JP6989514B2 - ガイド波試験 - Google Patents
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Description
本開示は、例えば、配管のガイド波試験のようなガイド波試験に関する。
最低次ねじりガイド波モードＴ（０，１）を用いてガイド波試験を行うことが知られている。このような技術では、圧電探触子および磁歪探触子を使用することができる。両方の変換機構は高感度であり、強い信号を発生させる。
Ｗａｎｇ、Ｗｕ、Ｓｕｎ＆Ｌｉ、２０１５
しかしながら、これらの変換様式はいずれも、力または構造的結合のいずれかによって構造物に機械的に結合される必要があるアクチュエータ（磁歪ストリップ（例えば、米国特許第６６２４６２８号を参照）または圧電素子）を使用する問題を有する。探触子への接着剤結合または力の変化は、励起信号強度の変化をもたらす。このことは、時間の関数として監視される信号の小さな変化を検出しようとするときに問題を引き起こす可能性がある。これらの小さな変化の出現は、検出すべき小さな欠陥の存在のいずれかであり得るが、探触子を配管または他の試験対象物（例えば、オイルプラットフォーム脚部上の溶接部、大きな容器の一部など）に結合する接着結合または力の変化による変換感度の変化と混同されやすく、これは、温度のような環境条件の変化から容易に生じ得る。
電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ）は、探触子と配管との間の非接触電磁結合機構に依存しているので、この問題を軽減する（Ｗａｎｇ、Ｗｕ、Ｓｕｎ＆Ｌｉ、２０１５を参照）。これは、配管上の保護塗料のような厚い塗膜を通過することができるというさらなる利点を有する。しかし、ＥＭＡＴは変換感度が低く、そのためほとんど使用されていない。
米国特許第５８９５８５６号には、ねじりガイド波励起のためにＥＭＡＴを使用することが記載されているが、これらは、探触子によって励起された弱い信号を受信するために使用可能な信号および／または高い増幅器利得を生成するように、高出力信号が提供される必要がある。高出力ＥＭＡＴは、本質的な安全性に対する懸念が使用可能な最大電圧および電流を制限する危険な環境では使用できない。さらに、弱い信号を受信するのに必要な高い増幅器利得は、コイル間の電磁クロストークおよびスイッチング後の受信増幅器の整定時間のために、ＥＭＡＴ探触子（単数または複数）上で必要な送信と受信との間の待ち時間がより長くなる。これは、送信探触子および受信探触子の大きな物理的分離を必要とするので、クロストークが十分に低減される、または送信信号を送信してから近くの受信探触子によって受信信号を受信するように切り替えるまでに長い待機時間が必要となる。これらの従来の実施形態は共に、大きな探触子になる、または信号が受信され得ない探触子の近くの大きな死角をもたらすので、望ましくない。
本開示の少なくともいくつかの実施形態は、試験対象物をガイド波試験するための装置であって、
各々が受信コイルを有し、前記試験対象物内の振動を前記受信コイル内の受信電気信号に変換する機能を果たすリニアアレイ受信電磁超音波探触子と、
前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子に実質的に平行に配置された少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子であって、前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子に実質的に垂直な方向に前記試験対象物内でガイド波を発射するように構成され、各々が送信コイルを有し、前記送信コイル内の駆動電気信号を前記試験対象物内の振動に変換する機能を果たす、少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子とを備え、
（ｉ）前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子内の電磁超音波探触子の送信コイルは共通巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは交互巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の少なくとも２つの隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは直列に接続される、および
（ｉｉ）前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子内の電磁超音波探触子の送信コイルは交互巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは共通巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の少なくとも２つの隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは直列に接続される、
のうちのいずれかである、装置を提供する。
各々が受信コイルを有し、前記試験対象物内の振動を前記受信コイル内の受信電気信号に変換する機能を果たすリニアアレイ受信電磁超音波探触子と、
前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子に実質的に平行に配置された少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子であって、前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子に実質的に垂直な方向に前記試験対象物内でガイド波を発射するように構成され、各々が送信コイルを有し、前記送信コイル内の駆動電気信号を前記試験対象物内の振動に変換する機能を果たす、少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子とを備え、
（ｉ）前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子内の電磁超音波探触子の送信コイルは共通巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは交互巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の少なくとも２つの隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは直列に接続される、および
