JPH0296607A - 電磁超音波用トランスジューサ - 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〕 本発明は全屈の板または管の肉厚を計測する装置に係り
、特に電磁超音波ＩＩＩ定装置に使用される小形でＳ／
Ｎ比（ＳはＳｉｇｎａｌ、ＮはＮｏ１ｓｅ）を向上させ
るのに好適な電磁超音波用トランスジューサに関する。

（従来の技術〕 火力プラントのボイラにおいては、伝熱管の蒸気漏洩等
を未燃に防止するため、多数の伝熱管の多数個所の管肉
厚を自動的に計測する技術の開発が重要になっている。

特に、ボイラの伝熱管表面は燃焼ガスにさらされている
ため、種々の生成物が付着している場合が多く、この付
着生成物を除去後管肉厚を計測する必要があった。従来
の管肉厚計測法としては、超音波パルス法（例えば圧電
素子により超音波パルスを送信し、管内面からの反射パ
ルスを同素子により計測し、到達時間差より管肉厚を演
算する）が主として用いられていたが、近年上記付着生
成物の除去を必要としない、あるいは簡略化できる計測
法として電磁超音波法が用いられるようになってきた。

電磁超音波法の筒中な原理図を第６図に示す。肉厚を計
測するメタル供試材（例えば鋼板、鋼管等）１に励振用
コ・イル３を取付けた磁石２を接触、あるいははギャッ
プを設けて配置し、励振用コイル３にパルス発生器４よ
り高周波パルス電流を流すと、供試材１表面あるいは近
傍に励損用コイル３による磁界を打ち消す方向に渦電流
７が流れ（方向は例えば７に示す）、この渦電流と磁石
２による静磁界との作用で、フレミングの左手則に従う
方向に力８　（したがって変位）が発生し、これが送信
超音波パルスとなる。供試材１中に発生した横波超音波
パルスは９のように伝播し、端面１ａで反射して再び表
面に達し、静磁界６中での変位によりフレミングの右手
則に従い起電力、したがって電流が表面近傍に生じ、電
磁誘導作用により近接の励振用コイル３に誘導電流が生
じる。この誘導電流は、反射超音波パルスが到達するご
とに周期的に観測され、この周期より供試材の肉厚を演
算する。

電磁超音波法では受信信号強度は静磁界の強さと、励振
用高周波パルス電流値に関連しており、いずれも大きい
ほど増加する傾向にある。

この電磁超音波法をボイラ伝熱管の管肉厚計測法に通用
する場合、伝熱管間隔が２０〜３０關の狭間隔の個所も
あるので、静磁界発生用磁石２や励振用コイル３を小さ
くして、かつ従来装置に匹敵する受信信号強度およびＳ
／Ｎ比を確保することが重要になっている。

従来の電磁超音波装置の送・受信部（トランスジューサ
）は、小形化の配慮が不足しており、般的には径５０〜
６０ｍｍ、高さ４０〜５０＋ｍ以上あり、ボイラ伝熱管
の狭間隔個所への適用は困難であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、電磁超音波送・受信部（トランスジュ
ーサ）の小形化について配慮がされておらず、すでに組
上げられている伝熱管等の狭間隔個所の管肉厚計測に通
用できない課題があった。

本発明の目的は、電磁超音波送・受信部を大きくせず、
電磁超音波発生効率を高め、かつ不要受信信号を除去し
てＳ／Ｎ比を高めることにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記した課題は、磁石と渦電流発生用コイルを有し、供
試材に面して設けられ、上記コイルに高周波パルス電流
を流して供試材に超音波を発生させ、供試材からの反射
超音波を受けてこれを前記−フィルで電気信号として取
出す電磁超音波用トランスジューサにおいて、渦電流発
生用コイルと磁石の磁極端面との間に導電率の高い金属
層を介在させ、渦電流発生用コイルを供試材に面して設
けるごとくなしたことを特徴とする電磁超音波用トラン
スジューサによって達成される。

〔作用〕

磁石端面と励振用コイル間に挿入した金属箔は、励振用
コイル励振時にこの金属箔に渦電流を発生させ、したが
って磁石側での渦電流発生を抑制する。さらに渦電流発
生により生じた金属箔中の超音波の磁石側への伝播は、
磁石と金属箔間に挿入された超音波減衰材（例えば有機
系接着層）により抑制される。これにより磁石中での超
音波発生および伝播がなくなり、不要受信信号を低減で
きる。

励損用コイルと供試体金属間に挿入された導電率の高い
金属箔は、励振用コイル励振時にこの金属箔に渦電流を
局所的に発生させ、したがって強い超音波パルスを局所
的に発生させる効果を持つ。

また、反射超音波パルス到達時には導電率が供試体金属
の導電率より高い場合には誘起電流がふえ、したがって
励振用コイルへの誘導電流もふえ、受信信号の増加につ
ながる。励振用コイルとこの導電率の高い金属箔との間
の接着層は、金属箔支持の役割をする。

