JP5752253B2 - 移動する金属ストリップの検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプレアンブルに記載の移動する金属ストリップの検査装置に関する。

本発明は、超音波を用いた、移動する冶金製品の非接触検査に関し、特に、鋼ストリップの内部欠陥の検出に関する。

鋼構造体の内部欠陥の検査のための超音波の使用が当業者に知られている。超音波の種類、周波数および入射を多様に異ならせることによって、特定の位置、配向および寸法を示す欠陥の検出に対する、非常に多くの場合に適した解が得られる。

多くの場合、検査は固定された構造体に関するものであり、当該構造体の少なくとも１つの表面上の、複数のトランスデューサ、すなわち少なくとも１つの超音波送信器および少なくとも１つの超音波受信器の人手によるまたは機械による移動によって行われる。

これらのトランスデューサは、最も一般的には圧電原理により、超音波を発生し、検出する。

一般的には、トランスデューサと構造体との間の超音波の伝播は、粒子および気泡を含まない、一定厚で適切な粘度の、均質な結合の中間媒体、たいていは水を通して行われる。

移動する金属ストリップや金属プレートなどの移動物体の検査には、主にその移動速度に関係する特定の問題がある。

これらの問題の１つは、トランスデューサと移動物体の表面との間の効果的な結合の維持である。これは、水またはオイルまたはグリースまたはゲルなどの水性結合体のカラムまたはマット（これらは結合体の循環または注入によって定期的に交換される）の表面と、トランスデューサとの間の超音波の伝播によってだいたい解決される。結合体媒体を維持することは、検査表面とトランスデューサとの高速の相対移動の使用には全く適していない、大きな制約的障害である。

別の問題は、物体または少なくともその表面の検査モードに関する。実際、金属ストリップまたは金属プレートの表面の１００％検査は、その表面に実質的に垂直な方向に沿って伝播する超音波によっては、実現が非常に困難である。この目的のためには、トランスデューサはストリップの幅に沿って（ストリップの移動方向に対して横方向）移動しなければならず、かつ、ストリップの移動速度は、ストリップとトランスデューサとの一体的移動によるジグザグの軌線に沿った１００％検査が可能な程度に低速でなければならず、さらに、トランスデューサの移動速度は結合体を維持する必要があることによって制限されることに留意しなければならない。したがって、その実施は高度に複雑であり、ストリップの高速移動に適していない。

欧州特許ＥＰ０８８５３８９Ｂ１には、超音波ラム波の使用による移動する金属ストリップの欠陥検出に用いられる装置が記載されている。この装置では、ラム波を生成可能な圧電トランスデューサが、結合体流体の分散システムの前に配置されたホイール内に収容されている。ラム波の使用により実際にストリップの検査の問題が解決できる。というのも、この特定種の波はストリップ表面に平行に伝播可能だからである。すなわち、たとえば、超音波ビームは移動するストリップの一方の側端の上に配置された固定されたトランスデューサから、ストリップの全幅にわたって伝播される。したがってこの種の波によってストリップのはるかに高速の移動が可能となる。というのも、検査はストリップの全幅にわたって行われ、トランスデューサは固定されたままであり、検査はもはやジグザグの軌線に沿って行われないからである。しかし、トランスデューサとストリップとの間の接触による検査システムは、トランスデューサ／検査表面の高速の相対移動における結合体の維持を十分に解決できない。

最後に、別の大きな問題は検出される欠陥の認識と評価に関するものである。変形処理、たとえば圧延変形の間の移動する金属ストリップの検査に関して、検出された欠陥を評価する間中、大きく変形処理を妨げることなくストリップを停止することは不可能である。