（ｉｉ）前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子内の電磁超音波探触子の送信コイルは交互巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは共通巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の少なくとも２つの隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは直列に接続される、
のうちのいずれかである、装置を提供する。
本開示の少なくともいくつかの実施形態は、試験対象物をガイド波試験する方法であって、
各々が受信コイルを有するリニアアレイ受信電磁超音波探触子を前記試験対象物に結合するステップと、
各々が送信コイルを有する少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子を前記試験対象物に結合するステップと、
前記送信コイル内の駆動電気信号を前記試験対象物内の伝達振動に変換するステップと、
前記試験対象物内の受け取られた振動を前記受信コイル内の受信電気信号に変換するステップとを含み、
（ｉ）前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子内の電磁超音波探触子の送信コイルは共通巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは交互巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の少なくとも２つの隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは直列に接続される、および
（ｉｉ）前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子内の電磁超音波探触子の送信コイルは交互巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは共通巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の少なくとも２つの隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは直列に接続される
うちのいずれかである、前記方法を提供する。
各々が受信コイルを有するリニアアレイ受信電磁超音波探触子を前記試験対象物に結合するステップと、
各々が送信コイルを有する少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子を前記試験対象物に結合するステップと、
前記送信コイル内の駆動電気信号を前記試験対象物内の伝達振動に変換するステップと、
前記試験対象物内の受け取られた振動を前記受信コイル内の受信電気信号に変換するステップとを含み、
（ｉ）前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子内の電磁超音波探触子の送信コイルは共通巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは交互巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の少なくとも２つの隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは直列に接続される、および
（ｉｉ）前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子内の電磁超音波探触子の送信コイルは交互巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは共通巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の少なくとも２つの隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは直列に接続される
うちのいずれかである、前記方法を提供する。
例示的な実施形態を、ほんの一例として、添付図面を参照しながら説明する。
本開示によれば、送受信探触子は、（流体を搬送する場合もあれば、そうでない場合もある）配管に沿って軸方向の分離距離が小さい位置からガイド波を送受信することができる。さらに、探触子は、ねじりガイド波が送信される方向が選択され得るように配置され得る。
この説明は、バイアス磁場および誘導渦電流の存在下で、導電性表面上の機械的牽引力を励起するローレンツ力機構を説明することから始まる。次に、配管およびチューブのガイド波伝搬について説明する。その後、（２ｎ＋１）／４λだけ軸方向分離された２つの探触子リング（リニアアレイ送信ＥＭＡＴ）がどのように指向性送信を実行するために使用され得るかについて説明する。励起および受信における信号伝送損失を推定する単純なモデルを使用して、受信器における信号振幅が予測される。信号振幅が低いため、受信時に高利得増幅器が必要となる。高利得増幅は多くの問題を引き起こす。送信コイルによる受信コイル（リニアアレイ受信ＥＭＡＴ一部）における容量性電磁結合は、大きな貫通信号をもたらす。通常の条件下で、送信器と受信器が近い距離にある場合、貫通信号は受信増幅器を飽和させ、信号の受信を長時間妨げる。次に、送信コイルおよび受信コイルの適切な設計（およびＴｘアレイおよびＲｘアレイ内の異なる配線パターンおよび磁石の向きの使用）によって貫通信号が低減／除去され得る方法について説明する。信号は、受信器の近くに位置する送信器によって送信されたときに受信され得る。次に、受信器ＧＷ ＥＭＡＴリングと送信器ＧＷ ＥＭＡＴリングとの新しい組み合わせの結果として生じる信号について説明する。
表面力を励起するためのローレンツ力機構について
