JP6324523B2 - 誘導式サーモグラフィのためのインダクタおよびその作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘導式サーモグラフィのためのインダクタに関する。

物体、とりわけ構成部品の欠陥を識別するための方法の１つとして、誘導式サーモグラフィが挙げられる。誘導式サーモグラフィでは、検査すべき物体（被検物体）を覆うように導かれるインダクタによって、被検物体内に誘導電流が励起される。被検物体内、とりわけ構成部品内の欠陥は、誘導電流の局所的な障害を引き起こし、これにより、抵抗損失による被検物体の加熱状態の局所的な変化を引き起こす。この局所的な加熱状態の変化が赤外線カメラによって検出され、この赤外線カメラによって撮影された赤外線画像を評価することによって欠陥の識別が可能となる。

従来技術によれば、検査のためのインダクタは、被検物体の上方に被検物体に近接して配置される。この場合、被検物体内で励起される誘導電流の最大振幅は、インダクタの導体の真下に位置する。これにより、欠陥を識別するために注目すべきこの領域が、インダクタの導体によって覆われることとなるので、インダクタの上方に配置される赤外線カメラを用いてこの領域を撮影することは殆ど実現不可能となるという欠点が生じる。

公知のインダクタのさらなる欠点は、被検物体の或る位置における誘導電流が、その位置とインダクタの導体との間の間隔に大きく依存していることである。これによって、とりわけ誘導電流の最大振幅の領域の周辺で振幅の不均一な分布が発生し、これによって、欠陥及び欠陥の寸法を確実に識別することが困難になる。

従って、本発明の基礎となる課題は、従来技術の上述した欠点を回避した誘導式サーモグラフィのためのインダクタを提供することである。

この課題は、独立請求項１に記載の特徴を有する装置と、独立請求項８に記載の特徴を有する方法とによって解決される。従属請求項には、本発明の有利な実施形態及び発展形態が示されている。

本発明に係る誘導式サーモグラフィのためのインダクタは、少なくとも部分領域において、矩形に巻回された導体として構成されており、前記導体は、少なくとも１つの閉成された導体ループを含み、前記導体ループは、当該導体ループを構成している導体の他に電気的な構成要素を有さない。

本発明によれば、導体又はインダクタの少なくとも１つの導体ループにより、被検物体の熱分布画像をサーモグラフィ撮影するために有利な観察窓が形成される。この撮影は、例えば赤外線カメラによって実施することができ、赤外線カメラは、この観察窓を撮影のために利用する。本発明によれば、このようにして誘導電流の最大振幅の領域が検出される。従って、この領域がインダクタの導体によって覆われることは回避される。複数の導体ループを設けても良い。本発明に係るインダクタの導体ループは、当該導体ループを構成している電気的導体とその電気的な特性の他に、別の電気的な構成要素、例えば追加的な抵抗、インダクタンス、及び／又はコンデンサを有さない。

内側の閉成された導体ループのさらなる特別な利点は、誘導電流の振幅がその最大領域において均一化されることである。これにより、導体ループの内側、ひいては観察窓の領域内において、誘導電流の振幅と、ひいては誘導電流全体（一般的に誘導電流は振幅と位相とを有する）の、ほぼ均一な空間的推移が形成される。この場合には観察窓は、誘導電流の最大振幅の領域にほぼ一致する。本発明による誘導電流の空間的な均一化によって、被検物体の欠陥の識別性が改善され、さらには観察窓の領域内でほぼ一定に維持される。誘導電流の均一化のさらなる利点は、インダクタの導体に対して垂直方向における熱流束が低減され、これによって被検物体の縁部、角部、又は界面における熱溜まりが低減されることである。さらには導体ループによって、誘導電流の最大振幅の領域が拡大される。これによって有利には、評価のために利用可能な、赤外線カメラの撮影範囲が拡大する。

本発明に係る誘導式サーモグラフィのためのインダクタを動作させる方法においては、少なくとも部分領域において矩形に巻回された導体に交流電流を流し、前記交流電流を、前記導体に沿って、導体ループを用いて、平行に流れる２つの部分交流電流に分流させる。

有利には、導体ループ内の部分交流電流同士は、同位相である。従って、とりわけインダクタの、被検物体の方を向いた下面には、これらの部分交流電流によって形成される誘導電流同士の建設的なオーバーラップが発生する。これに代わる観察方法は、磁界を観察することである。各部分交流電流によって形成される磁界同士は、とりわけ被検物体の方を向いた下面において同位相であり、従って、磁界同士の建設的なオーバーラップ（増幅）が発生し、このオーバーラップにより、上述した誘導電流同士のオーバーラップも引き起こされる。

本発明の有利な１つの実施形態によれば、前記導体ループは、互いに離間されて配置された少なくとも２つの部分導体を含み、前記２つの部分導体は、互いに一定の間隔を有する。

