JPH0442012A - クラッド材の肉厚測定装置 - 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〕 本発明は超音波を利用したクラッド材の肉厚測定装置に
関する。

〔従来技術〕

クラッド材は相互に異種の金属よりなる母材と合せ材と
の積層構造を有しており、材料強度を高めること、特殊
雰囲気での使用に耐えさせること、腐食化又はライニン
グ化とすること等を目的に使用されるものである。従っ
て合せ材の厚さはクラッド材としての性能を保証する上
で重要な要素となり、これを測定するために磁気的手段
又は電磁誘導法による渦電流を用いた測定装置の開発が
試みられている。

ところが、磁気的な厚さ測定装置においては合せ材及び
母材がいずれも非磁性体あるいは磁性体であるときは無
力であり、また電磁誘導法では電磁気的性質が同一であ
る材料では適用不可である。

また切断面における観察測定は全体としての保証が不可
能であるという大きな欠点がある。

また、電磁気的な厚さ測定装置を用いる場合、全肉厚、
母材厚及び合せ材厚の測定には超音波による全肉厚測定
と組合せる必要があり、２種の計測装置が必要となり全
体の装置のコストが高いという問題もある。また、切断
面における観察測定は全体としての保証が不可能である
という大きな欠点がある。

一方、超音波による厚さ測定には次のような難点があっ
た。すなわち母材と合せ材との積層界面においては両者
が冶金的に接合しており、両者の音響インピーダンス差
が非常に大きなもの以外はこの界面での反則波が得られ
ない。超音波利用における上述の如き問題を解決する装
置としては本出願人に係る提案がある（実開昭５５−１
３７３０５号公報）。これは受信信号のうち積層界面で
の反射波を含む部分を選択的に取出し、この部分のみに
他の部分とは異なる微分信号処理を施すことによって前
記反射波を明確にするものである。

しかし、前述の本出願人に係る提案においては、積層界
面での反射波の信号取出しがノイズ信号も同時に検出す
るので前記反射波のみを正確に取出せなかったり、高周
波波形に微分を加えてもＳ／Ｎ比が向上しない等の不具
合が生じ、後の信号処理精度にも影響を与えることが明
らかになった。

このため、上述の如き問題点を改良すべく受信信号を広
帯域及び狭帯域の夫々の増幅器によって増幅し、積層界
面での反則波を含む部分を狭帯域増幅器によってＳ／Ｎ
比良く取出す構成とすることによって該反射波を明確に
する本出願人に係る発明がある（特開昭６３−３０５２
０７号公報）。

しかし、特開昭６３−３０５２０７号公報に開示された
本出願人に係る発明においては、クラ・ノド材中におけ
る粒度のばらつきが太き（反射波の減衰度合いに部分的
変化が生じると、積層界面での反射波の周波数が変化す
る等、狭帯域増幅器の出力変動が大きくなってノイズ信
号が多くなり、誤測定及び未測定を生じる虞があった。

また、超音波による肉厚測定装置には、前述した如き装
置の他に、一定振幅以下のノイズ信号を消去する所謂リ
ジェクション回路を備えた装置が用いられている。

第５図は前記リジェクション回路を備えた肉厚測定装置
の信号処理系の信号増幅部の構成を示すブロック図であ
る。

図中１１は前置増幅器であり前置増幅器１１には図示し
ない超音波探触子から反射波の受信信号が与えられる。

前置増幅器では、前記受信信号を所定の増幅比（例えば
１０倍）で増幅し、リジェクション回路１２−・与える
。リジェクション回路１２では、前置増幅器１１から与
えられた信号の中で所定レベル以下の信号を消去し、主
増幅器１３へ与える。主増幅器１３では、リジェクショ
ン回路から与えられた信号を所定の増幅比（例えば２倍
）で再度増幅する。

第６図（ａ）〜（Ｃ）は第５図の信号増幅部の各部にお
ける増幅状態を示す模式図であり、第６図（ａｌは前置
増幅器１１の出力信号１第６図は山）リジェクション回
路１２の出力信号、第６図（Ｃ）は主増幅器１３の出力
信号を示す。