ＥＭＡＴの作動原理は、電磁的な物理的原理に基づいており、マクスウェルの方程式によって説明される。ＥＭＡＴは、下側の本体（例えば、配管）の表面に対して実質的に直交する方向の磁場を生成するように配置された永久磁石（電磁石も使用可能である）と、駆動コイル（送信コイルおよび／または受信コイル）の２つの主要素から成る。より一般的には、磁場を生成するためにコイルの上に磁極が配置される。例えば、馬蹄形磁石の２つの極は、同一または異なるコイルの２つの別個の部分に磁場を生成することができる。励起のメカニズムは以下の通りである。コイルに流れる交流電流は、変化する磁場を発生させ、鋼媒体に閉ループの渦電流を誘導する。渦電流は、コイルに平行な金属導体に流れる。超音波を励起するローレンツ力は、永久磁石の静磁場と試料内に誘起された渦電流との相互作用により発生する。渦電流発生原理を図１に示す。磁束は、アンペールの回路定理によって説明される。磁場の閉ループ積分は、表面を通過する電流に比例する。Ｂは、磁束密度を示す。Ｊは、電流密度を表す。
ＥＭＡＴの作動原理は、電磁的な物理的原理に基づいており、マクスウェルの方程式によって説明される。ＥＭＡＴは、下側の本体（例えば、配管）の表面に対して実質的に直交する方向の磁場を生成するように配置された永久磁石（電磁石も使用可能である）と、駆動コイル（送信コイルおよび／または受信コイル）の２つの主要素から成る。より一般的には、磁場を生成するためにコイルの上に磁極が配置される。例えば、馬蹄形磁石の２つの極は、同一または異なるコイルの２つの別個の部分に磁場を生成することができる。励起のメカニズムは以下の通りである。コイルに流れる交流電流は、変化する磁場を発生させ、鋼媒体に閉ループの渦電流を誘導する。渦電流は、コイルに平行な金属導体に流れる。超音波を励起するローレンツ力は、永久磁石の静磁場と試料内に誘起された渦電流との相互作用により発生する。渦電流発生原理を図１に示す。磁束は、アンペールの回路定理によって説明される。磁場の閉ループ積分は、表面を通過する電流に比例する。Ｂは、磁束密度を示す。Ｊは、電流密度を表す。
磁場が変化すると、磁場は電場Ｅを生成し、これはファラデーの電磁誘導の法則によって説明される。表面を通過する磁場の変化は、同じ表面の周りの閉ループに沿った電場の積分に等しい。電場およびその磁場の向きは、元の磁束に対向している。電場が導電性材料内にある場合、渦電流が導体内に流れる。誘導電流の大きさは、オームの微分法則によって説明される。
発生した渦電流は静磁場と反応して、物体力ｆを発生させる。物体力の向きは、右手の法則を使用して計算される。Ｂ０は、静磁場を示す。
渦電流は、電流密度が鋼の深さにわたって指数関数的に減少するので、導電性材料の表面に限定される。表皮深さは、材料の表面から表面までの距離として定義され、密度は６３％（係数１／ｅ）減少する。表皮深さは、式５によって計算される。
ここで、δは表皮深さ（ｍｍ）、ｆは周波数（Ｈｚ）、μは透磁率（Ｈ／ｍｍ）、σは導電率（％ＩＡＣＳ）を示す。表皮深さは、ＥＭＡＴによって加えられた力分布を計算する際に重要である。
配管内のねじりガイド波伝搬について
配管内のガイド波管伝搬の物理学は、十分に解明されている［Ｒｏｓｅ ２００４を参照］。伝搬可能な無数の異なるモードがあり、その位相速度およびモード形（配管断面にわたる特性変位）は周波数に依存する。波の伝搬特性は、通常、図２に示すような分散曲線の形で要約される。
配管内のガイド波管伝搬の物理学は、十分に解明されている［Ｒｏｓｅ ２００４を参照］。伝搬可能な無数の異なるモードがあり、その位相速度およびモード形（配管断面にわたる特性変位）は周波数に依存する。波の伝搬特性は、通常、図２に示すような分散曲線の形で要約される。
基本的なねじり波モードＴ（０，１）は、ガイド波検査および監視のための最良のモードの１つである。これは非分散性であり、全ての周波数の信号が配管に沿って同じ速度、すなわち、せん断速度（鋼の場合は約３２６０ｍ／ｓ）で伝搬することを意味する。さらに、Ｔ（０，１）モード形は、配管の断面にわたって一定のせん断変位である。これは、断面を通る様々な位置に位置する欠陥に対して等感度をもたらす。
図２はさらに、他の多くのモードが配管に沿って伝搬可能であることを示している。これらのモードは、長手方向Ｌ（ｘ、ｙ）群または屈曲波Ｆ（ｘ、ｙ）群の一部であり、ｘは周方向を表し、ｙはモード番号を表す。ローレンツ力ＥＭＡＴを用いてＴ（０，１）モードを純粋に励起することは事実上困難または不可能であるため、励起中に高次屈曲モードを抑制することが有用である。図３に示すように、ねじり波励起のためのローレンツ力ＥＭＡＴが構成され得る。このタイプの配置は、２Ｎ倍の目立たないパッチにわたって接線方向に配管の表面上で励起されるローレンツ力を生じさせ、Ｎは配管の周囲に分布するコイル数である（図３参照）。クリーンなねじり波を励起するには、動作帯域幅内に存在し得る最高次数の屈曲モードよりむしろ、より均等に分布した探触子（表面力）が提供されることが有用である［Ａｌｌｅｙｎｅ １９９９参照］。３インチの配管および図２の分散曲線の場合、これは９次であり、したがって９つ以上のパッチが必要であり、この特性を満たす適切な実施形態は、図３に示すように６コイル、したがって１２パッチである。より一般的には、前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子は、Ｎ個の送信電磁超音波探触子を備え、Ｎは、
前記駆動電気信号および前記受信電気信号の実質的に非ゼロの周波数成分を超える周波数で前記配管内にのみ存在し得る屈曲波の第１モードの周方向次数よりも大きい正の整数、および
Ｐ／λの０．５倍〜６倍の整数
のうちの少なくとも１つであり、Ｐは前記配管の周囲距離であり、λは前記駆動電気信号および前記受信電気信号の実質的な周波数成分と一致する周波数の前記配管内のせん断波の波長である。
前記駆動電気信号および前記受信電気信号の実質的に非ゼロの周波数成分を超える周波数で前記配管内にのみ存在し得る屈曲波の第１モードの周方向次数よりも大きい正の整数、および
Ｐ／λの０．５倍〜６倍の整数
のうちの少なくとも１つであり、Ｐは前記配管の周囲距離であり、λは前記駆動電気信号および前記受信電気信号の実質的な周波数成分と一致する周波数の前記配管内のせん断波の波長である。
２つの軸方向に分離された送信器を用いた指向性ガイド波送信
ねじり波が配管の所与の部分で励起されると、ねじり波は両方向に進む。右進行波および左進行波は共に、同じ振幅で伝搬している。基本ねじり波（Ｔ（０，１））は非分散性（その位相速度はあらゆる周波数において一定）であるため、基本ねじり波は、ダランベールの解で説明され得る。