米国特許ＵＳ５８６６８２０には移動する金属ストリップの検査装置が示されている。この検査装置は、
超音波送信器を有する第１のトランスデューサ（以下、ＥＭＡＴ（電磁超音波トランスデューサ）という）と、なお、超音波が送信器からストリップの横方向の中心近傍のストリップの第１の表面領域に向かって入射するように送信され、送信器はストリップに接触しておらず、
超音波受信器を有する第２のＥＭＡＴと、なお、超音波はストリップの第２の領域から受信器に向かって生じ、受信器はストリップと接触しておらず、第２の領域はストリップの移動方向に沿って第１の領域に隣接しており、２つのＥＭＡＴの間の超音波検査種類の測定を可能とし、
第２のＥＭＡＴで測定された超音波の超音波検査特性を用いて少なくとも１つの検査基準を提供するように、第２のＥＭＡＴに伝播されている処理部と、
を備える。

すなわち、この装置は、ストリップの半幅にわたる（欠陥での波の反射による）超音波検査測定を提供する。装置を移動方向に対して横に半分に分割することにより、ストリップの全幅の検査を実行することができる。したがって、この後者の実施形態には、２つのトランスデューサまたはＥＭＡＴの対が必要であり、対のそれぞれはストリップの半幅を検査する。

ＥＰ０８８５３８９Ｂ１ ＵＳ５８６６８２０

本発明の課題は、ストリップの移動をたとえば１ｍ／ｓを超える高速としうる、上述の問題、特に、超音波を用いた移動するストリップの検査において生じる問題に対する解決手段を見いだすことである。これに関して、本発明は、トランスデューサとストリップとの接触という制約条件から開放することを目的とする。

本発明は、また、冶金製品との接触の制約無く生成かつ検出される、ラム波、レイリー波またはＳＨ（Shear Horizontal）波などの超音波の柔軟かつ広範な使用に適した、移動する金属製品の検査、特に、鋼ストリップの内部欠陥または表面欠陥の検出のための、シンプル（たとえばストリップ全幅の検査のためのトランスデューサの数が限られている）かつ効果的な検査のための解決手段を提供する。

移動する金属ストリップの検査装置は、
超音波送信器を有する第１のＥＭＡＴ（電磁超音波トランスデューサ）（２）と、なお、送信器から超音波がストリップの表面の一方の端部に入射するように送信され、送信器はストリップと接しておらず、
超音波受信器を有する第２のＥＭＡＴ（３ａ）と、なお、ストリップの表面の領域から受信器に向かって生じる超音波が受信され、受信器はストリップと接しておらず、
第２のＥＭＡＴで測定された超音波の少なくとも１つの特性を用いて少なくとも１つの検査基準を供給するための、第２のＥＭＡＴに接続された処理部と、
を備え、
ストリップの一方の端部と領域との間の超音波経路が、ストリップの移動方向に対して実質的に横の直線方向に配列されるように、領域はストリップに位置している。

このような装置は請求項１の対象として記載される。

これにより、ストリップの所望の幅から全幅までの検査を柔軟に行うことができ、ストリップといずれも接触しない２つのトランスデューサのみを用いて行うため、全ての場合において、シンプルさは維持される。また、２つのトランスデューサの間の音波速度はストリップの移動速度よりもはるかに大きく、検査は有利に（ジグザグ無く）瞬間的である。

従属請求項の組は本発明の利点を表す。

有利には、本発明にかかる装置の好ましい実施形態によれば、上記領域が、ストリップの一方の端部に対して実質的に横方向の反対側の、ストリップの一方の端部から最も離れた、ストリップの端部に位置している。このようにして、ストリップの全幅の検査が、ただ２つのトランスデューサまたはＥＭＡＴを用いて可能となる。したがって、ＵＳ５８６６８２０とは異なり、ストリップのただ一本の横軸にわたって配置された２つの半幅が測定可能であり、また、ＵＳ５８６６８２０に記載されたような、検査データのずらされた線の２つの部分として、ただ一本の線（＝ストリップの横幅）のデータがより容易に検査および識別される。

また、有利には、第１のＥＭＡＴと第２のＥＭＡＴとは、たとえば、自由に調整可能な、ストリップの幅の半分以上の距離、離間している。

検査装置の好ましい実施形態は、超音波の受信器を有する第３のＥＭＡＴを備え、ストリップの一方の端部の表面から生じる超音波が受信器に送信され、受信器はストリップと接しておらず、第２のＥＭＡＴによる測定からの特性の少なくとも１つの特性と、第３のＥＭＡＴによる測定からの特性の少なくとも１つの特性とを含む、超音波の少なくとも２つの特性を用いて少なくとも１つの第２の検査基準を供給するための、処理部が第３のＥＭＡＴに接続されている。

