JPH0334562B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は管材、特に高温鋼管の肉厚、外径、内
径を計測し得る非接触型の計尺装置に関する。

近年油井管等の鋼管は需要の増大に伴つて高品
質化が要求されている。この要求に対応するため
には鋼管製造中に肉厚、外径、内径を計測し、計
測結果を製造ラインに反応させるのが望ましい。

一方、鋼管の肉厚、外径、内径の計測は従来次
のように行われていた。即ち第１図に示す如く水
３０中にて鋼管２を移送させ、軸心に対象となる
ように超音波探触子３１を鋼管２の外面に対向さ
せて配し、探触子３１から超音波を発振して鋼管
２外面からのエコーにより鋼管２外面迄の各距離
L′₁，L′₂を計測し、また同時に鋼管２の内面から
のエコーと前記外面からのエコーとの時間差に基
づき各肉厚T′₁，T′₂を計測し、既知の各探触子３
１，３１間距離l′を用いて外径OD及び内径IDを
下記(1)、(2)式により算出していた。

OD＝l′−（L′₁＋L′₂） …(1) ID＝l′−（L′₁＋L′₂）−（T′₁＋T′₂） …(2) この方法では冷間の鋼管２の場合には計測可能
であるが、例えば製管直後で鋼管温度が700℃を
超えるような場合には鋼管近傍の水３０が瞬時に
水蒸気と化して接触媒質としての役目をせず、製
造ラインに反映させ得る高温計測が行えなかつ
た。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであ
り、高温鋼管に向けて電磁超音波を発振させて肉
厚を計測すると共に前記鋼管と電磁的に結合させ
たコイルのインピーダンスに基づき鋼管迄の距離
を検出し、外径、内径をも計測する非接触型の計
尺装置を提供することを目的とする。

以下本発明を図面に基づき具体的に説明する。
第２図は本発明装置のブロツク図を示す模式図、
第３図はその計測部１近傍を示す模式的断面図で
あり、図中１は計測部をしめしている。計測部１
を示している。計測部１は鋼管２を磁化すると共
に鋼管２の外面に誘導電流を発生せしめまた鋼管
２外面の電流を検出するものであり、全体として
円筒状をなし、鋼管２はその内部に挿通されて軸
長方向へ移動されている。

計測部１の磁化装置は周壁を中空とした円筒状
をなす鉄心４及びこの中空部に内装された励磁コ
イル３，３′とからなり、鉄心４の周壁の内周面
の中央部は全周に亘つた適幅切欠いてある。励磁
コイル３，３′には直流電流が通流され、これに
より周壁の内周面の切欠き部４ａの端部が磁極と
なつて鋼管２の切欠部に対向する部分に軸長方向
の直流磁界を付与する。切欠き部４ａにはリング
状の送信コイル５，５′，５ａ，５a′と、それよ
りも大径でリング状の受信コイル６，６′，６ａ，
６′ａとが同心円状に組合わされて、その軸長方
向を鋼管２の半径方向に一致させた状態で鋼管２
周りに４等配されている。

以下上下に対向する組のコイル５，６，５′，
６′について説明するが左右に対向する組のコイ
ルについても同様の構成となつている。

鋼管２の軸心に対象な送信コイル５，５′には
加算器７，７′が接続されており、加算器７，
７′にはパルス電流発生回路８，８′から超音波発
生用パルス電流が、また連続正弦波発生回路１
１，１１′から距離測定用の連続正弦波電流が与
えられる。したがつて加算器７，７′は両電流を
重畳して送信コイル５，５′に通電する。パルス
電流発生回路８，８′は同期パルス発生回路９，
９′からのトリガー信号にて前記パルス電流を出
力し、このパルス電流の周波数は２〜10MHzで
ある。また連続正弦波発生回路１１，１１′が出
力する正弦波電流は数10KHz〜数100KHzの高周
波である。

この重畳電流のうちパルス電流成分はそれ自体
公知の電磁超音波発生作用をなす。つまり励磁コ
イル３，３′を図示しない直流電源で励磁し鋼管
２のコイル５，５′，６，６′直下部分に軸長方向
の直流磁界を与えておく、そして送信コイル５，
５′に重畳電流を印加すると、パルス電流成分に
より鋼管２の肉厚方向の磁束が変化し、この磁束
変化に伴つて鋼管２の外面に渦電流が発生する。
この渦電流と、予め与えておいた前記直流磁界の
鋼管２外面に平行な方向の磁界とにより鋼管２外
面と垂直な方向に変化する歪（フレミングの左手
の法則）が発生し、この歪は鋼管２の外面と垂直
な方向に伝播する。即ち鋼管２外面から縦波の超
音波が発生する。この超音波は鋼管２内部を伝播
し、鋼管２中の内周面で反射し、この反射超音波
は前述と逆の過程（フレミングの右手の法則）に
より受信コイル６，６′で渦電流により発生する
誘起電圧として検出される。

