JP5059344B2 - 板厚測定装置および測定方法 - Google Patents

Description

この発明は、板厚測定装置、および、測定方法に関し、特に、電磁超音波共鳴法を用いた板厚測定装置、および、測定方法に関する。

表面に凹凸のある被測定物の肉厚を非破壊で簡便かつ正確に測定する装置が、たとえば、特開２００２−８１９２６号公報（特許文献１）に記載されている。

特許文献１によれば、超音波が被測定物内を少なくとも５往復以上励起された後に、超音波振幅を測定し、超音波の周波数を変化させて、所定の式を用いて被測定物の肉厚分布を求めている。
特開２００２−８１９２６号公報（要約）

従来の、超音波を用いた、表面に凹凸のある被測定物の肉厚を非破壊で簡便かつ正確に測定する装置は上記のように構成されていた。従来の超音波を用いた装置においては、接触媒質を用いる必要があるため、超音波エコーが煩雑になるという問題があった。これに対処するため、接触媒質を必要としない電磁超音波共鳴法を用いることが考えられるが、この共鳴法を用いて腐食部材を測定する場合、共鳴スペクトルの振幅が著しく低下するとともに、得られる共鳴スペクトルの先端が鈍化しているため、残厚の測定が困難になるという問題があった。

この発明は、上記のような課題に鑑みてなされたもので、腐食部のような、表面に溝を有する被測定物の肉厚を非破壊で容易に測定できる、板厚測定装置、および測定方法を提供することを目的とする。

この発明にかかる、板厚測定装置は、表面に溝を有する金属板材の溝の深さを測定する。板厚測定装置は、金属板材の溝に向けて超音波を送信するとともに、金属板材からの反射波を受信する電磁超音波センサと、電磁超音波センサの受信した反射波に基づいて、溝を考慮した金属板材に相当する共鳴スペクトルを算出する共鳴スペクトル算出手段と、共鳴スペクトル算出手段の算出した共鳴スペクトルに基づいて、溝の深さを演算する演算手段とを含む。

この発明においては、金属板材の溝に向けて超音波を送信して、金属板材からの反射波を受信し、その反射波に基づいて、共鳴スペクトルを算出し、算出した共鳴スペクトルに基づいて、溝の深さを演算するため、表面に溝のある被測定物の溝の深さを非破壊で容易に測定できる。

この発明の一つの実施の形態によれば、共鳴スペクトル算出手段で出力される共鳴スペクトル波形には、金属板材の全厚に相当する第１共鳴スペクトルと、溝を除いた残厚に相当する第２共鳴スペクトルとを含み、演算手段は、第１共鳴スペクトルと第２共鳴スペクトルとの重なりによって振幅レベルの大きくなった共鳴スペクトルを用いて、溝深さを算出する。また、このとき、演算手段は、算出された共鳴スペクトルのピークの間隔に基づいて演算してもよいし、共鳴スペクトルの次数に基づいて演算してもよい。

この発明の他の実施の形態によれば、共鳴スペクトル算出手段で出力される共鳴スペクトル波形には、金属板材の全厚に相当する第１共鳴スペクトルと、溝を除いた残厚に相当する第２共鳴スペクトルとを含み、演算手段は、単独で存在する第１共鳴スペクトルと第２共鳴スペクトルとの差に基づいて、溝深さを算出する。

この発明の他の局面においては、表面に溝を有する金属板材の前記溝の深さを測定する測定方法は、金属板材の溝に向けて超音波を送信するステップと、金属板材からの反射波を受信するステップと、受信した反射波に基づいて、溝を考慮した金属板材に相当する共鳴スペクトルを算出するステップと、算出した共鳴スペクトルに基づいて、溝の深さを演算するステップとを含む。

以下、図面を参照して、この発明の一実施の形態について説明する。図１は、この発明の一実施の形態にかかる板厚測定装置の要部を示すブロック図である。図１を参照して、板厚測定装置１０は、板厚測定装置本体１１と、板厚測定装置本体１１に接続された電磁超音波センサ２０とを含む。板厚測定装置本体１１は、電磁超音波センサ２０に接続されたダイプレクサ１２と、ダイプレクサ１２で受信した電磁超音波センサ２０からの信号を増幅する受信用の増幅器１３と、増幅器１３で増幅された信号のスペクトルを演算するスペクトル演算処理部１４と、スペクトル演算処理部１４での演算結果をデジタル信号に変換するＡ/Ｄ変換器１５と、測定した板厚を演算する板厚演算処理部１６とを含む。