ねじり波が配管の所与の部分で励起されると、ねじり波は両方向に進む。右進行波および左進行波は共に、同じ振幅で伝搬している。基本ねじり波（Ｔ（０，１））は非分散性（その位相速度はあらゆる周波数において一定）であるため、基本ねじり波は、ダランベールの解で説明され得る。
試験中、ゆっくりと成長する腐食欠陥からのエコーが検出され得る。超音波が両方向に進むと、受信されたエコーの位置を決定することができず、送信器位置からの距離のみを計算することができる。したがって、一方向にのみ進行する超音波を励起して、エコーの正確な位置を診断するのが有用である。
指向性ガイド波送信は、指定された距離だけ分離された２つのリングのＥＭＡＴ（リニアアレイ送信ＥＭＡＴ）を使用して行われ得る。送信探触子の両方のリングは左進行波および右進行波を生成するが、これらの波は一方向に相殺し合い（弱め合うように干渉し）、他の方向では加算される（強め合うように干渉する）。
図４に示すように、特定の距離（ｐ）に配置された探触子の２つのリングについて考察する。第１の探触子（ノード１）の位置は、ｘ＝０になるように選択され、次に第２の探触子は位置ｐになる。
試験に使用される励振信号は、窓掛けされたトーンバースト信号である。信号ｆ（ｔ）は、窓関数ｗ（ｔ）と正弦搬送波ｓｉｎ（ｔ）との積である。窓関数は、検査のための有限長信号の送信を可能にする。窓関数は、通常、正弦搬送波周期の３〜１０倍である。
ノード２の探触子は、負の極性を持つ第１の探触子よりｐ／ｃ後に励起される。２つの場所での励起信号は、以下のようになる。
−ノード１
−ノード２
−ノード１
−ノード２
右進行波は、以下の式によって求められる。
右進行波は、時間ｐ／ｃ後に相殺される。左進行波に関して同じ計算をすると、以下の通りである。
以下の式に示されるように、ｐを４分の１波長の倍数足す奇数とする。
式１２からの情報とｓｉｎ（ｘ）＝−ｓｉｎ（ｘ＋π）という事実を用いて、左進行波を以下のように書き直すことができる。
この形から、２ｐ／ｃの時間差を有する２つの窓関数が加算されることが分かる。したがって、送信探触子の２つのリングが接近しているとき、窓関数は重なり合い、左進行波の信号振幅が加算される。
進行波は、平面図で表すことができる。第１および第２の位置で励起された波は、図５に描かれている。
送信探触子の２つのリングの励起は、必ずしも１回の測定で行う必要はない。信号は、収集され、後処理の間に加算され得る。さらに、時間遅延、およびセンサの一方の負極性は、適切な後処理によって測定後に実現され得る。
他の実施形態では、原信号は、任意の場所で受信探触子（リニアアレイ受信ＥＭＡＴ）で捕捉され得る。左進行波が計算されると、ノード２から取得された信号が遅延され、ノード１から取得された信号から減算される。
右進行波が計算されると、ノード１からの信号が遅延され、ノード２から取得された信号から減算される。
計算された左進行波および右進行波の一例を図６に示す。
左右の進行波は、比較的良好な精度で区別され得る。元の５サイクルのトーンバースト信号は、予想通り６．５サイクルになることに留意されたい。
したがって、少なくとも２つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子は、リニアアレイ受信電磁超音波探触子に実質的に垂直な方向に長手方向分離距離だけ離間して設けられる。駆動電気信号および長手方向分離距離は共に、前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子によって生成された前記試験対象物内の振動の伝達方向を制御するように作用する。すなわち、超音波は、アレイ距離および励起遅延を正確に設定することによって、所望の送信方向に強め合うように干渉し、他の方向に弱め合うように干渉する。一方向（例えば、左方向）の弱め合う干渉は、探触子アレイのうちの１つ（この場合は左側）がｐ／ｃ後に励起されるときに達成され得る。２つの探触子アレイ間の距離が上記の式１２に従って設定されると、強め合う干渉が達成される。
送受信損失後の信号振幅の推定について
一実施形態例では、所与の入力信号における受信信号強度を分析することが有用であり得る。これは、受信器増幅器が供給する必要がある利得の推定値を示す。受信信号（受信コイル内の受信電気信号として受信される）への送信信号（送信コイル内の駆動電気信号によって供給される）からの伝達関数は、
送信元の場所での力生成、
生成された変位、および
コイル端子における受電電圧
の３つの部分に分割される。
一実施形態例では、所与の入力信号における受信信号強度を分析することが有用であり得る。これは、受信器増幅器が供給する必要がある利得の推定値を示す。受信信号（受信コイル内の受信電気信号として受信される）への送信信号（送信コイル内の駆動電気信号によって供給される）からの伝達関数は、
送信元の場所での力生成、
生成された変位、および
コイル端子における受電電圧
の３つの部分に分割される。
１．送信元の場所において生成された力
計器で１０Ｖの入力電圧を発生させることによって、コイル電流が計算され得る。計器の出力抵抗は、５０オームである。
計器で１０Ｖの入力電圧を発生させることによって、コイル電流が計算され得る。計器の出力抵抗は、５０オームである。
ＥＭＡＴインピーダンスは、４８．０２＋３９．０１ｊΩである。
最大渦電流は、コイル電流、コイル内の巻数および結合係数に依存する。本発明のコイルでは、以下のようになる。
ここで、ローレンツ力は、渦電流の体積積分として計算され得る。
計算を行った後、表面力は、以下のようになる。
２．特定の力での変位
所与の力当たりの表面変位は、有限要素シミュレーションを用いて計算され得る。シミュレーションされた変位振幅は、０．０３８３７ｎｍである。
所与の力当たりの表面変位は、有限要素シミュレーションを用いて計算され得る。シミュレーションされた変位振幅は、０．０３８３７ｎｍである。
３．コイル端子における受電電圧
振幅０．０３８３７ｎｍのねじり波は、受信コイルによって検出され得る。鋼粒子は静磁場の近くを移動し、電場「Ｅ」が誘導され、これは、式１８に示すように、移動粒子「ｖ」の速度と静磁場Ｂとの外積に等しい。生成された電流フローは、受信コイルで検知され得る。
振幅０．０３８３７ｎｍのねじり波は、受信コイルによって検出され得る。鋼粒子は静磁場の近くを移動し、電場「Ｅ」が誘導され、これは、式１８に示すように、移動粒子「ｖ」の速度と静磁場Ｂとの外積に等しい。生成された電流フローは、受信コイルで検知され得る。
