JPH0470560A - 自己発振型渦流計測法及び計測装置 - 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】 本発明は渦電流の計測および計測装置に関する技術で、
渦流計測用のコイルを高周波発振器の発振γ子に用い、
高精度な３ｒ−接触型変位計や渦流探傷装置を提供する
。

［従来の技術］ ｉｆＡ　ｉｔ流流計演法非接触で距離を計測したり、金
属体のパイプや板材の探傷法として広く知られている。

渦電流計測法を適用した非接触変位計の構成を第１１図
に示す。

第１１図において。

ｌは定振幅型サイン波発振器。２は電力増幅器３は信号
増幅器。４は同期検波器。５は変位計理１用可動金属片
。Ｄは検出ヘッド。Ｐは１次コイル。Ｓ、、Ｓ、ｉｌ　
１対の２次コイル　、　Ｖ、＋、Ｖｓｘは各２次コイル
の誘起電圧。

以下、第１１図を用いて公知技術の動作を簡単に説明す
る。図に示す如く、発信器ｌで一定振幅のサイン波電圧
を作り、電力増幅器２を介して、検出ヘッドＤの１次コ
イルＰに交流電流を供給する１次コイルの両側に配！し
た１対の２次コイルＳ＋、Ｓｘには、１次コイルＰと各
結合計数に＋　、に２に対応した誘起電圧ｖ＊　ｌ　＋
　ｖｍ　２が得られる。

今１図に示す如く、変位計測用金属片が１次コイルの中
心にある場合は、１対の結合計数に＋、　Ｌは相等しい
（Ｋ１．　Ｋｇ）　　従って、１対の２次コイル５１Ｓ
２の誘起電圧は、相等しい値となる。

次に変位計測用金属片が偏位すると、各結合係数は偏位
に対応して変化し、　Ｋｌ＞Ｋｌ又はに＋＜Ｋｚとなる
。そこで１対の２次コイルＳｔ、Ｓｉの結線を図に゛示
す如く逆結線にして、差分電圧ｌ　Ｖａｔ　−Ｖｓｇを
抽出し信号増幅器に印加する 因みに、１対の２次コイルＳｔ、　Ｓｓの誘起電圧は、
ｉｌ１式によって表示される。

Ｖｓ＝　　Ｖａｔ　　Ｖｓｓ ＝　（Ｋ＋ｎ＋−Ｋｘｎｔ）　Ｖｐ／Ｚｐ　　　・・・
（１１式＋ＩＩ式において。

Ｖｐは電力増幅器の出力電圧。

Ｚｐは１次コイルのインピーダンス。

ｎｌ＋ｎ！は１対の２次コイルの巻数・Ｋｌ、　Ｋｌは
各２次コイルの１次コイルに対する結合係数。

信号増幅器３で所期値に増幅された、出力電圧は同期検
波器４に加えられ、電力増幅器の出力（基本）電圧によ
り、同期検波されて直流電圧に変換される。この直流出
力電圧を測定することにより、間接的に変位計測用金属
片の移動距離を計測することが出来る。

［発明が解決しようとする課題］ 従来技術では、下記に示す問題点が伴在し、その改良技
術が要望されている。

（１）発振器の出力電圧の振幅値に比例して、変位に対
する検出感度が変化する。この為、発振電圧の振幅を一
定に保持する、自動振幅調整器が必要である。

（２）電力増幅器を必要とし、回路構成が複雑である。

（３）発振器を構成するため、クリスタル発振子や共振
用のコイルが必要となり、価格の上昇の原因となる。

［課題を解決するための手段］ 上記した従来技術の問題点を、本技術では渦流計測用の
コイルを、増幅器の帰還回路に使用して発振器を構成す
るとともに、渦電流の変化をコイルで測定する事で対処
した、全く新しい技術である。

本願の基本原理構成を第１図に示す。

第１図において。

Ａは増幅器、Ｃは並列共振用コンデンサー　Ｐは一次コ
イル。Ｓ、、　Ｓ、はｌ対の二次コイル。Ｄは・検出ヘ
ッド、５は変位計測用金属片。

以下第１図を用いて、本願の基本動作を説明する。検出
へラドＤの１次コイルにコンデンサーＣを結線して、並
列共振回路を構成する。

次にこの並列共振回路と抵抗Ｒとで、増幅器Ａの正帰還
回路を構成する。前記した並列共振回路の、合成インピ
ーダンスＺｔは、共振周波数で最大値を示しく２）式で
表示される。