第６図ｆａ）に示される如く前置増幅器１１ではノイズ
信号ｎ１反射波信号Ｓ等の入力される信号の全てが所定
倍（例えば１０倍）される。リジェクション回路１２で
は入力信号の信号レベルから第６図（ａｌに示される如
き闇値であるリジェクション設定値Ｒを減じる。これに
よってリジェクション設定値Ｒ以下のレベルの信号は消
去され、リジェクション設定値Ｒよりも高レベルの信号
はその信号レベルからりジェクション設定値Ｒを滅した
信号レベルとなる。前記リジェクション設定値Ｒはノイ
ズ信号ｎが取り得ると予想される最大値以上に定めてお
くことにより、入力信号からノイズ信号ｎが除去され、
第６図（ト））に示される如き反射波信号Ｓが残る。そ
して、主増幅器１３では前記反射波信号Ｓが所定倍（例
えば２倍）される。このようにして検出信号からノイズ
信号ｎが除去できるようになっている。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、前述の如きリジェクション回路を備えた肉厚
測定装置では、反射波信号Ｓの信号レベルが変動する場
合があるが、第６図（ａｌに示す如く前置増幅器１１の
出力信号の反射波信号Ｓに例えば±３０％の変動があっ
た場合、反射波信号Ｓはリジェクション回路にてリジェ
クション設定（１！！Ｒ以下のレベルが消去されるが、
反射波信号Ｓにおけるリジェクション設定値Ｒよりも高
いレベルの部分に相当する信号のみが主増幅器１３で増
幅されるので、前述の如き増幅比の条件では±３０％の
変動量が±６０％の変動量になってしまい、このような
場合は著しく肉厚測定精度が低下する。また、前置増幅
器１１の出力信号の反射波信号Ｓの変動が予想以上に大
きく反射波信号Ｓの信号レベルがリジェクション設定値
Ｒ以下となった場合には、反射波信号Ｓが消去されてし
まうという問題があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、上述
の如き問題点を解決すべく受信信号を非線形の増幅特性
を備えた非線形増幅器によって増幅し、積層界面からの
反射波を良好なＳ／Ｎ比で取り出す構成とすることによ
って合せ材又は母材の肉厚を正確に測定することを可能
としたクラッド材の肉厚測定装置を提供することを目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係るクラフト材の肉厚測定装置は、母材と合せ
材との積層構造を有するクラッド材の母材厚又は合せ材
厚を超音波により測定する装置において、超音波探触子
と、該超音波探触子が受信した超音波反射波を非線形の
増幅特性にて増幅する非線形増幅器と、該非線形増幅器
の出力より母材厚又は合せ材厚に関する情報を夫々抽出
する手段とを具備することを特徴とする。

〔作用〕

超音波探触子によって受信される超音波反射波は、非線
形増幅器によって増幅されるが、非線形増幅器は、ノイ
ズ信号がとり得ると予想される最大レベル以下の入力信
号の増幅を行わず、またクラッド材で反射した超音波反
射波がとり得ると予想される最小値に相当する入力信号
レベルを増幅特性の屈曲点とする非線形の増幅特性を備
えておけば、この非線形増幅器にて増幅される超音波反
射波からはノイズ信号が除去される。非線形増幅器の出
力からは母材厚又は合せ材厚に関する情報が抽出される
が、これと共にクラッド材の全肉厚に関する情報を抽出
すれば母材厚と母材厚又は合せ材厚との情報から母材厚
及び合せ材厚が得られる。

〔実施例〕

以下、本発明をその実施例を示す図面に基づき具体的に
説明する。

第１図は本発明に係る肉厚測定装置（以下本発明装置と
いう）を測定対象のクラッド材と共に示す模式図である
。今、内面に合せ材を設けてなるクラ、・ド崎管等を測
定対象クラッド材Ｃとすると、超音波探触子１は外周側
の母材Ｃ５側に臨ませるようにして使用されることにな
る。探触子１は本発明の目的から母材Ｃ３と合せ材Ｃ２
との積層界面での反射波（以下界面エコーという）を有
効に取出す必要があるのでビーム収束型のものを用い、
また分解能向上のためにショックウェーブ型のものが用
いられる。１ａは水、油等の接触媒質を母材Ｃ１と探触
子１との間に介在させておくためのシューであって、探
触子１に嵌着されている。散逸していく接触媒質は給液
口１ｂから補充される。

なお超音波ビームの焦点が、予め知られている母材Ｃ７
の凡その厚さを考慮して母材１合せ材の界面に位置する
ように、探触子１及びシュー１ａの仕様を選定しておく
。

この探触子１には従来装置同様にパルス発振回路２が連
っており、このパルス発振回路２により探触子１内の振
動子が超音波を垂直に発する。そして表面、界面及び合
せ材Ｃ２の背面からの反射波は探触子１に捉えられ、受
信回路へ入っていく。