２つの部分導体の間の間隔が一定であることにより、有利には、観察窓の内側における誘導電流がほぼ均一になり、これによって被検物体の欠陥の識別性及び比較性が改善される。

本発明の有利な１つの実施形態によれば、前記導体ループは、互いに一定の間隔で離間された２つの部分導体を含み、前記部分導体は、前記導体によって形成された前記矩形の１つの辺をほぼ完全に構成している。

これによって有利には観察窓が拡大し、ひいては赤外線カメラの撮影範囲が拡大する。

均一に離間される２つの部分導体の間の間隔は、目的に適合させることができる。小さい間隔の場合には、大きい間隔の場合よりも均一性が高くなる。大きい間隔の場合には、観察窓、ひいては撮影範囲が拡大する。この場合の小さい間隔とは、部分誘導電流の振幅の空間的な変化に対して一般的な幅よりも、小さい間隔であると理解すべきであり、部分導体に対して垂直方向における部分誘導電流の振幅の空間的な変化を、比較のために利用すべきである。部分誘導電流は、それぞれ個々の部分導体が被検物体内で励起する誘導電流である。

別の１つの有利な実施形態によれば、前記１つの辺は、矩形に巻回された前記導体の長辺として形成されている。

これによって有利には観察窓がさらに拡大し、ひいては赤外線カメラによって撮影される被検物体の範囲が拡大する。

本発明の有利な１つの発展形態によれば、前記導体ループの個々の前記部分導体は、楕円セグメント形に巻回されている。

まず、楕円セグメント形に巻回又は湾曲された部分導体の２つの形態を区別することができる。第１の形態によれば、部分導体は、導体の矩形の部分領域が存在する平面上にて楕円セグメント形に巻回されている。第２の形態によれば、部分導体は、導体の矩形の部分領域が存在する平面に対して垂直の平面上にて楕円セグメント形に巻回されている。

初めに挙げた形態の場合、部分導体は、観察方向から見たときに楕円アーチ、とりわけ楕円ハーフアーチを形成しており、このアーチは、導体の矩形の部分領域と共に１つの平面上に位置している。換言すると、部分導体は、導体の前記１つの辺の楕円アーチ形の湾曲部として、導体の矩形の部分領域に続いている。これによってとりわけ、実質的に平坦な被検表面を有する湾曲した被検物体、及び／又は被検物体の湾曲した部分領域のために、有利な観察窓が形成される。初めに挙げた形態のインダクタは、例えばガスタービンの燃焼室の構成部品を検査するために有利である。

２つ目に挙げた形態によれば、導体ループは、観察方向から見たときには矩形に見える。楕円セグメント形の部分導体によって、被検物体の方向に又は被検物体から離れる方向に湾曲された、ねじれていない観察窓が形成される。観察窓を湾曲させ、この湾曲に対応するように部分導体を楕円セグメント形に延在させることによって、実質的に１つの方向にだけカーブされた被検表面を有する被検物体のためのインダクタが実現される。表面のカーブの方向は、観察窓の湾曲に一致しており、従って、観察窓の湾曲又は面状のカーブは、表面に沿ってカーブを形成している。従って、導体ループの部分導体は、被検物体に対してほぼ一定の間隔を有しており、従って、被検表面のカーブによる、誘導電流の振幅に対する影響は、被検表面のカーブに沿って形成された観察窓のカーブによって補償される。とりわけタービンブレードを検査するためには、このようにカーブされた観察窓を有するインダクタが有利である。

本発明の有利な１つの実施形態によれば、前記導体ループは、矩形に巻回されている。

この場合には、導体ループは、赤外線カメラの観察方向から見たときに矩形の形状を有する。導体ループの矩形の形状により、有利な矩形の観察窓が実現される。被検物体が実質的に平坦な表面を有する場合には、矩形であることに加えて平面又は平坦に構成されている観察窓が有利である。とりわけここでは、導体の矩形の部分領域と共に１つの平面上に存在する、矩形の導体ループが有利である。被検物体の、インダクタに面した表面がカーブしている場合には、同様にカーブした導体ループが好ましい。導体ループの形状又はカーブは、被検物体のカーブした表面の方向に、及び／又は被検物体のカーブした表面から離れる方向に湾曲されているが、それにも拘わらずこの導体ループは、赤外線カメラの観察方向から見たときには矩形を有している。

有利な１つの発展形態によれば、前記インダクタは、少なくとも２つの電気端子を含む。

これによってインダクタを、電流及び／又は電圧の給電のために外部電源にコンタクトさせることができる。有利には、これらの電気端子は、インダクタの前記１つの辺に向かい合って配置されており、当該１つの辺の各部分導体に対して垂直に延在している。従って全体として、インダクタは、平坦に矩形に巻回された導体として形成されており、導体の前記１つの辺は、互いに平行に離間された２つの部分導体によって２重になっている。