ＺＴ＝　　ｉωＬｌ”／　ｒ＝ＱωＬ　・・・１２１式
（２）式において。

ｚＴは並列共振回路の合成インピーダンス。

ωは２πｆ、ＱはωＬ　／　ｒ。Ｌは１（欠コイルのイ
ンピーダンス。Ｆは周波数。ｒは１次コイルの抵抗。

従って、並列共振回路と抵抗Ｒの正帰還回路によって、
並列共振周波数で正帰還率ａ（ａ＝’ｌｒ／（Ｒ＋Ｚｔ
））が最大となり増幅器はほぼ共振周波数に等しい周波
数で発振する。

第２図は、第１図に示す基本構成による各部の電圧波形
を示し、この出力電圧波形を用いて本願の作用を詳細に
説明する。

増幅器へは抵抗Ｒと並列共振回路によって共振回路（７
）共振周波Ｗ’ｌｆ、＃１　／　（２πｒゴ７π）　ｆ
ｌｌｚｌテ最も大きい正帰還率になる為、第２図■に示
す短形波の電圧が得られる。

次に検出へラドＤの１次コイルには、（３）式で表示さ
れる電圧が・印加される。

ｖｐ＝　ａ　−Ｖｏ＝Ｖｏ−Ｚｔ／　（Ｚｔ＋　Ｒ）　
・・・１３１式（３）式において。

Ｖｏは増幅器Ａの発振出力電圧。ｖｐは１次コイルの電
圧。ｚＴは並列共振回路のインピーダンス、Ｒは帰還抵
抗。

（３）式において並列共振回路は、公知の如くバントパ
スフィルターの動作をする為、第２図の■に示す如く、
■の出力電圧中の高調波成分が除去されサイン波が得ら
れる。

次に、１次コイルにサイン波電圧Ｖｐが印加されると、
１対の２次コイルには従来技術と同様に、各結合係数に
、、　Ｋ、に比例した、誘起電圧が得られる。そこで、
１対の２次コイルＳ、、　Ｓ、に誘起する°電圧の、差
分電圧を測定する事により、変位計測用金属片の移動距
離を、計測する事が出来る。

更に本技術を用いる事により、電力増幅器を必要としな
い理由は、（３）式に示す如く並列共振回路によって、
合成インピーダンスがＱ・ω・Ｌに増加して、１次コイ
ルに印加される電圧が０倍にに増加する事による。

［発明の実施例］ 本技術の実施例を第３図に示す。

第３図において。

Ａは増幅器。Ｃは共振コンデンサー　Ｄは検出ヘッド。

Ｒは帰還抵抗。Ｐは１次コイル−Ｓｔ、　Ｓ−は１対の
２次コイル。５は変位計測用金属片。３は信号増幅器、
４は同期検波器。

以下、第３図を用いて本願実施例の、動作を説明する。

検出ヘッドＤの１次コイルＰとコンデンサー〇とで並列
共振回路を作り、抵抗Ｒとで増幅器Ａの正帰還回路を構
成して発振器を作る。

増幅器Ａの出力端子に、短形波の一定振幅の交流出力を
得る。

この出力電圧Ｖｏは、抵抗Ｒと共振回路によって高調波
成分が除去され、１次コイルの両端子にはサイン波の出
力電圧（ＶＩ＋）が得られる。この条件下で、変位計測
用金属片５が矢印方向に移動すると、１対２次：Ｉ　イ
ルＳ＋、　５ｘｆ）誘起電圧Ｖｓ＋、　ＶｍｔＬ差が発
生する。この差分電圧を信号増幅器３を介して、同期検
波器４に印加する。