本発明装置はこの受信回路に特徴を有している。

即ち探触子１の振動子の音電変換作用により得られた信
号は前置増幅器４にて増幅された後、非線形増幅器５へ
入力される。

第２図は非線形増幅器５の非線形ゲインの増幅特性の一
例を示す特性口であって、縦軸に人力信号レベル、横軸
に出力信号レベルをとり、これらの関係を表している。

この特性は、ノイズ信号を除去するための闇値であるノ
イズレベルＮＬ以下の入力信号は増幅せず、入力信号レ
ベルがノイズレベルＮＬから非線形ゲインの屈曲点ＢＰ
までは第１ゲインＧ、にて増幅を行い、入力信号レベル
が屈曲点ＢＰを超える場合は第１ゲインＧ、よりもゲイ
ンが小である第２ゲインＧ２にて増幅を行うようになっ
ており、ゲインは入力信号レベルに応じて可変となって
いる。なお、ノイズ信号ｎを含めた受信信号の信号レベ
ルは変動する場合があるが、前記ノイズレベルＮＬはノ
イズ信号ｎが変動した場合に取り得ると予想される信号
レベルの最大値に設定する。また、前記屈曲点ＢＰは入
力信号が変動した場合に取り得る信号レベルの最小値に
なると予想される点に設定する。

このような特性の非線形増幅器５にて入力信号の増幅を
行う場合、例えば第２図に示す如きノイズレベルＮＬ以
下の信号レベルのノイズ信号ｎと屈曲点ＢＰより信号レ
ベルが高い反射信号Ｓが入力信号であると、前記ノイズ
信号ｎは除去され、反射波信号Ｓが第２ゲインＧ２にて
増幅されて出力される。これにより界面エコーＩの検出
の際のＳ／Ｎ比は良好となる。

非線形増幅器５でノイズ信号を除去されて増幅された受
信信号は、合せ材Ｃの厚みを求めるためのゲート回路で
ある合せ材厚ゲート回路６と、クラッド材Ｃの全体の厚
みを求めるための全肉厚ゲート回路７とに与えられる。

第３図は合せ材厚ゲート回路６で処理される信号の波形
図である。ここでＴは探触子１からの発振波、Ｓは母材
Ｃ，の表面からの反射波（以下表面エコーという）、■
は母材Ｃ０と合せ材Ｃ２との境界面での反射波（以下界
面エコーという）、Ｂは合せ材Ｃ２の底面からの反射波
（以下底面エコーという）の波形を夫々表している。

合せ材厚ゲート回路６には、界面エコーＩが出力される
時間よりも少し前に立上がり界面エコー■の出力後、少
しして立下がるゲート信号Ｇ１を、また底面エコーＢが
出力される時間よりも少し前に立上がり底面エコーＢの
出力後、少しして立下がるゲート信号Ｇ２を夫々予め発
振波Ｔに同期し超音波伝播速度に基づいて設定しておく
ことによって、Ｉ−Ｂ間のタイミングゲートである合せ
材厚ゲートＴＧＩが構成されている。合せ材厚ゲー）　
ＴＧＩの出力は第１厚み変換回路８へ与えられる。

第４図は全肉厚ゲート回路７で処理される信号の波形図
である。全肉厚ゲート回路７には、表面エコーＳが出力
される時間よりも少し前に立上がり表面エコーＳの出力
後、少しして立下がるゲート信号Ｇ３を、また底面エコ
ーＢが出力される時間よりも少し前に立上がり底面エコ
ーＢの出力後、少しして立下がるゲート信号Ｇ４を夫々
予め発振波Ｔに同期し超音波伝播速度に基づいて設定し
ておくことによって、Ｓ−Ｂ間のタイミングゲートであ
る全肉厚ゲートＴＧ２が構成されている。全肉厚ゲート
ＴＧ２の出力は第２厚み変換四路９へ与えられる。

前記第１厚み変換回路８及び第２厚み変換回路９はタイ
ムアナログ変換回路よりなる。第１厚み変換回路８はそ
の入力信号である合せ材厚ゲートＴＧＩから合せ材厚に
対応するアナログ信号を出力し、第２厚み変換回路９は
その入力信号である全肉厚ゲートＴＧ２から全肉厚に対
応するアナログ信号を出力する。また、第１厚み変換回
路８及び第２厚み変換回路９から出力されるアナログ信
号は、これらのアナログ信号の差を演算する母材厚演算
器１０に与えられる。母材厚演算器１０では第２厚み変
換回路９から与えられる全肉厚に対応するアナログ信号
から第１厚み変換回路８から与えられる合せ材厚に対応
するアナログ信号を減算する。この減算結果は母材厚で
あるので、母材厚演算器１０は母材厚に対応するアナロ
グ信号を出力する。

