JPH0777465A

JPH0777465A - 表層部平均温度および厚さ方向温度分布測定方法

Info

Publication number: JPH0777465A
Application number: JP22305393A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Nakamura; 昌弘中村; Kazuo Fujisawa; 和夫藤沢
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-09-08
Filing date: 1993-09-08
Publication date: 1995-03-20

Abstract

(57)【要約】【目的】表面波を測温物体の表層部に伝搬し、伝搬速
度を求めてその伝搬速度から表層部平均温度および厚さ
方向温度分布を測定することができるような測定方法を
提供する。【構成】測温物体１の表面にたとえばＥＭＡＴのよう
な超音波探触子２１，２２が設けられ、送信用の超音波
探触子２１にはエネルギー供給を行なう超音波パルサ３
が接続され、受信用の超音波探触子２２には受信した信
号を増幅し表面波の周波数を選定するアンプおよびバン
ドパスフィルタ５が接続される。超音波パルサ３、アン
プおよびバンドパスフィルタ５は、ともに制御および演
算のためのコンピュータ４に接続される。また、コンピ
ュータ４には、測温物体１の表面温度を測定するための
接触式温度計７および放射温度計９が接続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、表層部平均温度およ
び厚さ方向温度分布測定方法に関し、特に、表面波を物
体の表層部に伝播させ、物体の表層部平均温度および物
体の厚さ方向温度分布を測定することができるような測
定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種製造プロセス管理、設備の保全にお
いて、温度の測定および管理は非常に重要である。特
に、高温物体や大規模な構造物においては、表面温度と
内部温度が大きく異なることも稀ではなく、表面温度の
みでなく内部温度や温度分布の管理も必要とされる。

【０００３】従来、内部温度や温度分布を測定する方法
としては、熱電対等を物体内部に挿入して測定する方法
が用いられている。しかし、熱電対を物体内部に挿入す
るためには、ドリル等で穴を空ける必要があるため、内
部温度分布が乱れ、正確な内部温度や温度分布の測定を
行なうことは困難であった。さらに、測定される物体に
ドリルホールという欠陥を入れる必要があり、ドリルホ
ールを入れることができない物体に対して、熱電対等に
よる内部温度や温度分布測定は適用されない。そこで、
物体に対してドリルホールなどの欠陥を入れず非破壊的
に内部平均温度を測定することのできる測定方法が特開
昭５３−１２４４８６号、特開昭５７−２４８３４号公
報で提案されている。

【０００４】その方法では、まず縦波あるいは横波超音
波を測温物体の厚さ方向に伝播させ、伝播時間と伝播距
離である測温物体の厚さとを測定する。その測定結果か
ら超音波の伝播速度を求め、予め測定しておいた伝播速
度と温度との関係を用いて、超音波が伝播した測温物体
の内部平均温度が測定される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、特開昭５３
−１２４４８６、特開昭５７−２４８３４号公報で提案
されているような超音波を測温物体の厚さ方向に伝播さ
せて測温物体の内部平均温度を測定する方法では、特に
超音波の伝播距離である測温物体の厚さは、かなり精度
よく測定される必要がある。すなわち、測温物体の内部
温度変化が与える超音波の伝播速度変化は、比較的小さ
いため、伝播速度を演算するための伝播時間と伝播距離
である測温物体の厚さの測定が精度よく行なわれる必要
がある。この精度に関して、たとえば鋼中に縦波超音波
を伝播させた場合に、温度による伝播速度変化は０．１
５％／１０℃程度であり、すなわち１０℃に関しての温
度精度を得るために、測温物体厚さは０．１５×１０^-2
以上の精度で測定される必要がある。

