説明する。センサヘッド２を探触子１０の並ぶ方向に直交する走査方向に向かって試験体１００上で移動させると、図６（ｄ）に示す波形が表示される。センサヘッド２を移動させると、（ｄ）に示される欠陥信号Ｐ１、Ｐ２も検出されるが、最初に走査させた段階では、欠陥がどの位置にあるか特定できない。そこで、切替スイッチ４にて一つの探触子１０ごとに測定できるよう切替える。そして、探触子１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの其々が働くよう走査させ（図６（ａ）は探触子１０Ａの受信波形、（ｂ）は探触子１０Ｂの受信波形、（ｃ）は探触子１０Ｃの受信波形である）、どの探触子１０による欠陥エコーの検出かの特定を行う。このように複数回走査させることにより、欠陥箇所を特定することが可能となる。

また、本発明はきず等の欠陥を検出するだけではなく、試験体１００の肉厚のばらつきをも検出することが可能である。これは、最初にセンサヘッド２の隔離距離を調整した段階では試験体１００の肉厚が均等であるので、走査させた段階で、底面エコーの異なる部分を検出したならば、検出された部分の肉厚が他の部位と異なることになる。このように、本発明においては、複数の探触子の底面エコーを重ねて表示させているので、簡単に肉厚の変化をも検知（検出）することが可能となる。

本実施形態によれば、複数の探触子１０から受信される複数の信号を1チャンネルに収めることができるので、試験体装置本体３として１チャンネル用の安価なものを利用でき、1チャンネルのデータを採取すればよいので、データ採取も簡易となる。上記離隔距離等の調整による受信信号のタイミングの調整で、例えば底面エコー前に出没する欠陥エコーをタイミング的に明確に識別することが可能となる。しかも、受信子１２を並列接続してあるので、受信子１２の複数探触子１０全体として抵抗値が増大することもなく、したがって感度低下を来すこともなく、極めて合理的な構成である。また、通常試験装置本体３に設けられたオートゲインコントローラー３ｂにより、例えば底面エコー等が複数重複してもレベル圧縮され、また、中間に生じる小さな欠陥信号はレベル拡大される。また、スプリング１７によって、試験体１００の屈曲や表面の凹凸を吸収し、各探触子１０と試験体１００との姿勢を同一に維持して信号状態を保つことが可能となる。

上記説明では探触子１０を三個のみ表示したがその数は任意であり、図７では並列接続される対象として６個の探触子が表示されている。また、センサヘッド２からワイヤー１８ａを介してエンコーダー１８を接続してある。このエンコーダー１８によって、センサヘッド２の平面位置を検出することも可能である。また、図７における各探触子１０Ａ〜Ｆには、送信子１１、受信子１２の周部に測定不能領域ｄが存在する。そこで、図８に示すように、送信子１１、受信子１２の大きさによる測定不能領域ｄを無くすように、各探触子１０Ａ〜Ｆを走査方向に交互に変位させると共に幅方向に一部千鳥状に重ね合わせて配置することも可能である。これにより、測定不能領域ｄを除去できるので、より厳密な超音波試験を行うことが可能となる。

次に本発明の他の実施形態について以下説明する。なお、上記第一実施形態と同様の部材には同符号を用いている。
図９に示す第二実施形態は、断面円形状の配管等の超音波試験を行うための試験装置である。試験体１００の外周を覆うように管状フレーム２０が配置され、その管状フレーム２０と試験体１００との間に、探触子１０が配置されている。本実施形態においては、管状フレーム２０と探触子１０との間に弾性体１７が配置され、試験体１００と探触子１０との間に間隔調整手段１５が配置されている。本実施形態も第一実施形態同様、各探触子１０Ａ〜Ｆが弾性体１７により試験体１００方向に付勢され、探触子１０と試験体１００との隔離距離を間隔調整手段１５により調整可能としている。本実施形態では、探触子１０は、断面において中心から９０度の間隔を離して、管状フレーム２０と試験体１００との間に、四個配置されている。管状フレーム２０における、相対する外周面には管状フレーム２０を持つためのハンドル２１が設けてある。

使用に際しては、ハンドル２１を把持し、試験体１００の管軸方向に沿って管状フレームを移動させることにより、管状試験体１００の９０度毎の部分を連続的に検査することができる。

図１０に示す本発明の第三実施形態では、並列に接続可能は複数の探触子１０Ａ〜Ｃ…とは別に、切替スイッチ４により単独で切替選択可能な単独の探触子１０Ｇが設けられている。この単独の探触子１０Ｇは、切替スイッチ４により、端子４ｂと端子４ｄとのみを接続し、単独の探触子１０Ｇのみ動作させることが可能となっている。

本実施形態においては、単独の探触子１０Ｇのみ動作させることが可能であるので、最初に複数の探触子１０（１０Ａ〜Ｃ…）を用いて粗検査を行い、その後、切替スイッチ４を単独の探触子１０Ｇのみに切替え、探触子１０Ｇを用いて精密検査を行うことが可能となる。詳しくは、最初の粗検査で、欠陥の大凡の位置を特定し、切替スイッチ４を切替え探触子１０Ｇのみで、検出された大凡の位置を走査させ、欠陥の正確な位置を特定する精密検査を行う。つまり、一つのセンサヘッド２で二通りの検査ができ、数度にわたってセンサヘッド２を取り替える手間を省略することができる。

