JPH0251012A - 超音波を用いた肉厚測定方法、及び同装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波による厚さ寸法の測定技術に係り、特
に、薄形の試料に好適なように改良した測定方法、及び
同測定装置に関するものである。

〔従来の技術〕

この種の技術に関しては、日本学術振興会発行の「超音
波探傷法」に詳しい。

第６図は、上記公知文献に示された肉厚測定技術の説明
図である。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の超音波探傷技術は、第６図（Ａ）又は同（Ｂ）に
示す様に探傷子１０に備えられた送受波子１１〜１３か
ら超音波が送受され、同第６図（Ｃ１）又は同（Ｃ２）
に示すごとく、管内表面５２の表面エコー２３と、管外
表面５３の底面エコー２４との２つの信号を読み取り、
その肉厚分の時間差Δｔから管の肉厚を評価していたが
、その時間差Δｔの読み取り測定技術に問題があって、
測定誤差が大きく、管肉厚の正しい実測値を０．１ｍｍ
以下の精度で検知することは困難であった。その問題点
を以下に述べる。

第７図（Ａ）は１表面エコー２３と、底面エコー２４と
のパルス波形を示した図表で、実際の測定に於ては同図
（Ｂ）の様に検波された表面エコーの立上り２３′と、
底面エコーの立上り２４′との位置の時間差Δｔを読み
取って肉厚を評価するが、この場合パルスの立上りの点
の読み取りが、エコー高さの変動を受けた場合、あるい
はノイズ２９等の影響を受けた場合には著しく困難とな
り、測定値のバラツキが大となる。

又１反射エコーは送受波子の特性によって定まるパルス
幅を有しており、本第７図（Ｃ）の様に時間差Δｔが小
さく、即ち肉厚が薄くなるに伴い底面エコー２４′は表
面エコー２３′と重なり１時間差Δｔの読み取りは不可
能になる。即ち時間分解能は肉厚の減少に伴って悪くな
り、測定限界値を生じる。この測定限界値は、送受波子
の分解能精度を向上しても無くならない。

これらの問題点は、時間差Δｔを検知する為に２つの読
み取りにくい信号を利用していたというところにある。

そこで本発明者は、信号を１つに出来ないかという点に
着眼した。信号を１つにする為に、従来の様に超音波を
肉厚方向へ伝搬させる方法ではなく、板の面に平行な方
向に伝搬する様な超音波を考案した。

第８図（Ａ）は、超音波探傷技術で通常行なわれている
斜角透過法の１例で、送受波子固定距離７９を任意に設
定し、送波子１２により送信した超音波エコーは任意の
固定屈折角度７８をもって試料である伝熱管９内を数回
反射してから受波子１３に受信され、管肉厚５１によっ
て変化する超音波伝搬距離７５が得られる。

第８図（Ｂ）は、同図（Ａ）と同じ測定条件で、管肉厚
ｄｏがΔｄだけ減少したときの管肉厚ｄ１に於る超音波
の伝搬状況の説明図で、この場合は、実線で示した超音
波伝搬距離７５は受波子１３に受信されない。

第８図（Ｃ）は、管肉厚ｄ、が１／２減少したときの管
肉厚ｄｚ（ｄｏ／２）に於る超音波の伝搬状況を示す。

実線で描いた超音波伝搬距離７５は受波子１３に受信さ
れるが、その伝搬距離は見掛けの超音波伝搬距離７７と
同じである為、時間差Δｔは得られない。

即ち、肉厚が１／２に減少したにもかかわらず、肉厚の
減肉量を評価出来なかったことになる。

従って、信号を１つにしようと試みても、斜角透過法で
は肉厚の変動量と超音波伝搬距離とに相関が無く、超音
波肉厚測定としては適用出来なかった。

本発明は上述の事情に鑑みて為されたもので、薄肉の試
料の肉厚寸法を測定し得る、超音波による肉厚測定方法
、及び同装置を提供することを目的とする。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 上記の目的を達成するため、本発明の方法および装置は
、縦波臨界角超音波特有の性質を利用する。