〔実施例〕

第１図に本発明になる電磁超音波用トランスジューサの
基本構成の一実施例を示す。柱状永久磁石２２の一端面
（例えばＮ極側）に有機系樹脂接着ｍａ２５を介してア
ルミ金属箔ａ２９を取付け、さらに接着１ｉｂ２６を介
して励振用コイル支持体３１　（例えばポリエチレン膜
）、励振用コイル２３　（接、Ｖ層ｃ２７を介して励損
用コイル支持体３１．３２に固定されている）、励振用
コイル支持体３２を取付ける。この励振用コイル支持体
３２にさらに接着１ｄ２８を介してアルミ金属箔ｂ３０
を取付けた構造になっている。励振用コイル２３は、第
２図に示すように平面渦巻きコイル形状とし、励振用コ
イル引出し線２４間に高周波（例えば２．５　Ｍ　Ｈｚ
　）パルス電流を流すとともに、反射超音波パルス受信
時の誘導電流検出端子としての役割も持つ。コイル外径
は約１１０μｍの絶縁被膜付き銅線を用いている。ター
ン数は約４０である。

永久磁石としては、高磁束密度（例えば７ＫＧ）の稀土
類（例えばＳｍ：サマリウム系）磁石を用イテイる。接
着層ａ、ｂｓ　ｃＳｄ　（２５，２６，２７，２８）に
は、シアノアクリレート系の瞬間接着剤（絶縁体）を用
い、接着層厚さは接着Ｎａ２５を除いてそれぞれ数十μ
ｍ程度である。接着強度が維持できれば、接着Ｍｂ、ｃ
、ｄ、（２６，２７，２８）は薄いほうが好ましい。接
着Ｊ’１ｉａ２５は、接着の目的の他に超音波減衰体と
しての目的もあり厚いほうが好ましいが、５０μｍ程度
で充分な減衰効果が得られる。接着層ａ２５の代わりに
厚さ１００μｍ程度の紙を挿入しても同様の超音波減衰
効果が得られ、アルミ金ｖＡ箔ａ２９以下の層を支持す
る支持具を磁石２２に取付ければ、接着層ａ２５の代わ
りに紙、あるいは空隙を設けても同様の超音波減衰効果
が得られる。

金属箔ａ２９、ｂ３０の材質としては、アルミ、銅、金
、銀、アモルファス珪素鋼＋銅等の導電率の高い金属を
用いる。

金属箔の厚さは、印加高周波パルス電流の周波数によっ
て異なるが、渦電流の浸透深さ（δ＝（π「μσ）　、
ｆ：周波数、μ：透磁率、σ：導電率）を考慮すると、
ｆ＝２．５ＭＨｚでの浸透深さ（アルミで計算するとδ
＃５０μｍ）程度の５０μｍが好ましい。

励振用コイル支持体３１．３２としては、高周波絶縁特
性の優れた材料が好ましいが、ここでは厚さ１３０μｍ
のポリエチレン膜を用いている。

この支持体３１．３２は基本的には不要で、接着Ｆｉｂ
、ｃ、ｄ　（２６，２７，２８）で代替可能であるが、
励振用コイル２３製作工程を考えると、支持体３１．３
２はあったほうが製作が容易になる。

以下に動作原理を示す。

励振用コイル２３に高周波パルス電流を流すと、このパ
ルス電流によって発生する磁界を打ち消す方向に渦電流
が金属箔ａ、ｂ　（２９，３０）に発生する。この渦電
流と、磁石２２による強力な静磁界とが作用し、第１１
図の供試材１表面近傍に図示したようにフレミングの左
手則による力が、すなわち変位が金属箔ａ、ｂ　（２９
，３０）の横方向（図の左右方向）に発生する。これが
超音波パルス源となる。

金属箔ａ２９で発生した超音波パルスは接着層ａ２５に
より減衰し、磁石２２には伝播しなくなる。また、接着
１ｂ２６により励振用コイル２３側への超音波伝播もな
くなる。

次に、金属箔ｂ３０で発生した超音波パルスは、供試材
２１の肉厚方向に伝播しく横波超音波の場合）、反射し
て再び金属箔ｂ３０に横方向変位を与える。強力静磁界
とこの金属箔の変位が作用して、フレミングの右手則に
より起電力が、したがって電流が金属箔ｂ３０に流れ、
この電流による磁界を打ち消す方向に励振用コイル２３
に誘導電流が生じ、受信信号として検出できる。

第３図に、本発明になる電磁超音波用トランスジューサ
を用いて鋼供試材に通用した場合の受信信号の一例を示
す。第８図に示す従来の電磁超音波用トランスジューサ
（第７図）での受信信号に比較すると、磁石側からの反
射パルスはほとんど検出されておらず、また供試材から
の反射パルスは数倍に増加しており、顕著なＳ／Ｎ比の
向上が認められる。

本実施例の効果は、供試材表面に電磁超音波用トランス
ジューサを接触させた場合に、特に供試材からの反射パ
ルスの増大が認められる点で、Ｓ／Ｎ比の向上、したが
って供試材肉厚計測精度の向上が図れることである。