板厚測定装置本体１１は、さらに、測定用の信号を発生する信号発生器１７と、信号発生器１７で発生された信号を増幅する増幅器１８とを含み、増幅器１８で増幅された測定信号がダイプレクサ１２を介して電磁超音波センサ２０に送られる。なお、板厚演算処理部１６はＣＰＵで構成されている。なお、ダイプレクサ１２は、超音波の送受信信号を分離する装置である。電磁超音波センサ２０は、コイルと磁石で構成されており、ここでは、垂直方向に横波が伝播するものを用いた。

図２は、板厚測定装置１０を用いて、鋼製の板３０を測定する状態を示す図である。図２（Ａ）は、溝を有する板３０の平面図であり、図２（Ｂ）は側面図である。平面図においては、板３０の上に電磁超音波センサ２０が置かれた状態を示している。

図２を参照して、板３０は厚さｄで、板３０の全幅に渡って、腐食部を模した溝３１を有する。この溝３１は幅ｗで深さはｈである。測定時には、電磁超音波センサ２０をこの溝３１の上に載置する。電磁超音波センサ２０としては、横波垂直伝播型を用いた。

図３は、この実施の形態に係る、板厚測定装置１０の動作を説明するフローチャートである。図３を参照して、まず、信号発生器１７で高周波信号を発生させ、それを増幅器１８で増幅して、ダイプレクサ１２を介して電磁超音波センサ２０へ高周波電流を流し、板表面で超音波を発生させ、そこから板３０の溝３１に向けて超音波を伝搬させる（ステップＳ１１、以下、ステップを省略する）。次に、電磁超音波センサ２０で板３０からの反射波を受信し（Ｓ１２）、受信した反射波を増幅器１３で増幅し、増幅された反射波をスペクトル演算処理部１４で演算して共鳴スペクトルの波形を算出し（Ｓ１３）、それをＡ／Ｄ変換器１５で変換して、板厚演算処理部１６で、算出した、溝を考慮した板の厚さに相当するスペクトルに基づいて、溝３１の深さを演算する（Ｓ１４）。したがって、スペクトル演算処理部１４が共鳴スペクトル算出手段として機能し、板厚演算処理部１６が演算手段として機能する。

共鳴条件としては、測定周波数の範囲を１〜５ＭＨｚとし、バースト波数を２５０サイクル、サンプリング数を１０００とした。また、板厚値は、共鳴法に基づく次式（１）の関係式から算出した。

ｆ_ｎ＝ｎｃ／２ｄ……（１）
ここで、ｆは周波数、ｃは音速、ｄは板厚、ｎ（≧１）は共鳴次数である。共鳴スペクトルのピーク値はスペクトルデータを最小二乗法により近似して算出し、これを共鳴周波数とした。

このようにして測定した結果を図４に示す。図４（Ａ）は、溝３１のない板厚２０ｍｍの健全な板３０を測定した場合の周波数と振幅との関係を示す図であり、図４（Ｂ）は、板厚２０ｍｍの板３０に深さ５ｍｍ、幅４ｍｍの溝３１を設け、その裏面側から測定した結果例を示す。図中の点線は、式（１）から算出した各板厚に相当する周波数を示す。

健全面で測定した場合は、ほぼ同レベルの振幅で全板厚に相当する周波数ごとに共鳴スペクトル４１が立っている。溝３１で測定した場合は、全厚２０ｍｍに相当するスペクトルと溝深さを差し引いた残厚１５ｍｍに相当するスペクトルとがほぼ一致する共鳴周波数ごとに共鳴スペクトル４２としてその振幅が大きくなっていることがわかる。そこで、そのピーク間隔Ｄを板厚値に換算したところ、溝深さに相当していることがわかった。このことは、溝側からの測定でも同様の結果が得られ、また、複数回の実験を行ったが、行った全ての溝寸法で溝深さの測定が可能であった。

一方、その他の共鳴スペクトルのピークから得られる板厚値は、ほとんどが全厚に相当していたが、溝幅が大きくなるほど、残厚に近い周波数でも共鳴スペクトルのピーク（共鳴スペクトル４３）が確認できた。