したがって、これにより、（第１および第２のＥＭＡＴの間の）超音波送信による特性に相補的な、（第１および第３のＥＭＡＴの間の）超音波検査による１つの特性を得ることができる。また、検査によるストリップの欠陥の検出は強化され、欠陥は２つの相補的な基準により認識可能であり、これはその決定に関するすべての存在しうる曖昧さを排除するためである。実際、たとえば超音波検査測定による１つの特性は、ストリップの搬送装置または検査装置のアーチファクトから、すなわち、ストリップの内在的欠陥に関係せずに生じうる。特性の冗長性を設けることにより、このようなアーチファクトはより容易に排除され、検査装置を任意の検査エラーに対してよりロバストとする。

有利には、３つのＥＭＡＴが三角形の各頂点に配置されており、三角形の（第１および第２のＥＭＡＴの間の）辺の１つはストリップの移動方向に対して横の方向に平行である。第３のＥＭＡＴは第１のＥＭＡＴと同じストリップの端部上に配置され、ストリップの移動方向に沿って第１のＥＭＡＴからわずかにずらして配置されている。第１および第３のＥＭＡＴの間の距離は、所望の超音波検査測定のための理想的な三角形が得られるように定められる。

特定のストリップの形状への適合のため、および、欠陥位置のより局所的な検出または本発明において超音波検査の陰影と呼ばれる領域の最少化のため、有利には、移動するストリップの近傍への危険な介入を避けるための、ストリップの形状および／または幅に依存するモードにおいて、３つのＥＭＡＴの少なくとも１つがストリップの移動の方向に対して実質的に横の方向に沿って可動である。

また、本発明による装置では、各ＥＭＡＴとストリップの表面との間の非接触距離は、一定に維持されるか、または、そうでなければ、即時の測定により与えられ、あるいは、たとえば、ストリップの厚さがわずかに変動するまたはあるストリップから別のストリップに変わる際には両方が行われる。

最後に、本発明による装置によれば、ストリップの一方の端部と上記領域との間の少なくとも１つの超音波経路は、最小のストリップ静止摩擦しきい値を超える少なくとも１つの値を示す、移動するストリップの一部の上に位置する。この品質基準によって、ストリップとＥＭＡＴとの間の非接触距離の変動は、検査中のそのような変動を欠陥と誤らないように、許容可能な公差内に確実に維持される。

本発明にかかる装置では、処理部は、
第２および第３のＥＭＡＴにて収集される測定信号の信号対雑音比を制御するモジュールと、
超音波の伝播における異常を検出するモジュールと、
データベースに保存された参照欠陥を基準とした、伝播における異常を示す領域の類型的識別のための手段と、
移動するストリップの縦方向の原点および横方向の原点を基準とした、伝播における異常を示す領域の幾何的識別のための手段と、
類型的識別の基準および幾何的識別の基準の少なくとも１つを考慮した少なくとも１つの臨界しきい値に従って識別された欠陥の深刻度を識別するための手段と、
を備える。

本発明の装置は、第２および／または第３のＥＭＡＴによる一連の超音波の受信の後の処理部による分析の実行を意図した、一連の超音波送信の実行による、自己較正モードが可能な、第１のＥＭＡＴから送信される超音波の生成パラメタを制御するためのモジュールを有してよい。しかし、この自己較正モードは、既知の移動するストリップのリアルタイムのパラメタ化により予め定められた較正データバンクから洗練された較正モードと置き換えられるか、または、当該較正モードであってよい。

最後に、本発明にかかる装置の別の実施形態では、
第１のＥＭＡＴの送信器と類似する超音波送信器を有する少なくとも１つの第４のＥＭＡＴが第２のＥＭＡＴ（３ａ）に関係する領域の近傍に配置されており、
（送信器型の）第１および第４のＥＭＡＴは干渉の無いモードにおいて同時に動作可能であり、当該モードは（受信器型の）第２および第３のＥＭＡＴによって同時に測定可能である。