上記縦波臨界角超音波の特性は本発明者の研究によって
発見された未公知の現象である。

次に、該縦波臨界角超音波、及びその特性について説明
する。

第１図（Ｂ）は、超音波を試験体にあらゆる角度及びモ
ードで試験体に斜め入射させる為の機械的条件を示す例
で、パルサ（図示せず）により励振された送波子１２は
超音波を発生し、アクリルくさび５等の第１媒質層を入
射角度１で通過した後、試料８である鋼管の外表面５３
で屈折し、屈折角度７８で試料８内を管軸断面から見て
斜めに伝搬する。

このときの屈折角度７８は入射角度１によって決まり、
アクリルくさび５を例にとると第１図ＣＢ）に示す屈折
波の音圧往復通過率９０の関係が得られる。

この第１図は、アクリル樹脂と鋼との境界に於る超音波
の挙動を示したものであるが、入射角１が縦波臨界角点
では縦波の屈折角度７８が９０度となり、音圧往復通過
率、即ち受渡子１３が受信する超音波エネルギは、理論
的にＯとなる。

然しながら、試料８である鋼管の肉厚が小さい場合につ
いて実際に測定してみると、材料中を伝播する超音波が
観察され、第１図には含まれないモードの超音波が発生
していることが判った。

以下、このモードを縦波臨界角超音波１００と呼ぶ。

更にこの縦波臨界角超音波１００については、周波数ｆ
と肉厚ｄとの積ｆ−ｄと、伝搬速度Ｃとの間に直線的な
相関が得られることが分った。

第２図はその実験例で、同図（Ａ）はある管肉厚ｃｉｏ
の測定に縦波臨界角超音波１００を用いた透過法を示す
。

任意に設定した送受波子固定距離７９の状態で、縦波臨
界角となる入射角度１で送波子１２から入射さ九た超音
波エコーは、同じく縦波臨界角に調整された受波子１３
に受信され、縦波臨界角超音波伝搬距離１０９を得る。

同図（Ｂ）は上記（Ａ）と同じ条件で管肉厚ｃｔｏがΔ
ｄだけ減少した肉厚むに於る。

縦波臨界角超音波１００を用いた透過法で、縦波臨界角
超音波伝搬距離１０９は、送受波子固定距離７９が一定
の為変化は無い。然し、本発明者は、この縦波臨界角超
音波伝搬距離１０９からなる反射エコー位置よりもかな
り後方、即ち遠い距離に、比較的高い波高値を有する別
のエコーが存在していることを発見した。

更にこのエコーは、送受波子の周波数ｆと、肉厚ｄとの
積ｆ−ｄと、試料中の当エコーの音速Ｃとに直線的な相
関を示す部分があることを発見した。第２図（Ｃ）は、
その相関の実例を示した図表で１本第２図（Ａ）及び（
Ｂ）で述べた縦波臨界角超音波伝搬距離１０９からなる
早い音速成分の、送受波子の低い周波数による第１波の
エコー９１ど、高い周波数による第１波のエコー９２は
、周波数ｆと、肉厚ｄの積ｆ−ｄに伴う音速Ｃとがそれ
ぞれ異なる。実際の肉厚測定に使用する送受波子の周波
数は任意に設定された固定周波数である為、周波数ｆを
定数として肉厚ｄを変化させたところ、第１波のエコー
の音速Ｃは変化が無く一定であり、相関が得られなかっ
た。

本発明は、先に述べた第１波のエコーの後方に存在する
エコーを第２波のエコーと呼び、この第２波のエコーを
技術的手段として用いる。

第２波のエコーは第１波のエコーと異なり、送受波子ｆ
を固定させ、肉厚ｄを変化させた場合、音速Ｃは変化し
、低い周波数による第２波のエコー９３及び高い周波数
による第２波のエコー９４は両者共、第４図に示した鋼
内の板波と類似した変化形態を示している。板波と異な
るところは、第２図（Ｃ）の様に、直線的傾きを有する
部分があるということである。即ち、縦波臨界角超音波
によるこの第２波のエコーは、板波はもとより従来使用
されてきた超音波モードとは異なる特徴を有する。