なお、発明者らは、上記の結果を確認するために、数値計算による検討を行った。以下に、その内容について説明する。

板厚測定装置１０により出力される共鳴スペクトルは、測定原理から式（２）を用いて計算を行った。

ここで、Ｔは超音波が材料を１往復する時間、ｍは超音波往復回数、Ｂ_０は、入射波の振幅、φ１は１回反射信号の位相遅れ、αは材料の減衰定数である。なお、初期条件として、Ｂ_０、φ１、は０とし、減衰定数は別途減衰測定実験により得られた測定値の近似曲線を代入して計算を行った。

上記とほぼ同様の条件、すなわち、厚さ２０．０ｍｍの板に、音速３２３０ｍ／ｓの超音波を入射するという条件で計算を行った共鳴スペクトルを図５（Ａ）に示す。図５（Ａ）を参照して、図４（Ａ）の実験結果と比較してほぼ同様の結果が得られている。

一方、溝型試験片の場合では，実験結果から全厚相当と残厚相当の両方の共鳴スペクトルが存在すると考えられるため、図５（Ｂ）および上記したように、超音波有効幅に占める全厚幅と残厚幅の比率を基に各板厚の計算値を加算する方法で共鳴スペクトルを算出した。その結果を図５（Ｃ）に示す。図５（Ｃ）に示すように、得られる共鳴スペクトルの各板厚に相当する振幅レベルは、図４（Ｂ）に示した実験結果と同様の傾向を示しており、ほぼ一致する周波数で振幅が大きくなっていることが確認できた。具体的には、電磁超音波センサの超音波有効幅１５ｍｍに対して、溝の幅が０．５ｍｍ（すなわち、全厚幅：残厚幅＝２９:１）程度までの測定が可能であった。以上から、このような、電磁超音波共鳴法を用いて溝の深さを測定可能であることが実証された。

次に、この発明の厚さ算出方法について説明する。上記実施の形態においては、板厚ｄは式（１）を変形した次の式（３）で算出していた。

ｄ＝ｃ／２（ｆ_ｎ−ｆ_ｎ−１）・・・・・・（３）
すなわち、各共鳴スペクトルのピーク間隔から算出していた。

この場合は、平板（溝のない健全な板）における板厚測定では，適切なサンプリング数でデータを採取することで０．１ｍｍ未満の精度で測定が可能である。

これに対して、この実施の形態においては、共鳴次数から板厚を算出する。ここで共鳴次数は、上記式（１）および（３）から次式（４）で表される。

ｎ＝ｆ_ｎ／（ｆ_ｎ−ｆ_ｎ−１ ） ・・・・・・（４）
ここで、式（４）におけるｎは２以上の自然数であり、この次数を式（１）に代入することで板厚が算出できる。このとき式（４）から得られる次数は、四捨五入した値を用いた。

この算出方法でも平板における板厚測定は０．１ｍｍ未満の精度で測定が可能である。

次に、板厚値算出方法による溝深さの測定精度の差について説明する。上記実施の形態における、溝深さの測定精度について、板厚が２０．２ｍｍであり、溝幅が３ｍｍで、溝深さが０．７ｍｍ、１．２ｍｍ、２．２ｍｍ、３．２ｍｍ、４．２ｍｍ、５．２ｍｍと変化させて検証を行った。なお、溝深さの測定は、上記した振幅が大きくなる共鳴スペクトルから算出した。

共鳴スペクトル間隔から算出した場合と共鳴次数から算出した場合の比較を図６に示す。図６（Ａ）は、溝の深さが浅い場合（ｄが２．５ｍｍ以下）を示す図であり、図６（Ｂ）は、溝の深さが深い場合（ｄが３．０ｍｍ以上）を示す図である。図６（Ａ）および図６（Ｂ）を参照して、共鳴スペクトル間隔から算出した場合は、０．２ｍｍ未満の精度であるのに対し、共鳴次数から算出した場合では平板と同様に０．１ｍｍ未満の測定精度が可能であった。

ここで、共鳴スペクトル間隔から算出した場合は、全厚相当（２０．２ｍｍ）と残厚相当（たとえば１５ｍｍ）の共鳴スペクトルが完全に一致はしていないため、直接振幅の大きい共鳴スペクトル間隔から算出すると誤差が大きくなるものと思われる。すなわち、いずれの方法で溝深さを測定しても、ある程度の精度が得られる。

次に、この発明のさらに他の実施の形態について説明する。この発明のさらに他の実施の形態においては、単独で存在する全板厚相当スペクトルと残厚相当スペクトルの間隔から溝深さを測定する。

全板厚と残厚相当の共鳴スペクトルがほぼ一致する振幅の大きい共鳴周波数を基準として、そこから各共鳴次数がｍ個ずれたときの全板厚相当と残厚相当との共鳴スペクトル間隔から次式（５）を用いて溝深さを算出する。