【０００６】ところが、巨大な構造物では、その巨大さ
ゆえに厚さの測定が行われにくく、また表面状態の悪い
物体の厚さの測定も行なわれにくいので、精度のよい厚
さの測定結果は得られない。したがって、精度のよい厚
さの測定結果が得られなければ、超音波を物体の厚さ方
向に伝播しても精度のよい伝播速度も得られないため、
巨大な構造物あるいは表面状態の悪い物体の内部平均温
度測定は正確に行われない。また、超音波を測温物体の
厚さ方向に伝播して内部温度を測定する方法は、ドリル
ホールなどの欠陥を測温物体に入れる必要のない利点を
有するが、熱電対などを用いた測定で得られる測温物体
の温度分布を測定することはできない。

【０００７】ゆえに、この発明は、上記のような問題を
解決し、測温物体にドリルホールなどの欠陥を入れるこ
となく、また測定困難な場合が多い材料の厚さを測定す
ることなく、測温物体表層部の内部温度および厚さ方向
温度分布を迅速かつ高精度で測定できる表層部平均温度
および厚さ方向温度分布測定方法を提供することであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る表
層部平均温度測定方法は、表面波を測温物体の表層部に
伝播させ、表面波の伝播距離と伝播時間を測定して伝播
速度を演算し、測温物体と同じ材質の物体により予め測
定した物体表層部平均温度と表面波伝播速度との関係を
用いて、演算された伝播速度から測温物体の表層部平均
温度を測定する。

【０００９】請求項２の発明に係る表層部平均温度測定
方法は、測温物体が導電性の材料であるとき、超音波探
触子に電磁超音波探触子を用い、これを複数の周波数の
超音波送信電流で駆動することにより複数の周波数の表
面波を伝播させ、表面波の伝播距離と伝播時間を測定し
て伝播速度を演算し、測温物体と同じ材質の物体により
予め測定された物体表層部平均温度と表面波伝搬速度と
の関係を用いて、演算された伝搬速度から異なった深さ
までの測温物体表層部平均温度を測定する。

【００１０】請求項３の発明に係る表層部厚さ方向温度
分布測定方法は、周波数の異なる複数の表面波を測温物
体の表層部に伝播し、各表面波の伝播距離と伝播時間を
測定して伝播速度を演算し、測温物体と同じ材質の物体
を予め測定して決定した伝播速度に作用する表層部の温
度分布に関するパラメータを用いて、演算された伝播速
度から測温物体の表層部厚さ方向温度分布を測定する。

【００１１】

【作用】請求項１および２の発明に係る表層部平均温度
測定は、表面波を測温物体の表層部に伝播し、測定され
た表面波の伝播距離と伝播時間によって演算される伝播
速度に対して、予め測定された伝播速度と測温物体の温
度との関係を適用するので、表面波が伝播した深さの表
層部平均温度を測定することができる。

【００１２】請求項３の発明に係る表層部厚さ方向温度
測定方法は、表面波を測温物体の表層部に伝播し、測定
された伝播距離と伝播時間によって演算される伝播速度
に対して、伝播速度と温度分布を結び付ける予め決定さ
れたパラメータを適用するので、表面波の伝播速度に影
響を与える表層部厚さ方向温度分布を測定することがで
きる。

【００１３】

【実施例】この発明では、測温物体を伝播する表面波の
伝播速度が測温物体の温度に伴って変化すること、およ
び測温物体が厚み方向に不均一な温度分布を有する場合
に伝播させる表面波の周波数が異なれば表面波の伝播速
度も異なることを利用して、表面波の伝播部分である測
温物体の表層部の内部平均温度や厚さ方向温度分布の測
定が行なわれる。