また重畳電流のうち連続正弦波成分はそれ自体
公知の電磁誘導作用をする。つまり連続正弦波成
分が通流された送信コイル５，５′は交番磁界を
生ぜしめ、鋼管２中に渦電流を誘起する。この渦
電流による反磁場は受信コイル６，６′に鎖交し
て、ここに受信コイル６，６′〜鋼管２間距離に
依存する正弦波電圧を誘起する。この正弦波誘起
電圧に応じて受信コイル６，６′のインピーダン
スが定まる。つまり受信コイル６，６′までの距
離に応じたインピーダンスを示す。

このように重畳電流は受信コイル６，６′に２
つの誘起電圧を発生させる。

受信コイル６，６′の端子電圧はプリアンプ１
２，１２′へ与えられてここで増幅される。増幅
された信号はハイパスフイルタ１３，１３′及び
ローパスフイルタ１４，１４′へ与えられる。ハ
イパスフイルタ１３，１３′を経て連続正弦波成
分を除去されたパルス電流に関する信号はメイン
アンプ１５，１５′にて増幅され、検波器１７，
１７′にて包絡線検波されて、時間差測定回路１
０，１０′へ与えられる。時間差測定回路１０，
１０′は同期パルス電流発生回路９，９′によるト
リガー信号から鋼管２外面で超音波を生成させる
渦電流発生までの時間Δt及びトリガー信号から
鋼管２内面からのエコーに関する誘起電圧の検出
までの時間ｔを求め、求めた信号をインターフエ
ース２０を介して演算装置２１へ送る。時間差測
定回路１０，１０′はカウンタにてトリガー信号
発生時点から超音波発生時（鋼管２外面からのエ
コーが得られる）、内面からのエコー受信時夫々
までの時間を計時する構成とすればよい。

ローパスフイルタ１４，１４′を経てパルス電
流成分を除去された連続正弦波電流に関する信号
はメインアンプ１６，１６′により増幅されて、
同期検波器１８，１８′へ与えられ、同期波器１
８，１８′は連続正弦波発生回路１１，１１′から
の出力に基づき入力信号を同期検波する。この検
波信号の振幅は受信コイル６，６′のインピーダ
ンスにて定まり、鋼管２迄の距離情報を含んだ該
検波信号はＡ／Ｄ変換器１９，１９′へ与えられ、
Ａ／Ｄ変換器１９，１９′は同期パルス発生回路
９，９′からの信号に基づき、即ち測定する鋼管
２の位置を同一となすべきタイミングで入力信号
をＡ／Ｄ変換し、変換された信号はインターフエ
ース２０を介して演算装置２１へ与えられる。

演算装置２１はこれらの情報からまず肉厚及び
鋼管迄の距離を算出する。肉厚Ｔ（mm）の算出に
ついては下記(3)式が用いられる。

Ｔ＝ｖ・（ｔ−Δt）／２ …(3) 但し、ｖ：鋼管内の音速（mm／マイクロ秒） ｔ，Δt：（マイクロ秒） 従つて時間差測定回路１０，１０′によつて求
めるれたｔ、Δtと予め入力されているｖとを(3)
式に代入してＴが算出される。

鋼管迄の距離Ｌについては予め設定されている
同期検波出力と鋼管迄の距離Ｌとの関係と入力信
号とに基づいて求める。

次に、図中上側の受信コイル６で検出した信号
より求めた肉厚T₁及び鋼管までの距離L₁、下側
の受信コイル６′で検出した信号より求めた肉厚
T₂及び鋼管までの距離L₂を下記(4)、(5)式に代入
して外径OD、内径IDを算出する。

OD＝ｌ−（L₁＋L₂） …(4) ID＝ｌ−（L₁＋L₂）＋（T₁＋T₂） …(5) 但し、ｌ：コイル６，６′間距離 以上のような演算を左右に配した送信コイル５
ａ，５′ａ、受信コイル６ａ，６′ａを用いた測定
によつて同様にして実行し、鋼管２の周方向に前
記と90゜異なつた位置での肉厚、外径、内径を求
める。

なお上述の実施例では送、受信コイルを各別に
設けたが、送受信コイル兼用とすべく１つのコイ
ルを用いることとしてもよい。また上述の実施例
ではパルス電流と連続正弦波電流とを重畳してコ
イルに通流せしめることとしたが、パルス電流と
連続正弦波電流とを交互的に印加する構成として
もよい。

以上のような演算を左右に配した送信コイル５
ａ，５′ａ、受信コイル６ａ，６′ａを用いた測定
によつて同様に実行し、鋼管２の周方向に前記と
90゜異なつた位置での肉厚、外径、内径を求める。

次に第４図に示す本発明の他の実施例につき説
明する。なお前述の第２図に示した部分と同様の
部分には同番号を付してある。この実施例は肉厚
を測定するためのコイルと、コイル〜鋼管外面迄
の距離を測定するためのコイルとを各別にしたも
のである。即ちパルス電流用送信コイル５ｂ，
５′ｂ，５ｄ，５′ｄとパルス電流用受信コイル６
ｂ，６′ｂ，６ｄ，６′ｄ夫々を同心状に組せたも
の４等配し、また連続正弦波用送信コイル５ｃ，
５′ｃ，５ｅ，５′ｅと連続正弦波用受信コイル６
ｃ，６′ｃ，６ｅ，６′ｅ夫々を同心状に組合わせ
たものと４等配し、更にパルス電流用のコイル５
ｂ，５′ｂ等と連続正弦波用のコイル５ｃ，５′ｃ
等とを近接配置してなるものである。