ここで、ｈは溝深さであり、ｄは全板厚であり、ｍは基準となる共鳴次数からのずれ次数であり、ｃは音速であり、ｆ_ｋｍは各共鳴スペクトル間隔である。

この場合の各共鳴スペクトルの間隔の例を図７に示す。図７は、上記と同様にして、厚さ２０ｍｍの板に、５ｍｍ深さの溝を設けた場合の共鳴周波数を示す図である。図７を参照して、基準共鳴周波数を５１ａ、５１ｂで示す。図中、ｆ_ｋ１およびｆ_ｋ２は、それぞれ、全板厚（○で示す）と残厚相当（■で示す）との共鳴スペクトルがほぼ一致する振幅の大きい共鳴周波数５１ａ，５１ｂを基準として、そこから各共鳴次数が１個、または２個ずれたときの全板厚相当と残厚相当との共鳴スペクトル間隔を示す。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明の一実施の形態にかかる板厚測定装置の要部を示すブロック図である。 板厚測定装置を用いて、鋼製の板を測定する状態を示す図である。 板厚測定装置の動作を説明するフローチャートである。 溝のない健全な板を測定した場合と、溝を有する板を測定した場合の共鳴スペクトルを示す図である。 溝型試験片を用いて数値計算による検討を行った場合の共鳴スペクトルを示す図である。 共鳴スペクトル間隔から算出した場合と共鳴次数から算出した場合の溝深さの測定精度を示す図である。 全板厚相当スペクトルと残厚相当スペクトルの間隔から溝深さを測定する場合のスペクトルを示す図である。

符号の説明

１０ 板厚測定装置、１１ 板厚測定装置本体、１２ ダイプレクサ、１３ 増幅器、１４ スペクトル演算処理部、１５ Ａ/Ｄ変換器、１６ 板厚演算処理部、１７ 信号発生器、１８ 増幅器、２０ 電磁超音波センサ、３０ 板、３１ 溝。

Claims (4)

1. 表面に溝を有する金属板材の前記溝の深さを測定する板厚測定装置であって、
   前記金属板材に向けて超音波を送信するとともに、前記金属板材からの反射波を受信する電磁超音波センサと、
   前記電磁超音波センサの受信した反射波に基づいて、共鳴スペクトルを算出する共鳴スペクトル算出手段と、
   前記共鳴スペクトル算出手段の算出した共鳴スペクトルの周波数に基づいて、前記溝の深さを演算する演算手段とを含み、
   前記共鳴スペクトル算出手段は、共鳴スペクトル波形として、前記金属板材の全厚に相当する第１共鳴スペクトルと、前記溝を除いた残厚に相当する第２共鳴スペクトルとを出力し、
   前記演算手段は、前記第１共鳴スペクトルと前記第２共鳴スペクトルとの重なりによって振幅レベルの大きくなった共鳴スペクトルを用いて、前記溝深さを算出する、板厚測定装置。
2. 表面に溝を有する金属板材の前記溝の深さを測定する板厚測定装置であって、
   前記金属板材に向けて超音波を送信するとともに、前記金属板材からの反射波を受信する電磁超音波センサと、
   前記電磁超音波センサの受信した反射波に基づいて、共鳴スペクトルを算出する共鳴スペクトル算出手段と、
   前記共鳴スペクトル算出手段の算出した共鳴スペクトルの周波数に基づいて、前記溝の深さを演算する演算手段とを含み、
   前記共鳴スペクトル算出手段は、共鳴スペクトル波形として、前記金属板材の全厚に相当する第１共鳴スペクトルと、前記溝を除いた残厚に相当する第２共鳴スペクトルとを出力し、
   前記演算手段は、単独で存在する前記第１共鳴スペクトルの共鳴周波数と前記第２共鳴スペクトルの共鳴周波数との差に基づいて、前記溝深さを算出する、板厚測定装置。
3. 前記共鳴スペクトルは所定の周波数帯域内に複数のピーク値を有し、
   前記演算手段は、前記共鳴スペクトルの隣接するピーク値の間隔に基づいて、前記溝の深さを演算する、請求項１または２に記載の板厚測定装置。
4. 前記演算手段は、前記共鳴スペクトルの共鳴周波数の次数に基づいて、前記溝の深さを演算する、請求項１〜３のいずれかに記載の板厚測定装置。

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