JP5188466B2 - パルス励磁型渦電流探傷方法及びこれを用いたパルス励磁型渦電流探傷装置 - Google Patents

Description

本発明はパルス励磁型渦電流探傷方法及びこれを用いたパルス励磁型渦電流探傷装置による被検体の肉厚評価技術に関する。

発電プラント等では、配管設備の健全性が定期的に検査される。定期検査の中には配管の肉厚に関する減肉の有無を確認する減肉検査があるが、超音波探傷装置を用いる場合は探触子を配管に押し当て、反射波の時間遅れから被検体である配管の肉厚を測定しながら配管全長を検査するため、長い時間と多大な労力を要する。

一方、最近では電磁気的に被検体の肉厚を測定するパルス励磁型渦電流探傷法が用いられてきている。パルス励磁型渦電流探傷法では、プローブの励磁コイルにパルス励磁電圧を印加しパルス励磁電流を発生させる。パルス励磁電圧を矩形波とすると、パルス励磁電流波形は時定数τ（＝Ｌ／Ｒ）の遅延特性を示し、パルス励磁電圧に比べて緩やかに減衰する。Ｒは励磁コイルの抵抗であり、Ｌは励磁コイルのインダクタンスである。

立下り時のパルス励磁電流の減衰により磁束分布が変化し、その磁束の変化を妨げるように磁性材内には渦電流が発生する。肉厚測定では、パルス励磁電流による磁束が減衰した後、被検体の渦電流による磁束を測定し、その特性から肉厚を評価する。このようにパルス励磁型渦電流探傷法では非接触で配管等の肉厚を測定できるため、超音波検査での接触媒質塗布や保温材脱着などの付帯作業が不要で、特に自動配管検査技術として有効である。

パルス励磁型渦電流探傷法による肉厚評価の手順は特許文献１や特許文献２などに公開されている。特許文献１によれば、電気伝導性材料からなる物体の肉厚の測定では、パルス時間の間一定の電流を放出器コイルに流し、電流及び関連電磁場がパルスの立ち下がりでオフされた後の受信器コイル間の出力電圧を時間関数として測定し、既知の肉厚における基準信号の減衰と比較する。受信器コイル間の出力電圧の減衰時間は被検体肉厚に比例することから、ある振幅間の減衰に要した経過時間を算出し、肉厚を決定し評価する。特許文献２も同様な手順で肉厚を評価するが、受信器コイル間の電圧の減衰特性から直接出力電圧の時間変化の傾きを求める点で異なる。

特公表２０００−５１４５５９号公報 特開２００９−７９９８４号公報

これら従来技術は、いずれも励磁電流減衰後の渦電流の減衰特性から肉厚を求める手法であり、被検体が薄くなればなるほど渦電流の減衰時間は短くなる。そのため、薄肉材では渦電流による磁束に励磁電流による磁束が重畳するようになる。特に、立下り時の励磁電流による磁束は渦電流の磁束よりも２桁程度大きく、両者を時間分離して渦電流による磁束のみの測定を行うことが困難である。このような課題に対して、本発明では正負の励磁電圧を組み合わせて、強制的に励磁電流を短時間に減衰させ渦電流を確実に検出する方法を提案する。

本発明は、励磁コイルと検出素子を有するプローブを有し、前記励磁コイルにパルス状の励磁電圧を印加し前記励磁コイルに流れる励磁電流による磁束を被検体内に浸透させ、励磁電流の遮断により被検体内に渦電流を発生させ、前記プローブの検出素子により前記励磁電流による磁束が十分に減衰した後に渦電流による磁束を検出し、渦電流による磁束の時間的な減衰特性から被検体の肉厚を測定するパルス励磁型渦電流探傷方法において、
前記プローブの励磁コイルに正振幅と負振幅の電圧を組み合わせた励磁電圧を印加し、励磁コイルの励磁電流を短時間に減衰させたことを特徴とする。

また、前記プローブの励磁コイルに正振幅の励磁電圧を印加して励磁コイルの励磁電流が定常状態となった後に、前記励磁コイルに負振幅の励磁電圧を印加し励磁コイルの励磁電流を定常状態の励磁電流に対し２桁以上減衰させ、その後に励磁電圧をオフにすることを特徴とする。