このような構成とする場合には肉厚測定と距離
測定とが完全に分離されるのでＳ／Ｎを高くとる
ことができる。

第５図は本発明の更に他の実施例を示している
ｑこの実施例は正弦波１サイクル分をパルス状に
印加し、このパルス電流によつて肉厚測定と距離
測定とを同時に行う方法である。即ちパルス電流
発生回路８は第６図イに示すように周波数１／
Teの正弦波１サイクル分を同期パルス発生回路
９のトリガーにより繰り返し周波数１／T₀で反
復発生するものでありこのパルス電流をコイル５
に通電する。このときコイル６は第６図ロに示す
ようにパルス電流による鋼管２表面での１次誘起
電圧と、内周面からの反射超音波による２次誘起
電圧とを含んだ信号を受信する。

これら両電圧の時間差t₁は鋼管２の肉厚を表わ
しており、この受信波はハイパスフイルタ１３，
１３′側に通して鋼管２の肉厚T₁，T₂を求める。

而して印加パルス電流Ｖ（ｔ）はフーリエ展開
すると以下の様に表される。

Ｖ（ｔ）＝A₀＋_∞ 〓ⁿ⁼¹ ｛An cos（2πn／T₀・ｔ） ＋Bn sin（2πn／T₀・ｔ）｝ 但し、ｎは整数 A₀＝１／2π・（１−cos2πTe／T₀） An＝１／2π〔１／ｎ＋１・｛１−cos2π（ｎ＋１）Te
／T₀｝ −１／ｎ−１・｛１−cos2π（ｎ−１）Te／T₀｝〕 Bn＝１／2π〔１／ｎ−１・sin2π（１−ｎ）Te／T₀ −１／ｎ＋１・sin2π（１＋ｎ）Te／T₀〕 つまり印加パルス電流の基本波は第６図ハに示
すような周波数が１／T₀の正弦波であり第６図
イに示す如く正弦波の断続的印加はこの周波数の
電流でコイル５を連続励磁しているのと等価であ
る。したがつて１／T₀より高い周波数成分を通
過させないローパスフイルタ１３，１３′を用い
ることにより基本波成分のみを検出し、該成分に
よるインピーダンス測定を行い鋼管２迄の距離
L₁、L₂を求める。

なお鋼管２を直流磁化する装置としては前述の
如く電磁石に限らず永久磁石を用いてもよい。ま
た本発明は鋼管に限らず他の材質の管材をも計測
できるのは勿論である。

以上詳述した如く本発明に係る管材の計尺装置
は管材を所定方向に磁化する磁化装置と、管材を
挟んで軸心対象に対設され、管材の外面に誘導電
流を発生せしめ、また管材の外面の電流を検出す
べきコイルと、コイルにパルス電流を通流せしめ
るパルス電流発生回路と該パルス電流に応答して
コイルに得られる信号から管材の肉厚を求める回
路と、コイルに交流電流を通過せしめる発振回路
と、交流通流によるコイルのインピーダンス検知
にてコイルと管材の外面との距離を求める回路と
を具備したものであるので、非接触状態で肉厚、
外径、内径を計測でき、このため高温の鋼管、特
にシームレスパイプの製造中においても実施で
き、これによりその計測結果を製管設備の制御系
へのフイードバツク、フイードフオワード等に利
用が可能となり寸法精度向上に優れた効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来法による計測内容を示す模式図、
第２図は本発明装置のブロツク図を示す模式図、
第３図はその計測部近傍を示す模式的断面図、第
４図、第５図は本発明の他の実施例を示す模式
図、第６図は第５図に示す実施例の動作説明のた
めの波形図である。 ２…鋼管、３，３′…励磁コイル、５，５′，５
ａ，５′ａ，５ｂ，５′ｂ，５ｃ，５′ｃ，５ｄ，
５′ｄ，５ｅ，５′ｅ…送信コイル、６，６′，６
ａ，６′ａ，６ｂ，６′ｂ，６ｃ，６′ｃ，６ｄ，
６′ｄ，６ｅ，６′ｅ…受信コイル、８，８′…パ
ルス電流発生回路、１０，１０′時間差測定回路、
１１，１１′…連続正弦波発生回路、１８，１
８′…同期検波器、２１…演算装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 管材を所定方向に磁化する磁化装置と、管材
   を挟んで軸心対象に対設され、管材の外面に誘導
   電流を発生せしめ、また管材の外面の電流を検出
   すべきコイルと、コイルにパルス電流を通流せし
   めるパルス電流発生回路と該パルス電流に応答し
   てコイルに得られる信号から管材の肉厚を求める
   回路と、コイルに交流電流を通流せしめる発振回
   路と、交流電流によるコイルのインピーダンス検
   知にてコイルと管材の外面との距離を求める回路
   とを具備することを特徴とする管材の計尺装置。