同期検波器４には、増幅器Ａの出力電圧ｖＯが基１！電
圧として印加され、同期検波器の出力端子には、（４）
式に示す出力電圧が得られる。

ＶＤＣ＝　Ｅｓ−Ｇ−Ｃｏｓφ・−＋４１式４）式にお
いて。

ＶＤＣは同期検波器の出力電圧。Ｅｓは差分電圧。

Ｇは信号増幅器の増幅度、ψは信号増幅器の出力電圧と
増幅器Ａの出力電圧との位相角度。

（４）式に示す出力電圧を測定する事により、間接的に
、変位計測用金属片の移動距離を計測する事が出来る。

第４図は、本願の技術によって、変位計測用金属片の移
動距離に対する、同期検波器の出力電圧特性の一例であ
る。

図に示す如く、中心で出力電圧がＯｖで、変位に対して
３字特性を示し、１ｍｌ１１の変位で約　１．７Ｖの出
力電圧が得られる。

第５図は、本願の実施例により、検出ヘッドを含む電子
回路を恒温槽内に設置して、−２０℃〜＋６５℃間で温
度変化した時の、温度変化特性を示す。図に示す如く、
８５度の温度変化に対して出力電圧の変化は約５０ｍＶ
であり、この値は距離換算で　０．０２９ｍｍと極めて
小さい値で、計測精度の悪化は無視出来る。

笑６図は、本願の他の実施の構成を示すブロック図であ
る。

第６図において。

Ａは増幅器。Ｒは帰還抵抗、４は同期検波器。

５１Ｓｔは１対のコイル。５は変位計測用金属片。

Ｒ，、Ｒ１は負帰還用抵抗、６は信号増幅器。

以下、図６を用いて本願の実施例の動作原理を説明する
。

図に示す如く、検出ヘッドＤの１対のコイルＳ、、　Ｓ
、を順接に結線し、この１対のコイルにコンデンサＣを
並列に結線して並列共振回路を作る。

この共振回路と抵抗Ｒとで増幅器Ａの正帰還回路を構成
して図３と相等しく、発振器を作る。増幅器の出力端子
には、図２■に示す一定振幅の矩形波電力が得られる。

この出力電圧は、抵抗Ｒと並列共振回路によるバンドパ
スフィルタによって高調波成分が除去され、１対のコイ
ルＳ＋＋　Ｓｓのａ、ｂ間にサイン波の電圧Ｖａが得ら
れる。

１対のコイルＳヨコイルＳ、の中点Ｃの電圧Ｖｃは、各
コイルのインピーダンス２Ｓ＋、Ｚｓｌによって決定し
、（５）式によって表示される。

Ｖｃ＝Ｖａ−Ｚｓｘ　／　（Ｚｓ＋＋Ｚｓ＊ｌ　　・・
・１５１式（５）式において。

Ｘｓ　＋　、　Ｚｓｘは１対のコイルの各々のインピー
ダンス、　Ｖａはａ点における電圧（１対のコイルＳｔ
。

Ｓ、への印加電圧）この条件下で、検出ヘッドＤの変位
計測用金属片電気抵抗と透磁率が固定なので金属片の移
動距離に対応して各コイルＳｔ、　Ｓｓの。

インピーダンス２５１．２５１の値が変化する。

従って、１対のコイルＳ、、　Ｓ、の中点Ｃにおける電
圧Ｖｃは、変位計測用金属片の移動距離に対応して変ず
ける。そこで、負帰還用抵抗Ｒ，，Ｒ，で信号増幅器６
の負帰還回路を構成すると共に、１対のコイルＳｒ、　
Ｓｓの中点Ｃを信号増幅器の非反転入力端子に結線し、
信号増幅器６を差動増幅器として動作させる。今、変位
金属片５の位置が、１対のコイルｓ、　、Ｓ！の中心に
設置時、負帰還用抵抗Ｒ＋。

Ｒ８と１対のコイルの各インピーダンスＺｓ＋、Ｚｓｌ
の値が（６）式に成るようにＲ，、Ｒｉを設定すると信
号増幅器６差動増幅器と、動作し出力電圧は零ボルトと
なる。