さらに、励磁信号発生装置により、励磁コイルと検出素子を有するプローブの励磁コイルにパルス状の励磁電圧を印加し、前記励磁コイルに流れる励磁電流による磁束を被検体内に浸透させ、励磁電流の遮断により前記被検体内に渦電流を発生させ、前記プローブの検出素子により励磁電流による磁束が十分に減衰した後に渦電流による磁束を検出し、前記検出素子の検出信号をコンピュータにより処理して渦電流による磁束の時間的な減衰特性から被検体の肉厚を測定するパルス励磁型渦電流探傷装置において、前記励磁信号発生装置に任意波形発生器を設け、前記励磁コイルに正振幅と負振幅の電圧を組み合わせた励磁電圧を印加し、励磁コイルの励磁電流を短時間に減衰させることを特徴とする。

さらに、前記任意波形発生器は、前記励磁コイルに印加する正振幅の励磁電圧と、前記励磁コイルの励磁電流が定常状態となった後に、励磁コイルに印加して励磁電流を定常状態の励磁電流に対し２桁以上減衰させる負振幅の励磁電圧からなる励磁電圧を発生させることを特徴とする。

本発明によれば、パルス励磁電流による磁束を速やかに減衰させる極性の異なるパルス駆動電圧をプローブに印加することにより、被検体の渦電流による磁束のみを確実に測定することが出来るため、薄肉材の正確な肉厚が測定可能になる。

本発明実施例１のパルス励磁型渦電流探傷システムを示すブロック図である。 実施例１のプローブの構成を示す模式図である。 実施例１の被検体肉厚演算プログラムのフローチャートである。 実施例１のパルス励磁型渦電流探傷システムの動作原理の波形図である。 実施例１のパルス励磁電圧とパルス励磁電流の波形図である。 実施例１と従来技術のパルス励磁電流の減衰特性を表す波形図である。 実施例１と従来技術の出力信号ノイズの相対的減衰率を示すグラフである。 実施例１における肉厚毎の出力信号の測定結果を示すグラフである。 実施例２のパルス励磁電圧とパルス励磁電流の波形図である。 実施例２の検出素子における出力信号の波形図である。 実施例２で出力信号を差分処理した場合の波形図である。

以下に本発明の実施例を図面について説明する。

図１は本発明の実施例１に係るパルス励磁型渦電流探傷システムを示すブロック図であり、図２はそのプローブ２４の模式図である。以下にその動作原理を述べる。まず、励磁信号発生装置２０はトリガ信号発生器２１と任意波形発生器２２を有し、トリガ信号発生器２１からトリガ信号を任意波形発生器２２に出力する。任意波形発生器２２では、トリガ信号を受け、あらかじめ設定した任意の励磁電圧波形を電力増幅器２３に出力する。電力増幅器２３では、設定した倍率で増幅したパルス励磁電圧波形をプローブ２４の励磁コイル３１に出力する。３２は検出素子、３３は励磁コイル３１の中央軸、３４は被検体である。

プローブ２４の検出素子３２にはホール素子を用い、直流電源２５によりＤＣ電圧を印加する。検出素子３２からの出力信号は信号増幅器２６で増幅され、オシロスコープ２７でＡＤ変換して、コンピュータ２８に入力される。

ここでコンピュータ２８は、ＣＰＵ、メモリ、ディスプレイ及び被検体肉厚演算プログラムを有し、信号増幅器２６、オシロスコープ２７で処理されたプローブ２４の検出信号を対数変換し、時間変化における近似直線を演算し、近似直線の勾配から演算被検体の肉厚を演算する（図３ステップ１１４〜１１７の処理に対応）。

プローブ２４は、位置制御装置２９と機械的／電気的に接続されており、コンピュータ２８にて位置が制御される。プローブ２４の励磁コイル３１には、線径φ０．１ｍｍのエナメル線を用い、内径φ５ｍｍ、外径φ１４．５ｍｍ、高さ５ｍｍで巻回し、巻き数は１５００回である。検出素子３２は励磁コイル３１の中央軸３３の下側に配置されている。

図３は肉厚評価のフローチャートである。まず、ステップ１１１で開始時にプローブを検査位置に設定する。次に、１１２で励磁コイル３１にパルス励磁電圧を印加し、１１３で磁束の変化を検出素子３２で検出する。次に、１１４で検出素子３２の検出出力を対数に変換し、１１５で時間変化における近似直線を演算する。さらに、１１６で近似直線の勾配から被検体の肉厚を演算し、１１７で演算結果を表示する。検査を終了しない場合、１１９で次の検査位置にプローブを設定し、１１２で再び励磁コイル３１にパルス励磁電圧を印加して検査を続行する。

図４は商用電源波形、トリガ信号、励磁電圧波形、検出素子の信号の関係を原理的に説明する波形図であり、図３のステップ１１２〜１１３に示す、励磁コイルにパルス励磁電圧を印加し磁束の変化を検出素子３２で検出するまでの関係を表している。商用電源波形は５０Ｈｚの正弦波で、商用電源に同期してトリガ信号発生器２１はトリガ信号を出力する。トリガ信号を受け、任意波形発生器２２は１サイクル２０ｍｓで、パルス励磁電圧を出力する。