このようにして、ストリップの欠陥はストリップの各端部から検査でき、したがって、検査はより正確となる。実際、ストリップの一端から、すなわち２つの送信器型ＥＭＡＴの１つに基づいて、２つの関連する受信器型ＥＭＡＴの１つまたは２つの特性が必要な検査基準を満たさない場合には、ストリップの他の端部から、すなわち他方の送信器型ＥＭＡＴおよび同じ受信器型ＥＭＡＴに基づいて、２つの他の特性を利用できる。これら４つの特性（２つは超音波送信により、２つは超音波検査による）は同時に（かつ移動ストリップの同じ線または幅に対して）得られる。というのも、有利に、２つの受信器型ＥＭＡＴは、たとえば、２つの受信器型ＥＭＡＴによる干渉無く同時にそれぞれ復調される、異なる周波数の超音波ストリームを送信可能だからである。この目的のため、好ましくは、４つのＥＭＡＴが、たとえば、ストリップの移動方向に対して横軸に平行な辺を有する長方形の各頂点に配置される。

最後に、本発明は、検査装置に対して移動する低温または高温の金属ストリップにおける欠陥を検出および防止するための本発明の検査装置の使用を提案する。欠陥は、表面または内部のものであり、かつ、欠陥は、超音波の減衰器、拡散器または変換器として送信または反射される超音波のカテゴリーと相互に影響するものであり、欠陥は、超音波受信器を有する少なくとも１つのＥＭＡＴから生じる少なくとも１つの特性によって識別可能である。装置のこのような使用は、高速移動で生成される金属ストリップの迅速かつ効果的な品質制御の提供に重要である。このようなストリップがさらなる金属処理作業のためにその後ローラに巻回される場合、そのような処理の適切な実施を確実とするために問題または特別な処理を示しうるストリップの欠陥の位置を識別することができる。欠陥特性は問題のストリップならびにその分類およびトポロジーに関連して記録可能であるため、これは実現可能である。悪くとも、この後者の情報により、検査によって適合しないとみなされ、かつ、切断除去されるまたは再処理／リサイクルされることが予定される、少なくとも１つの欠陥を含むストリップの特定の部分を特定することもできる。

例示的な実施形態および適用が、添付の図面に示されている。

本発明の実施形態にかかる装置の概略正面図である。 本発明の実施形態にかかるＥＭＡＴの配置の上面図である。

図１は、本発明にかかる装置の概略正面図を示す。冶金製品（１）は冶金製品処理設備内を移動する。本例では、製品は図１に垂直な平面内を水平方向に移動する金属ストリップである。

本例では移動する冶金製品の一方の側端の上方に固定配置されている、たとえばＥＭＡＴ型の超音波送信器または超音波発生器（２）は、冶金製品に対してその表面に接すること無く、冶金製品中に超音波ラム波またはレイリー波またはＳＨ（Shear horizontal）波を発生させる。

同様にＥＭＡＴ型の超音波受信器（３ａ）が製品の他方の側端の上方に固定配置されており、このように定められた第１および第２のＥＭＡＴがストリップ横線（＝ストリップ幅）上で互いに対向している。したがって受信器（３ａ）は、発生器（２）から生じ、金属の表面および／または体積を透過してストリップ幅を通った超音波を受信する。

モジュール（４）は、超音波受信器から受信した信号の前処理を行う。この処理は、信号のより効率的な使用のために、信号対雑音比を増大させることを意図している。例として、それはＳＡＦＴ（開口合成法、Synthetic Aperture Focusing Technique）型であってよい。

モジュール（５）は、製品の一端から他端へ伝わる間の減衰、または反射エコーの帰還（図２の例を参照）、または超音波伝播モードの変換など、その種類に関わらず、超音波の伝播における異常の検出を可能にする。

