JP5465588B2 - 炭素質材の超音波検査方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、炭素質材の超音波検査方法及びその装置に関するものである。

一般に、鋼材や金属材等の対象物について肉厚を計測する方法には様々なものがあり、その一例としては、超音波を用いて検出データから対象物の肉厚を計測するものがある。

この際には、超音波を送信する探触子と、探触子からのデータを処理する処理装置とを用いており、計測の際には対象物の外面に探触子を配置して数ＭＨｚの超音波を送信し、対象物の底面で反射した底面反射エコーを取得し、種々の解析を行っての肉厚を算出している（例えば、特許文献１、２参照）。

又、高炉においては、高炉に使用される炭素質材の耐火物の肉厚を計測することが求められており、特に高炉の耐火材は、高炉の稼働によって減肉が進行するため、減肉量を推定することが求められている。その炭素質材の耐火材の減肉量を推定する一例としては、耐火材の肉厚が薄くなった場合に温度が上昇することを利用し、耐火材に温度計を複数設置して当該温度計の温度変化に基づき耐火材の減肉量を推定するものがある。

特開平７−１９８３６２号公報 特開２００４−１６３２５０号公報

しかしながら、温度計による温度を用いて炭素質材の耐火材の減肉量等を推定する場合には、耐火材の温度に依存すると共に計測精度が劣るため、耐火材の減肉量等を適切に計測することができないという問題があった。又、超音波を用いて炭素質材の耐火物の肉厚を計測する際には、炭素質材が粗粒材で超音波を通しにくい性質を有することから、超音波の減衰作用が大きく、底面反射信号を適切に取得することができないという問題があった。更に炭素質材の耐火物の肉厚を計測する際に、一般的な減衰補正の処理を適用した場合であってもノイズが増幅され、底面反射信号を適切に取得することができないという問題があった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなしたもので、炭素質材の肉厚又は減肉量を適切に計測し得る炭素質材の超音波検査方法及びその装置を提供することを目的とする。

本発明の炭素質材の超音波検査方法は、炭素質材に対して超音波探触子により超音波を送信し、炭素質材からの底面反射エコーを超音波探触子により受信して処理する炭素質材の超音波検査方法であって、材質が同じで肉厚が異なる二つの比較用の炭素質材を用いて減衰定数を予め準備し、前記炭素質材と材質が同じである測定対象の炭素質材に対して、超音波を送受信して底面反射エコーを前記減衰定数により減衰補正して補正波形信号を取得し、更に前記超音波送受信時の異なる複数の時間で複数の補正波形信号を取得し、当該取得した異なる複数の補正波形信号を積計算により相関演算処理して底面反射信号を抽出し、底面反射信号の伝搬時間と、予め準備した前記炭素質材の音速とを用いて前記測定対象の炭素質材の肉厚を算出するものである。

又、本発明の炭素質材の超音波検査方法は、炭素質材に対して超音波探触子により超音波を送信し、炭素質材からの底面反射エコーを超音波探触子により受信して処理する炭素質材の超音波検査方法であって、材質が同じで肉厚が異なる二つの比較用の炭素質材を用いて減衰定数を予め準備し、前記炭素質材と材質が同じである測定対象の炭素質材に対して、超音波を送受信して底面反射エコーを前記減衰定数により減衰補正して補正波形信号を取得し、更に前記超音波送受信時の異なる複数の時間で複数の補正波形信号を取得し、当該取得した異なる複数の補正波形信号を積計算により相関演算処理して底面反射信号を抽出し、底面反射信号の伝搬時間と、予め準備した前記炭素質材の音速とを用いて前記測定対象の炭素質材の肉厚を算出し、次いで時間経過に伴って炭素質材の肉厚を再度計測し、時間経過に伴う複数の肉厚の値から減肉量を算出するものである。

本発明の炭素質材の超音波検査方法において、相関演算処理する前には、底面反射エコー又は補正波形信号をウェーブレット演算することが好ましい。

本発明の炭素質材の超音波検査方法において、底面反射エコーを複数回受信し、減衰定数により減衰補正する前に、複数回の底面反射エコーを平均化処理をしてノイズを減らすことが好ましい。

本発明の炭素質材の超音波検査方法において、送信側の超音波探触子と受信側の超音波探触子が離間幅を有して配置される場合には、

Ｔ：肉厚（ｍｍ）
ｖ：炭素質材の音速（ｍｍ／μｓ）
ｔ：伝搬時間（μｓ）
Ｙ：離間幅（ｍｍ）
により離間幅の誤差を補正することが好ましい。

本発明の炭素質材の超音波検査方法において、送信側の超音波探触子又は受信側の超音波探触子の一方が炭素質材の凹部に配置される場合には、

Ｔ：肉厚（ｍｍ）
ｖ：炭素質材の音速（ｍｍ／μｓ）
ｔ：伝搬時間（μｓ）
Ｙ：離間幅（ｍｍ）
Ｚ：凹部の深さ（ｍｍ）
により凹部の深さの誤差を補正することが好ましい。

