JPH0311734Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、スチールパイプ等の管状金属の欠陥
を超音波により自動探傷する超音波自動探傷装置
に関し、主として管体長手方向の欠陥を静止型探
触子アレイにより検出するようにした超音波自動
探傷装置に関する。

従来、管体の主として長手方向に走る傷、割れ
等の欠陥を検出する超音波探傷方法としては、例
えば第１図に示す焦点探触子を使用したものが知
られている。

第１図は焦点探触子による探傷原理を示したも
ので、１は焦点探触子であり、焦点をＦとする
と、管体２の中心Ｏを通るｘ軸上に焦点Ｆが一致
するように焦点探触子１を位置決めしたとき、管
体１に対する超音波ビームの入射角ｉは中心Ｏと
入射点を結んだ破線のｙ軸に対する角度で決ま
り、一方、管体１を伝搬する超音波（横波）の屈
折角θは中心Ｏから焦点Ｆまでの偏心量ｄによつ
て一義的に決まる。

ここで超音波伝搬媒質としての水３の縦波音速
CwをCw＝1500m／ｓ、鋼の横波音速CsをCs＝
3230m／ｓとすると、入射角ｉと屈折角θとの間
には、 sin ｉ／Cw＝sinθ／Cs …(1) の関係が成立する。

この第(1)式におけるsin ｉは sin ｉ＝ｄ／ｒ …(2) となることから、第(1)式よりsinθは sinθ＝（Cs／Cw）・（ｄ／ｒ） ＝（3230／1500）・（ｄ／ｒ） ≒2.16（ｄ／ｒ） …(3) となる。

すなわち、管体２の外径２ｒが決まれば第(3)式
より焦点Ｆの偏心量ｄに応じて屈折角が一義的に
定まり、管体１における超音波ビームの伝搬方向
を欠陥検出に最適な方向に設定することができ
る。

第２図は第１図の原理をもつ焦点探触子を用い
た従来装置を概略的に示したもので、複数の焦点
探触子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄをその焦点Ｆ１，
Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４がｘ，ｙ軸上に偏心量ｄをもつ
ようにセツトし、焦点探触子１ａと１ｂ及び１ｃ
と１ｄの組合せで同じ場所に両側から超音波ビー
ムを入射して探傷精度を高めるようにしている。

このような従来装置における探傷は、焦点探触
子１ａ〜１ｄ又は管体２を一定方向に定速回転さ
せ、管体２の全周について長手方向の欠陥を自動
探傷するようにしている。

しかしながら、このような従来の超音波自動探
傷装置にあつては、焦点探触子又は管体を一定速
度で回転駆動する設備を必要とし、探傷装置本体
に比べて回転駆動設備のコストが大幅にかかり、
しかも被検査体のサイズが変ると回転駆動設備の
大幅な変更を必要をするため被検査体のサイズに
より設備構成が決まつて汎用性に欠け、更に機械
的な回転走査であるため探傷速度および精度にも
限界があつた。

本考案は、このような従来の問題点に鑑みてな
されたので、探触子群または被検査体を静止した
ままの状態で長手方向の欠陥を全周にわたつて超
音波探傷することで、回転駆動設備を不要にして
設備コストの大幅な低減と汎用性を高め、更に探
傷速度と精度を高めることを目的とする。

この目的を実現するため、本考案においては、
複数の探触子を環状に配列した探触子アレイを水
中に固定設備し、探触子アレイ内を通過する被検
査体に対し、所定数の探触子群の送受信遅延によ
り焦点探触子と等価な超音波ビーム特性を作り出
し、探触子アレイを順次切換え走査することによ
り被検査体の全周における軸方向の欠陥を検出す
るようにしたものである。

以下、本考案を図面に基づいて説明する。

第３図は本考案に用いる探触子アレイの一実施
例を示した説明図である。

第３図において、１０は探触子アレイであり、
被検査体としての管体２を挿通するリング形状を
有し、管体２の軸周方向に複数の探触子を配列し
た構造でなる。

この探触子アレイ１０は超音波伝搬媒質として
の水中に固定設置され、探触子アレイ１０に対し
搬送装置により送られてくる管体２の全周につい
て焦点探触子と等価な超音波ビームの回転走査に
より管体２の長手方向に走る傷等の欠陥を探傷す
る。

