JPH10197215A - 管状製品の内壁の光学検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 細い熱交換器管の内部を検査する光学検査装
置の構造をシンプルにしてコスト効率を向上する。 【解決手段】 バッテリ駆動のダイオードレーザ２５
が、検査される管状製品３の中に挿入される細長の管状
ケーシング５の先端７の中に設けられる。ダイオードレ
ーザ２５はレーザビーム光２９を発生する。アパーチュ
ア３９が後ろにある回折格子３５は、単一の中空円錐形
レーザ光放射４１を発生し、これは回折格子３５に対向
し且つ軸方向に並んで位置合わせされた円錐ミラー４５
によって、管状ケーシング５の透明部４７を通って横方
向外向きに投射されて管状製品３の内壁表面１５上に連
続輪状の放射を投ずる。管状ケーシング５の基端１３の
中に円錐ミラー４５の後ろを向いて設けられた小型の電
子カメラ２１が、管状製品３の内壁表面１５上に投じら
れた連続輪状の放射の完全な像を捕捉する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】本発明は、熱交換器管のように幅の狭い
管状製品の壁を、その管状製品の中で発生したレーザ放
射のリングをその製品の内壁に投じ且つその像をビデオ
カメラを用いて捕らえることにより光学的に検査する装
置に関する。

【０００２】

【発明の背景】管状製品、特に熱交換器の管のように圧
力を受けて運転されるものの信頼性ある性能は、検査が
定期的に為されることを必要としている。加圧水型原子
力発電所の蒸気発生器の管が一つの良い例である。原子
力規制委員会の規則は、プラントの燃料交換のための運
転停止期間に定期的な原子力発電所評価を行うことを要
求している。蒸気発生器管の評価は、全プラント稼働率
を改善することを目的とする予防的或いは補正的保守プ
ログラムの切り離せない一部である。管の検査は、継続
運転のための管の健全性を確保するために管の状態の特
性を明らかにするための手段を提供する。個々の管の状
況は、厳しい運転環境からくる漸進的な材質劣化、外部
力の影響を、そして時には検査乃至点検補修手順の影響
をも、含む種々な要因によって、蒸気発生器の運転過程
において変化する。デンテング（窄み）を起こしたり、
損傷されたりした管は、高く且つ一様でない応力及び歪
みを受けており、よって材質劣化や損傷の加速に対して
敏感である。

【０００３】蒸気発生器管の検査は、管の内径が例えば
１２．７mm(1/2インチ）乃至２５．４mm(1インチ) のよ
うに非常に小さいことがあるという事実により複雑化さ
れる。従来より、蒸気発生器管内部の評価は、多周波渦
電流技術を用いて行なわれてきた。渦電流検査は、管の
中に誘導された渦電流の流れにおける変化を測定するこ
とによって、管壁の材質劣化や形状の変化を測定する。
特定のパターンが材質劣化、デンティング（凹み）、付
着又は異常な形状を示す。しかしながら、この方法は、
管の内面の高精度の特性化に必要な解像度を堤供できな
いし、そして評価を受けている管の外部の条件或いは物
体の影響を受ける。

【０００４】別の管検査方法が米国特許第４，７２５，
８８３号に記載されている。機械的なフィーラゲージを
担持したプローブが管の内部に挿入される。小型の電荷
結合デバイス（ＣＣＤ）カメラがフィーラゲージと管内
壁との交差像を捕捉する。この像は管の内面の欠損を識
別するために分析される。このような検査装置は解像度
を制限してきた。

【０００５】ごく最近において、管の中に挿入されてい
るプローブに外部で発生されたレーザ光を伝送する光フ
ァイバを使用する検査装置が堤供されている。レーザ光
は、回転ミラーにより横方向へ偏向され、光の輪を管の
内壁上に投ずる。管の壁との光の輪の交差の像は、円錐
形ミラーによって２軸光検出器上に導かれるが、その検
出器は側方効果（lateral-effect）検出器或いは電荷結
合デバイス（ＣＣＤ）検出器のどちらでも良い。該装置
は、光の輪を発生するために１８００ｒｐｍで回転する
ミラー系を必要とする。この回転ミラー機構が２軸光検
出器のサイズを減少する。