図５に本発明の励磁電圧波形と励磁電流波形を示す。パルス励磁電圧波形１は、パルス幅ｔ０の正振幅矩形波とパルス幅ｔ１の負振幅矩形波で構成される。ここで、パルス幅ｔ０はパルス励磁電流２が定常状態（ｉ＝一定）となるまでの十分な時間であり、パルス幅ｔ１はパルス励磁電流２がｉ＝０になるまでの時間であり、ｔ２は渦電流が十分に減衰するまでの時間である。すなわち、ｔ０+ｔ１が励磁期間であり、ｔ２が渦電流検出期間である。上記の構成においては、パルス幅ｔ０の矩形波に対してパルス幅ｔ１で逆方向の矩形波を加え、パルス励磁電流２がｉ＝０になるまでの時間を強制的に短くしている。

図６は、パルス励磁電圧５１において逆方向の矩形波の有無によるパルス励磁電流の違いを表している。逆方向の矩形波が無い場合、パルス励磁電流ｉは時定数τでｉ＝０に漸近し、最大値から３桁減衰するまでに６．９τの時間を要する。一方、実施例１のように逆方向の矩形波が有る場合には、パルス励磁電流ｉは時定数τでｉ＝−Ｉに漸近し、０．６９τでｉ＝０を横切る。このようにパルス幅ｔ１を調整することで、従来より遙かに早い時間にパルス励磁電流を減衰させ、従って渦電流を容易に検出することが出来る。パルス励磁電圧の周期は２０ｍｓであり、パルス幅はｔ０＝１０ｍｓ、ｔ１＝０．１ｍｓである。励磁電流を最大値から２桁以上減衰させると、励磁電流磁束が渦電流磁束と同程度まで減衰し、渦電流磁束を検出可能となる。

次に実施例１の効果を説明する。図７は逆方向の矩形波の有無による励磁電流による磁束出力（ノイズ）の影響を比較したグラフである。同一条件の被検体について、本発明では励磁電流による磁束出力（ノイズ）の影響が急峻に減衰するのに対して、従来技術は緩やかにｉ＝０に漸近した。

次に、実施例１の条件で被検体として肉厚の異なる磁性材を測定した場合の検出素子３２の出力信号を図８のグラフに示す。図８から明らかなように薄肉材であっても肉厚により明確に異なる検出出力を得ることが出来、肉厚を測定可能なことを確認した。

図９は本発明の実施例２に係る正負パルス励磁電圧の波形図である。パルス励磁電圧８１は、パルス幅ｔ０の正振幅矩形波とパルス幅ｔ１の負振幅矩形波、およびこれから時間幅ｔ２遅れて発生するパルス幅ｔ０の負振幅矩形波とパルス幅ｔ１の正振幅矩形波で構成される。

ここで、パルス幅ｔ０はパルス励磁電流８２が定常状態（ｉ＝一定）となるまでの十分な時間であり、パルス幅ｔ１はパルス励磁電流８２がｉ＝０になるまでの時間であり、ｔ２は渦電流が十分に減衰するまでの時間である。

図１０の検出素子の出力信号の波形図の様に、パルス幅ｔ０の負振幅矩形波とパルス幅ｔ１の正振幅矩形波を追加したことで、検出素子３２の出力信号であるホール電圧波形も正負を反転した波形（１）と波形（２）が得られる。

図１０に明らかなように、ホール電圧には残留磁化による影響が直流成分として現れるため、ホール電圧はバイアスされた状態で測定される場合がある。そこで、図１１に示すように正負を反転した２つのホール電圧波形（１）と（２）を差分し、残留磁化による影響を相殺する信号処理を実施する。本実施例では、実施例１と同様の効果に加えて、残留磁化の直流成分をオフセットする効果を得ることができ、さらに商用電源から発生するノイズも除去できる。

本発明は、配管の肉厚評価を可能とし、特に薄肉の磁性管や導電性の非磁性管に対しても利用できる。

１、５１、８１ パルス励磁電圧
２、５２、８２ パルス励磁電流
２０ 励磁信号発生装置
２１ トリガ信号発生器
２２ 任意波形発生器
２４ プローブ
２８ コンピュータ
３１ 励磁コイル
３２ 検出素子
３４ 被検体

Claims (8)

