JP6299485B2 - 検査装置及び検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、渦流探傷法を用いてシグマ相を検出する検査装置及び検査方法に関する。

従来、特許第１９３６２６１号公報に記載されているように、渦流探傷法を用いてステンレス鋼材のシグマ相を検出する検査方法が知られている。この検査方法では、検査プローブを被検査体に近づけて被検査体に渦電流を発生させ、この渦電流に起因する逆起電力を測定する。被検査体の組織によって渦電流の発生の仕方が異なるため、測定された逆起電力を解析することによってシグマ相の有無を判定することができる。

この検査方法では、検査プローブと被検査体との距離（リフトオフ）が大きくなると信号が小さくなる。検査感度を一定にするため、リフトオフを一定にする必要がある。しかし、被検査体の形状等によっては、リフトオフを一定にすることが困難な場合がある。

特開２０１２−１８４９３１号公報には、鋼板の製造ラインにおいて、当該鋼板に測定プローブを用いて励磁磁場を印加することで鋼板の組織分率を測定する方法が開示されている。この方法は、鋼板に対して、フェライト分率の変化量に対する保磁力の変化量の割合が略一定となる範囲の励磁磁場を印加する磁場印加工程と、磁場印加工程の後に、測定プローブにより保磁力を検出するとともに、鋼板からの測定プローブのリフトオフ量を検出する検出工程と、検出工程で検出したリフトオフ量に基づいて、当該検出工程で検出した保磁力を補正する保磁力補正工程と、保磁力補正工程で補正した保磁力に基づいて、鋼板のフェライト分率を算出するフェライト分率算出工程とを備える。

特許第５３８７７１８号公報には、鋼板の局所的な磁気特性分布を測定する磁気特性測定方法が開示されている。この方法は、事前測定用被検体の健全部における感磁性素子の出力と感磁性素子のリフトオフ量との関係を健全部リフトオフデータとしてあらかじめ取得するステップと、事前測定用被検体の欠陥部における感磁性素子の出力と感磁性素子のリフトオフ量との関係を欠陥部リフトオフデータとしてあらかじめ取得するステップと、被検体における感磁性素子の出力と該出力が得られたときの感磁性素子のリフトオフ量とを測定する測定ステップと、健全部リフトオフデータ、欠陥部リフトオフデータ、及び測定ステップにおいて測定されたリフトオフ量を用いて、測定ステップにおいて測定された感磁性素子の出力を補正演算する補正ステップとを備える。

特許第１９３６２６１号公報 特開２０１２−１８４９３１号公報 特許第５３８７７１８号公報

特開２０１２−１８４９３１号公報及び特許第５３８７７１８号公報に記載された検査方法では、リフトオフを測定するためのセンサーが必要になる。

本発明の目的は、リフトオフが変動する場合でも、シグマ相の有無を検査することができる検査装置及び検査方法を提供することである。

本発明による検査装置は、渦流探傷法を用いてシグマ相を検出する検査装置であって、渦電流による信号を測定する測定コイルと、前記測定された信号を第１基準信号で同期検波して第１信号を生成するとともに、前記測定された信号を前記第１基準信号と異なる位相を有する第２基準信号で同期検波して第２信号を生成する同期検波部と、前記第１及び第２信号を所定の時間ごとに取得する標本部と、前記第１信号の値を前記第２信号の値で除した値を算出し、前記算出された値の時間変化を算出する演算部とを備える。

本発明による検査方法は、渦流探傷法を用いてシグマ相を検出する検査方法であって、渦電流による信号を測定するステップと、前記測定された信号を第１基準信号で同期検波して第１信号を生成するとともに、前記測定された信号を前記第１基準信号と異なる位相を有する第２基準信号で同期検波して第２信号を生成するステップと、前記第１及び第２信号を所定の時間ごとに取得するステップと、前記第１信号の値を前記第２信号の値で除した値を算出するステップと、前記算出された値の時間変化を算出するステップとを備える。