第４図は第３図に示す探触子アレイ１０を軸方
向から見た説明図であり、この実施例では８個の
探触子を１グループとし、このグループの探触子
の励振により管体２に対し焦点探触子と同じ超音
波ビームを送出するようにしている。この焦点探
触子と同じ超音波ビームを得るため、探触子アレ
イ１０の各探触子はアナログスイツチ１６に信号
線接続されており（尚、第４図では１グループを
構成する８個の探触子についてのみの信号線接続
を示す）、アナログスイツチ１６に対しては送受
信部より焦点遅延部１２及び偏角遅延部１４を介
して信号線接続が行なわれている。

ここで８個の探触子でなる１グループの励振に
よる焦点探触子と同じ超音波ビーム特性が得られ
る原理を第５，６，及び７図を参照して説明す
る。

第５図は探触子１０のうちの８個の探触子に対
し焦点遅延部１２を介して同時に送信パルス信号
を供給した時の各探触子による超音波ビーム特性
を示した説明図であり、焦点遅延部１２には各探
触子に対応して遅延素子Ｄ１〜Ｄ８が設けられ、
遅延素子Ｄ１〜Ｄ８による遅延量はNo.１の探触子
からNo.４の探触子に向かうにつれて順次遅延時間
が長くなるように定められており、又No.８からNo.
５の探触子に向かうにつれて同様に順次遅延時間
が長くなるように定められており、No.４とNo.５の
間の中点を中心とした対称位置にある両側の遅延
素子の遅延量は同一遅延量に設定されている。

このような遅延素子Ｄ１〜Ｄ８の遅延量の設定
により同一タイミングで各遅延素子に発信パルス
が供給されたとすると、まず両端に位置するNo.
１，８の探触子が超音波ビームを出力し、続いて
No.２，７の探触子が超音波ビームを出力し、更に
No.３，６の探触子、最終的にNo.４，５の探触子が
超音波ビームを出力する。このようなNo.１〜８よ
りの超音波ビームの遅延出力により、その合成ビ
ームは焦点遅延部１２の遅延素子Ｄ１〜Ｄ８の遅
延量で定まる所定半径の円の中心に向かつて進行
し、円の中心となる焦点Ｆに収束する。

一方、第６図は偏向遅延部１４による超音波ビ
ームの偏向ビーム特性を示したもので、偏向遅延
部１４にはNo.１〜８の各探触子に対応して遅延素
子Ｄ１０〜Ｄ８０が設けられ、その遅延量は遅延
素子Ｄ１０からＤ８０に向かつてほぼ直線的に増
加する遅延量が設定されている。このような偏向
遅延部１４を介してNo.１〜No.８の各探触子に同一
タイミングで送信パルス信号を供給したとする
と、遅延素子Ｄ１０〜Ｄ８０の遅延時間によりNo.
１からNo.８の順に探触子より超音波が出力され、
各探触子の合成ビームは中心方向に対し偏角ｉを
もつた偏向ビーム特性となる。そこで、本考案で
用いる焦点探触子と同じ超音波ビーム特性を得る
ためには、第５図の焦点ビーム特性と第６図の偏
向ビーム特性を加え合わせた第７図の構成とすれ
ばよく、No.１〜No.８の探触子に対し焦点遅延部１
２、偏向遅延部１４を介して同一タイミングで超
音波パルス信号を供給することにより中心方向に
対する偏角ｉをビーム中心とする焦点Ｆに探触子
アレイ１０よりのビームを収束させることができ
る。

再び第４図を参照するに、探触子アレイ１０に
おける８個の探触子群をアナログスイツチ１６で
選択し、選択した探触子群に対し、偏向遅延部１
４及び焦点遅延部１２を介して同一タイミングで
送信パルス信号を供給したとすると、探触子群よ
りの超音波ビームは破線で示すように所定の偏向
を持つて収束する焦点探触子と同じ超音波ビーム
特性が得られ、この超音波ビームの焦点Ｆを管体
２の中心Ｏを通るＸ軸上の偏心量ｄの位置となる
ように焦点遅延部１２及び偏向遅延部１４の各遅
延量を定めることにより、探触子アレイ１０の探
触子群を利用して焦点探触子と等価な超音波ビー
ム特性を得ることができ、前記第(3)式に示すよう
に入射した超音波ビームの屈折角θは管体２の外
径２ｒが定まると偏心量ｄの設定により一義的に
定めることができる。