この第２波のエコーから更に、比較的高いエコーで第３
波以上、延々と存在するが１本発明の目的を達成するに
は、この第２波のエコー１つのみで十分で有り、この直
線的傾きを利用して、肉厚測定値を求める手段を確立し
たものである。

〔作用〕

以上に説明した縦波臨界角超音波の特性の一つとして、
第２図（Ｃ）に示した如＜　　Ｃｏ（ｆ−ｄの関係があ
る。

ｆを適宜の一定値に選べば、音速ＣＣＸ肉厚ｄとなり、
Ｃを実測するとｄが算出できる。

第２図（Ｃ）に示す様な、直線的傾き変化を得る為に、
第１図（Ｂ）に示す入射角度１を縦波臨界角に調整し、
縦波臨界角超音波を発生させる。

得られた直線的傾きが、実際に測定する試料の肉厚の測
定範囲内になる様、送受波子の周波数を選定・調整して
、これを定数とし、測定により得られた音速変化分を伝
搬距離の変化分に換算し、実際の肉厚値ｄを。

なる方程式に基づいて算出することが出来る。

〔実施例〕

第９図は、本発明を適用して伝熱管の肉厚寸法を測定し
た１例における全体的な構成の概要を描いた説明図であ
る。

同図（Ａ）は、本実施例の適用対象である熱交換器４０
の外観図、（Ｂ）はその看板面４１の平面図である。

この管板面４１には伝熱管９（本（Ｂ）図において、格
子模様で表わしである）が配列されている。

本第９図（Ｃ）は、上記管板４１に対して伝熱管９を貫
通固着した付近の断面図である。

超音波探触子１０は、後述する超音波送、受波子を収納
設置されていて、送りローラ１７．探触子挿入治具１９
により伝熱管９内を走査し、巻き取り装置１８により戻
され、次の伝熱管を測定する。

記録は、エンコーダ１６により位置検出され、探傷器１
４で振幅信号を検知し、・ペンレコーダ１５に記録され
る。

第１０図は、超音波信号の入出力基本構成を示すブロッ
ク図である。

従来例においては、送受波子１２．１３がバルサ３０に
より励振されて超音波を発振し、反対エコー信号をレシ
ーバ３３で受信する。受信された信号は、記録器３７に
出力され、ビデオ監視３９で異常の有無を監視する。

以上が従来一般に実施されている超音波による肉厚測定
法の概要であるが１本発明の実施例については、第１０
図に示した送受波子１２．１３を重点に以下説明する。

第１図は、送波子１２により発生した超音波を、試料８
へ伝達させ、且つ入射角度１をアクリル樹脂の縦波臨界
角９０に調整し、かつ、試料８が伝熱管の様な薄肉の部
材である場合１通常の縦波、横波モードとは異なった縦
波臨界角超音波が発生することの原理を示した説明図で
ある。第３図（Ａ＋）に示す様に送受波子１２．１３を
試験材表面に沿って互いに向き合わせ（即ち透過法によ
り）、送波子１２から送信されたエコーを受波子１３で
受信すると、第３図（Ａ２）に示す様な第１波の高いエ
コー１０１が得られ、続いて第２波１０２．第３波１０
３．更にそれ以遠のエコーが非等間隔的に得られる。

第３図（Ｂ＋）は、上記（Ａ＋）と同じ条件、即ち同一
周波数からなる送受波子１２．１３及び同一距離からな
る送受波子固定距離７９の状態に於て、管肉厚ｃｔｏが
Δｄだけ減少した肉厚ｄ１を測定する状態を描いたもの
である。このとき、本図（Ｂ２）に示す如く第１波の高
いエコー１０１の伝熱管９中を伝搬する距離は変らない
が、第２波以遠のエコーからは時間差Δｔを生じる。

この時間差Δｔは、第２図（Ｃ）に示す様に肉厚の変化
に伴う音速変化であるが、実用上は時間差Δｔを使用す
る。

送受波子の周波数は、実用上固定となる為、第２図（Ｃ
）に示す直線変化範囲が、測定する伝熱管の肉厚測定範
囲内に設定される様に、送受波子の周波数を調整し、校
正試験片により、第５図に示す。