本発明によれば、リフトオフが変動する場合でも、シグマ相の有無を検査することができる。

図１は、本発明の一実施形態による検査装置の構成を示す模式図である。 図２は、検査装置の機能的構成を示すブロック図である。 図３は、同期検波器の具体的な構成の一例を示すブロック図である。 図４は、測定信号の２次元表示である。 図５は、移相器を調整した後の測定信号の２次元表示である。 図６は、被検査体である鋼管を軸方向から見た図である。 図７Ａは、リフトオフが小さいときの測定信号の２次元表示である。 図７Ｂは、リフトオフが中間のときの測定信号の２次元表示である。 図７Ｃは、リフトオフが大きいときの測定信号の２次元表示である。 図８は、信号処理装置の動作を示すフローチャートである。 図９Ａは、Ｘ信号の値ｘ０と、補正されたＸ信号の値ｘ１との関係を示す図であり、健全部からの信号を補正した場合を示す図である。 図９Ｂは、Ｘ信号の値ｘ０と、補正されたＸ信号の値ｘ１との関係を示す図であり、シグマ相部からの信号を補正した場合を示す図である。 図１０は、補正されたＸ信号ｘ１と時間ｔとの関係を示すグラフである。 図１１は、補正されたＸ信号の時間変化Δｘ１と時間ｔとの関係を示すグラフである。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［検査装置の構成］
図１は、本発明の一実施形態による検査装置１の構成を示す模式図である。検査装置１は、検査プローブ１０、探傷器（同期検波部）３０、信号処理装置４０、及び探傷ヘッド５０を備えている。図１は、被検査体である鋼管９０の内側に探傷ヘッド５０を挿入し、鋼管９０の内周面を検査する場合を示している。

検査プローブ１０は、被検査体に磁束を導入して渦電流を発生させるとともに、この渦電流に起因する逆起電力を測定する。

検査プローブ１０は、探傷ヘッド５０に取り付けられている。探傷ヘッド５０は、図１に矢印で示すように、鋼管９０の軸方向に沿って移動するとともに、鋼管９０の軸方向を中心として回転するように構成されている。この構成によって、鋼管９０の内周面に隈なく検査プローブ１０を対向させることができる。

探傷器３０は、検査プローブ１０から供給される信号を調整し、信号処理装置４０へ供給する。探傷器３０はより具体的には、検査プローブ１０によって測定された信号を、互いに異なる位相を有する基準信号で同期検波して２種類の信号として信号処理装置４０に供給する。信号処理装置４０は、探傷器３０から供給される信号を解析して、シグマ相の有無を判定する。

図２は、検査装置１の機能的構成を示すブロック図である。

検査プローブ１０は、測定コイル１１を含んでいる。測定コイル１１は、渦電流による信号を測定する。測定コイル１１は、励磁と測定とを一つのコイルで行う自己誘導型コイルであっても良いし、励磁用コイルと測定用コイルとからなる相互誘導型コイルであっても良い。

探傷器３０は、発振器３１、ブリッジ３２、移相器３３，３４、増幅器３５、及び同期検波器３６，３７を含んでいる。

発振器３１は、所定の周波数を有する基準信号を生成する。発振器３１で生成された基準信号は、ブリッジ３２と移相器３３とに供給される。

ブリッジ３２は、測定コイル１１の微小なインピーダンス変化を電圧に変換し、増幅器３５に供給する。増幅器３５は、ブリッジ３２から供給される信号を増幅して、同期検波器３６，３７に供給する。

移相器３３は、基準信号の周波数を保ったまま位相をシフトして、第１基準信号を生成する。移相器３３で生成された第１基準信号は、同期検波器３６及び移相器３４に供給される。移相器３４は、移相器３３から供給される第１基準信号の位相をさらにシフトして、第２基準信号を生成し、同期検波器３７に供給する。これによって、互いに異なる位相を有する基準信号が、同期検波器３６，３７に供給される。

同期検波器３６，３７は、増幅器３５から供給される信号を、移相器３３，３４から供給される基準信号によって同期検波する。より詳しくは、同期検波器３６は増幅器３５から供給される信号を移相器３３から供給される第１基準信号で同期検波し、同期検波器３７は増幅器３５から供給される信号を移相器３４から供給される第２基準信号で同期検波する。

図３は、同期検波器３６の具体的な構成の一例を示すブロック図である。同期検波器３６は、乗算器３６１とローパスフィルタ（ＬＰＦ）３６２とを備えている。乗算器３６１は、増幅器３５（図２）から供給される信号（測定信号）と移相器３３（図２）から供給される第１基準信号（基準信号）とを乗算して、ＬＰＦ３６２に供給する。ＬＰＦ３６２は、乗算器３６１から供給される信号を平滑し、直流成分を抽出して出力する。なお、同期検波器３７（図２）は、同期検波器３６と同様の構成を備えている。