次に探触子アレイ１０における８個の探触子群
を１グループとしたアナログスイツチによる選択
走査は所定の掃引開始位置をスタート地点として
アナログスイツチ１６により８個の探触子を選択
接続して超音波ビームの送信と受信を一定周期の
間行ない、送受信終了後に探触子１個分だけ時計
回り方向又は反時計回り方向にずらして８個の探
触子群をアナログスイツチ１６で選択接続し、以
下同様に８個の探触子群を１グループとして探触
子１個分だけ順次所定方向にずらした選択走査を
行なう。

第８図は、第３，４図に示した探触子アレイ１
０を用いた本考案の一実施例を示したブロツク図
である。

まず、構成を説明すると、２０は制御信号発生
器であり、マイクロコンピユータ４６よりの制御
信号により送信パルス信号、受信タイミング信
号、更にアナログスイツチ１６の切替え走査信号
のそれぞれを発生する。２２は送信遅延回路であ
り、第４図に示した偏向遅延部１４及び焦点遅延
部１２のそれぞれが設けられ、所定周期毎に制御
信号発生器２０より与えられる送信パルス信号を
探触子アレイ１０よりの超音波ビームが焦点探触
子と同じ超音波ビーム特性が得られるように偏角
遅延及び焦点遅延を施して出力する。

この送信遅延回路２２の具体的な構成として
は、第４図に示すようにアナログ遅延素子を用い
てもよいが、制御信号発生部よりのパルス信号に
同期したクロツクパルスをカウンタで計数するこ
とにより、カウンタ計数による並列出力端子を適
宜に選択することで送信パルス信号を偏角及び焦
点遅延させることができる。２４は送信部であ
り、探触子アレイ１０において１グループを形成
する８個の探触子に対応して送信遅延回路２２よ
り出力された送信パルス信号に基づいて超音波発
振器を作動し、その発信出力を電力増幅した後に
制御信号発生器２０よりの切換走査信号により選
択接続されているアナログスイツチ１６を介して
探触子アレイに焦点探触子と同様な超音波ビーム
特性を得るための送信パルス信号を供給する。

一方、受信系としてはアナログスイツチより選
択されている８個の探触子群よりの超音波受信信
号を個別に前置増幅するプリアンプ２６が設けら
れ、プリアンプ２６の増幅出力は受信遅延回路２
８において焦点探触子と同じ超音波ビームの送出
により各探触子よりの受信した信号の受信タイミ
ングが同一となるように第４図に示す偏向遅延部
１４及び焦点遅延部１２を内蔵しており、この受
信遅延回路については、受信信号がアナログ信号
波形であることからアナログ遅延素子を使用して
いる。

３０は加算器であり、受信遅延回路２８で受信
タイミングが整合された各探触子よりの受信信号
を加え合わせて合成する。３２は主増幅部であ
り、加算器３０よりの合成信号を増幅するととも
に探傷距離に応じて信号レベルの異なる受信信号
を距離による変動をなくすようにする距離振幅補
正の機能も備えており、更に、第８図の実施例で
は、受信処理をマイクロコンピユータ４６により
行なうことからアナログ受信信号をデジタル信号
に変換するＡ／Ｄ変換器をも含んでいる。

主増幅部３２よりの受信デジタル信号はバツフ
ア３４を介して混合−レベル比較器４２に与えら
れており、混合−レベル比較器４２において規定
レベルを上回る受信信号のみを欠陥受信信号とし
て比較判別し、受信信号に含まれる送信回り込み
成分もしくはノイズ成分等を除去する。