Ｙ　＝　ｂ　−ａΔｔ　・・・・・・・・・（１）の方
程式による校正曲線１１０を作成する。ここで上記（１
）武勇１項すは、基準となる対象伝熱管の肉厚ｄｏであ
り、該（１）式第２項ａは、送受波子の固定周波数から
なる勾配定数である。

本実施例における具体的肉厚測定方法を以下に述べる。

肉厚が０．１ｍ、又はそれ以内の寸法範囲内で変化する
伝熱管校正試験片を用いて測定し、時間変化分Δｔ、即
ち上記方程式におけるａを第１０図に示した時間変化読
み取り３４で読み取らせ１時間変化発振３５を経て、肉
厚値ｄの計算３６で肉厚寸法ｄを算出し、記録器３７で
記録する。出力がアナログ出力の場合、第５図（Ａ）に
示す様に、ペンレコーダで校正記録をとる。

本実施例においては、以上のように準備を整えて１次に
実際の伝熱管（第９図の９）の肉厚を測定する。

校正出力を伝熱管標準肉厚ｄＯに設定した後、実伝熱管
を第９図に示す様に、管板面４Ｉから送受波子が備えら
れた超音波探触子１０を挿入し、送りローラ１フにより
伝熱管内へ送り込み測定する。

実伝熱管の肉厚が標準肉厚値よりも減少していた場合、
伝熱管中を伝わる縦波臨界角超音波の第２波のエコーは
、標準肉厚ａＯで読み取られた時間に対し時間差Δｔを
生じ、第１０図で説明した様に処理、計算され、第５図
（Ａ）の様に実測肉厚値ｄ　１１５が求められ、同図（
Ｃ）の如く出力される。

同図（Ｂ）は校正試験片の記録例である。

又、実測肉厚値を０．ｂ＋ａ以下の超高精度で評価した
い場合はディジタル演算が最適である。

以上９本発明の実施例について述べたが、本発明では、
従来の測定法の問題点であった、２つのエコーの時間分
解能精度と測定限界という問題を解決する為、縦波臨界
角超音波エコーの特徴を利用し、そのエコーの時間変化
を利用することにより測定値を高精度化し、エコーを１
つにしたことにより、時間分解能を無用化し、伝熱管肉
厚測定の薄肉厚測定限界値をＯにした。

本実施例は、熱交換器４０の伝熱管９（第９図）に本発
明の方法を適用し、本発明に係る装置の一実施例を用い
てその肉厚寸法を測定した。

次に、本実施例の効果について説明する・例えば石油精
製プラントや石油化学プラントにおいて使用されている
熱交換器の伝熱管の肉厚は極薄（１，０〜２　、　Ｏｒ
ｔｔｓ　）の為、従来の測定技術で行なっていた試験材
の厚さ方向を利用した共振現象や伝搬時間測定では、そ
の２つの超音波信号の時間分解能に限界があることから
、測定精度のバラツキが多く、肉厚の測定限界値があっ
た。

本発明は上記の問題に対し、試験材の面に平行方向に伝
搬する音波を利用し、超音波信号を１つとし、薄肉に対
する測定限界値をＯにした。

更に、従来の超音波モードとは異なる縦波臨界角超音波
を発生させることにより、その第２波のエコーの音速と
肉厚の相関から実測肉厚値の測定精度を０．ＩＩ以下に
出来た。

以上の如き本実施例の効果により、プラントの保守点検
等に於る製品の品質評価精度を大きく向上させることが
出来た。

〔発明の効果〕

本発明の肉厚測定方法は、超音波ビームの屈折角が９０
度となるように送信して、試料の面と平行に伝搬する超
音波（第２波以降）の速度に基づいて肉厚寸法を算出す
るので、薄肉の試料であっても測定が可能である。

上記の測定に際し、校正試験片の実測データを用いて試
料の肉厚を算出すると、高能率で測定できる。この場合
、校正試験片と試料とについて周波数の等しい超音波を
用いることによって正確な測定が可能である。