電場によって引き起こされる電流フローの形状は、有限要素シミュレーションによって決定され得る。引き起こされた電流フローの流線を図７に示す。電流フローの形状はコイルの形状に似ており、したがって、誘導電流とピックアップコイルとの間に高い結合係数が予想される。電流フローおよびピックアップコイルは、変圧器回路として再びモデル化され得る。この場合は、受信コイルが巻数ＮＣの２次ループである。１２個のコイルは直列に接続されるので、これらの出力電圧は加算される。式２０に従って、増幅器の入力電圧が計算される。
コイル端子において受信される電圧は、以下のように推定される。
８９ｄＢ（係数２８１８３）の受信増幅器利得を受信した後、受信電圧は以下のように予想される。
この電圧は、量子化レベルが約１ｍＶの標準Ａ／Ｄ変換によってサンプリングされ得、必要に応じて平均化することでランダム雑音が抑制され得る。
高利得増幅器の飽和をもたらす容量性および電磁的貫通メカニズムについて
上記のセクションでは、受信される信号は小さく、標準的なデジタル取得（ＤＡＣ）機器で測定できるようにするために大きな増幅（約９０ｄＢの利得）が必要であり得ることを示した。このことは、送信探触子と受信探触子との間の直接結合機構が、配管壁を進行する波から受信されるガイド波信号よりもはるかに大きい信号をもたらし得るという支障を来す。受信用増幅器を飽和させるほど信号を大きくすることで、一定の最大増幅器電圧出力信号が得られる。超音波信号からの動的情報は、全て失われる。信号が増幅器の飽和のレベル以下になると、通常は、増幅器が回復して再び機能するまでに時間がかかる。大きな貫通信号をもたらす２つの直接結合機構は、容量結合および電磁結合である。
上記のセクションでは、受信される信号は小さく、標準的なデジタル取得（ＤＡＣ）機器で測定できるようにするために大きな増幅（約９０ｄＢの利得）が必要であり得ることを示した。このことは、送信探触子と受信探触子との間の直接結合機構が、配管壁を進行する波から受信されるガイド波信号よりもはるかに大きい信号をもたらし得るという支障を来す。受信用増幅器を飽和させるほど信号を大きくすることで、一定の最大増幅器電圧出力信号が得られる。超音波信号からの動的情報は、全て失われる。信号が増幅器の飽和のレベル以下になると、通常は、増幅器が回復して再び機能するまでに時間がかかる。大きな貫通信号をもたらす２つの直接結合機構は、容量結合および電磁結合である。
容量結合は、近接して配置された導電性配管表面に対して送信探触子コイル（送信コイル）の電荷蓄積の結果である。これは、次に、配管と近接して配置された受信コイルとの間に相対的な電荷不均衡をもたらす。したがって、送信探触子の正味の送信電圧が受信器に渡される。使用され得る典型的なコイルの通常の条件下では、容量性貫通により、−４０ｄＢオーダーの信号振幅（増幅前）が得られる。これは、８９ｄＢの増幅器では増幅できない。この現象を図８に示す。
電磁結合は、送信コイルが受信コイルを通過して電磁力（ＥＭＦ）を誘導することによって発生した磁束の結果である。誘導されたＥＭＦは、送信コイルを離れて受信コイルを通過する磁束密度の関数である。したがって、これは、送信器と受信器との間の分離距離の関数である。測定により、典型的なコイル配置では、増幅器の飽和をもたらさない貫通信号をもたらすために、１ｍを超える分離距離が必要であることが示された。図９は、送信コイルと２つの受信コイルとの間の電磁結合の原理を示す。この図は、単純化するために平坦なｘ−ｙ平面上の平面コイルを示している。この原理は、配管のような軸対称構造の外表面に配置されたコイルにも等しく適用可能である。
貫通の問題を低減し、近接して配置された探触子による配管からのガイド波信号の送受信を可能にするねじりガイド波ＥＭＡＴ探触子設計について
容量結合および電磁結合のメカニズムに対処し、近接して配置された送信器および受信器によるガイド波ＥＭＡＴ信号の送信および受信をより実用的にするために、以下に説明する送信コイルおよび受信コイルの配置が使用され得る。
１．容量結合を低減（相殺）するために、送信コイルは差動モードで駆動回路によって駆動され得る。（受信回路も差動的に動作し得る）。これは、送信コイルと、配管および受信コイルと間に正味の電荷差がないため、容量結合が発生しないことを意味する。（配管表面から離れるほどより高い電圧になるようにコイル側を配置するのが有益であり得、周囲の連続するコイル間の交互の極性も有益であり得る）。
２．電磁結合を低減する（相殺する）ために、受信ＥＭＡＴリングは、送信コイルを通過する半径方向の軸平面に対して対称的に配置された受信コイルを有するので、送信コイルもその平面に対して対称になり得る。実際には、この対称配置は必要ではない場合もあるが、効果の原理を理解するのに役立つ。さらに、送信コイルに対して対称的に配置された２つの受信コイルは、送信コイル内の電流によって受信コイル内に誘導された電流が相殺されるように接続され得る。（例えば、前後逆に、または反対極性に接続される。図１０を参照）。さらに、そのためには、コイル上に配置された磁石の極性を変化させて、ねじり波による入力信号を受け取ることができるようにすることも必要とする。受信コイルは、送信コイルによって全ての受信コイル全体に誘導された起電力の合計が実質的にゼロ（または少なくとも大幅に低減される）になるように直列に接続される。
容量結合および電磁結合のメカニズムに対処し、近接して配置された送信器および受信器によるガイド波ＥＭＡＴ信号の送信および受信をより実用的にするために、以下に説明する送信コイルおよび受信コイルの配置が使用され得る。
１．容量結合を低減（相殺）するために、送信コイルは差動モードで駆動回路によって駆動され得る。（受信回路も差動的に動作し得る）。これは、送信コイルと、配管および受信コイルと間に正味の電荷差がないため、容量結合が発生しないことを意味する。（配管表面から離れるほどより高い電圧になるようにコイル側を配置するのが有益であり得、周囲の連続するコイル間の交互の極性も有益であり得る）。
２．電磁結合を低減する（相殺する）ために、受信ＥＭＡＴリングは、送信コイルを通過する半径方向の軸平面に対して対称的に配置された受信コイルを有するので、送信コイルもその平面に対して対称になり得る。実際には、この対称配置は必要ではない場合もあるが、効果の原理を理解するのに役立つ。さらに、送信コイルに対して対称的に配置された２つの受信コイルは、送信コイル内の電流によって受信コイル内に誘導された電流が相殺されるように接続され得る。（例えば、前後逆に、または反対極性に接続される。図１０を参照）。さらに、そのためには、コイル上に配置された磁石の極性を変化させて、ねじり波による入力信号を受け取ることができるようにすることも必要とする。受信コイルは、送信コイルによって全ての受信コイル全体に誘導された起電力の合計が実質的にゼロ（または少なくとも大幅に低減される）になるように直列に接続される。