本発明の炭素質材の超音波検査方法において、炭素質材は、炭素５０ｗ％以上８５ｗ％以下を含有する炭素質耐火物である。

本発明の炭素質材の超音波検査装置は、炭素質材に対して超音波を発信する超音波探触子と、該超音波探触子からの信号を処理する信号演算部とを備える炭素質材の超音波検査装置であって、
前記超音波探触子は、超音波を送受信する機能を有し、
前記信号演算部は、材質が同じで肉厚が異なる二つの比較用の炭素質材を用いて予め求めた減衰定数を使用して、測定対象の炭素質材への超音波送受信により発生する底面反射エコーを、減衰定数により減衰補正して補正波形信号を取得し、更に超音波送受信時の異なる複数の時間で複数の補正波形信号を取得し、当該取得した異なる複数の補正波形信号を積計算により相関演算処理して底面反射信号を抽出し、底面反射信号の伝搬時間と、予め準備した前記炭素質材の音速とを用いて前記測定対象の炭素質材の肉厚を算出するように構成されたものである。

本発明の炭素質材の超音波検査装置は、炭素質材に対して超音波を発信する超音波探触子と、該超音波探触子からの信号を処理する信号演算部と、減肉量算出部とを備える炭素質材の超音波検査装置であって、
前記超音波探触子は、超音波を送受信する機能を有し、
前記信号演算部は、材質が同じで肉厚が異なる二つの比較用の炭素質材を用いて予め求めた減衰定数を使用して、測定対象の炭素質材への超音波送受信により発生する底面反射エコーを、減衰定数により減衰補正して補正波形信号を取得し、更に超音波送受信時の異なる複数の時間で複数の補正波形信号を取得し、当該取得した異なる複数の補正波形信号を積計算により相関演算処理して底面反射信号を抽出し、底面反射信号の伝搬時間と、予め準備した前記炭素質材の音速とを用いて前記測定対象の炭素質材の肉厚を算出し、更に時間経過に伴って炭素質材の肉厚を再度算出し、
前記減肉量算出部は、時間経過に伴う複数の肉厚の値から減肉量を算出するように構成されたものである。

本発明の炭素質材の超音波検査装置において、前記信号算出部は、相関演算処理する前に、底面反射エコー又は減衰補正信号をウェーブレット演算するように構成されることが好ましい。

本発明の炭素質材の超音波検査装置において、前記信号算出部は、底面反射エコーを複数回受信し、減衰定数により減衰補正する前に、複数回の底面反射エコーを平均化処理をしてノイズを減らすように構成されることが好ましい。

本発明の炭素質材の超音波検査装置において、送信側の超音波探触子と受信側の超音波探触子が離間幅を介して配置され、
前記信号算出部は、

Ｔ：肉厚（ｍｍ）
ｖ：炭素質材の音速（ｍｍ／μｓ）
ｔ：伝搬時間（μｓ）
Ｙ：離間幅（ｍｍ）
により離間幅の誤差を補正するように構成されることが好ましい。

本発明の炭素質材の超音波検査装置において、送信側の超音波探触子又は受信側の超音波探触子の一方が炭素質材の凹部に配置され、
前記信号算出部は、

Ｔ：肉厚（ｍｍ）
ｖ：炭素質材の音速（ｍｍ／μｓ）
ｔ：伝搬時間（μｓ）
Ｙ：離間幅（ｍｍ）
Ｚ：凹部の深さ（ｍｍ）
により凹部の誤差を補正するように構成されることが好ましい。

本発明の炭素質材の超音波検査方法及びその装置によれば、減衰補正及び相関演算処理によりノイズを減らして底面反射信号を抽出し、底面反射信号の伝搬時間と、予め準備した炭素質材の音速とを用いて炭素質材の肉厚を算出するので、炭素質材の温度を利用することなく、肉厚又は減肉量を適切に計測することができる。又、超音波の減衰作用の大きい炭素質材であっても肉厚又は減肉量を適切に計測することができる。更に減衰補正のみでは底面反射信号を取得できない炭素質材であっても、減衰補正及び相関演算処理を用いて処理するので、底面反射信号を取得することができるという優れた効果を奏し得る。

本発明の形態例を示すブロック図である。 本発明の形態例であって炭素質材の肉厚の算出を示すフローである。 本発明の形態例であって炭素質材の減肉量の算出を示すフローである。 減衰定数を求める処理を示す概念図である。 減衰補正した場合と減衰補正しない場合における実測の信号を示す画像図である。 実測の相関演算処理を概念的に示す処理図である。 送信側の超音波探触子と受信側の超音波探触子が離間幅を介して配置される場合を示す概念図である。 送信側の超音波探触子又は受信側の超音波探触子の一方が凹部に配置される場合を示す概念図である。 炭素質材において減肉（損耗）を生じた例を示すグラフである。