【００１４】図１は、この発明の一実施例による表層部
平均温度および厚さ方向温度分布測定方法を説明するた
めの装置の概略ブロック図である。

【００１５】図１を参照して、測温物体１は、表面波減
衰が非常に大きく伝播速度の測定ができないようなたと
えば木材、ゴム等のような物体ではなく、たとえば熱間
圧延用スラブあるいはビレット等の物体である。測温物
体１の表面に表面波の送信を行なうため超音波探触子２
１を設け、その超音波探触子２１に所定の間隔で表面波
の受信を行なうための超音波探触子２２を設ける。この
超音波探触子２１，２２が、たとえば後で詳しく説明す
る梯子状のコイルからなる電磁超音波探触子（以下ＥＭ
ＡＴと略す）であれば、超音波探触子２１，２２と測温
物体１とが非接触であっても表面波の送受信を行なうこ
とができる。したがって、表面波の送受信に水などの接
触媒質を用いる必要はないため、測温物体１が高温であ
っても表面波伝播速度を測定できる。また、ＥＭＡＴで
用いたコイルに流す電流の周波数を変化させて周波数
（基本波周波数の整数倍、あるいは２ｎ＋１倍）の異な
る複数の表面波を超音波探触子２１，２２は送受信でき
る。

【００１６】送信用の超音波探触子２１には、超音波探
触子２１を駆動させるためにエネルギ供給を行なう超音
波パルサ３が接続され、受信用の超音波探触子２２に
は、超音波探触子２２が受信した信号を増幅および受信
した表面波の周波数の選定を行なうためのアンプおよび
バンドパスフィルタ５が接続される。超音波パルサ３と
アンプおよびバンドパスフィルタ５は、ともにコンピュ
ータ４に接続される。コンピュータ４は、超音波パルサ
３に超音波探触子２１が発生する表面波の周波数や発生
のタイミングなどを表す信号を出力し、アンプおよびバ
ンドパスフィルタ５によって入力された信号から表面波
伝搬速度を演算し、予め保存しておいたデータと比較演
算して表層部平均温度および厚さ方向の温度分布表示を
行なう。コンピュータ４には、超音波パルサ３、アンプ
およびバンドパスフィルタ５の他に測温物体１の表面温
度を測定する接触式温度計７あるいは放射温度計９が接
続される。

【００１７】以下、図１に示した実施例における表層部
平均温度測定方法および表層部厚さ方向温度分布測定方
法の測定原理について詳細に説明する。

【００１８】図２〜図４は、この発明の一実施例による
表層部平均温度測定方法の原理を説明するための図であ
る。特に、図２は、表面波音速と測温物体における表面
波が伝播した部分の平均温度の関係を示したグラフであ
り、図３は、表面波の波長すなわち伝播速度を周波数で
割った値と測温物体において表面波が伝播する深さとの
関係を示した図であり、図４は、測温物体における深さ
とその深さでの温度との関係を示した図である。

【００１９】図２〜図４を参照して、予め測温物体と同
じ材質で平均温度Ｔ_ave（ｚ）と表面波音速Ｖｒ（λ）
との関係を図２に示すように測定しておく。次に、表面
波の周波数を変化させると表面波の測温物体における伝
播深さが異なること、具体的には表面波の測温物体にお
ける伝播深さが図３に示すように表面波の波長程度（ｚ
≒λ）であることを用いる。たとえば５ＭＨｚ程度の銅
中の表面波では深さ０．５ｍｍ程度までの伝播部分があ
り、１００ｋＨｚ程度の低周波の銅中の表面波では深さ
３０ｍｍ程度までの伝播部分があることになる。

【００２０】したがって、周波数を変化させて、すなわ
ち波長を変化させて超音波探触子２１から表面波を送信
し、その表面波を超音波探触子２２で受信して表面波音
速Ｖｒ（λ）を測定する。この測定結果に対して、図２
に示した表面波音速Ｖｒ（λ）と平均温度Ｔ_ave（ｚ）
との関係を用いれば、測温物体１の深さｚ≒λまでの平
均温度Ｔ_ave（λ）が求められる。この平均温度Ｔ_ave
（ｚ）は、測温物体１の温度Ｔがたとえば表面温度Ｔ₀
と内部温度との関係などから図４に示すように深さｚに
対して変化していた場合の深さλに対するＴ₀からＴ′
までの平均温度を意味する。

【００２１】次に、上述した測定原理に基づいた表層部
平均温度の測定例として、表面温度４２５℃、内部温度
４５０℃、厚さ５０ｍｍの測温物体の温度分布を変化さ
せ、本装置による表層部平均温度測定結果と従来の方法
である熱電対による表層部平均温度測定結果の関係を図
７に示す。図７からわかるように、プロットした点で示
された本装置による測定値と従来法による測定結果とが
非常によく対応することを確認した。