【０００６】他の管検査用レーザ装置も、管の中に挿入
されているプローブに外部で発生されたレーザ光を伝送
する光ファイバを使用している。コリメーティングレン
ズは、特別のパノラマ式ドーナツ形レンズの中心を通し
てレーザ光を円錐形ミラーに集束し、これは光の連続輪
をプローブの窓を通して管壁に投じる。照明された表面
の像はパノラマ式ドーナツ形レンズを通じて集められ、
そして管の外にある光検出器へ送るためにコリメーティ
ングレンズを通して供給光ファイバを囲んでいるコヒー
レントな光ファイバ束へ導かれる。この装置は、光ファ
イバ束の解像度によって制限を受ける解像度を有し、そ
して複雑なパノラマ式ドーナツ形レンズを必要とする。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従って、管状製品、特
に熱交換器管のような小さい内径を持つもの、の検査装
置に対する改善のニーズがある。高い解像度を有する前
述の装置に対する特別のニーズがある。シンプルで全景
的であって高い解像度を有し、好ましくは回転するミラ
ーや複合レンズを必要としない前述の装置に対するニー
ズがある。

【０００８】

【発明の概要】これら及び他のニーズは、管状製品の中
に挿入されるプローブを有する管状製品の光学検査装置
を指向した本発明によって満たされる。そのプローブの
ハウジング内に設けられたパターン発生手段は、レーザ
光の放射（広がり）を発生すると共にその管状製品の内
壁上へ前記レーザ光放射の構成パターンを投ずる。管状
製品の内壁上の前記レーザ光放射の構成パターンの像を
捕らえるために電子カメラが又、その細長のプローブハ
ウジング内に設けられる。このようにして、レーザ光の
放射源とレーザ光放射の構成パターンを発生する手段、
並びに管状製品の内壁上のレーザ放射の構成パターンの
像を捕らえる電子カメラが全て、管状製品の中に挿入さ
れるプローブの中に組み込まれる。レーザエネルギーを
管状製品の内外に伝送するための光ファイバは必要とし
ない。まさにそのようにして、プローブハウジングは２
５．４mm（１インチ）より小さい外径を持ち、そして１
２．７mm（１/２インチ）より小さい外径を持つことさ
えある。

【０００９】プローブハウジング内に設けられたパター
ン発生手段は、レーザビーム光を発生するダイオードレ
ーザと管状製品の内壁に投じられるレーザ光放射の構成
パターンをそのレーザビーム光から発生する手段とを有
する。細長のプローブハウジングは、先端と基端とを有
する。パターン発生装置はそのプローブハウジングの中
にその先端に面して設けられ、そして電子カメラはプロ
ーブハウジングの中にその基端に面して設けられ、その
結果カメラ用電線は基端に向かって延びている。

【００１０】自己電源を備えた自立型ダイオードレーザ
は、プローブハウジングの先端に面して位置している。
そのダイオードレーザとビデオカメラとの間に、ダイオ
ードレーザによって発生されたレーザビーム光からリン
グ状のレーザ光放射を発生するための手段が設けられて
いる。これは、該レーザビーム光から中空円錐形のレー
ザ光放射を発生する手段及びその中空円錐を光の連続リ
ングとして管状製品の壁に投ずる手段を含んでいる。

【００１１】好適な実施形態において、ダイオードレー
ザは、プローブハウジングの中心軸に沿って、レーザビ
ーム光をその基端に向かって導く。レーザ光放射の中空
円錐を発生する手段は好ましくは回折格子であり、管状
製品の内壁にレーザ光放射の中空円錐を投じる手段は、
レーザビーム光に一致する中心軸を有すると共にその回
折格子に対向する円錐形ミラーを有する。電子カメラ
は、円錐ミラーの中心軸に中心軸が一致して配列され、
その円錐ミラーの背面に対向しているビデオカメラであ
る。パターン発生手段は、回折格子と円錐ミラーとの間
に位置してレーザ光放射の単一中空円錐と円錐ミラーに
向かう中心光のみを通すようにサイズが決められている
アパーチュアを画成する手段を更に有する。円錐ミラー
手段は、光吸収仕上げを有する截頭端部を具備した截頭
円錐ミラーを有し、その光吸収仕上げには回折格子によ
って単一の中空円錐と一緒に発生された中心光が衝突
し、吸収される。截頭円錐ミラーは、プローブハウジン
グに向かって外向きに延びる半径方向サポートによって
レーザビーム光及びビデオカメラに同軸に支持される。
この半径方向サポートは、円錐ミラーによって管状製品
の内壁上に投じられるレーザ光放射の輪の通路、即ち管
状製品の内壁上のレーザ光放射の輪とビデオカメラの間
の視野線の中に無いように位置される。