以下、本発明の炭素質材の超音波検査方法及びその装置を実施する形態例を図１〜図８を参照して説明する。

実施の形態例の炭素質材の超音波検査方法及びその装置は、炭素質材１の肉厚Ｔ又は減肉量の計測や検査に使用されるものであり、当該炭素質材１の一例としては、高炉の内部に内張されて高炉湯溜まりの耐久性を高める炭素質耐火材がある。炭素質耐火材は炭素５０ｗ％以上８５ｗ％以下を含有するものであり、具体的には、例えば、炭素５０〜８０ｗ％、アルミナ５〜１５ｗ％、金属珪素５〜１５ｗ％、及びバナジウム、ニオブ、タンタル、又はこれらの元素の炭化物、窒化物、炭窒化物の１種又は２種以上を合計で５〜２０ｗ％を含有させた混合物に有機バインダーを加え、混練、成形し、非酸化雰囲気で焼成したものである。ここで炭素質材１の密度は１．５ｇ/cm^３以上２．５ｇ/cm^３以下のもので構成されており、鋼材等に比べ低密度であり超音波の減衰率が大きい材料である。又、炭素質材１の音速ｖは１．５ｍｍ／μｓ以上４．５ｍｍ／μｓ以下、好ましくは２．０ｍｍ／μｓ以上３．５ｍｍ／μｓ以下となっている。ここで炭素質材１の音速は、事前に測定しておいても良いし、材質が同じものの物性値として使用しても良いし、そのどちらを用いても良い。

本発明の形態例の炭素質材の超音波検査装置は、超音波を送信する機能を有する送信側の超音波探触子２と、反射エコーを受信する機能を有する受信側の超音波探触子３と、超音波探触子２，３に接続される超音波送受信器４と、超音波送受信器４に接続される信号採取部５と、信号採取部５に接続されて信号を処理する信号演算部６と、信号演算部６に接続されてデータを処理する減肉量算出部７と、減肉量算出部７に接続されてデータ等の信号を保存する信号保存部８と、信号演算部６に接続されて時間を計測する時間制御部９を備えている。ここで超音波送受信器４、信号採取部５、信号演算部６、減肉量算出部７、信号保存部８、時間制御部９は、ＰＣ等の処理手段により一体的に構成されても良いし、夫々別個に構成されても良いし、種々の部分でまとめて構成されても良い。

送信側の超音波探触子２及び受信側の超音波探触子３は、直径数ｍｍの振動子（図示せず）を備え、炭素質材１の一面に接触配置されるようになっており、送信側の超音波探触子２から炭素質材１に対して超音波を送信し、受信側の超音波探触子２により炭素質材１の底面から底面反射エコーを受けるように構成されている。又、送信側の超音波探触子２と受信側の超音波探触子３が適用し得る周波数は２０ｋＨｚ以上２ＭＨｚ以下であり、特に５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下が好ましい。更に送信側の超音波探触子２と受信側の超音波探触子３は一つの超音波探触子２，３で構成されても良い。

送信側の超音波探触子２及び受信側の超音波探触子３を、高炉の炭素質耐火物に配置する場合には、高炉の外部に位置する鉄皮、背面圧力材、ステーブ、及びスタンプ材等（以下、鉄皮等１０と称する。図７、図８参照）を貫通する穴１１（図ではフランジ付の管を設置）を介して送信側の超音波探触子２及び受信側の超音波探触子３を、炭素質材１に接するように配置している。

ここで炭素質材１の底面とは、送信側の超音波探触子２及び受信側の超音波探触子３を配置した一面に対して反対側の面を意味しており、送信側の超音波探触子２及び受信側の超音波探触子３を図１の如く上面に配置した場合には下面を底面としており、送信側の超音波探触子２及び受信側の超音波探触子３を側面に配置した場合には反対側の側面（背面）を底面としており、送信側の超音波探触子２及び受信側の超音波探触子３を下面に配置した場合には上面を底面としている。又、送信側の超音波探触子２及び受信側の超音波探触子３を高炉の炭素質耐火材の高炉外面に配置する場合には高炉内面（稼働面）を炭素質耐火材の底面としている。

超音波送受信器４は、超音波探触子２からの底面反射エコーを波形として受信するようにパスサーレシーバやバースト発生器等で構成されており、信号採取部５は、超音波送受信器４からの波形をデジタル信号に変換するようになっている。

信号演算部６は、信号採取部５からの信号に対して信号の抽出、減衰処理、ウェーブレット演算、相関演算処理を為しえるように、図２、図３に示すフロー処理（ステップＳ１〜Ｓ１６）を行う時間周波数解析部及び特定周波数抽出部を備えている。

減肉量算出部７は、炭素質材１の音速ｖが既知の値として予め入力されていると共に信号演算部６からの信号を受け、所定の関数に基づいて炭素質材１の肉厚Ｔを計測するようになっている。更に一定時間の経過に伴って再度計測した炭素質材１の肉厚Ｔを蓄積し、時間経過に伴う複数の肉厚Ｔの値から減肉量を算出するようになっている。

信号保存部８は、減肉量算出部７で用いたデータを全て保管するようになっている。ここで保管するデータは、所望のデータのみを保管するようにしても良いし、夫々の処理のデータ値を保管するようにしても良い。

