JP4795925B2 - 超音波厚さ測定方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物の母材部分の厚さとその母材の表面に付着しているスケールの厚さを超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて非破壊で測定する超音波厚さ測定方法および装置に関する。

たとえば、高温や酸化環境下で使用される発電所等のボイラー管、薬品腐食環境下で使用される化学プラント等における配管、石油プラント等におけるタンク、橋梁等の海洋構造物等においては、母材である金属部分に酸化等による腐食生成物いわゆるスケールができる。

このような被測定物の厚さを非破壊で測定する方法としては、超音波を利用した方法いわゆる超音波厚さ測定法が知られている。この超音波厚さ測定法には、超音波の反射時間を測定する反射方式と、超音波の共鳴周波数を測定する共鳴方式とがある。

前者の方式では、被測定物の厚さ方向に短い超音波パルスを入射して、反射波が戻ってくるまでの時間を測定し、この反射時間に音速を乗じて被測定物の厚さを求める。後者の方式では、被測定物の厚さの２倍が超音波の波長の整数倍となる周波数で被測定物が共鳴するという現象を利用し、その被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数に基づいて被測定物の厚さを求める。

超音波厚さ測定では、被測定物に超音波を入射させる超音波源、あるいは被測定物に超音波振動を起こさせる励振源（加振装置）が必要である。この超音波源または励振源としては圧電式のもの（ＰＺＴ）が使用できる。また、上記測定の用途では、被測定物を非接触で超音波駆動（励振）することができる電磁超音波変換器（ＥＭＡＴ：ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）も好適に使える。このＥＭＡＴを用いた超音波厚さ測定方法は、たとえば特許文献１に開示されている。

特許文献１では、金属の表面に付着している酸化物（スケール）の厚さをその金属の厚さ方向における超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて測定する技術が開示されている。

特許文献１の開示技術では、表面にスケールが付着している被測定物の材料全体の厚さを共鳴法によって測定した場合に、超音波の音速が周波数によって変化することを利用して被測定物のスケールの厚さを求める。このため、被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数を２以上の共鳴次数で測定することにより周波数と音速の関係を求め、この関係に基づいてスケールの厚さを導き出すようにしていた。つまり、周波数による音速の変化からスケールの厚さを決定するようにしていた。

特開２００２−３７２４１２

上述した従来技術には次のような課題があった。すなわち、被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数ｆｏは、音速をＣ、被測定物の厚さをｄとした場合に、ｆｏ＝Ｃ／２ｄとなる。また、ｎ次共鳴周波数ｆｎは、ｆｎ＝ｎＣ／２ｄとなる。したがって、共鳴周波数ｆｏ，ｆｎを測定すれば被測定物の厚さｄを求めることができる。

しかし、ここで求めることができる厚さｄは、スケールを含んだ被測定物の全厚さ（材料全体の厚さ）であって、スケールだけの厚さではない。スケールの厚さを求めるためには、スケールの音速や音響インピーダンスなどの個別データをあらかじめ用意するといった複雑な処理が必要となる。このため、被測定物の母材部分とスケールの各厚さをそれぞれ精密に測定することは簡単に行えず、少なくとも、現場では簡単に測定することは困難であった。

本発明は以上のような技術背景を鑑みたものであって、その目的は、被測定物の母材部分の厚さとその母材の表面に付着しているスケールの厚さの両方を、超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて簡単かつ高精度に同時測定することを可能にした超音波厚さ測定方法および装置を提供することにある。
本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。

本発明は以下のような解決手段を提供する。
第１の解決手段は、被測定物の母材部分の厚さとその母材の表面に付着しているスケールの厚さを、その被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて測定する超音波厚さ測定方法であって、次の工程を特徴とする超音波厚さ測定方法。
（１）被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数を２以上の共鳴次数で測定する。
（２）各共鳴次数について共鳴周波数と母材音速から与えられる見かけ厚さを求める。
（３）共鳴周波数に対する見かけ厚さの特性曲線に近似する多項式を生成する。
（４）上記多項式の定数項から母材の厚さを決定するとともに、上記多項式の変数項の極値からスケールの厚さを決定する。

第２の解決手段は、上記第１の解決手段において、上記多項式が下式（Ａ）によって表される二次式であることを特徴とする超音波厚さ測定方法。
ｙ＝−ａｘ²＋ｂｘ＋ｃ ・・・（Ａ）
ただし、ａ，ｂ，ｃは正の定数、ｘは共鳴周波数、ｙは見かけ厚さである。