データベース（６）は、既知の製品欠陥に関連づけられ、類似した特性により測定される超音波の伝播における異常のライブラリを含む。

モジュール（７ａ）は、たとえば、既知の学習技術たとえばｋ近傍法、ニューラルネットワークなどの実行により、データベース（６）とともに、伝播異常を示す領域の分類学的識別を行う。

モジュール（７ｂ）は、移動する冶金製品の縦方向の原点および横方向の原点を基準とした、伝播異常を示す領域の幾何的識別を行う。

臨界分析モジュール（８）は、幾何的識別の基準および分類学的識別の基準の少なくとも１つを考慮した少なくとも１つの臨界しきい値に従って識別された欠陥の深刻度を評価する。

これらの臨界しきい値は、所定の製品、所定の用途、所定の市場などについて許容可能と見なされる品質レベルに基づいて、調整可能である。同様に、測定された特性は、測定された欠陥の強度についての量的情報を含みうる。

検査の結果を表示する手段（９）、たとえば、操作者が利用可能なデータ記録手段に接続されたモニタ、ならびに、プリンタやプロッタなどの出力手段（１０）によって、検査結果は直接にまたは後で使用できる。

図２は、移動するストリップの部分上面図を示し、これには、本発明にかかる装置のいくつかの可能かつ有利な実施形態が示されている（まとめられている）。

まず、送信器（２）および受信器（３ａ）をそれぞれ有する第１および第２のＥＭＡＴが図１に示されており、本発明にかかる装置の第１の実施形態を構成する。

受信器（３ａ）の代わりにまたはこれに加えて、第２の受信器（３ｂ）を有する第３のＥＭＡＴが送信器（２）と冶金製品の同じ側端の上方に固定配置されている。このＥＭＡＴの構成は、本発明にかかる装置の第２の実施形態を構成し、超音波送信および超音波検査によって２つの異なる特性が得られる。

最後に、第２の実施形態の代わりにまたはこれに加えて、第３の送信器（３ｃ）を有する第４のＥＭＡＴが、第１の受信器（３ａ）と冶金製品の同じ側端の上方に、しかし、これから少なくともストリップの移動方向に沿ってずらして固定配置されている。このＥＭＡＴの構成は、本発明にかかる装置の第３の実施形態を構成し、対向するストリップ端のＥＭＡＴ間の超音波の送信と、さらに、同じストリップ端のＥＭＡＴ間の超音波検査とにより、２つから４つの異なる特性が得られる。したがって、欠陥検査は、検査の陰影領域または検査装置自体の外部アーチファクトに対して、よりロバストでありまたはより洗練されたものとなる。

また、ストリップの形状または検査すべき欠陥の種類に依存して、上記のＥＭＡＴを固定した構成は、幾何的基準（角度可変の三角形／台形／長方形）に従ってストリップ端の近傍で寸法変更してよい。これにより、動的により効率的な検査が可能となり、このとき、超音波信号はより高い信号対雑音比に達するため、欠陥のより精細な特性が得られ、したがって、周囲の設備またはストリップのアーチファクトに対してより感度が低くなる。

超音波発生器および超音波受信器は、製品の少なくとも幅方向で可動な台車により実現可能であるかまたは実現されており、これによって、その幅に関わらず、製品の一端または両端の上に配置できる。

有利には、これらの可動な台車の移動は電動化され、電動化は、冶金製品の幅に依存し、かつ、処理設備および処理装置の自動制御システムにおいて通常既知で利用可能なデータによる処理設備におけるセンタリングに依存する。

したがって、本発明にかかる装置および上述の態様は、従来技術に対する格別な利点を有する。
・冶金製品の表面と超音波発生器および受信器との間の接触が無く、装置と製品との間でこすれる部分の摩耗が避けられ、かつ、これらのこすれる部分の定期的な交換の必要が無くなる。
・装置の表面と製品の表面の間に結合材料を配する必要が無く、したがって検査後の製品表面を洗浄する必要ももはやなくなる。
・動作速度が、接触による結合を維持する必要性に関係しない。
・冶金製品の全幅を同時に検査できる。
・超音波の伝播モードを、製品の厚さ、および、検査される欠陥の種類に適合できる。
・操作者の側の介入の必要の無い、特に、識別を行うために製品の移動を妨げる必要のない、自動的な欠陥の識別および定量化が可能である。
・操作者が必要に応じて製品の欠陥領域を排除できるように、冶金製品の品質に関係する情報をリアルタイムで操作者に供給できる。
・冶金製品の品質状態、たとえば欠陥のマッピングを編集することができる。