ねじりガイド波の送受信のためのＥＭＡＴ探触子を示す一実施形態を図１１に示す。図１１は、指向性信号送信のための２つの送信器列（リニアアレイ）および１つの受信探触子（リニアアレイ）（探触子アレイは、配管の軸に沿って長手方向に離間して配置される）を示しており、貫通信号が低減され、ガイド波信号に対する感度が増すように構成される。送信コイルは、共通のサイズ、形状、および巻数、ならびに共通巻線方向を有する。送信コイルは、配管の長手方向に整列した２つの実質的に直線状の部分を有するレーストラック形状を有する。受信コイルも同様に、共通のサイズ、形状（レーストラック）および、巻数を有するが、それらの巻線方向は交互である。コイルは、フレキシブルプリント回路（例えば、多層カプトンＰＣＢ）として形成され得る。図示されている例では、受信コイルの全てが直列に接続されている。いくつかの実施形態では、２つ以上の受信コイルが直列に接続されている場合、送信コイルから受信コイルへの電磁結合の所望の低減が達成され得る。
図１２は、近接して配置されたＥＭＡＴリングの電磁的貫通抑制を可能にする特徴を示す。
１．Ｔｘコイルは、ＴｘコイルとＲｘコイルとの間の容量結合が全く生じないように、差動駆動される。磁石は、隣接するコイル間で向き（極性）を交互にする。
２．ＴｘリングとＲｘリングは、周方向位置が異なるため、対称性および配線（巻線方向）の変化が電磁貫通信号を相殺（または低減）する。さらに、受信コイルの周囲の磁石配向パターンは、ねじり波が依然として受信されるように変更されなければならない。隣接するコイルの磁石は、向き（極性）を共有する。
１．Ｔｘコイルは、ＴｘコイルとＲｘコイルとの間の容量結合が全く生じないように、差動駆動される。磁石は、隣接するコイル間で向き（極性）を交互にする。
２．ＴｘリングとＲｘリングは、周方向位置が異なるため、対称性および配線（巻線方向）の変化が電磁貫通信号を相殺（または低減）する。さらに、受信コイルの周囲の磁石配向パターンは、ねじり波が依然として受信されるように変更されなければならない。隣接するコイルの磁石は、向き（極性）を共有する。
図１２に示すように、送信コイルは全て巻線方向を共有し、受信コイルは交互巻線方向を有する。磁気的相互作用の原理は、他の実施形態では、送信コイルが交互巻線方向を有し、受信コイルが共通巻線方向を有することを意味する。この場合、コイルを通る磁場の配向は、ガイド波振動の所望のモードを依然として駆動または受け取るようにコイルの下の部分を通る電流フローの方向の変化を考慮して対応するように変更される。すなわち、電流および磁場は、配管内の同じねじり変位方向を全て駆動するまたは受け取るように配向される。例えば、交互巻線方向を有する送信コイル自体は反対向きの磁石を有し、隣接する送信コイル用の隣接する磁石は同じ磁石の向きを有する。すなわち、共通巻線方向を有する受信コイル自体は反対向きの磁石を有し、隣接する受信コイル用の隣接する磁石は反対の磁石の向きを有する。
プロトタイプ探触子の信号および結果の例について
前述したように、左右の進行波は区別され得る。図１３は、後処理された左右の進行波を示す。信号は比較的きれいな信号である。つまり、２つのねじり波のエコー間には他の波はほとんど存在しない。信号は、３メートルの配管の中央部分に配置された探触子プロトタイプから記録される（図１４参照）。最初のエコー（１〜２ミリ秒）は、配管端によって反射された波である。他のエコー（２〜６ミリ秒）は、３ｍ配管の両端で複数回反射された波見である。
前述したように、左右の進行波は区別され得る。図１３は、後処理された左右の進行波を示す。信号は比較的きれいな信号である。つまり、２つのねじり波のエコー間には他の波はほとんど存在しない。信号は、３メートルの配管の中央部分に配置された探触子プロトタイプから記録される（図１４参照）。最初のエコー（１〜２ミリ秒）は、配管端によって反射された波である。他のエコー（２〜６ミリ秒）は、３ｍ配管の両端で複数回反射された波見である。
この取得された信号は、信号からの電気雑音を低減するために５００回平均化された。平均化によって、雑音レベルは低下する。このことにより、測定の信号対雑音比が上昇する。良好な信号対雑音比により、欠陥検出確率が高い安定した測定システムを動作させることができる。
図１４は、試験すべき配管の周囲に巻き付けられ得る可撓性シート（探触子を相対位置で保持する）内に設けられた探触子（送信器および受信器が共に磁石を含む）を示す。可撓性シートは、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子が前記配管の周囲に周方向に配置されるときに、前記配管の長手方向に平行に（すなわち、配管の表面湾曲の方向に垂直に）前記シートが撓むことができるように、また前記長手方向に垂直な方向に前記シートが撓まないように配向されたリブを含む。探触子はまた、配管から外部の電磁場から受信コイルを保護するために、電磁遮蔽材で覆われ得る。探触子、可撓性シート、リブおよび他の構成要素は、１００℃、１５０℃または２００℃のうちの温度より高い温度を含む動作温度範囲を提供するように、高温（例えば、カプトン、金属トラック、シリコーンなど）に耐える材料で形成され得る。
図１５は、提案されている測定システムを用いて取得された超音波信号の一例を示す。この例では、受信器アレイと送信器アレイとの間の距離は、４０ｃｍとした。右進行波または左進行波の両方について、完全な相殺（弱め合う干渉）が達成された。クロストークレベルは、低下する。
参考文献
ＪＯＳＥＰＨ Ｌ．ＲＯＳＥ（２００４）：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｗａｖｅｓ ｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｍｅｄｉａ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、ケンブリッジ大学出版局、ケンブリッジ。
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Ｊｏｈｎｓｏｎ、Ｗ．Ｌ．、Ａｌｅｒｓ、Ｇ．Ａ．、＆Ａｕｌｄ、Ｂ．Ａ．（１９９９）、米国特許第５８９５８５６号。