ここで、測定信号の周期をＴ、周波数をω、振幅をＡ、位相をδ、第１基準信号の位相をθ、時間をｔとすると、同期検波器３６が生成する信号は、次の式（１）のようになる。

以下、同期検波器３６が生成する信号をＸ信号（第１信号）、同期検波器３７が生成する信号をＹ信号（第２信号）と呼ぶ。例えば、第１基準信号の位相θを０°、第２基準信号の位相θを９０°とすると、式（１）から、Ｘ信号は（Ａ／２）ｃｏｓδ、Ｙ信号は（Ａ／２）ｓｉｎδとなる。Ｘ信号を横軸、Ｙ信号を縦軸に図示すると、図４に示すような測定信号の２次元表示が得られる。

第１基準信号と第２基準信号とは、互いに位相差（１８０°の整数倍を除く）を有していれば良く、位相差は９０°以外であっても良い。

なお、上記では同期検波器３６，３７として、乗算器を備えた同期検波器を説明したが、乗算器に代えてスイッチング素子を備えた同期検波器を用いても良い。また、上記では探傷器３０としてアナログ式の探傷器の構成を説明したが、デジタル式の探傷器を用いても良い。

再び図２を参照して、説明を続ける。信号処理装置４０は、標本部４１及び演算部４２を備えている。標本部４１は、同期検波器３６，３７から供給されるＸ信号及びＹ信号を一定時間ごとに取得して、演算部４２に供給する。標本部４１は例えば、一定時間ごとにアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ‐デジタル変換器として実現することができる。

演算部４２は、標本部４１によって取得されたＸ信号及びＹ信号に基づいて所定の演算を行い、シグマ相の有無を判定し、判定結果を出力する。

［シグマ相の検出原理］
ここで、検査装置１によるシグマ相の検出原理の概略を説明する。シグマ相が析出していない健全部と、シグマ相が析出しているシグマ相部とは、電気的特性が異なる。そのため、これらの部位に検出プローブ１０を対向させたときの測定コイル１１のインピーダンスも互いに異なる。これらの信号は、互いに振幅だけではなく位相も異なっている。

次に、リフトオフの変化がない場合のシグマ相の検査方法を説明する。まず初めに、検査プローブ１０を健全部に対向させたときのＸ信号の値がゼロになるように、移相器３３を調整する。換言すれば、検査プローブ１０を健全部に対向させたときの測定信号がＹ軸上に位置するように第１基準信号の位相を調整する。このように調整することで、検査プローブ１０がシグマ相部に対向したときだけ測定信号にＸ成分が生じるようにできる。

図５は、移相器３３を調整した後の測定信号の２次元表示である。図中の「○」マークは材料がないときの信号の位置を、「△」マークは健全部からの信号の位置を、「☆」マークはシグマ相部からの信号の位置を、それぞれ模式的に表している。リフトオフの変化がない場合には、Ｘ信号の値を監視しながら検査プローブ１０を走査して、Ｘ信号の値が所定の閾値以上になればシグマ相部が存在する（不合格）と判定することができる。

次に、リフトオフが変化する場合について説明する。図６は、被検査体である鋼管９０を軸方向から見た図である。リフトオフの大きさは、鋼管９０の中心軸と探傷ヘッド５０の中心軸とが一致していない場合、探傷ヘッド５０が回転することによって変化する。リフトオフの大きさは、鋼管９０又は探傷ヘッド５０が真円でない場合や、探傷ヘッド９０が重力によって撓むことによっても影響を受ける。図６の例では、検査プローブ１０が探傷ヘッド５０の下部にあるときにリフトオフの値がｇ１で最も小さく、探傷ヘッド５０の上部にあるときにリフトオフの値がｇ３で最も大きく、探傷ヘッド５０の側部にあるときにリフトオフの値がｇ２でこれらの中間になっている。探傷ヘッド５０を一定速度で回転させると、リフトオフの大きさは周期的に変化する。

図７Ａは、リフトオフが小さいときの測定信号の２次元表示である。図７Ｂは、リフトオフが中間のときの測定信号の２次元表示である。図７Ｃは、リフトオフが大きいときの測定信号の２次元表示である。図７Ａ〜図７Ｃに示すように、リフトオフが大きくなると測定信号が小さくなる。そのため、図７Ｃに示すように、リフトオフの大きなところでシグマ相を見逃す可能性がある。

さらに、測定信号はリフトオフが大きくなるのに伴って単に振幅が減少するだけではなく、図７Ｃの破線で示すような軌跡を描いて変化する。すなわち、リフトオフの大きさによっては、健全部からもＸ信号が測定される。そのため、リフトオフによって減少した信号を単に増幅したり、あるいは判定の閾値を下げたりするだけでは、今度は逆に健全部をシグマ相部として誤検出する可能性がある。