図１１に示す本発明の第四実施形態では、上述の実施形態における探触子１０の送信子１１と受信子１２が、一体となった送受信子１３で構成される。すなわち、送受信を一つの送受信子１３で行うので、接続する線が他の実施形態と比較して少ない。また、パルサー３ａと、オートゲインコントローラー３ｂとが、切替スイッチ４に接続されている。

本実施形態によれば、送受信子１３から送信される検査パルスが、試験体１００に対してほぼ直角に入射するため、上記実施形態に比較して試験体１００の深度の深い部分を検査することが可能である。

図１２、１３に示す本発明の第五実施形態は、管状の試験体１０１の内壁面の超音波試験を行うための試験装置として構成されている。詳しくは、管状試験体１０１の内壁面とほぼ同寸法の直径を有する前ボール２２と、同じく試験体１０１の内壁面とほぼ同寸法の直径を有する後ボール２３との間に、フレキシブルチューブ２５を介して、管状試験体１０１の内壁面とほぼ同寸法の直径を有する球状センサヘッド２４が接続されている。

フレキシブルチューブ２５は、内側が空洞になっており、カプラントを前ボール２２、後ボール２３に供給する役割を果たす。後ボール２３から伸びるフレキシブルチューブ２５から、図示していないカプラント供給装置により、カプラントが後ボール２３、及び前ボール２２に供給される。前ボール２２、及び後ボール２３は弾性を有する素材で形成されており、供給されたカプラントの圧力により、前ボール２２、及び後ボール２３の外周面が管状試験体１０１の内壁面に密着するようになっている。このようにボールとフレキシブルチューブとを用いることで、屈曲した管の検査をも行うことができる。

また、後ボール２３の外周面には供給孔２３ａが二箇所設けてある。この供給孔２３ａから後ボール２３に供給されたカプラントが漏れ出て、球状センサヘッド２４の外周面、及び、前ボール２２と後ボール２３との間の空間をカプラントで満たしている。これにより、各探触子１０と管状試験体１０１との間にカプラントが介在することになる。また、前ボール２２の外周面には排出孔２２ａが一箇所設けてある。これは、試験が終了したならば、前ボール２２等に充填されたカプラントを管状試験体１０１の外部に排出するために設けられている。

球状センサヘッド２４の外周面の窪んだ部分には、千鳥状に配置された探触子１０が複数配置されている。探触子１０が千鳥状に配置されることにより、管状試験体１０１の内壁面を隙間なく走査させることができる。また、球状センサヘッド２４と管状試験体１０１との間には間隔調整手段１５が配置されており、この間隔調整手段１５によって、探触子１０の集合体の中心を管状試験体１０１の中心と一致させ、各探触子１０と管状試験体１０１との間の隔離距離を一定に保っている。

また、本実施形態においては、探触子１０と管状試験体１０１との間に介在するカプラントの量が不十分であるとき、シグナルで探触子１０から放出される超音波の不伝達を知らせる手段を、各探触子と管状試験体１０１との間に介在させている。これにより、管状試験体１０１が湾曲している場合でも、超音波の不伝達が発生したならば、シグナルが発せられるので、誤った結果を得ることが無くなる。

本実施形態においては、管状試験体１０１と探触子１０との間にカプラントが介在するので、より正確な超音波試験を行うことが可能になる。また、管状試験体１０１が途中で湾曲していたとしても、フレキシブルチューブ２５が湾曲しつつカプラントを供給充填することができるので、管状試験体１０１の内壁面を確実に検査することが可能となる。なお、前後ボール２２，２３が存在しない場合においても、管状試験体１０１内全体にカプラントを充填すれば検査は可能である。本実施形態においては、前ボール２２、後ボール２３、球状センサヘッド２４の径を変更することで、様々な径の管状試験体１０１の内壁面の試験を行うことが可能である。

図１４は第一実施形態の改変例であり、各受信子１２と端子４ｃとの間にオペアンプ等のアンプ３１と発光ダイオード等の検知手段３２を介在させる接触状態検知装置３０を設けてある。この接触状態検知装置３０は、各チャンネル（１０Ａ、１０Ｂ，１０Ｃ…）における探触子１０と試験体１００との間に超音波を伝搬しうるだけの接触媒質が介在しているか否かを検知する。各アンプ３１は受信子１２からの受信信号音圧が一定レベル以上のときに発光ダイオード３２を点灯させる。したがって、接触媒質による濡れが不良な場合は発光ダイオード３２は点灯せず、接触状態を検知することが可能である。なお、検知手段３２としては、発光ダイオードその他の点灯手段や、ブザー等の音を発生する手段であってもよい。