また、本発明の測定装置によれば、くさびに取り付けら
れた送波子から発射された超音波の屈折角が９０度とな
って試料表面と平行に伝搬するので、前記の発明方法の
実施に好適である。

上記の装置を管の中に挿入し得るように構成すれば、管
の肉厚測定に利用するに好適である。

以上説明したように、本発明の方法および装置によれば
、従来の超音波測定技術では測定できなかった薄肉の試
料の肉厚寸法を測定することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例をもって示した原理的説明図
である。 第２図は縦波臨界角超音波の特性の説明図である。 第３図は同じく音速の説明図表である・第４図は鋼内板
波の音速を示す図表である。 第５図は本発明方法の一実施例における校正方法の説明
図である。 第６図は従来の超音波板厚測定方法の説明図であり、第
７図及び第８図はその問題点の説明図表である。 第９図は本発明方法及び本発明装置を用いて熱交換器の
伝熱管肉厚を測定した一実施例の説明図である。 第１０図は上記実施例における超音波信号処理のブロッ
ク図である。 １・・・入射角度、１２・・・送波子、１３・・・受波
子、１０・・・超音波探触子、１４・・・超音波探傷器
、２３・・・表面エコー、２４・・・底面エコー、３０
・・・パルサ、３４・・・時間変化読み取り、５１・・
・管肉厚ｄｏ、５４・・・ｃｔｏがΔｄだ、け減少しだ
肉厚ｃｉ、、９３．１０２・・・第２波のエコー、１０
０・・・縦波臨界角超音波、１１０・・・校正曲線、１
１５・・・実測肉厚値、４０・・・熱交換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、試料内に超音波を送信する送波子と、上記試料内を
   伝搬した超音波を受信する受波子と、上記送、受信の時
   間的間隔を測定する手段とを用い、上記測定手段の測定
   値に基づいて試料の肉厚寸法を算出する方法において、
   試料内に送信された超音波ビームの屈折角が９０度とな
   るように、前記送波子の入射角度を調節し、９０度に屈
   折して試料の面と平行な方向に伝搬した超音波の伝搬速
   度に基づいて、該試料の肉厚寸法を算出し、かつ、上記
   の伝搬速度による肉厚寸法の算出は、最も速い速度で伝
   搬する第１波に次ぐ速度で伝搬する第２波以降の超音波
   伝搬速度を用いることを特徴とする、超音波を用いた肉
   厚測定方法。 ２、前記の肉厚寸法の算出は、校正試験片の実測データ
   を用い、かつ、該校正試験片におけると同一の周波数の
   超音波により、次式を用いて行うものであることを特徴
   とする、請求項１に記載の超音波を用いた肉厚測定方法
   。 Ｙ＝ｂ−ａΔｔ ただし、 Ｙは、試料の肉厚寸法 ｂは、厚さ寸法が既知の校正試験片の厚さ 寸法、 ａは、厚さ寸法が既知の試験片を用いて実 測した厚さ寸法の、時間差Δｔに対する勾 配定数。 ３、前記の試料内に送信する超音波の周波数ｆを、音速
   Ｃと、周波数ｆ×肉厚ｄとの関係が正比例に近くなるよ
   うに選定すること、を特徴とする、請求項１又は同２に
   記載の、超音波を用いた肉厚測定方法。 ４、くさびを介して試料中に超音波を送信する送波子と
   、上記超音波を受信する受波子と、上記送、受信の時間
   的間隔を検出する手段と、上記検出手段の検出信号に基
   づいて前記試料の肉厚寸法を算出する演算手段とを有す
   る超音波肉厚測定装置において、前記くさびに取り付け
   られた送波子から発射される超音波の入射角が、屈折角
   度を９０度ならしめるように設定されたものであること
   、 を特徴とする、超音波を用いた肉厚測定装置。 ５、前記の送波子および受波子を相互に固定し、かつ、
   上記１対の送、受波子を、試料である管の中に挿入して
   走査する手段を設けたことを特徴とする、請求項４に記
   載の、超音波を用いた肉厚測定装置。