第３の解決手段は、被測定物の母材部分の厚さとその母材の表面に付着しているスケールの厚さを、その被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて測定する超音波厚さ測定装置であって、次の手段を備えたことを特徴とする超音波厚さ測定装置。
（１）被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数を２以上の共鳴次数で測定する第１の手段。
（２）各共鳴次数について共鳴周波数と母材音速から与えられる見かけ厚さを求める第２の手段。
（３）共鳴周波数に対する見かけ厚さの特性曲線に近似する多項式を生成する第３の手段。
（４）上記多項式の定数項から母材の厚さを決定するとともに、上記多項式の変数項の極値からスケールの厚さを決定する第４の手段。
（５）上記第４の手段によって決定された母材および／またはスケールの厚さの出力手段。

被測定物の母材部分の厚さとその母材の表面に付着しているスケールの厚さの両方を、超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて簡単かつ高精度に同時測定することができる。
本発明の上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。

図１は、本発明の実施形態をなす超音波厚さ測定装置の要部となる構成を機能別に抽象化したブロック図で示す。同図に示す装置は、被測定物１０の母材１１部分の厚さｇと、その母材１１の表面に付着している酸化物等のスケール１２の厚さｈを、その被測定物１０の厚さ方向における超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて測定するものであって、超音波送受信ユニット２１、第１〜第４の処理手段３１〜３４、および出力装置３６を備える。

被測定物１０はボイラー管などであって、管を形成する材質部すなわち母材１１は金属製である。この母材１１の表面には腐蝕等によるスケール１２が生じる。

超音波送受信ユニット２１は、被測定物を超音波励振する加振装置と、この励振によって音響（超音波）振動させられた被測定物の振動を検出するセンサとを含んでいる。加振装置とセンサは、圧電素子を用いた圧電方式のもの、電磁誘導を利用した電磁超音波方式（ＥＭＡＴ）など、種々の方式が可能である。この場合、たとえば、励振にはＥＭＡＴを使用し、センサには圧電方式を使用するといった複合方式が好適である。このような超音波送受信ユニット２１を用いて、被測定物１０を厚さ方向で超音波共鳴駆動（励振）すると共に、その振動を広帯域で検出する。

第１の処理手段３１は、上記超音波送受信ユニット２１の検出信号に基づき、被測定物１０の厚さ方向における超音波共鳴周波数を２以上の共鳴次数で測定する。上記超音波送受信ユニット２１の検出信号をスペクトル解析処理することにより、図２に示すように、ほぼ一定の周波数間隔ごとに被測定物１０の振動強度レベルが特異的に増大する周波数スペクトルを得ることができる。この周波数スペクトルにて振動強度レベルのピーク点が現れるところが、共鳴周波数である。

第２の処理手段３１は、各共鳴周波数ｆｎの共鳴次数ｎについて、共鳴周波数ｆｎと母材音速Ｃから与えられる見かけ厚さＤｎを求める。この見かけ厚さＤｎはスケール１２の音速や音響インピーダンス等を考慮しないため、単純な演算処理により簡単に求めることができる。

第３の処理手段３３は、共鳴周波数ｆｎに対する見かけ厚さＤｎの特性曲線に近似する多項式を生成する。多項式として、この実施形態では、次式（Ａ）に示すように、単純な二次式の多項式を使用する。
ｙ＝−ａｘ²＋ｂｘ＋ｃ ・・・（Ａ）
ただし、ａ，ｂ，ｃは正の定数、ｘは共鳴周波数ｆｎ、ｙは見かけ厚さＤｎである。

見かけ厚さｙの特性グラフが上記の式（Ａ）の関数グラフに当てはまるよう、定数ａ，ｂ，ｃを定めるのであるが、これにより、見かけ厚さｙの特性グラフを高精度で上記式（Ａ）に近似させることができる。定数ａ，ｂ，ｃは、複数次の共鳴周波数ｘと各共鳴周波数ｘでの見かけ厚さｙとにより決定される。

第４の処理手段３４は、上記式（Ａ）の定数項ｃから母材１１の厚さｇを決定するとともに、上記式（Ａ）の変数項（−ａｘ²＋ｂｘ）の極大値からスケール１２の厚さｈを決定する。

この場合の極大値は、δ（−ａｘ²＋ｂｘ）／δｘ＝０となるときの変数項（−ａｘ²＋ｂｘ）の値（最大値）であって、ｂ²／４ａによって与えられる。

出力装置３６は、バッファメモリ、ディスプレイ装置、プリンタなどであって、第１〜第４の処理手段３１〜３４によって決定された母材１１とスケール１２の厚さｇ，ｈを適宜方式で出力する。