時間制御部９は、前回データを採取してからどれだけ時間が経過したかをカウントするようになっており、相関演算処理や減肉量の算出に適用できるようになっている。

以下、本発明の炭素質材の超音波検査方法及びその装置を実施する形態例の作用を説明する。

炭素質材１を計測する際には、準備段階として、炭素質材１の一面に送信側の超音波探触子２及び受信側の超音波探触子３を配置する。又、高炉の炭素質耐火材を計測する際には、高炉の鉄皮等１０を貫通する穴１１を介して送信側の超音波探触子２及び受信側の超音波探触子３を炭素質耐火材の高炉外方向きの面に配置する。ここで送信側の超音波探触子２及び受信側の超音波探触子３が穴１１内に位置する場合には、図７の如く送信側の超音波探触子２及び受信側の超音波探触子３が所定の離間幅Ｙを介して配置されても良いし、送信側の超音波探触子２又は受信側の超音波探触子３の一方が図８の如く炭素質耐火物の内側へ凹んだ凹部１２の奥面に配置されても良い（図８では凹部１２に送信側の超音波探触子２を配置）。

炭素質材１の計測を開始する際には、トリガ信号の送信（ステップＳ１）により送信側の超音波探触子２から超音波を送信し（ステップＳ２）、炭素質材１の底面から底面反射エコーを受信側の超音波探触子３で受信する（ステップＳ３）。次に受信側の超音波探触子３からの底面反射エコーを超音波送受信器４により波形として受信し、信号採取部５を介してデジタル信号に変換し（ステップＳ４）、信号演算部６に送信する（ステップＳ５）。なお図２、図３のフローでは信号演算部６への送信をＰＣへの送信と記載している。

信号演算部６では、所定の複数回のデータに達したか否かを判断し（ステップＳ６）、所定の複数回のデータに達した場合（ステップＳ６のＹＥＳ）には平均化処理をする（ステップＳ７）。ここで平均化処理は複数回のデータを加算し、更に当該複数回で割り算しており、電源のノイズや１回のデータに含まれる多くのノイズを低減している。又、平均化処理を行うための複数回は、２回以上１００００回以下が好ましい。一方、所定の複数回のデータに達していない場合（ステップＳ６のＮＯ）には、超音波を送信して複数回のデータを取得し得るようにトリガ信号を送信する段階（ステップＳ１）へ戻るようにしている。

次に信号演算部６では、平均化処理した底面反射エコーを次式の如く信号減衰定数により減衰補正し（ステップＳ８）、必要な底面反射の信号を増幅して補正波形信号を取得する。

Ｓｃ：補正波形信号の振幅値
Ｓ：計測時の波形信号の振幅値
ｔ：伝搬時間（μｓ）
ｖ：炭素質材の音速（ｍｍ／μｓ）
α：減衰定数（ｄＢ／ｍｍ）

ここで減衰定数は、材質が同じで肉厚Ｔが異なる二つの比較用の炭素質材１により予め算出されている。具体的に図４に示す第一の比較用の炭素質耐火物（図４の上例では初期長さ２ｍ）、第二の比較用の炭素質耐火物（図４の下例では長さ３００ｍｍ）を用いて説明すると、第一の炭素質耐火物を超音波探触子２，３によって計測した場合には一番目の底面（背面）反射波のピークが１５００μｍ近傍に出現し、第２の炭素質耐火物を超音波探触子２，３によって計測した場合には、厚みの薄さにより一番目の底面（背面）反射波のピークが２５０μｍ近傍に出現する。そして第一の炭素質耐火物と第二の炭素質耐火物における一番目の底面（背面）反射波のピーク強度が合致するよう、超音波探触子２，３の感度を調整する。図４では夫々ピーク強度を２Ｖに設定するように第一の炭素質耐火物における超音波探触子２，３の感度を＋２４ｄＢに調整し、更に第二の炭素質耐火物における超音波探触子２，３の感度を−４ｄＢに調整している。次に第一の炭素質耐火物の感度と第二の炭素質耐火物の感度から感度差を取得すると共に、第一の炭素質耐火物の厚みと第二の炭素質耐火物の厚みから伝搬距離差を取得し、感度差を伝搬距離差で割り算して炭素質耐火物の減衰定数を得ることができる。図４では、第一の炭素質耐火物の感度と第二の炭素質耐火物の感度から感度差が２８ｄＢであると共に、伝搬距離差が往復３４００ｍｍ（片道１７００ｍｍ）であり、炭素質耐火物の減衰定数は２８／３４００＝０．００８２ｄＢ／ｍｍとなる。

続いて信号演算部６では、減衰補正により補正波形信号を取得した後に、補正波形信号を連続ウェーブレット変換するウェーブレット演算を行い、特定周波数帯域信号（特定周波数成分）の抽出を行う（ステップＳ９）。ここでウェーブレット演算は、ウェーブレット関数により、広い周波数領域において時間領域の情報を失うことなく、特定周波数成分を求めるものであり、本実施例では、超音波探触子２、３の共振周波数成分に対応して特定周波数成分（１００ＭＨｚ）を抽出するようにしている。又、ウェーブレット演算は、減衰補正を行う前に、底面反射エコーの信号を連続ウェーブレット変換しても良い。

更に信号演算部６では、図６に示す如く時間経過に伴い、超音波送受信時の異なる時間で複数の特定周波数成分の信号を取得し、当該取得した異なる複数の特定周波数成分の信号（既採取信号）を積計算して相関演算処理し（ステップＳ１０）、信号の波が重ね合う部分の底面反射信号を抽出し、全体的にノイズを減らす。ここで超音波送受信時の異なる複数の特定周波数成分の信号の時間差は５分以上２００時間以内が好ましい。又、積計算により掛け合わせる信号の個数は２個以上１００個以下が好ましく、特に３個以上５０個以下が好ましい。なお図６では、超音波送受信時の異なる複数の特定周波数成分の信号の時間差は１時間であり、積計算により掛け合わせる信号の個数は３個である。