更に、混合−レベル比較器４２にはバツフア３
４を介して管体に対する探触子アレイ１０の回転
走査方向及び管体の進行方向等が入力される。

更に、混合−レベル比較器４２に対してはバツ
フア３６，３８，４０のそれぞれを介して距離信
号ａ、ダグ信号ｂ及び欠陥位置信号ｃのそれぞれ
が供給されている。

ここで距離信号ａは第３図に示すように探触子
アレイ１０に対し、管体２を軸方向に搬送した時
の管体２の移動量をパルスジエネレータなどで検
出して供給している。

又、タグ信号ｂは管体の基準位置を示す信号で
あり、この基準信号を基準位置として距離信号ａ
に基づいて管体の長手方向に対する探傷アレイ１
０の位置を演算する。

更に欠陥位置信号は、探触子アレイの基準線を
零度とすると、何度の選択走査位置、すなわち、
基準位置の探触子に対し、何番目の探触子の走査
で欠陥が検出されたかを判別するために用いら
れ、具体的にはアナログスイツチ１６の選択走査
信号を角度信号に変換した信号である。

このように、バツフア３４〜４０を介して入力
する受信デジタル信号、距離信号ａ、タグ信号ｂ
及び欠陥位置信号ｃを信号処理する混合−レベル
比較器４２は制御信号発生器２０よりの受信制御
タイミング信号を受けて所定の信号処理を行な
い、受信処理データを入力インタフエース３４を
介してマイクロコンピユータ４６に入力してい
る。マイクロコンピユータ４６は入力インタフエ
ース４４を介して入力する受信データを所定のプ
ログラム処理のもとに演算処理し、出力インタフ
エース４８を介してプリンタ５０、CRTに欠陥
受信データを打ち出し表示する。

このデータ表示としては、被検査体の長手方向
の位置及び円周方向の位置と共に欠陥の程度を表
わすデータを出力表示するようになる。

次に第８図のブロツク構成による本考案の超音
波自動探傷の動作を説明するに、第３図に示すよ
うに水中に固定設置された探触子アレイ１０に対
し搬送装置により管体２が送り込まれると、探触
子アレイ１０はアナログスイツチ１６に対する制
御信号発生器２０よりの切換信号により、探触子
アレイ１０の基準位置より８個の探触子群を第１
グループとして探触子アレイ１０の探触子が順次
アナログスイツチ１６を介して送信部２４に接続
され、制御信号発生器２０よりの送信パルス信号
に基づいて送信遅延回路２２より焦点遅延及び偏
角遅延を持つて焦点探触子と同様な超音波ビーム
特性が得られる遅延のパターンで送信パルス信号
が送信部２４に与えられ、送信部２４において電
力増幅した後にアナログスイツチ１６より探触子
アレイ１０の８個の探触子群に供給される。

このように探触子アレイ１０の８個の探触子群
に送信パルスが供給されると、第４図に示すよう
に探触子アレイ１０よりは管体２の中心Ｏよりの
偏心量ｄを焦点Ｆとする特性の超音波ビームが出
力され、管体２に対し、屈折角θをもつて入射す
ることで管体２の軸は方向に存在する欠陥を探傷
するようになる。

この超音波ビームの伝搬経路に欠陥が存在した
とすると、欠陥で反射された超音波反射エコーは
アナログスイツチ１６で選択されている超音波ビ
ームを出力した８個の探触子群で受信され、プリ
アンプ２６で前置増幅した後に受信遅延回路２８
で角探触子よりの受信信号が同一タイミングとな
るように送信遅延回路２２と同様に偏向遅延及び
焦点遅延を施した後、加算器３０で加え合わされ
てて合成信号となり、主増幅部３２で距離振幅補
正等を施した後にデジタル信号に変換され、バツ
フア３４を介して混合−レベル比較器４２に与え
られる。

同時にバツフア３６，３８，４０を介して距離
信号ａ、タグ信号ｂ及び欠陥位置信号ｃが与えら
れており、主増幅部３２よりの受信デジタル信号
のレベルが所定レベルを上回つたときに欠陥受信
信号と判別し、距離信号ａ、タグ信号ｂ及び欠陥
位置信号ｃに基づいた欠陥位置情報とともに入力
インタフエース４４を介してマイクロコンピユー
タ４６に入力し、マイクロコンピユータ４６で所
定の演算処理を実行した後に出力インタフエース
４８を介してプリンタ５０に欠陥データを打ち出
すとともにCRT５２に同様に欠陥データを表示
する。

尚、CRT５２における欠陥データの表示方と
しては、管体の立体影像に欠陥位置を画像表示す
るようにしてもよい。

以下、同様に制御信号発生器２０よりの切換走
査信号に基づいてアナログスイツチを切換走査
し、探触子１つ分ずらせた次の８個の探触子群を
選択接続して同様に超音波ビームの送出による欠
出を繰り返す。