【００２２】次に温度分布測定法について説明する。測
温対象物体の温度分布測定では、表面波音速は伝播され
る表面波の周波数（波長）と温度分布の関数である事を
用いる。すなわち、ある特定の超音波の周波数（波長）
において各深さの温度が表面波音速にあたえる影響の度
合が異なることを用いて、表面波音速から温度分布の推
定を行う。すなわち、図５に示すように測温物体１にｎ
層の温度分布（Ｔ１〜Ｔｎ）が存在すると仮定する。そ
のとき、波長がλである表面波音速Ｖｒ（λ）は、第
（１）式のような温度分布の線形結合で表現される。な
お、Ｖｒ₀は、測温物体が基準温度均一であるときの表
面波音速であり、ｃ１（λ）〜ｃｎ（λ）は、各深さの
温度分布が表面波音速に与える影響係数（パラメータ）
を示し、波長λの関数である。

【００２３】これらのパラメータは、予め測温物体と同
じ材質の物体の温度分布を変化させて、表面波伝播速度
を測定しておけば測定できる。たとえば、測温物体と同
じ材質のテストピースに熱電対を埋込み、測温物体と同
じ材質の物体の温度分布を変えて伝播速度測定を行なえ
ばよい。これによって、熱電対によって各深さの温度分
布Ｔ１〜Ｔ_nは測定され、温度分布を最低ｎ種類変化さ
せて表面波伝播速度の測定を行なえば、パラメータｃ１
（λ）〜ｃｎ（λ）の未知数ｎ個に対して式がｎ個作る
ことができるため、未知数であるパラメータｃ１（λ）
〜ｃｎ（λ）が決定される。

【００２４】

【数１】

【００２５】したがって、このように決定されたパラメ
ータｃ１（λ）〜ｃｎ（λ）を用いて、未知な温度分布
Ｔ１〜Ｔｎを以下に示すように測定することができる。

【００２６】まず、ｎ層の温度分布を有する測温物体１
における各層の温度は、Ｔ１〜Ｔｎであり、それぞれ一
定であるとする。波長λをλ₁〜λ_nというようにｎ種
類変化させて、表面波伝播速度を測定する。これによ
り、第（２）式に示すようなｎ本の式による連立方程式
が成立し、ｎ個の未知数であるＴ１〜Ｔｎは連立方程式
が解かれることで求められる。

【００２７】次に、測温物体内部の温度変化が深さに対
して線形で変化する場合、またはある関数形として表現
できることがわかっている場合に、その関数の未知パラ
メータの数、たとえば二次関数であれば３種類の周波数
の表面波音速（あるいは伝播速度）を測定すれば温度分
布は測定される。すなわち、まず表面波音速は第（３）
式のように表現される。なお、Ｖｒ₀は、測温物体が基
準温度均一であるときの表面波音速、ｃ（ｚ）は深さｚ
の温度が表面波音速に与える影響係数（パラメータ）、
Ｔ（ｚ）は深さｚにおける測温物体の温度、ｄは表面波
の伝播深さである。具体的には、図６に示すようにＴ
（ｚ）が二次関数である場合には、Ｔ（ｚ）は第（４）
式のように表される。Ｔ₀は測温物体の表面温度であ
り、図１に示した実施例の接触式温度計７あるいは放射
温度計９などを用いれば測定される。未知パラメータは
α，βであり、また、表面波の伝播挙動は測温物体表層
からの深さｚに対して対数的に変化するので、各深さ温
度の音速への影響係数は第（５）式のように仮定され
る。なお、第（５）式において、Ａ，Ｂは伝播する表面
波波長λ_aにより決定される定数であり、Ｃ，Ｄはλ_b
により決定される定数である。第（３）式は、波長λ_a
およびλ_bのそれぞれに対して第（４）式および第
（５）式によって第（６）式のように書き表される。