第４図に、本発明になる電磁超音波用トランスジヱーサ
の装置図を示す。第１図に示す構成の電磁超音波用トラ
ンスジューサ４０を、ケーシング４１中に接着剤で固定
保持した構造で、ケーシング材としてはアルミニウム、
ステンレス鋼等の非磁性材料を用いる。励振用コイル引
出し線４２は、ケーシング４１に取付けたコネクタ４３
に接続し、第６図に示すパルス発生器４、受信信号処理
器５への接続端子とする。

電磁超音波用（・ランスジューサ４０の寸法は、約■５
φ×１５程度であり、ケーシング４１の外形寸法も約２
５φＸ２０程度と小形である。

供試材接触面４５は、第１図に示す金Ｈ箔ｂ３０　（例
えばアルミニウム箔）が露出しているが、金属箔ｂ３０
の機械的保護のためにＴｉ等の高強度金属のコーティン
グ（膜厚１００μｍ程度）を施すことも有用である。

本発明の他の実施例を第５図に示す。本実施例では、磁
石２２に直接会Ｖ＆箔ａ２９（例えばＩＰｌ＞を無電解
メツキによってコーティングしており（膜厚は渦電流の
浸透深さ程度）、このコーティング層に接着層ｂ２６を
介して、励振用コイル支持体３１、励振用コイル２３、
励振用コイル支持体３２を取付けている。この実施例で
は、磁石２２に励起される電磁超音波強度が、金属箔ａ
２９の存在により増加する効果がある。

したがって、磁石のＳ極（第５図の例では）に接する供
試媒体（例えば水、アルコール等の液体とか、空気等の
気体とか、金属、岩石等の固体とか）の超音波伝播特性
の変化（例えば水接触、または空気接触のいずれである
かを、反射超音波パルスの高さで判定する）を検知する
センサとして利用する場合に、Ｓ／Ｎ比の向上により判
定精度の向上につながる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、励振用コイルと供試材の間に全屈薄層
を付加することにより、電磁超音波発生強度を強めるこ
とができるので、供試材からの反射超音波強度を計測す
る際のＳ／Ｎ比向上向上現でき、計測精度が向上する効
果がある。また、上記Ｓ／Ｎ比の向上により静磁界強度
を増加させてＳ／Ｎ比の向上を図る場合に比して装置の
小形化が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明になる電磁超音波用トランスジューサ
の基本構成の一実施例図、第２図は、励振用コイルの形
状の一例図、第３図は、本発明になる電磁超音波用トラ
ンスジューサを用いた鋼板の反射超音波パルスの一例を
示す説明図、第４図は、本発明になる電磁超音波用トラ
ンスジューサの装置組立図、第５図は、本発明になる電
磁超音波用トランスジューサを肉厚計測以外の目的に利
用する際の基本構成の一実施例図、第６図は、従来の電
磁超音波肉厚計測法の基本構成図、第７図は、従来の電
磁超音波用トランスジューサの構成図、第８図は、従来
の電磁超音波用トランスジェーサを用いた鋼板の反射超
音波パルスの一例を示す説明図である。 １・・・供試材、２２・・・磁石、２３・・・励振用コ
イル、２４・・・励振用コイル引出し線、２５〜２８・
・・接着層、２９〜３０・・・金属箔、３１〜３２・・
・励振用コイル支持体。 特許出願人　バブコック日立株式会社 代理人　　弁理士　　川　北　武　長 第 図 ２１：供試材 ２２：磁石 ２３：励振用コイル ２４：励振用コイル弓 き出し線 第 ３］、３２　：励振用コイル支持体（絶縁体）時間（）
Ｉ５） 第 電磁超音波用トランジューサ ケーシング 励振用コイル引き出し線 励振及び信号取り出し用コネク 接着剤充填部 供試材接触面 夕 第

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁石と渦電流発生用コイルを有し、供試材に面し
   て設けられ、上記コイルに高周波パルス電流を流して供
   試材に超音波を発生させ、供試材からの反射超音波を受
   けてこれを前記コイルで電気信号として取出す電磁超音
   波用トランスジューサにおいて、渦電流発生用コイルと
   磁石の磁極端面との間に導電率の高い金属層を介在させ
   、渦電流発生用コイルを供試材に面して設けるごとくな
   したことを特徴とする電磁超音波用トランスジューサ。
2. （２）磁石と渦電流発生用コイルを有し、供試材に面し
   て設けられ、上記コイルに高周波パルス電流を流して供
   試材に超音波を発生させ、供試材からの反射超音波を受
   けてこれを前記コイルで電気信号として取出す電磁超音
   波用トランスジューサにおいて、渦電流発生用コイルと
   供試材表面との間に導電率の高い金属層を介在させ、磁
   石の磁極端面は渦電流発生用コイルの供試材とは反対側
   に面して設けたことを特徴とする電磁超音波用トランス
   ジューサ。
3. （３）請求項（１）記載の電磁超音波用トランスジュー
   サにおいて、磁石の磁極端面と導電率の高い金属層との
   間に渦電流発生のない超音波減衰材を介在させたことを
   特徴とする電磁超音波用トランスジューサ。