第９図は、本考案に用いる探触子アレイの他の
実施例を示した説明図であり、この実施例は、探
触子アレイを探触子アレイ１０ａと１０ｂに２分
割し、一方の探触子アレイ１０ａについては４分
割した対称位置に複数の探触子を所定数配列し、
一方、他方の探触子アレイ１０ｂについては同じ
く４分割した探触子アレイ１０ａの空き部分とな
る対称位置に複数の探触子を配列したものであ
る。

すなわち、第３図に示したように、全周に探触
子を配列した探触子アレイは、実際の加工組立上
に問題があり、特に探触子アレイを均一ピツチで
全周に配列することは寸法上の制約を大幅に受け
る。

そこで、第９図に示すように探触子アレイ１０
ａ，１０ｂに２分割してその４分の１の軸周部分
に複数の探触子を配列し、これを組み合わせるこ
とで全周に探触子を配列したと同じにすることが
でき、探触子を全周に設けていないことから同一
ピツチで探触子を配列する時の寸法許容度が大き
くなり、加工組立てが容易になり、より実用的に
することができる。

以上説明してきたように本考案によれば、複数
の探触子を環状に配列した探触子アレイを水中に
固定設置した探触子アレイ内を通過する被検査体
に対し、所定数の探触子群を１グループとして送
受信信号の遅延により、焦点探触子と等価な超音
波ビーム特性を作り出し、探触子アレイを順次切
換走査することにより、被検査体の長手方向に存
在する欠陥を検出するようにしたため、被検査体
又は、探触子を回転駆動するための回転駆動設備
が不要となり、これによつて超音波自動探傷装置
の設備コストを大幅に低減することができ、又電
気的な超音波ビームの回転走査であることから耐
久性及び信頼性にすぐれ、特に被検査体のサイズ
が変わつても探触子アレイを交換するだけで簡単
に探傷を行なうことができ、 更に電気的な回転走査であることから探傷速度
を任意に設定することができ、探触子又は被検査
体の回転による位置変化のないことから探傷制度
を大幅に向上することができるという効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の焦点探触子の原理説明図、第２
図は焦点探触子を用いた従来装置の説明図、第３
図は本考案で用いる探触子アレイの説明図、第４
図は本考案で用いる探触子アレイの焦点ビーム特
性の説明図、第５，６，７図で本考案の探触子ア
レイにおいて焦点ビーム特性を得るための信号遅
延を示した説明図、第８図は本考案の装置構成の
一実施例を示したブロツク図、第９図は本考案で
用いる探触子アレイの他の実施例を示した説明図
である。 ２：管体、１０，１０ａ，１０ｂ：探触子アレ
イ、１２：焦点遅延部、１４：偏向遅延部、１
６：アナログスイツチ、２０：制御信号発生器、
２２：送信遅延回路、２４：送信部、２６：プリ
アンプ、２８：受信遅延回路、３０：加算器、３
２：主増幅部、３４，３６，３８，４０：バツフ
ア、４２：混合−レベル比較器、４４：入力イン
タフエース、４６：マイクロコンピユータ、４
８：出力インタフエース、５０：プリンタ、５
２：CRT。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 水中に固定設置され、複数の探触子を環状に配
   列した探触子アレイと、 該探触子アレイの基準位置より所定数の探触子
   を１グループとする探触子群を所定の送受信周期
   毎に順次探触子１個分づつシフトさせるアナログ
   スイツチを介して送・受信部に接続するように走
   査する走査手段と、 該走査手段で選択された探触子群に送信する送
   信パルス信号として焦点探触子と等価な超音波ビ
   ーム特性が得られるように焦点遅延および偏向遅
   延する送信遅延手段と、 前記走査手段で選択された探触子群によつて受
   信された超音波受信信号の各々の受信タイミング
   が一致するように偏向遅延および焦点遅延する受
   信遅延手段と、 該受信遅延手段の出力信号を加算して得た合成
   信号に基づいて前記探触子アレイ内を通過する管
   状金属の欠陥を検出表示する処理手段とを備えた
   ことを特徴とする超音波自動探傷装置。