そして信号演算部６では、所定のしきい値（図６では縦軸の所定値）を設定して、ピーク強度の低いノイズ部分を取り除くと共に、しきい値を超えたピーク強度の強い部分を底面反射信号とし、底面反射信号の伝搬時間ｔを取得する（ステップＳ１１）。

次に信号演算部６では、底面反射信号の伝搬時間ｔと、予め準備した炭素質材１の音速ｖとを積算し、更に底面反射信号の往復距離を１／２にして炭素質材１の肉厚Ｔ（厚さ）を算出する（ステップＳ１２）。

ここで炭素質材１の肉厚Ｔの算出時に、図７の如く高炉のように所定の離間幅Ｙを備えて送信側の超音波探触子２及び受信側の超音波探触子３を配置する場合には、次式により離間幅Ｙの誤差を補正することが好ましい。

Ｔ：肉厚（ｍｍ）
ｖ：炭素質材の音速（ｍｍ／μｓ）
ｔ：伝搬時間（μｓ）
Ｙ：離間幅（ｍｍ）

又、図８の如く高炉のように所定の離間幅Ｙとを備えると共に、送信側の超音波探触子２又は受信側の超音波探触子３の一方を凹部１２の奥面に配置する場合には、次式により離間幅Ｙの誤差及び凹部１２の深さＺの誤差を補正することが好ましい。

Ｔ：肉厚（ｍｍ）
ｖ：炭素質材の音速（ｍｍ／μｓ）
ｔ：伝搬時間（μｓ）
Ｙ：離間幅（ｍｍ）
Ｚ：凹部の深さ（ｍｍ）

炭素質材１の厚肉を計測した後には、信号保存部８にデータを保存し（ステップＳ１３）、画像化する（ステップＳ１４）。ここで炭素質材１の肉厚Ｔのみを計測する場合にはこの時点で終了しても良いし、炭素質材１の肉厚Ｔを再び計測するまで待機し（ステップＳ１５、Ｓ１６）、一定時間経過した後（ステップＳ１６のＹＥＳ）、同じ処理（ステップＳ１〜Ｓ１２）により再度、炭素質材１の肉厚Ｔを計測しても良い。なお図２，３のフローでは信号保存部８の保存をＰＣ内データ保存と記載している。

一方、炭素質材１の厚みが減った距離である炭素質材１の減肉量を計測する場合には、炭素質材１の肉厚を計測した後、一定時間の経過に伴い、ステップＳ１〜ステップＳ１２の処理を繰り返して炭素質材１の肉厚Ｔを再度計測し、時間経過に伴う複数の肉厚Ｔの値を取得する。

そして減肉量算出部７では、図４に示す如く減肉量を２つの肉厚Ｔの減算によって算出する（図３のステップＳ１２ａ）。ここで減肉量は、一定時間の経過における２つの肉厚値の差を演算しても良いし、初期の肉厚値と計測時の肉厚値の差を演算しても良い。

炭素質材１の減肉量を計測した後には、肉厚Ｔの場合と同様に信号保存部８にデータを保存し（ステップＳ１３）、画像化する（ステップＳ１４）。ここで炭素質材１の減肉量を計測する場合にはこの時点で終了しても良いし、炭素質材１の肉厚Ｔを再び計測するまで待機し（ステップＳ１５、Ｓ１６）、一定時間経過した後（ステップＳ１６のＹＥＳ）、同じ処理（ステップＳ１〜Ｓ１２ａ）により再度、炭素質材１の減肉量を計測しても良い。

［試験１］
以下、減衰補正、ウェーブレット演算、相関演算処理において４つのパターンで試験した。第１のパターンは、原信号を減衰補正せず、相関演算処理した比較例であり（図５では左上図）、第２のパターンは、原信号を減衰補正し、相関演算処理した実施例であり（図５では左下図）、第３のパターンは、原信号を減衰補正せず、ウェーブレット演算後に相関演算処理した比較例であり（図５では右上図）、第４のパターンは、原信号を減衰補正し、ウェーブレット演算後に相関演算処理した実施例である（図５では右下図）。その結果を示す。ここで炭素質材は、炭素５０〜８０ｗ％、アルミナ５〜１５ｗ％、金属珪素５〜１５ｗ％、及びバナジウム、ニオブ、タンタル、又はこれらの元素の炭化物、窒化物、炭窒化物の１種又は２種以上を合計で５〜２０ｗ％を含有させた混合物に有機バインダーを加え、混練、成形し、非酸化雰囲気で焼成した炭素質耐火物であり、形状は、初期厚さ２ｍのブロック状のものを用いた。また減衰補正では減衰定数を０．００８ｄＢ／ｍｍにし、ウェーブレット演算では１００ｋＨｚで抽出し、相関演算では３つの既採取信号（１時間差）を積計算した。なお、減衰定数の０．００８ｄＢ／ｍｍは、材質が上記炭素質耐火物と同じで、肉厚Ｔが０．３ｍと２ｍの異なる二つの比較用の炭素質材により予め算出した値である。