［信号処理装置の動作］
本実施形態によれば、リフトオフが変動する場合であっても、信号処理装置４０によってシグマ相の有無を判定することができる。以下、信号処理装置４０の動作を説明する。

図８は、信号処理装置４０の動作を示すフローチャートである。信号処理装置４０は、Ｘ信号及びＹ信号を所定の時間ごとに取得するステップ（ステップＳ１）と、Ｘ信号の値をＹ信号の値で除した値を算出するステップ（ステップＳ２）と、算出された値の時間変化を算出するステップ（ステップＳ３）と、時間変化が基準値以上であるかを判定するステップ（ステップＳ４）と、結果を出力するステップ（ステップＳ５）とを実行する。

信号処理装置４０の標本部４１は、同期検波器３６，３７から供給されるＸ信号及びＹ信号を所定の時間ごとに取得する（ステップＳ１）。取得したＸ信号の値をｘ０、Ｙ信号の値をｙ０とする。

信号処理装置４０の演算部４２は、Ｘ信号の値ｘ０をＹ信号の値ｙ０で除して、補正されたＸ信号の値ｘ１＝ｘ０／ｙ０を算出する（ステップＳ２）。既述のように、測定信号はリフトオフの大きさに応じて図７Ｃの破線で示すような軌跡を描いて変化する。Ｙ信号の値は、リフトオフが大きくなるのに伴って減少する。シグマ相部からの信号も、リフトオフが大きくなるのに伴って減少すると考えられる。そこで、Ｘ信号の値にＹ信号の値の逆数を掛けることによって、Ｘ信号をリフトオフの大きさに応じて増幅する。

図９Ａ及び図９Ｂは、Ｘ信号の値ｘ０と、補正されたＸ信号の値ｘ１との関係を示す図である。図９Ａ及び図９Ｂ中の「▲」マーク及び「★」マークは、補正後の信号の位置を模式的に表している。図９Ａ及び図９Ｂでは、リフトオフが最小の箇所におけるＹ信号の値をＹ０として、Ｘ信号とＹ信号との両方にＹ０／ｙ０を掛けて、補正後のＹ信号の値ｙ１が常にＹ０となるように図示している。図９Ａは健全部からの信号を補正した場合を示し、図９Ｂはシグマ相部からの信号を補正した場合を示している。図９Ａ及び図９Ｂに示すように、Ｙ信号の値が小さいところほどＸ信号が増幅される。

なお、この図では説明のためにＹ信号の補正値ｙ１を求めているが、ｙ１の値は本実施形態によるシグマ相の検出には使用しない。したがって、補正値ｙ１を算出しなくても良い。また、Ｙ０は信号の大きさを規格化するための定数であり、任意の値を用いて良い。

演算部４２は、補正されたＸ信号の値ｘ１の時間変化Δｘ１を算出する（ステップＳ３）。時間変化Δｘ１は、例えば次のように算出することができる。時刻ｔにおいて算出したｘ１をｘ１（ｔ）とする。標本部４１がＸ信号及びＹ信号を取得する間隔をΔｔとして、演算部４２は、ｘ１（ｔ）−ｘ１（ｔ−Δｔ）を時間変化Δｘ１とする。

より好ましくは、ｘ１（ｔ）から、過去のｘ１（ｔ）の移動平均を引いたものを時間変化Δｘ１とする。具体的には、ｎを正の整数として、次の式（２）から時間変化Δｘ１を求める。これによって、雑音の影響を減らすことができる。

なお、時間変化Δｘ１は、これら以外の演算によって求めても良い。

図１０は、補正されたＸ信号ｘ１と時間ｔとの関係を示すグラフである。図１１は、補正されたＸ信号の時間変化Δｘ１と時間ｔとの関係を示すグラフである。図１０に示すように、補正されたＸ信号ｘ１は、リフトオフの変動によって健全部からの信号であっても緩やかに変動する。図１０中、破線で囲った部分Ｓσは、シグマ相部からの信号である。シグマ相部では、補正されたＸ信号ｘ１の値は、リフトオフの変動による変動に比べて急激に変化する。

演算部４２は、補正されたＸ信号の時間変化Δｘ１と、所定の基準値とを比較する（ステップＳ４）。演算部４２は、図１１に示すように、Δｘ１が基準値以上であればシグマ相が存在する（不合格）と判定し、Δｘ１が所定値未満であれば、シグマ相が存在しないと判定する。

演算部４２は、判定結果を図示しない出力装置に出力する（ステップＳ５）。演算部４２は例えば、判定結果をディスプレイに表示させる構成としても良い。演算部４２はあるいは、シグマ相が存在する場合にブザーを鳴動させる構成としても良い。