本発明の１つの有利な実施形態によれば、前記交流電流の周波数は、１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの周波数範囲内にある。

これによって、表皮効果に基づき、被検物体内への誘導電流の有利な侵入深さが実現される。例えばこの侵入深さ（表皮深さ）は、典型的には０．０５ｍｍ（強磁性鋼）〜２ｍｍ（ステンレス鋼）の範囲内にある。

本発明の別の１つの有利な実施形態によれば、前記交流電流の電流強度は、少なくとも１０００Ａである。

交流電流の、少なくとも１０００Ａという高い電流強度によって、相応にして強力な磁界が形成され、この磁界そのものによって被検物体内に大きい誘導電流が励起される。これによって有利には、赤外線カメラによる被検物体の欠陥の検出が容易になり、改善される。

以下では、本発明を３つの好ましい実施例に基づいて添付の図面を参照しながら説明する。

矩形の導体ループを備える矩形に巻回されたインダクタを示す図であり、この導体ループは、互いに平行に離間された２つの部分導体を有する。 誘導電流の振幅の空間的な変化を説明する図である。 導体ループを備える矩形に巻回されたインダクタの立体図であり、この導体ループの部分導体は、楕円セグメント形に巻回されている。 矩形に巻回され且つ面状にカーブされた導体ループを備える、矩形のインダクタの立体図である。

図面では、同種の要素には同じ参照符号が付されている。

図１は、矩形に巻回された導体２として構成されたインダクタ１を図示しており、インダクタ１の第１長辺８は、閉成された導体ループ１１を有する。導体ループ１１は、実質的に２つの平行な長辺８１，８２を備える矩形として形成されており、これらの長辺８１，８２は、互いに平行に離間されて配置された２つの部分導体１０，１２から形成されており、導体２の第１長辺８をほぼ完全に構成している。この場合、部分導体１０，１２は、ほぼ完全に第１長辺８に沿って延在している。第１長辺８は、第２長辺９に対して平行に離間されて向かい合って位置しており、第２長辺９は、２つの電気端子４，６を含む。この場合、電気端子４，６は、導体２の各長辺８，９に対して垂直に延在しており、且つ、導体２の各短辺１８に対して平行に延在している。

導体ループ１１によってインダクタ１の内側に観察窓１４が形成され、この観察窓１４は、図示されてない赤外線カメラを用いて被検物体の熱分布を撮影するために利用される。従って、インダクタ１は、概念的に、単純に矩形に巻回された導体の、導体１６の部分を二重にしたものから構成することができる。換言すると、導体ループ１１は、２つの部分導体１０，１２の並列回路から形成される。

概して、導体ループ１１は、追加的な電気抵抗を有さない。なお、追加的な電気抵抗とは、導体ループ１１の電気的な線路抵抗を超えるすべての電気抵抗であると理解すべきである。

部分導体１０，１２は、方向２０（ｘ方向）に対して平行に延在している。これにより、誘導電流の振幅は、方向２０に沿ってほぼ一定となる。方向２０に対して垂直な方向２２（ｙ方向）では、観察窓１４の領域にわたる誘導電流の振幅は、導体２を２つの部分導体１０，１２に二重にしたことによって一定になっている。

通常、図１に図示されたインダクタ１は、図１に図示されていない被検物体を覆うように導かれる。この場合、インダクタ１と被検物体との間の間隔は、１ｃｍ未満である。被検物体は、赤外線カメラの観察方向２３に対して逆平行であるｚ方向に関連してインダクタ１の下側に位置しており、インダクタ１は、図１に図示されているように被検物体と赤外線カメラとの間に配置されている。このようにして、被検物体上の熱分布が観察窓１４を通して赤外線カメラによって検出される。

図２は、方向２２に沿った誘導電流の振幅１０６の空間的な変化を示している。横軸１０２には、方向２２に沿った相対間隔（正負符号付き）がプロットされている。なお、相対間隔のゼロの値は、想像上の導体１６に相当する。各部分導体１０，１２は、想像上の導体１６に対して絶対値的に同じ間隔を有しており、従って、想像上の導体１６は、２つの部分導体１０，１２間の中央に位置している。縦軸１０４には、最大値に正規化された、誘導電流の振幅１０６がプロットされている。

観察窓１４の、方向２２に沿った幅に実質的に相当する均一な領域１０８がはっきりと見て取れる。この均一な領域１０８では、誘導電流の振幅１０６の小さな変化が見られはするものの、振幅１０６の急峻に立ち下がるエッジ１１０に比べれば無視することが可能である。従来技術から公知の、想像上の導体１６に即した導体を有する単純に矩形に巻回されたインダクタの場合であれば、この均一な領域１０８は、実質的に１つの点へと退化することであろう。