この結果、図５に示す如く、第１のパターンによる比較例では１５００μｓ付近の底面反射信号のピークに対し、前時間の領域に多くのノイズが出現した。それに対し第２のパターンによる実施例では、前時間の領域のピーク強度が相対的に低下し、見かけ上１５００μｓ付近の底面反射信号のＳＮ比が向上した。一方、第３のパターンによる比較例では全体的にノイズが低減するが、第１のパターンの比較例と同様に１５００μｓ付近の底面反射信号のピークに対し、前時間の領域に多くのノイズが出現した。それに対し第４のパターンによる実施例では、全体的にノイズも低減し、１５００μｓ付近の底面反射信号のＳＮ比が極めて好適に向上した。このことから減衰補正及び相関演算処理は、炭素質材の底面反射信の取得に有用であり、減衰補正、ウェーブレット処理、相関演算処理の組合せは、炭素質材の底面反射信の取得に極めて有用であることが明らかである。

［試験２］
以下、相関演算処理の有無について試験した。図６では原信号、原信号を減衰補正及びウェーブレット演算をした複数の信号（積計算前の信号）、当該複数の信号を積計算して相関演算処理した後の信号について示している。その効果を示す。ここで炭素質材は試験１と同じ材質及び形状の炭素質耐火物を用い、減衰補正では減衰定数を０．００８ｄＢ／ｍｍにし、ウェーブレット演算では１００ｋＨｚで抽出し、相関演算処理では前後３つの既採取信号（１時間差）を積計算した。

この結果、図６に示す如く、原信号（ａ）（ａ'）（ａ"）では全体的にノイズが多く出現し、減衰補正及びウェーブレット演算をした複数の信号（ｂ）（ｂ'）（ｂ"）では底面反射信号のピークに対して前時間の領域のノイズが低減したが、全体的にノイズが出現した。更に複数の信号（ｂ）（ｂ'）（ｂ"）を積計算して相関演算処理した後の信号（ｃ）では全体的にノイズも低減し、底面反射信号のＳＮ比が極めて好適に向上した。このことから相関演算処理は、炭素質材の底面反射信の取得に極めて有用であることが明らかである。

［試験３］
以下［試験２］のデータを用い、実際に高炉において図７の構成で炭素質耐火物の肉厚Ｔを算出した例を示す。ここで炭素質材は試験１と同じ材質及び形状の炭素質耐火物を用い、減衰補正では減衰定数を０．００８ｄＢ／ｍｍにし、ウェーブレット演算では１００ｋＨｚで抽出し、相関演算処理では３つの既採取信号（１時間差）を積計算した。又、この例において送信側の超音波探触子２と受信側の超音波探触子３は、所定の離間幅Ｙを備えており、結果は距離幅Ｙの誤差を補正したものである。［試験２］の底面反射信号の伝搬時間ｔは１４５４μｓ（図６（ｅ）の矢印の箇所）、送信側の超音波探触子２と受信側の超音波探触子３の離間幅Ｙは２６５ｍｍ、炭素質耐火物の音速ｖは２．８ｍｍ／μｓであり、次式で計算した。

Ｔ：肉厚（ｍｍ）
ｖ：炭素質材の音速（ｍｍ／μｓ）
ｔ：伝搬時間（μｓ）
Ｙ：離間幅（ｍｍ）

この結果、算出した炭素質耐火物の肉厚Ｔは２．０３ｍであり、実際の炭素質耐火物の肉厚は２ｍであることを考慮すると、炭素質耐火物の算出した肉厚Ｔは、実際の肉厚に極めて近似した値であることが明らかである。

［試験４］
以下、炭素質耐火物の減肉量（損耗量）を算出した例を示す。この例では図９に示す如く炭素質耐火物が継続的に減肉（損耗）したと想定し、初期の炭素質材と、約１３００時間経過後の炭素質材を用いた。そして夫々の肉厚を試験３と同じ処理によって算出し、初期の肉厚値から約１３００時間経過時の肉厚値を減算し、炭素質耐火物の減肉量（損耗量）を算出している。ここで炭素耐火物は、試験１と同じ材質の炭素質耐火物を用い、減衰補正では減衰定数を０．００８ｄＢ／ｍｍにし、ウェーブレット演算では１００ｋＨｚで抽出し、相関演算処理では３つの既採取信号（１時間差）を積計算した。なお図９のグラフは継続的に減肉した場合を想定した仮想的なグラフであるが、初期の炭素質材と約１３００時間経過後の炭素質材は、現実のものを用いている。

この結果、試験３と同じ処理によって、図９に示す如く初期の肉厚値が２０００ｍｍであり、約１３００時間経過時の肉厚値が１９００ｍｍであった。これらのデータの差から、１８ヶ月後（約１３０００時間後）時間の際に炭素質耐火物の減肉量は１００ｍｍであると算出することができる。