［検査装置の効果］
以上、本実施形態による検査装置１の構成及び動作を説明した。本実施形態によれば、リフトオフが変動する場合でも、シグマ相の有無を判定できる検査装置が得られる。すなわち、リフトオフが変動する場合でも、シグマ相を見逃したり、健全部をシグマ相部として誤検出したりすることを抑制できる。

以上、本発明についての実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。

上記の実施形態では、検査体である鋼管９０の内側に探傷ヘッド５０を挿入し、鋼管９０の内周面を検査する場合を説明した。このような測定では、リフトオフを一定に保つことが特に困難である。そのため、本実施形態による検査装置を特に好適に適用することができる。しかし、本実施形態による検査装置の適用対象はこれに限定されない。例えば、スパイラル搬送される鋼管の外周面の検査に本実施形態による検査装置を用いても良い。

上記の実施形態では、探傷器と信号処理装置とを別個の装置として説明したが、探傷器と信号処理装置とは一体化されていても良い。

上記の実施形態では、演算部４２がΔｘ１を所定値と比較してシグマ相の有無を判定する例を説明した。しかし、演算部４２はΔｘ１の値の出力だけを行い、シグマ相の有無の判定は人間が行うような構成としても良い。

したがって、検査装置は、渦流探傷法を用いてシグマ相を検出する検査装置であって、測定コイルと、同期検波部と、標本部と、演算部とを備えていれば良い。測定コイルは、渦電流による信号を測定する。同期検波部は、測定された信号を第１基準信号で同期検波して第１信号を生成するとともに、測定された信号を第１基準信号と異なる位相を有する第２基準信号で同期検波して第２信号を生成する。標本部は、第１及び第２信号を所定の時間ごとに取得する。演算部は、第１信号の値を第２信号の値で除した値を算出し、算出された値の時間変化を算出する。

リフトオフが大きくなると、第１及び第２信号の両方が小さくなる。演算部はまず、第１信号の値を第２信号の値で除して第１信号の値を補正する。リフトオフの変動によって、補正後の第１信号の値は緩やかに変動する。演算部は、この影響を除去するため、補正後の第１信号の時間変化を算出する。シグマ相が析出した部分では、補正後の第１信号の値が大きく変動する。これによって、シグマ相が析出した部分を検出することができる。

好ましくは、演算部は、時間変化が基準値以上であるかを判定する。この構成によれば、シグマ相の有無を自動で判定することができる。

検査方法は、渦流探傷法を用いてシグマ相を検出する検査方法であって、渦電流による信号を測定するステップと、測定された信号を第１基準信号で同期検波して第１信号を生成するとともに、測定された信号を第１基準信号と異なる位相を有する第２基準信号で同期検波して第２信号を生成するステップと、第１及び第２信号を所定の時間ごとに取得するステップと、第１信号の値を第２信号の値で除した値を算出するステップと、算出された値の時間変化を算出するステップとを備える。

１ 検査装置
１０ 検査プローブ
１１ 測定コイル
３０ 探傷器
３１ 発振器
３２ ブリッジ
３３，３４ 移相器
３５ 増幅器
３６，３７ 同期検波器
４０ 信号処理装置
４１ 標本部
４２ 演算部
５０ 探傷ヘッド
９０ 鋼管

Claims (3)

1. 渦流探傷法を用いてシグマ相を検出する検査装置であって、
   渦電流による信号を測定する測定コイルと、
   前記測定された信号を第１基準信号で同期検波して第１信号を生成するとともに、前記測定された信号を前記第１基準信号と異なる位相を有する第２基準信号で同期検波して第２信号を生成する同期検波部と、
   前記第１及び第２信号を所定の時間ごとに取得する標本部と、
   前記第１信号の値を前記第２信号の値で除した値を算出し、前記算出された値の時間変化を算出する演算部とを備える、検査装置。
2. 請求項１に記載の検査装置であって、
   前記演算部は、前記時間変化が基準値以上であるかを判定する、検査装置。
3. 渦流探傷法を用いてシグマ相を検出する検査方法であって、
   渦電流による信号を測定するステップと、
   前記測定された信号を第１基準信号で同期検波して第１信号を生成するとともに、前記測定された信号を前記第１基準信号と異なる位相を有する第２基準信号で同期検波して第２信号を生成するステップと、
   前記第１及び第２信号を所定の時間ごとに取得するステップと、
   前記第１信号の値を前記第２信号の値で除した値を算出するステップと、
   前記算出された値の時間変化を算出するステップとを備える、検査方法。

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