Claims (7)

1. 移動する金属ストリップの検査装置であって、
   超音波送信器を有する第１のＥＭＡＴ（電磁超音波トランスデューサ）（２）を前記ストリップの移動方向に平行な前記ストリップの第１の端部の上に備えており、前記送信器から超音波が前記ストリップの表面の前記第１の端部に入射するように送信され、前記送信器は前記ストリップと接しておらず、
   超音波受信器を有する第２のＥＭＡＴ（３ａ）を、前記ストリップの移動方向に垂直な方向において前記第１の端部と対向する第２の端部の上に備えており、前記ストリップの第２の端部の表面の領域から前記受信器に向かって生じる超音波が受信され、前記受信器は前記ストリップと接しておらず、
   超音波受信器を有する第３のＥＭＡＴ（３ｂ）を前記ストリップの第１の端部の上に備えており、前記ストリップの第１の端部の表面から生じる超音波が前記受信器に送信され、前記受信器は前記ストリップと接しておらず、
   前記第２のＥＭＡＴおよび第３のＥＭＡＴで測定された超音波の少なくとも２つの特性を用いて少なくとも２つの検査基準を生成するための、前記第２のＥＭＡＴおよび第３のＥＭＡＴに接続された処理部を備えており、
   前記３つのＥＭＡＴが三角形の頂点に配置されており、前記三角形の辺の１つは前記ストリップの移動方向に垂直である、
   ことを特徴とする検査装置。
2. 前記３つのＥＭＡＴの少なくとも１つが、前記ストリップの移動方向に対して垂直な方向に沿って可動である、請求項１記載の検査装置。
3. 各ＥＭＡＴと前記ストリップの表面との間の非接触距離は、一定に維持されるか、または、そうでなければ、その場で測定される、請求項１または２記載の検査装置。
4. 前記処理部は、
   前記第２および第３のＥＭＡＴにて収集される測定信号の信号対雑音比を制御するモジュールと、
   超音波の伝播における異常を検出するモジュールと、
   データベースに保存された参照欠陥を基準とした、前記伝播における異常を示す領域の類型的識別のための手段と、
   移動する前記ストリップの移動方向の原点および移動方向に垂直な方向の原点を基準とした、伝播における異常を示す領域の幾何的識別のための手段と、
   前記類型的識別の基準および前記幾何的識別の基準の少なくとも１つを考慮した少なくとも１つの臨界しきい値に従って識別された欠陥の深刻度を識別するための手段と、
   を備える、
   請求項１から３のいずれか１項記載の検査装置。
5. 前記第１のＥＭＡＴの送信器と類似する超音波送信器を有する少なくとも１つの第４のＥＭＡＴが前記第２の端部に配置されており、
   前記第１および第４のＥＭＡＴは干渉の無いモードにおいて同時に動作可能であり、当該モードは第２および第３のＥＭＡＴによって同時に測定可能である、
   請求項１から４のいずれか１項記載の検査装置。
6. ４つのＥＭＡＴが、前記ストリップの移動方向に対して垂直な辺を有する長方形の頂点に配置されている、請求項５記載の検査装置。
7. 前記検査装置に対して移動する低温または高温の金属ストリップにおける欠陥を検出および防止するための、請求項１から６のいずれか１項記載の検査装置の使用であって、
   前記欠陥は、表面または内部のものであり、かつ、前記欠陥は、超音波の減衰器、拡散器または変換器として送信または反射される超音波のカテゴリーと相互に関連するものであり、前記欠陥は、超音波受信器を有する少なくとも１つのＥＭＡＴから生じる少なくとも１つの特性によって識別可能である、
   ことを特徴とする使用。

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