このように、実施の形態例の炭素質材の超音波検査方法及びその装置によれば、減衰補正及び相関演算処理によりノイズを減らして底面反射信号を抽出し、底面反射信号の伝搬時間ｔと、予め準備した炭素質材１の音速ｖとを用いて炭素質材１の肉厚Ｔを算出するので、炭素質材１の温度を利用することなく、肉厚Ｔ又は減肉量を適切に計測することができる。又、超音波の減衰作用の大きい炭素質材１であっても肉厚Ｔ又は減肉量を適切に計測することができる。更に減衰補正のみでは底面反射信号を取得できない炭素質材１であっても、減衰補正及び相関演算処理を用いて処理するので、底面反射信号を取得することができる。更に又、高炉の炭素質材１の肉厚Ｔ又は減肉量を計測する際には、高炉内部の湯溜め等に影響を受けることなく、高炉の稼働中に炭素質材１の肉厚Ｔ又は減肉量を計測することができる。

実施の形態例の炭素質材の超音波検査方法及びその装置において、相関演算処理する前には、底面反射エコー又は補正波形信号をウェーブレット演算すると、ウェーブレット演算により特定周波数成分を抽出してノイズを減らすので、炭素質材１の温度を利用することなく、肉厚Ｔ又は減肉量を適切に計測することができる。又、超音波の減衰作用の大きい炭素質材１であっても肉厚Ｔ又は減肉量を好適に計測することができる。

実施の形態例の炭素質材の超音波検査方法及びその装置において、減衰定数により減衰補正する前に、平均化処理をしてノイズを減らすので、炭素質材１の温度を利用することなく、肉厚Ｔ又は減肉量を適切に計測することができる。又、超音波の減衰作用の大きい炭素質材１であっても肉厚Ｔ又は減肉量を好適に計測することができる。

実施の形態例の炭素質材の超音波検査方法及びその装置において、送信側の超音波探触子２と受信側の超音波探触子３が離間幅Ｙを有して配置される場合には、

Ｔ：肉厚（ｍｍ）
ｖ：炭素質材の音速（ｍｍ／μｓ）
ｔ：伝搬時間（μｓ）
Ｙ：離間幅（ｍｍ）
により離間幅Ｙの誤差を補正するので、高炉等の炭素質材１の肉厚Ｔや減肉量を好適に計測することができる。

実施の形態例の炭素質材の超音波検査方法及びその装置において、送信側の超音波探触子２又は受信側の超音波探触子３の一方が炭素質材１の凹部１２に配置される場合には、

Ｔ：肉厚（ｍｍ）
ｖ：炭素質材の音速（ｍｍ／μｓ）
ｔ：伝搬時間（μｓ）
Ｙ：離間幅（ｍｍ）
Ｚ：凹部の深さ（ｍｍ）
により離間幅Ｙの誤差及び凹部１２の深さＺの誤差を補正するので、高炉等の炭素質材１の肉厚Ｔや減肉量を好適に計測することができる。

実施の形態例の炭素質材の超音波検査方法及びその装置において、炭素質材１が炭素５０ｗ％以上８５ｗ％以下を含有する炭素質耐火物であると、炭素質材１の肉厚Ｔや減肉量を好適に計測することができる。又、炭素質材１が、炭素５０〜８０ｗ％、アルミナ５〜１５ｗ％、金属珪素５〜１５ｗ％、及びバナジウム、ニオブ、タンタル、又はこれらの元素の炭化物、窒化物、炭窒化物の１種又は２種以上を合計で５〜２０ｗ％を含有させた混合物に有機バインダーを加え、混練、成形し、非酸化雰囲気で焼成した炭素質耐火物である場合には、炭素質材１の肉厚Ｔや減肉量を極めて好適に計測することができる。

なお、本発明の炭素質材の超音波検査方法及びその装置は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 炭素質材
２ 送信側の超音波探触子
３ 受信側の超音波探触子
６ 信号演算部
７ 減肉量算出部
１２ 凹部
ｔ 伝搬時間
Ｔ 肉厚
ｖ 音速
Ｙ 離間幅
Ｚ 凹部の深さ

Claims (13)

1. 炭素質材に対して超音波探触子により超音波を送信し、炭素質材からの底面反射エコーを超音波探触子により受信して処理する炭素質材の超音波検査方法であって、
   材質が同じで肉厚が異なる二つの比較用の炭素質材を用いて減衰定数を予め準備し、前記炭素質材と材質が同じである測定対象の炭素質材に対して、超音波を送受信して底面反射エコーを前記減衰定数により減衰補正して補正波形信号を取得し、更に前記超音波送受信時の異なる複数の時間で複数の補正波形信号を取得し、当該取得した異なる複数の補正波形信号を積計算により相関演算処理して底面反射信号を抽出し、底面反射信号の伝搬時間と、予め準備した前記炭素質材の音速とを用いて前記測定対象の炭素質材の肉厚を算出することを特徴とする炭素質材の超音波検査方法。
2. 炭素質材に対して超音波探触子により超音波を送信し、炭素質材からの底面反射エコーを超音波探触子により受信して処理する炭素質材の超音波検査方法であって、
   材質が同じで肉厚が異なる二つの比較用の炭素質材を用いて減衰定数を予め準備し、前記炭素質材と材質が同じである測定対象の炭素質材に対して、超音波を送受信して底面反射エコーを前記減衰定数により減衰補正して補正波形信号を取得し、更に前記超音波送受信時の異なる複数の時間で複数の補正波形信号を取得し、当該取得した異なる複数の補正波形信号を積計算により相関演算処理して底面反射信号を抽出し、底面反射信号の伝搬時間と、予め準備した前記炭素質材の音速とを用いて前記測定対象の炭素質材の肉厚を算出し、
   次いで時間経過に伴って炭素質材の肉厚を再度計測し、時間経過に伴う複数の肉厚の値から減肉量を算出することを特徴とする炭素質材の超音波検査方法。
3. 相関演算処理する前には、底面反射エコー又は補正波形信号をウェーブレット演算することを特徴とする請求項１又は２に記載の炭素質材の超音波検査方法。
4. 底面反射エコーを複数回受信し、減衰定数により減衰補正する前に、複数回の底面反射エコーを平均化処理をしてノイズを減らすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭素質材の超音波検査方法。
5. 送信側の超音波探触子と受信側の超音波探触子が離間幅Ｙを有して配置される場合には、
   