【００２８】したがって、α，βという２つのパラメー
タは、２種類の周波数の表面波音速を測定すれば、第
（６）式によって決定される。決定されたα，βを第
（４）式に代入すれば、測温物体の温度分布がわかる。
なお、温度分布が表面波音速へ与える影響を示す影響係
数ｌ（λ_a）、ｍ（λ_a）、ｌ（λ_b）、ｍ（λ_b）
は、従来法によって既知の最低２種類の温度分布に対し
て表面波音速を測定し、第（７）式および第（８）式に
示すような式を立てて求めればよい。第（７）式および
第（８）式において、Ｖｒ₁およびＶｒ₂は、測温物体
の温度分布を変えて測定した測定結果であり、α₁，β
₁，α₂，β₂は従来法を用いて決定した温度分布のパ
ラメータである。また、測定精度を向上させるために影
響係数ｌ（λ_a）などは、正確であった方がよい。その
ため、影響係数の算出のための測定結果である表面波音
速に対して、最小二乗法を用いて誤差をできるだけ小さ
くした方がよい。

【００２９】次に、上述した測定原理に基づいた表層部
厚さ方向温度分布の測定例として、表面温度５００℃、
内部温度６００℃、厚さ５０ｍｍの鋼板の温度分布を推
定した結果を図８に示す。ただし、図８には表面から２
０ｍｍまでの結果を示しており、厚さが２５ｍｍのとこ
ろで極大値６００℃を示す。また、推定に用いた表面波
は周波数１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚであり、オフライ
ン的に求めた音速への影響係数を表１に示す。図８に示
すように、プロットした点で示す推定された温度分布
は、実線で示した測温物体の温度分布上にきれいに乗っ
ている。すなわち、上述した測定原理による厚さ方向温
度測定は、精度よく行なわれたことが図８によりわか
る。

【００３０】

【数２】

【００３１】

【表１】

【００３２】図９は、超音波探触子として用いたＥＭＡ
Ｔを説明するための図であり、特に、図９（ａ）はＥＭ
ＡＴの下面図であり、図９（ｂ）はＥＭＡＴと測温物体
である導体との関係を示した図である。図１０は、表面
波がＥＭＡＴにより発生した状態を示す図であり、特に
図１０（ａ）は１００ｋＨｚの表面波についての図であ
り、図１０（ｂ）は３００ｋＨｚの表面波についての図
である。

【００３３】図９および図１０を参照して、永久磁石１
１の下面にセンサコイル１２を取付ける。センサコイル
１２が取付けられた永久磁石１１を導電導体である測温
物体１に非接触で設ける。図９（ａ）に示すようなＥＭ
ＡＴパルサにより矢印で示した方向に送信電流を流した
とすると、図９（ｂ）に示す方向にコイル電流１３が流
れる。このコイル電流１３によって誘起した渦電流１５
が測温物体１に表れる。このように誘起した渦電流１５
と永久磁石１１との間の相互作用であるローレンツカや
測温物体１の持つ磁歪効果によって、電気信号は音響信
号に可逆的に変換される。

【００３４】通常用いられる電気式超音波探触子は圧電
効果により発生した表面波をアクリル等で作られた楔を
介して送受信する。したがって、測温物体と密接触しな
ければならず、高温物体や表面性の悪い物体では送受信
はうまく行なわれなかった。ところが、上記のようなＥ
ＭＡＴは、測温物体と非接触で表面波を送受信すること
ができるため、高温物体や表面性の悪い物体に対して利
用価値の高い超音波探触子である。