Ｒｘ／　Ｚｓ＋　＝　Ｒ＋／　ＺＳｔ　　　・・・（６
１式（６）式において。

Ｒ，、Ｒ，は負帰還抵抗ｅ　Ｚｓ＋、Ｚｓｘ　ハ１対ノ
コイルＳ１．　Ｓ！の各インピーダンス。

この条件で変位計測用金属片が上下に移動すると、変位
計測用金属片５の移動距離に対応して。

各コイルＳｔ、Ｓｚのインピーダンス２ｓ、、Ｚｓ、と
に差が発生する。この為、信号増幅器６の出力端子に移
動距離に対応した、出力電圧が得られる。

この出力電圧を５期検波器４に印加して検波することに
より、変位計測用金属片の移動距離に対応した直流電圧
を得ることができる。

第７図は本実施例によって、変位計測用金属片の移動距
離に対する出力電圧特性を示す。

第７図に示すごとく、変位計測用金属片の移動距離に対
応して、５字特性の出力電圧特性が得られ、この出力電
圧値から移動距離を計測することができる。

第８図は、本願のさらに他の実施例を示す構成図である
。

第８図において。

Ｂはコイルボビン、Ｐはコイル、Ｍは被測定用メタル、
Ｌはコイルボビンとメタルとの相対距離その他、Ａ、Ｃ
，３，４，は第６図と相等しいので説明を省略する。

以下、第８図を用いて本願の他の実施例について動作原
理を説明する。

図に示すごとく、コイルボビンＢに巻かれたコイルＰと
コンデンサＣとで並列共振回路を構成しこの共振回路を
抵抗Ｒとで増幅器Ａの正帰還回路を作り、増幅器Ａを発
振器として動作させることで、コイルＰにはサイン波の
交流電圧が得られるこのサイン波電圧によって、コイル
Ｐに交流電流が流れ交流磁界が発生して、被測定用メタ
ルＭに渦電流が発生する。

この渦電流の反作用として、前記コイルＰのインピーダ
ンスのＱ　（Ｑ＝ωＬ／ｒ）が変化し、コイルＰに得ら
れる７サイン波電圧Ｖｐの値が変化する。前記した渦電
流の値は、コイルボビンと被測定メタルＭの相対距離り
に対応して変化するので、コイルＰの出力電圧Ｖｐを信
号増幅器３を介して、同期検波器４で直流電圧に変換す
る。この直流電圧を測定する事により、間接的にコイル
ボビンＢと、被測定メタルＭとの相対距離を計測する事
が出来る。

第９図に本願の技術により、相対距離りに対する同期検
波器４の出力電圧特性を示す。

図９にお、いて、帰還抵抗ＲをＩＯＫΩと２０にΩの２
水準に設定した時の出力電圧特性で、コイルボビンＢの
径ｄが３０ｍｍで、約３０ｍ＋ａの測定スパンが得られ
る。

第１θ図は１本願技術を渦流探傷に実施した例を示す。

図において。

７は移相器、８は被検査バイブ。ＳＩ、　Ｓ−は１対の
コイル、９は欠陥。その他、Ｒ−Ａ−Ｃ−ＲＲ２・６及
び４は第６図と相等しいので説明を省略する。

以下、第１０図を用いて本願技術を渦流探傷に実施した
例について説明する。

被検査バイブ内に１対の探傷用コイルｓ、、　ＳＩを設
置し、この１対のコイルを順接に結線して並列共振回路
を構成し、この共振回路と抵抗Ｒとで増幅器への正帰還
回路を作って発振器を作る。

この発振器によって２１対のコイルＳ１．　Ｓｓには・
ｖＮ　ｌ　、ｖｍ　１のサイン波電圧が印加される。こ
の電圧によって、１対のコイルに交流電流が流れ、交流
磁界が発生し、被検査バイブにＡｌｌ流を発生させる。

この渦電流の値は、被検査バイブに存在する欠陥（割れ
疵、孔）に対応して変化し、この反作用として１対のコ
イルＳ、、　Ｓ、の各インピーダンス２、　、　、２．
□の値が変化する。そこで、抵抗Ｒ，，Ｒ，で信号増幅
器６の負帰還回路を構成して、第６図と相等しく、差動
増幅器として信号増幅器６を動作させる。

今１図に示す如く、被検査パイプに欠陥が無い時、信号
増幅器６の出力電圧はＯＶである。しかし、１対のコイ
ルＳ、、　Ｓ、が矢印方向に移動して欠陥９と交差する
と、欠陥によって渦電流の値が変化し、信号増幅器の出
力端子に欠陥に対応した出力電圧が得られる。この出力
電圧を移相器７を介して、同期検波器に印加して直流電
圧に変換゛ζる事により、欠陥を検出する事が出来る。