1. 励磁コイルと検出素子を有するプローブを有し、前記励磁コイルにパルス状の励磁電圧を印加し前記励磁コイルに流れる励磁電流による磁束を被検体内に浸透させ、励磁電流の遮断により被検体内に渦電流を発生させ、前記プローブの検出素子により前記励磁電流による磁束が十分に減衰した後に渦電流による磁束を検出し、渦電流による磁束の時間的な減衰特性から被検体の肉厚を測定するパルス励磁型渦電流探傷方法において、
   前記プローブの励磁コイルに前記励磁電圧を印加する励磁期間に正振幅と負振幅の電圧を組み合わせた励磁電圧を印加し、前記励磁コイルの励磁電流を前記被検体に発生した渦電流を検出する渦電流検出期間までに減衰させたことを特徴とするパルス励磁型渦電流探傷方法。
2. 請求項１に記載されたパルス励磁型渦電流探傷方法において、前記プローブの励磁コイルに正振幅の励磁電圧を印加して前記励磁コイルの励磁電流が定常状態となった後に、前記励磁コイルに負振幅の励磁電圧を印加し前記励磁コイルの励磁電流を定常状態の励磁電流に対し２桁以上減衰させ、その後に励磁電圧をオフにすることを特徴とするパルス励磁型渦電流探傷方法。
3. 請求項１に記載されたパルス励磁型渦電流探傷方法において、前記プローブの励磁コイルに正振幅の電圧を印加して前記励磁コイルの励磁電流が定常状態となった後に、前記励磁コイルに負振幅の電圧を印加し励磁コイルの励磁電流を定常状態の励磁電流に対し２桁以上減衰させ、その後に励磁電圧をオフとし、
   さらに、前記励磁コイルに負振幅の励磁電圧を印加して励磁コイルの励磁電流が定常状態となった後に、前記励磁コイルに正振幅の電圧を印加して前記励磁コイルの励磁電流を定常状態の励磁電流に対し２桁以上減衰させ、その後に励磁電圧をオフとしたことを特徴とするパルス励磁型渦電流探傷方法。
4. 請求項３に記載されたパルス励磁型渦電流探傷方法において、前記検出素子により検出された前記被検体の渦電流磁束による正負反転出力電圧を差分出力し、残留磁化による影響を相殺することを特徴とするパルス励磁型渦電流探傷方法。
5. 励磁信号発生装置により、励磁コイルと検出素子を有するプローブの励磁コイルにパルス状の励磁電圧を印加し、前記励磁コイルに流れる励磁電流による磁束を被検体内に浸透させ、励磁電流の遮断により前記被検体内に渦電流を発生させ、前記プローブの検出素子により励磁電流による磁束が十分に減衰した後に渦電流による磁束を検出し、前記検出素子の検出信号をコンピュータにより処理して渦電流による磁束の時間的な減衰特性から被検体の肉厚を測定するパルス励磁型渦電流探傷装置において、
   前記励磁信号発生装置に任意波形発生器を設け、前記励磁コイルに前記励磁電圧を印加する励磁期間に正振幅と負振幅の電圧を組み合わせた励磁電圧を印加し、前記励磁コイルの励磁電流を前記被検体に発生した渦電流を検出する渦電流検出期間までに減衰させることを特徴とするパルス励磁型渦電流探傷装置。
6. 請求項５に記載されたパルス励磁型渦電流探傷装置において、前記任意波形発生器は、前記励磁コイルに印加する正振幅の励磁電圧と、前記励磁コイルの励磁電流が定常状態となった後に、前記励磁コイルに印加して励磁電流を定常状態の励磁電流に対し２桁以上減衰させる負振幅の励磁電圧からなる励磁電圧を発生させることを特徴とするパルス励磁型渦電流探傷装置。
7. 請求項５に記載されたパルス励磁型渦電流探傷装置において、前記任意波形発生器は、前記励磁コイルに印加する正振幅の励磁電圧と、前記励磁コイルの励磁電流が定常状態となった後に励磁コイルに印加して励磁電流を定常状態の励磁電流に対し２桁以上減衰させる負振幅の励磁電圧と、励磁電圧をオフとした後に励磁コイルに印加する負振幅の励磁電圧と、前記励磁コイルの励磁電流が定常状態となった後に前記励磁コイルに印加して励磁電流を定常状態の励磁電流に対し２桁以上減衰させる正振幅の励磁電圧からなる励磁電圧を発生させることを特徴とするパルス励磁型渦電流探傷装置。
8. 請求項７に記載されたパルス励磁型渦電流探傷装置において、前記検出素子により検出された前記被検体の渦電流磁束による正負反転出力電圧を前記コンピュータにより差分出力し、残留磁化による影響を相殺することを特徴とするパルス励磁型渦電流探傷装置。

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