図２は、上記測定装置によって測定された共鳴周波数スペクトルの一例を示す。
上記超音波送受信ユニット２１の検出信号をスペクトル解析処理することにより、同図に示すように、被測定物１０の振動強度レベルがほぼ一定の周波数間隔ごとに特異的に増大する周波数スペクトルを得ることができる。この周波数スペクトルにて振動強度レベルのピーク点が現れるところが共鳴周波数ｆｎである。この共鳴周波数ｆｎと母材１１の音速Ｃから測定物１０の見かけ厚さＤｎを求めることができる。

図３は、共鳴周波数ｆｎと見かけ厚さＤｎの関係をプロットしたグラフを示す。このプロット・グラフは、図２に示した周波数スペクトルに基づいて作成されたものであるが、これを上記式（Ａ）で近似させると、次のようになる。
ｙ＝−０．０１３９ｘ²＋０．０８６１ｘ＋５．０５５８ ・・・（ａ１）

すなわち、上記定数ａ，ｂ，ｃをそれぞれ、ａ＝０．０１３９，ｂ＝０．０８６１，ｃ＝５．０５５８に設定することにより、共鳴周波数ｆｎに対する見かけ厚さＤｎの特性曲線を近似する二次式（ａ１）を得ることができる。

上記式（ａ１）の定数項ｃ＝５．０５５８から母材１１の厚さｇ＝５．０５６ｍｍ（≒５．０５５８ｍｍ）を決定するとともに、変数項（−０．０１３９ｘ²＋０．０８６１ｘ）の極値（最大値）からスケール１２の厚さｈ＝１３３μｍを決定する。

上記のようにして母材１１の厚さｇとスケールの厚さｈを同時に測定することができる。この測定値ｇ，ｈは近似的なものであるが、マイクロメータ（精度１／１０００ｍｍ）による実測に非常に良く一致することが確認された。

図４は、上記測定装置によって測定された共鳴周波数スペクトルの別の例を示す。また、図５は、図４に示した周波数スペクトルに基づいて作成された共鳴周波数ｆｎと見かけ厚さＤｎの関係を示す。

図５に示す特性グラフに上記式（Ａ）を当てはめると、次式（ａ２）が得られた。
ｙ＝−０．０００１ｘ²＋０．０００２ｘ＋５．００４６ ・・・（ａ２）

この場合、母材厚さｇは５．００５ｍｍ（≒５．００４６ｍｍ）、スケール厚さｈは０ｍｍ（有効数字）と決定されたが、これもマイクロメータ（精度１／１０００ｍｍ）による実測に非常に良く一致した。

上記のように、本発明では、被測定物１０の母材１１部分の厚さｇとその母材１１の表面に付着しているスケール１２の厚さｈの両方を、超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて簡単かつ高精度に同時測定することができる。これにより、たとえば、携帯パソコンにボードタイプのアクセサリを付加するだけ簡単な装置でもって、ボイラー管内部のスケール厚さを管の厚さと共に、現場にて高精度に測定することが可能になった。

図６および図７はそれぞれ、本発明にて利用するのに適した測定装置４０の具体的な構成例を示す。

図６に示す測定装置４０は、主処理装置をなすマイクロコンピュータ制御システム（マイコン制御）として携帯パソコン４１を使用し、これに、任意周波数のサイン波を合成出力する可変周波数発生回路４２、ボードタイプ（基板実装型の装置）のパワーアンプ４３、プリアンプ４４、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４５、位相検出器４６、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４７、積分器４８などを組み合わせて構成されている。

この装置４０では、超音波送受信ユニット２１にて検出された多重反射エコーを位相検出器４２で非同期検波回路し、この検波出力をＬＰＦ４７および積分器４８などを介してパソコン４１に入力させることにより、共鳴周波数スペクトルを得ることができる。パソコン４１では上記第１〜第４の処理手段３１〜３４および上記出力手段３６の各機能がソフトウェア的に実行される。

ゲーテッドパワーアンプ４３は、上記パソコン４１の処理結果に基づいて被測定物１０を超音波共振駆動するための高周波駆動信号を出力する。この高周波駆動信号はサイン波あるいは矩形波パルスからなるバースト波であって、パワーＭＯＳＦＥＴを用いて生成され、超音波送受信ユニット２１に供給される。

被測定物１０内で反射を繰返した反射エコーは超音波送受信ユニット２１にて検出される。この検出信号は、プリアンプ４４およびバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４５で帯域増幅された後、位相検出器４６を通すことによってサイン波、コサイン波と位相が計測される。

これらをＡ／Ｄ変換後、携帯パソコン４１に取り込んで、振幅値と位相を計算する。この操作を掃引周波数ごとに行うと、被測定物内で多重反射エコーによる定在波が立った場合のみ、振幅値の大きい共鳴周波数スペクトルを求めることができる。