［発明の効果］ （１）発振素子に渦電流計測用コイルを用いるので、特
別に発振用の素子を必要としない。

（２）渦１を流計測用コイルとコンデンサーで共振回路
を構成し、この共振回路と抵抗とで増幅器の帰還回路を
作り、−発振の発振出力電圧を得ている。

（３）抵抗Ｒと共振回路とで、バンドパスフィルターを
構成して渦電流計測用コイルにサイン波電流を供給して
、変位計測金属体に渦電流を発生させ、変位計測金属体
の移動距離を非接触で計測する事が出来る。

（４）検出ヘッドを含む、変位肝油１用電子回路の温度
変化に対する、ドリフト電圧特性は極めて優れ、−２０
℃〜＋６５℃温度変化に対して、移動距離ｍ算で、０．
０２９　ａｍである６（５）渦電流計測用コイルとコン
デンサーを用いて並列共振回路を構成し電圧拡大する事
により、電力増幅器を省略して必要とする電流を、コイ
ルに供給する事が出来る。

（６）構成が非常に簡単であり、小型化、無！１４整型
の計測が可能となった。この為、製作コストの低価格を
達成する事が出来る。

【図面の簡単な説明】

図１、本願の基本構成図。Ａは増幅器、Ｄは検出ヘッド
。Ｒは帰還抵抗。Ｃはコンデンサ、Ｐは検出ヘッドの１
次コイル。Ｓｔ、　Ｓｓは検出ヘッドの１対の２次コイ
ル、５は変位計測用金属片。 図２１図１に示す基本構成図における各部の出力電圧波
形。 図３、本願の１実施例で、１次コイルと１対の２次コイ
ルを用いた非接触型変位計の構成図。 図４、変位計の出力電圧特性。 図５、変位計の温度変化特性。 図６．１次コイルを用いない非接触型変位計の構成図。 図７．１次コイルを用いない非接触型変位計の出力電圧
特性。 図８、非接触距離計の構成図。 図９、非接触距離計の計測距離に対する、出力電圧特性
。 図１０、バイブのｆ４電流探傷法の構成図。 第 図 基本構成面 第 図 変位に対する出力電圧特性 第 図 温度変化特性 ｒ″’ｙ、（’ｗ ＱＪＡｆＸＦしρし ■ ■ ２次コイルＳ１の誘起電圧 ２次コイルＳ２の誘起電圧 第 図 各部の出力波形 第 図 Ｒ＝５００１ 第 図 ’；ｚ＝ｓｏａｆｌ 〉 詰 ン赤わに 手 続 補 正 書 方 式 事件の表示 平成２特許願第 号 発明の名称 自己発振型渦流計測法及び計測装置 郵便番号 （平成２年９ 月 日 補正の対象 「明細書の図面の簡単な説明の欄」 ８ベー ン ３行目に第１１図説明文追加 図３、本願の１実施例で、１次コイルと１対の２次コイ
ルを用いた非接触型変位計の構成図。 図４、変位計の出力電圧特性。 図５、変位計の温度変化特性。 図６．１次コイルを用いない非接触型変位計の構成図。 図７，１次コイルを用いない非接触型変位計の出力電圧
特性。 図８．非接触距離計の構成図。 図９、非接触距離計の計測距離に対する、出力電圧特性
。 図１０．パイプの渦電流探傷法の構成図。 図比従来技術による、渦電流計測法を、適用した非接触
型変位計の構成図。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）渦電流計測用コイルにコンデンサーを結線して並
   列共振回路を作り、この共振回路と抵抗とで増幅器の正
   帰還回路を構成して発振器を作り、増幅器の出力端子に
   一定振幅の短形波出力を得て、前記した抵抗と共振回路
   とでバンドパスフィルターを構成して、渦電流計測用コ
   イルにサイン波電流を供給し、被計測金属体と前記コイ
   ルとの相対位置や、被計測金属体に存在する欠陥による
   渦電流の変化を前記コイルによって検出することを特徴
   とする、自己発振型渦電流計測法および計測装置。
2. （２）（１）の構成による渦電流計測法において、渦電
   流の変化を計測するコイルに得られる、出力電圧を信号
   増幅器を介して同期検波器に印加し、同期検波器の基準
   信号に発振器の出力電圧を用いることを特徴とする、自
   己発振型渦電流計測法及び計測装置。