Ｋｗｕｎ、Ｈ．、Ｋｉｍ、Ｓ．Ｙ．、＆Ｅ．、Ｃ．Ａ。（２００３）、米国特許第６６２４６２８号。
Ｖａｓｉｌｅ、Ｃ．Ｆ。（１９７７）、米国特許第４１２７０３５号。
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ＪＯＳＥＰＨ Ｌ．ＲＯＳＥ（２００４）：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｗａｖｅｓ ｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｍｅｄｉａ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、ケンブリッジ大学出版局、ケンブリッジ。
Ｄ．Ｎ．ＡＬＬＥＹＮＥ、Ｂ．ＰＡＶＬＡＫＯＶＩＣ、Ｍ．Ｊ．Ｓ．ＬＯＷＥ、Ｐ．ＣＡＷＬＥＹ（１９９９）：Ｒａｐｉｄ Ｌｏｎｇ ｒａｎｇｅ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｌａｎｔ Ｐｉｐｅｗｏｒｋ Ｕｓｉｎｇ Ｇｕｉｄｅｄ Ｗａｖｅｓ、ウェブＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｄｔ．ｎｅｔ／ａｒｔｉｃｌｅ／ｗｃｎｄｔ００／ｐａｐｅｒｓ／ｉｄｎ１６６／ｉｄｎ１６６．ｈｔｍ
Ｊｏｈｎｓｏｎ、Ｗ．Ｌ．、Ａｌｅｒｓ、Ｇ．Ａ．、＆Ａｕｌｄ、Ｂ．Ａ．（１９９９）、米国特許第５８９５８５６号。
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Ｗａｎｇ、Ｙ．、Ｗｕ、Ｘ．、Ｓｕｎ、Ｐ．、＆Ｌｉ、Ｊ．（２０１５）、Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ａ Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ Ｗａｖｅ ＰＰＭ ＥＭＡＴ Ａｒｒａｙ ｆｏｒ Ｐｉｐｅ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｂｙ Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｔｈｅ Ａｒｒａｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ３−Ｄ ＦＥＭ．Ｓｅｎｓｏｒｓ、３４７１−３４９０。
Claims (23)
- 試験対象物をガイド波試験するための装置であって、
各々が受信コイルを有し、前記試験対象物内の振動を前記受信コイル内の受信電気信号に変換する機能を果たすリニアアレイ受信電磁超音波探触子と、
前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子に実質的に平行に配置された少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子であって、前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子に実質的に垂直な方向に前記試験対象物内でガイド波を発射するように構成され、各々が送信コイルを有し、前記送信コイル内の駆動電気信号を前記試験対象物内の振動に変換する機能を果たす、少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子とを備え、
（ｉ）前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子内の電磁超音波探触子の送信コイルは共通巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは交互巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の少なくとも２つの隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは直列に接続される、および
（ｉｉ）前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子内の電磁超音波探触子の送信コイルは交互巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは共通巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の少なくとも２つの隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは直列に接続される、
のうちのいずれかである、装置。 - 前記試験対象物は配管であり、前記リニアアレイ受信電磁音波探触子および前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子は、前記配管の周囲に周方向に配置されるように構成される、請求項１に記載の装置。
- 前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の全ての受信コイルは、直列に接続される、請求項１および請求項２のいずれか一項に記載の装置。
- 前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子の前記送信コイルとの電磁結合することによって直列に接続された前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子の前記受信コイル内に誘導された起電力の合計は、実質的にゼロである、請求項１、請求項２および請求項３のうちのいずれか一項に記載の装置。
- 前記送信コイルは、実質的に共通の形状、サイズおよびコイル巻数を有する、請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項に記載の装置。
- 前記受信コイルは、実質的に共通の形状、サイズおよびコイル巻数を有する、請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項に記載の装置。
- 前記受信コイルは、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子に対して実質的に垂直に整列した２つの実質的に直線状の部分を有するレーストラック形状を有し、
磁極は、前記実質的に直線状の部分の各々の上に配置される、