図３には、インダクタ１の立体図が示されており、このインダクタ１の導体ループ１１は、楕円アーチ１６１に沿って延在している。この場合には、これらの部分導体１０，１２は、楕円セグメント形に巻回されており、導体２の矩形の部分領域を有する平面上において互いに一定の間隔を置いて離間されて位置している。従って、部分導体１０，１２は、上述した平面上に位置する、導体２又はインダクタ１の楕円セグメント形の湾曲部を形成している。ここでもインダクタ１は、赤外線カメラの観察方向２３に対して逆平行であるｚ方向に関連して被検物体２４の上側に位置しており、インダクタ１は、図３に図示されているように被検物体２４と図示されていない赤外線カメラとの間に配置されている。

互いに離間されて配置され、且つ楕円セグメント形に巻回された２つの部分導体１０，１２によって、湾曲した楕円形の観察窓１４が形成される。この観察窓１４は、被検物体の一部の部分領域が楕円セグメント形に湾曲している場合、及び／又は、被検物体が湾曲している場合には特に好ましい。一般的に観察窓１４は、部分導体１０，１２の配置構成によって、被検物体のそれぞれ任意の幾何形状に適合させることが可能である。

図４は、観察方向２３に対して平行に見たときに矩形に形成されている導体ループ１１を有するインダクタ１を図示している。従って、ここに図示されたインダクタ１は、図１に図示されたインダクタと基本的には同じである。しかしながら、観察窓１４は、楕円セグメント形に巻回された部分導体１０，１２によって、被検物体の方向にカーブされた形状を有する。

図３とは異なり、これらの部分導体１０，１２は、矩形に巻回された導体２の平面上にて楕円セグメント形に巻回されているのではなく、当該平面に対して垂直な平面上にて楕円セグメント形に巻回されている。従って、見て取れるように、観察窓１４、及び、巻回された導体ループ１１は、被検物体２４の方向に向かって湾曲されている、ねじれていない湾曲した矩形の形状に相当する。観察窓１４は、観察窓１４の湾曲によって、被検物体２４のカーブされた表面２６に適合されている。この適合は、部分導体１０，１２と被検物体２４のカーブされた表面２６との間の間隔がほぼ一定であるということを意味していると理解することができる。

Claims (10)

1. 誘導式サーモグラフィのためのインダクタ（１）であって、
   前記インダクタ（１）は、少なくとも部分領域において、矩形に巻回された導体（２）として構成されている、インダクタ（１）において、
   前記導体（２）は、閉成された導体ループ（１１）を含み、
   前記導体ループ（１１）は、当該導体ループ（１１）を構成している導体の他に電気的な構成要素を有せず、
   前記閉成された導体ループ（１１）は、前記インダクタ（１）の内側に、サーモグラフィによる被検物体の熱分布測定のための観察窓を形成しており、
   前記インダクタ（１）は、前記被検物体の一つの面の上方のみを移動可能に構成されている、
   ことを特徴とするインダクタ（１）。
2. 前記導体ループ（１１）は、互いに離間されて配置された２つの部分導体（１０，１２）を含み、前記２つの部分導体（１０，１２）は、互いに一定の間隔を有する、
   請求項１記載のインダクタ（１）。
3. 前記部分導体（１０，１２）は、前記導体（２）によって形成された前記矩形の１つの辺（８）をほぼ完全に構成している、
   請求項２記載のインダクタ（１）。
4. 前記１つの辺（８）は、矩形に巻回された導体（２）の長辺（８）として形成されている、
   請求項３記載のインダクタ（１）。
5. 前記導体ループ（１１）の前記各部分導体（１０，１２）は、楕円セグメント形に巻回されている、
   請求項１から４のいずれか１項記載のインダクタ（１）。
6. 前記導体ループ（１１）は、矩形に巻回されている、
   請求項１から５のいずれか１項記載のインダクタ（１）。
7. 前記インダクタ（１）は、２つの電気端子（４，６）を有する、
   請求項１から６のいずれか１項記載のインダクタ（１）。
8. 請求項１から７のいずれか１項記載の、誘導式サーモグラフィのためのインダクタ（１）を作動する方法において、
   少なくとも部分領域において矩形に巻回された前記導体（２）に交流電流を流し、
   前記交流電流を、前記導体（２）に沿って、前記導体ループ（１１）を用いて、平行に流れる２つの部分交流電流に分流させる、
   ことを特徴とする方法。
9. 前記交流電流の周波数は、１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの周波数範囲内にある、
   請求項８記載の方法。
10. 前記交流電流の電流強度は、少なくとも１０００Ａである、
    請求項８又は９記載の方法。

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