   

   Ｔ：肉厚（ｍｍ）
   ｖ：炭素質材の音速（ｍｍ／μｓ）
   ｔ：伝搬時間（μｓ）
   Ｙ：離間幅（ｍｍ）
   により離間幅の誤差を補正することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭素質材の超音波検査方法。
6. 送信側の超音波探触子又は受信側の超音波探触子の一方が炭素質材の凹部に配置される場合には、
   

   

   Ｔ：肉厚（ｍｍ）
   ｖ：炭素質材の音速（ｍｍ／μｓ）
   ｔ：伝搬時間（μｓ）
   Ｙ：離間幅（ｍｍ）
   Ｚ：凹部の深さ（ｍｍ）
   により凹部の深さの誤差を補正することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭素質材の超音波検査方法。
7. 炭素質材は、炭素５０ｗ％以上８５ｗ％以下を含有する炭素質耐火物であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の炭素質材の超音波検査方法。
8. 炭素質材に対して超音波を発信する超音波探触子と、該超音波探触子からの信号を処理する信号演算部とを備える炭素質材の超音波検査装置であって、
   前記超音波探触子は、超音波を送受信する機能を有し、
   前記信号演算部は、材質が同じで肉厚が異なる二つの比較用の炭素質材を用いて予め求めた減衰定数を使用して、測定対象の炭素質材への超音波送受信により発生する底面反射エコーを、減衰定数により減衰補正して補正波形信号を取得し、更に超音波送受信時の異なる複数の時間で複数の補正波形信号を取得し、当該取得した異なる複数の補正波形信号を積計算により相関演算処理して底面反射信号を抽出し、底面反射信号の伝搬時間と、予め準備した前記炭素質材の音速とを用いて前記測定対象の炭素質材の肉厚を算出するように構成されたことを特徴とする炭素質材の超音波検査装置。
9. 炭素質材に対して超音波を発信する超音波探触子と、該超音波探触子からの信号を処理する信号演算部と、減肉量算出部とを備える炭素質材の超音波検査装置であって、
   前記超音波探触子は、超音波を送受信する機能を有し、
   前記信号演算部は、材質が同じで肉厚が異なる二つの比較用の炭素質材を用いて予め求めた減衰定数を使用して、測定対象の炭素質材への超音波送受信により発生する底面反射エコーを、減衰定数により減衰補正して補正波形信号を取得し、更に超音波送受信時の異なる複数の時間で複数の補正波形信号を取得し、当該取得した異なる複数の補正波形信号を積計算により相関演算処理して底面反射信号を抽出し、底面反射信号の伝搬時間と、予め準備した前記炭素質材の音速とを用いて前記測定対象の炭素質材の肉厚を算出し、更に時間経過に伴って炭素質材の肉厚を再度算出し、
   前記減肉量算出部は、時間経過に伴う複数の肉厚の値から減肉量を算出するように構成されたことを特徴とする炭素質材の超音波検査装置。
10. 前記信号算出部は、相関演算処理する前に、底面反射エコー又は減衰補正信号をウェーブレット演算するように構成されたことを特徴とする請求項８又は９に記載の炭素質材の超音波検査装置。
11. 前記信号算出部は、底面反射エコーを複数回受信し、減衰定数により減衰補正する前に、複数回の底面反射エコーを平均化処理をしてノイズを減らすように構成されたことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の炭素質材の超音波検査装置。
12. 送信側の超音波探触子と受信側の超音波探触子が離間幅を介して配置され 前記信号算出部は、
    

    

    Ｔ：肉厚（ｍｍ）
    ｖ：炭素質材の音速（ｍｍ／μｓ）
    ｔ：伝搬時間（μｓ）
    Ｙ：離間幅（ｍｍ）
    により離間幅の誤差を補正するように構成されたことを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の炭素質材の超音波検査装置。
13. 送信側の超音波探触子又は受信側の超音波探触子の一方が炭素質材の凹部に配置され、
    前記信号算出部は、
    

    

    Ｔ：肉厚（ｍｍ）
    ｖ：炭素質材の音速（ｍｍ／μｓ）
    ｔ：伝搬時間（μｓ）
    Ｙ：離間幅（ｍｍ）
    Ｚ：凹部の深さ（ｍｍ）
    により凹部の深さの誤差を補正するように構成されたことを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の炭素質材の超音波検査装置。

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