【００３５】さらに、通常の電気式超音波探触子は、楔
背面に貼付けてある振動子に依存した表面波しか発生で
きない。つまり、振動子の膜厚で決定される１つの周波
数の表面波しか発生できない。したがって、異なる周波
数の表面波を送受信するためには、その周波数ごとに１
組の探触子が必要である。しかし、ＥＭＡＴは、センサ
コイル１２に与える電流の周波数を変えれば、たとえば
図１０（ａ）に示すような１００ｋＨｚの表面波を発生
させたり、図１０（ｂ）に示すような３００ｋＨｚの表
面波を発生させたりできる。ただし、図１０（ａ）にお
けるコイルピッチは波長の半分のλ／２＝１３ｍｍとし
て、１００ｋＨｚの表面波を効率よく発生させている。
このコイルピッチのままで、センサコイルに３００ｋＨ
ｚの電流を流して３００ｋＨｚの表面波が図１０（ｂ）
のように発生されている。

【００３６】なお、測温物体１が導電導体の場合にＥＭ
ＡＴは、効果的に表面波を送受信するが、測温物体１の
電気抵抗が小さく、透磁率が高く、磁歪効果が大きけれ
ば、電気−音響変換効率が高くなるため、より効果的に
表面波を送受信することができる。

【００３７】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、表面波
を測温物体の表層部に伝播して、伝播速度から表層部平
均温度および厚さ方向温度分布を高精度で測定すること
ができるので、製造プロセスにおける制御および構造物
の管理を正確にきめ細かく行なうことができる。さら
に、低周波の表面波を用いれば、測温物体の深層部まで
表面波が伝播するので、より測温物体の表面から深層部
までの表層部平均温度および厚さ方向温度分布を測定す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による表層部平均温度およ
び厚さ方向温度分布測定方法を説明するための装置の概
略ブロック図である。

【図２】この発明の一実施例による表層部平均温度測定
方法の原理を説明するための第１の図である。

【図３】この発明の一実施例による表層部平均温度測定
方法の原理を説明するための第２の図である。

【図４】この発明の一実施例による表層部平均温度測定
方法の原理を説明するための第３の図である。

【図５】この発明の一実施例による表層部厚さ方向温度
分布測定方法の原理を説明するための第１の図である。

【図６】この発明の一実施例による表層部厚さ方向温度
分布測定方法の原理を説明するための第２の図である。

【図７】この発明の一実施例による表層部平均温度測定
方法に基づいて測定した測定結果と従来法に基づいて測
定した測定結果との関係を示した図である。

【図８】この発明の一実施例による表層部厚さ方向温度
分布測定方法に基づいて測定した測定結果と実際に測温
物体に与えた温度分布との関係を示した図である。

【図９】超音波探触子として用いたＥＭＡＴを説明する
ための第１の図である。

【図１０】超音波探触子として用いたＥＭＡＴを説明す
るための第２の図である。

【符号の説明】

１測温物体３超音波パルサ４コンピュータ５アンプおよびバンドパスフィルタ７接触式温度計９放射温度計

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面波を測温物体の表層部に伝播させ、
前記表面波の伝播距離ならびに伝播時間を測定して伝播
速度を演算し、予め前記測温物体と同じ材質の物体によ
り得た前記表面波の伝播速度と前記物体の温度との関係
を用いて、前記演算された伝播速度から前記測温物体の
表層部平均温度を測定することを特徴とする、表層部平
均温度測定方法。
【請求項２】前記表面波の送信、受信のために１対の
電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ）を導電性の測温物体に非
接触で設け、前記電磁超音波探触子を駆動する電流の周
波数を変化させて周波数の異なる複数の表面波を送受信
し、前記複数の表面波の伝播速度により表層部平均温度
を測定することを特徴とする、請求項１記載の表層部平
均温度測定方法。
【請求項３】前記測温物体と同じ材質の物体の温度分
布を種々に変化させた前記物体に、周波数の異なる複数
の表面波を伝播させ、前記各表面波の伝播距離と伝播時
間を測定して伝播速度を演算し、各々の温度分布と表面
波音速との関係から決定した前記伝播速度に作用する温
度分布に関するパラメータを求め、前記測温物体に複数
の周波数の表面波を伝播させ、前記伝播速度を演算し、
前記パラメータを用いて前記測温物体の表層部厚さ方向
温度分布を測定することを特徴とする、表層部厚さ方向
温度分布測定方法。