請求項１〜請求項６のうちのいずれか一項に記載の装置。 - 前記受信コイルの前記２つの実質的に直線状の部分の上に配置された前記磁極は、反対の磁場配向を有する、
請求項７に記載の装置。 - 隣接する受信コイルの前記巻線方向が交互であるとき、隣接する受信コイルの隣接する磁極は共通の磁場配向を有し、隣接する受信コイルの前記巻線方向が共通であるとき、隣接する受信コイルの隣接する磁極は反対の磁場配向を有する、
請求項８に記載の装置。 - 前記送信コイルは、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子に対して実質的に垂直に整列した２つの実質的に直線状の部分を有するレーストラック形状を有し、
磁極は、前記実質的に直線状の部分の各々の上に配置される、
請求項１〜請求項９のうちのいずれか一項に記載の装置。 - 前記送信コイルの前記２つの実質的に直線状の部分の上に配置された前記磁極は、反対の磁場配向を有する、
請求項１０に記載の装置。 - 隣接する送信コイルの前記巻線方向が共通であるとき、隣接する送信コイルの隣接する磁極は反対の磁場配向を有し、
隣接する送信コイルの前記巻線方向が交互であるとき、隣接する送信コイルの隣接する磁極は共通の磁場配向を有する、
請求項１１に記載の装置。 - 前記の少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子は、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子に対して実質的に垂直な方向に長手方向分離距離だけ分離された少なくとも２つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子を備える、請求項１〜請求項１２のうちのいずれか一項に記載の装置。
- 前記駆動電気信号および前記長手方向分離距離は共に、前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子によって生成された前記試験対象物内の振動の伝達方向を制御するように作用する、請求項１３に記載の装置。
- 前記振動は、前記配管内の基本ねじり波モード振動Ｔ（０，１）に対応する、請求項２に記載の装置。
- 前記振動によって励起された伝搬波は、非分散性である、請求項１〜請求項１５のうちのいずれか一項に記載の装置。
- 前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子は、Ｎ個の送信電磁超音波探触子を備え、Ｎは、
前記駆動電気信号および前記受信電気信号の実質的に非ゼロの周波数成分を超える周波数で前記配管内にのみ存在し得る屈曲波の第１モードの周方向次数よりも大きい正の整数、および
Ｐ／λの０．５倍〜６倍の整数
のうちの少なくとも１つであり、Ｐは前記配管の周囲距離であり、λは前記駆動電気信号および前記受信電気信号の実質的な周波数成分と一致する周波数の前記配管内のせん断波の波長である、請求項２に記載の装置。 - 前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子を収容する可撓性シートであって、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子が前記試験対象物に結合されるときに、前記試験対象物の表面湾曲の方向に平行に前記シートが撓むことができるように、また前記表面湾曲の方向に垂直な方向に前記シートが撓まないように配向された複数のリブを含む可撓性シートを備える、請求項１〜請求項１７のうちのいずれか一項に記載の装置。
- 前記可撓性シートはさらに、前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子を収容する、請求項１８に記載の装置。
- 前記リブは、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子の磁石および前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子の磁石を収容する、請求項１９に記載の装置。
- 前記受信コイルを前記配管および前記装置の外部の電磁場から保護するために、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子を覆うための電磁遮蔽材を備える、請求項２に記載の装置。
- 前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子および前記リニアアレイ送信電磁超音波探触子は、それぞれ、
１００℃、
１５０℃、および
２００℃
のうちの１つの温度に耐える材料で形成される、請求項１〜請求項２１のうちのいずれか一項に記載の装置。 - 試験対象物をガイド波試験する方法であって、
各々が受信コイルを有するリニアアレイ受信電磁超音波探触子を前記試験対象物に結合するステップと、
各々が送信コイルを有する少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子を前記試験対象物に結合するステップと、
前記送信コイル内の駆動電気信号を前記試験対象物内の伝達振動に変換するステップと、
前記試験対象物内の受け取られた振動を前記受信コイル内の受信電気信号に変換するステップとを含み、
（ｉ）前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子内の電磁超音波探触子の送信コイルは共通巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは交互巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の少なくとも２つの隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは直列に接続される、および
（ｉｉ）前記少なくとも１つのリニアアレイ送信電磁超音波探触子内の電磁超音波探触子の送信コイルは交互巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは共通巻線方向を有し、前記リニアアレイ受信電磁超音波探触子内の少なくとも２つの隣接する電磁超音波探触子の受信コイルは直列に接続される
のうちのいずれかである、前記方法。
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