【００１２】

【発明の実施の形態】次の好適な実施形態の説明を添付
の図面と関連付けて読むと、本発明の完全な理解が得ら
れる。図１は、管状製品３の内部で検査を行う位置にあ
る本発明による装置１を示している。この管状製品３
は、例えば、加圧水型原子力発電所の蒸気発生器の管の
ような熱交換器管であり得る。このような管は、約１イ
ンチ（２５．４mm）よりも小さく、そして約０．５イン
チ（１２．７mm）の小ささの内径ｄ₁を持つことがあり
得る。

【００１３】装置１は、約１インチと小さくそして約
０．５インチでもあり得る外径ｄ₂を有する細長い管状
ケーシング５を有している。プローブハウジング５は先
端７において、管３へ挿入するために半球状になってい
る。管状製品３の内壁表面１５に対してプローブハウジ
ング５を心合わせするために、公知の調心装置９，１１
が先端７及び基端１３にそれぞれ隣接してハウジング５
に設けられている。

【００１４】細長い管状ケーシング５の中に、管３の内
壁表面１５上に構成光１９のパターンを発生するための
パターン発生器１７が設けられ、そして内壁表面１５上
の光１９の構成パターンの交差の像を捕捉するためのビ
デオカメラのような電子カメラ２１が設けられている。
１２．７mm（０．５インチ）より小さい外径のビデオカ
メラは商業的に入手可能である。そのような小さい外径
であっても、例えば、７６８画素×４９４画素の像を発
生し、４．８mm×３．６mmの有効像面積を生ずることの
できるカメラが入手できる。このようなカメラは、従来
使用されていた光ファイバ束よりも更に高い解像度を提
供できる。

【００１５】パターン発生器１７は、ダイオードレーザ
２５とその作動のために電力を供給する電池パック２７
からなる自立レーザ光発生器２３を有する。このレーザ
ビーム光発生器２３はプローブハウジング５の中で先端
７の近くに支持されていて、プローブハウジング５の基
端１３に向かってプロープハウジング５の中心軸３１に
殆ど一致して軸方向にレーザビーム光２９を発射する。
パターン発生器１７は又、レーザビーム光２９をレーザ
光放射の構成パターン１９に転換するための光学系３３
を有する。光学系３３は、レーザビーム光２９から中空
円錐形のレーザ光放射及び中心光を発生する回折格子３
５を有している。光学系３３は更に、内部のアパーチュ
ア３９が放射４１の中心中空円錐と不必要な中心光４３
のみを通過させるプレート３７を有している。光学系３
３の一部を形成する円錐ミラー４５がアパーチュア３９
に対向すると共に軸が一致し、このためレーザビーム光
２９と位置が合っている。円錐ミラー４５は、中空円錐
形の放射４１を環状の透明部４７を通して半径方向外向
きに反射し、管３の内壁表面１５の上にレーザ光放射の
連続輪の形の放射１９の構成パターンを発生する。円錐
ミラー４５は截頭されて平坦面４９を形成しており、こ
れは光学系３３によって生成された不必要な中心光４３
を吸収するようにコーティングがされている。ビデオカ
メラ２１は、円錐ミラー４５の背面を向き、且つこれか
ら間隔を置いていて、管３の内壁表面１５の上のレーザ
光放射１９の輪からの視野線５１を含む視界を有してい
る。このようにして、カメラ２１はレーザ光放射１９の
輪の全像を捕捉する。