この場合、図６に示した装置４０では、掃引周波数ごとに回路内での位相が変化してしまい、被測定物１０内の位相情報を捕らえることができない。これを補償するためには、デジタル化した位相データを活用するとよい。つまり、測定前に、掃引周波数ごとに回路内での位相を記憶し、測定時にそれを差し引くことによって被測定物１０内の位相を得ることができる。このソフト処理技術は、センサなどに含まれるノイズを除去できるため、振幅データの処理にも利用できる。

図７に示す装置４０では、乗算器５１〜５３と可変周波数発生回路４２および非可変の中間周波数発生回路４９によるヘテロダイン処理を行っている。その他は、図６に示したものと同様である。この場合、超音波送受信ユニット２１の励振駆動にサイン波を用いているため、位相検出器４６ではヘテロダイン処理をしても位相情報は失われない。

図６または図７に示す測定装置４０では、ボードタイプの電源とパワーＭＯＳＦＥＴを利用して高出力のバースト波を作り出すようにしている。これにより、装置を小型・軽量にできる。また、デジタル処理技術により、正確な位相情報を得ることができる。これにより共鳴周波数スペクトルの解析を的確に行うことができる。

以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、超音波送受信ユニット２１は送信と受信を同一の素子で行わせることも可能である。

被測定物の母材部分の厚さとその母材の表面に付着しているスケールの厚さの両方を、超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて簡単かつ高精度に同時測定することができる。

本発明の実施形態をなす超音波厚さ測定装置の要部となる構成を機能別に抽象化して示すブロック図である。 本発明において測定される被測定物の共鳴周波数スペクトルの一例を示すグラフである。 図２の共鳴周波数スペクトルに基づいて作成された見かけ厚さのプロット図および特性曲線を示すグラフである。 本発明において測定される被測定物の共鳴周波数スペクトルの別例を示すグラフである。 図４の共鳴周波数スペクトルに基づいて作成された見かけ厚さのプロット図および特性曲線を示すグラフである。 本発明にて利用するのに適した測定装置４０の一例を示すブロック図である。 本発明にて利用するのに適した測定装置４０の別の例を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 被測定物
１１ 母材
ｇ 母材の厚さ
１２ スケール
ｈ スケールの厚さ
２１ 超音波送受信ユニット
３１〜３４ 第１〜第４の処理手段
３６ 出力装置
４０ 測定装置
４１ 携帯パソコン
４２ 可変周波数発生回路
４３ ゲーテッドパワーアンプ
４４ プリアンプ
４５ バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
４６ 位相検出器
４７ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
４８ 積分器
５１〜５３ 乗算器
４９ 中間周波数発生回路

Claims (2)

1. 被測定物の母材部分の厚さとその母材の表面に付着しているスケールの厚さを、その被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて測定する超音波厚さ測定方法であって、次の工程を特徴とする超音波厚さ測定方法。
   （１）被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数を２以上の共鳴次数で測定する。
   （２）各共鳴次数について共鳴周波数と母材音速から与えられる見かけ厚さを求める。
   （３）共鳴周波数に対する見かけ厚さの特性曲線に近似する、下式（Ａ）によって表される二次式の多項式を生成する。
   ｙ＝−ａｘ2＋ｂｘ＋ｃ ・・・（Ａ）
   ただし、ａ，ｂ，ｃは正の定数、ｘは共鳴周波数、ｙは見かけ厚さである。
   （４）上記多項式の定数項から母材の厚さを決定するとともに、上記多項式の変数項の極値からスケールの厚さを決定する。
2. 被測定物の母材部分の厚さとその母材の表面に付着しているスケールの厚さを、その被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて測定する超音波厚さ測定装置であって、次の手段を備えたことを特徴とする超音波厚さ測定装置。
   （１）被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数を２以上の共鳴次数で測定する第１の手段。
   （２）各共鳴次数について共鳴周波数と母材音速から与えられる見かけ厚さを求める第２の手段。
   （３）共鳴周波数に対する見かけ厚さの特性曲線に近似する、下式（Ａ）によって表される二次式の多項式を生成する第３の手段。
   ｙ＝−ａｘ2＋ｂｘ＋ｃ ・・・（Ａ）
   ただし、ａ，ｂ，ｃは正の定数、ｘは共鳴周波数、ｙは見かけ厚さである。
   （４）上記多項式の定数項から母材の厚さを決定するとともに、上記多項式の変数項の極値からスケールの厚さを決定する第４の手段。
   （５）上記第４の手段によって決定された母材および／またはスケールの厚さの出力手段。

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