以上の如く構成された本発明装置による厚さ測定は従来
同様に探触子１を被測定物にシュー１ａが接するように
して臨ませることによって行われる。

探触子１が発した超音波は同じく探触子１によって捉え
られ、上述の如き構成の受信系回路によって処理される
。本発明の特徴部分たる、非線形増幅器５はノイズ信号
ｎを除去し、受信信号を所定量まで増幅する。非線形増
幅器においては、ノイズ信号ｎを除いた表面エコーＳ、
界面エコーＩ及び底面エコーＢ等の反射波信号Ｓが変動
した場合に取り得る最小値が非線形ゲインの屈曲点ＢＰ
となっているので、第２図に示される如く反射信号Ｓに
変動量ａの変動があった場合においても、この変動量ａ
の増幅結果である変動量すが増幅後の反射波信号Ｓに対
する割合が、前記変動量ａが増幅前の反射波信号Ｓに対
する割合と等しくなる。非線形増幅器５にて反射波信号
Ｓが増幅されると、ノイズ信号ｎを除去された反射波信
号Ｓに基づいて合せ材厚ゲート回路６より合せ材厚ゲー
トＴＧＩを、又全肉厚ゲート回路７より全肉厚ゲートＴ
Ｇ２を夫々求める。次に、第１厚み変換回路８及び第２
厚み変換回路９により合せ材厚ゲー）ＴＧＩ及び全肉厚
ゲートＴＧ２が厚みに変換され、クラッド材Ｃの全肉厚
及び合せ材厚が算出される。そして、母材厚演算器１０
において全肉厚の算出結果から合せ材厚の算出結果が減
算されて母材厚が算出される。

なお、本実施例においては第１ゲインＧ、及び第２ゲイ
ンＧ２を直線としたが、これに限らず前記直線に近似し
た曲線としても良い。また、本実施例においては非線形
増幅器５の下流側に合セ材厚ゲート回路６を設けたが、
これに限らず、母材厚に関する情報を抽出するための母
材厚ゲート回路を合せ材厚ゲート回路６の替わりに設け
、さらに母材厚演算器１０の替わりに合せ材厚を算出す
る合せ材厚演算器を設け、前記母材厚ゲート回路と全肉
厚ゲート回路７から得られる母材厚及び全肉厚の情報か
ら前記合せ材厚演算器にて合せ材厚を求めても良い。

〔効果〕

本発明に係るクラッド材の肉厚測定装置においては、非
線形の増幅特性を備えた非線形増幅器によって増幅する
場合にノイズ信号が除去されるので、積層界面からの反
射波を良好なＳ／Ｎ比で取出すことが可能であり、界面
エコー直近に出現するノイズ信号による誤測定を防止し
つつ合せ材又は母材の肉厚を正確に測定することが可能
になる。

そして本発明装置は超音波を利用するものであるから、
クランド材が非磁性体であっても通用でき、また試料の
全長、全面に亘る測定もスキャンニングによりオンライ
ンで行うことが可能であり、本発明がクラッド調等の品
質管理技術の向上に寄与する処は多大である等、本発明
は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すものであって、第１図は本
発明装置のブロック図、第２図は非線形増幅器の非線形
ゲインの増幅特性の一例を示す特性図、第３図は合せ材
厚ゲート回路で処理される信号の波形図、第４図は全肉
厚ゲート回路で処理される信号の波形図、第５図は前記
リジェクション回路を備えた肉厚測定装置の信号処理系
の信号増幅部の構成を示すプロ・７り図、第６図は第５
図の信号増幅部の各部における増幅状態を示す模式１・
・・超音波探触子　　２・・・パルス発振回路５・・・
非線形増幅器　　６・・・合せ材厚ゲート回路特　許　
出願人　住友金属工業株式会社代理人　弁理士　河　　
野　　登　　夫し 第 ］ 図 第 図 第 図 第 図 ａ） （ｂ） （ｃ） 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、母材と合せ材との積層構造を有するクラッド材の母
   材厚又は合せ材厚を超音波により測定する装置において
   、 超音波探触子と、 該超音波探触子が受信した超音波反射波を 非線形の増幅特性にて増幅する非線形増幅器と、 該非線形増幅器の出力より母材厚又は合せ 材厚に関する情報を夫々抽出する手段と を具備することを特徴とするクラッド材の 肉厚測定装置。