【００１６】円錐ミラー４５は、板部材５３によってレ
ーザビーム光２９に整列してプローブハウジング５の中
に支持されている。好ましくは、この板部材５３は、円
錐ミラー４５によって半径方向外向きに反射されたレー
ザ光放射４１’の輪又は管３の内壁表面１５の上のレー
ザ光放射１９からビデオカメラ２１への視野線と交差し
ないようにプローブハウジング５の中で円錐ミラー４５
に対して軸方向に位置付けられる。このような訳で、板
部材５３は、反射を防止するために光吸収表面でコーテ
ィングされている。

【００１７】図２に示されるように、円錐ミラー４５の
角度θ_１及び回折格子３５とアパーチュア３９によって
発生される放射４１の円錐角度θ_２は、円錐ミラー４５
における放射４１の中空円錐の入射及び反射角θ_３が、
管内壁表面１５における放射輪１９の入射角θ_４を９０
°よりも小さくするように選定される。加えて、円錐ミ
ラー４５とアパーチュア３９の距離は、管内壁表面１５
から反射された放射４１”が円錐ミラー４５に導かれ
ず、その代わりに、円錐ミラー４５の放射反射物質がコ
ーティングされた後部表面５５に衝突するように選定さ
れている。

【００１８】本発明は、凹み５７のような管状製品３の
欠陥を検知するための高解像度でシンプルな且つコスト
効率の良い光学形状検査システムを提供する。自己の電
池パック２７を備えたダイオードレーザ２５を有する自
立型レーザビーム光発生装置は、レーザビーム光を伝送
する光ファイバの必要性を除去し、これは相当な大きさ
の高解像度ビデオカメラのためにより多くの空間を提供
する。レーザ光源用の電源線が無いことは、ダイオード
レーザ及び電池を円錐ミラーに関しビデオカメラの反対
側に位置させることを可能とし、このため検査されてい
る管状製品の内面上に投射された光の構成パターンの３
６０°妨害無しの視野をビデオカメラが有する。ビデオ
カメラが細長いプローブハウジング５の基端１３に隣接
して配置されて、カメラ導線５９が光学系３３と干渉す
ることなくハウジング及び管状製品３から容易に延出で
きる。

【００１９】本発明の特定の実施形態が以上に説明され
たが、説明の全体的な教示に照らして細部の種々な変更
及び置換が為され得ることは当業者によって理解される
であろう。従って、開示された特定の配置構造は例示の
ためだけのものであり、本発明の範囲を制限することは
意味せず、本発明の範囲には添付された請求項の全幅及
びいかなる且つすべての均等物が与えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱交換器管を検査する位置で示された、本発明
による装置の縦断面図である。

【図２】該装置内におけるレーザ光放射の通路及び該装
置の一部を形成するビデオカメラの視野線を示す拡大図
式図である。

【符号の説明】

１ 装置 ３ 管状製品 ５ 管状ケーシング ７ 先端 ９，１１ 調芯装置 １３ 基端 １５ 内壁表面 １７ パターン発生器 １９ 光 ２１ 電子カメラ ２３ レーザビーム光発生器 ２５ ダイオードレーザ ２９ レーザビーム光 ３１ 中心軸 ３３ 光学系 ３５ 回折格子 ３７ プレート ３９ アパーチュア ４１ 放射 ４３ 中心光 ４５ 円錐ミラー ４７ 透明部 ４９ 平坦面 ５３ 板部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ローレンス・ジェイ・ザーナ アメリカ合衆国、フロリダ州、ギブソニ ア、ウィンストリーム・ドライブ 3284 (72)発明者 ジェイムズ・シー・セイモア アメリカ合衆国、ペンシルベニア州、マリ ースヴィル、サーディス・ロード 5374

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 管状製品内に挿入自在な細長のプローブ
   ハウジング、 前記細長のプローブハウジング内に設けられレーザ光放
   射を発生すると共に前記管状製品の内壁へ前記レーザ光
   放射の構成パターンを投ずるパターン発生手段、及び前
   記細長のプローブ内に設けられ前記管状製品の内壁上の
   前記レーザ光放射の構成パターンの像を捕らえる電子カ
   メラを有する管状製品の内壁の光学検査装置。