上記各実施形態は組み合わせて実施することが可能である。また、探触子１０の形状等についても、上記実施形態に限定されない。例えば、探触子１０にポリマー振動体を用いることで、屈曲形状の探触子１０を作成し、屈曲面の試験を行うことを採用しても良い。

本発明は、複数の探触子を用いて超音波試験を行う超音波探傷試験において、事前に行う粗探傷とその後の精密探傷にも用いることができる。また、本発明は、材料の変質検査や偏肉検査等にも用いることができる。

本発明の第一実施形態に係る試験装置の構成図である。 図１の試験装置の回路図である。 図１の試験装置の部分断面図である。 図３のＡ−Ａ断面図である。 図３のＢ方向視図である。 図１の試験装置における受信波形を示す縦軸強度、横軸時間としたグラフであり、（ａ）は探触子１０Ａの受信波形、（ｂ）は探触子１０Ｂの受信波形、（ｃ）は探触子１０Ｃの受信波形、（ｄ）は探触子１０Ａ〜Ｃを並列接続した合成受信波形である。 図１のセンサヘッドの改変例を示す底面図である。 図７のセンサヘッドのさらに他の改変例を示す底面図である。 第二実施形態のセンサヘッドを示す側面図である。 第三実施形態の構成図である。 第四実施形態の構成図である。 第五実施形態の構成図である。 図１２のＢ−Ｂ線断面図である。 図１の改変例である。

符号の説明

１：超音波試験装置、２：センサヘッド、 ３：試験装置本体、３ａ：パルサー、３ｂ：オートゲインコントローラー、４：切替スイッチ、４ａ：可動接点、４ｂ，４ｃ：端子、１０：探触子、１０Ａ：第一探触子、１１：送信子、１１ａ、１２ａ：振動子、１２：受信子、１３：送受信子、１４：センサフレーム、１５：調整ねじ（間隔調整手段）、１７：スプリング（弾性体）、１８：エンコーダー、１９：孔、２０：管状フレーム、２１：ハンドル、２２：前ボール、２３：後ボール、２４：球状センサヘッド、２５：フレキシブルチューブ、３０：接触状態検知装置、３１：アンプ、３２：発光ダイオード（検知手段）、１００：試験体、１０１：管状試験体、１１１、１１２：きず（欠陥）

Claims (10)

1. 試験体に超音波の送信及び受信を行う探触子を複数有するセンサヘッドと、前記探触子に電気信号の送信及び受信を行う試験装置本体とを備えた超音波試験装置であって、
   各探触子と前記試験装置本体との間にこれら複数の探触子を同時に又は個別に切り替え接続する切替スイッチを有し、前記複数の探触子の受信側端子を試験装置本体の電気信号の受信端子に並列接続し、前記複数の探触子からの受信信号を同時に表示可能に構成し、前記切替スイッチを１つの探触子だけに接続するように切り替えて、前記各探触子における底面エコーが互いに重なるように前記各探触子と前記試験装置本体との間における電気信号の送信及び受信のタイミングを前記各探触子間で調整し、全ての探触子を前記切替スイッチにより並列接続して走査する超音波試験装置。
2. 前記各探触子と前記試験体との離隔距離を一定にすることで前記調整を行う請求項１記載の超音波試験装置。
3. 前記離隔距離を一定にするための調整ねじを設けた請求項２記載の超音波試験装置。
4. 前記調整ねじは、前記各探触子の四隅にそれぞれ設けられている請求項３記載の超音波試験装置。
5. 前記センサヘッドのフレームと前記各探触子との間に弾性体を設けた請求項１〜４のいずれかに記載の超音波試験装置。
6. 前記センサヘッドが前記複数の探触子とは異なる他の探触子を備え、前記切替スイッチは前記複数の探触子と前記他の探触子とを切り替え接続する請求項１〜５のいずれかに記載の超音波試験装置。
7. 前記センサヘッドにおいて前記各探触子が隣り合う間において走査方向に変位され、走査直交方向に対し重ね合わされている請求項１〜６のいずれかに記載の超音波試験装置。
8. 前記複数の探触子の受信側端子に、超音波の受信を検知することにより探触子と試験体との間の接触媒質による接触状態を検出する接触状態検出装置を設けた請求項１〜７のいずれかに記載の超音波試験装置。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の超音波試験装置を用いた超音波試験方法であって、
   各探触子と前記試験装置本体との間にこれら複数の探触子を同時に又は個別に切り替え接続する切替スイッチを有し、前記複数の探触子の受信側端子を試験装置本体の電気信号の受信端子に並列接続し、前記複数の探触子からの受信信号を同時に表示可能に構成し、前記切替スイッチを１つの探触子だけに接続するように切り替えて、前記各探触子における底面エコーが互いに重なるように前記各探触子と前記試験装置本体との間における電気信号の送信及び受信のタイミングを前記各探触子間で調整し、全ての探触子を前記切替スイッチにより並列接続して走査する超音波試験方法。
10. 前記センサヘッドを前記探触子の並ぶ方向に直交する走査方向に向かって試験体上を移動させる請求項９記載の超音波試験方法。

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