JPS5824739B2 - 渦流試験方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は金属導電材料の材質判別、探傷、導電率測定
などに用いられる渦流試験方法およびその装置に関する
。

周知のように、金属のような導電材料に適当な周波数の
交流を通電したコイルを接近または接触させると材料の
透磁率に応じて磁束が材料内に侵入する。

そして、この磁束により、材料の導電率に応じて渦電流
が発生し、この渦電流が反磁束を発生してもとの磁束を
弱める作用をする。

渦流試験は上記のような電磁誘導現象を利用したもので
、透磁率や導電率などの差、あるいは欠陥などの有無に
よって生じる上記渦電流の差異を材料面に接近または接
触させた検出コイルのインピーダンスの変化として取り
出し、これを適当に信号処理して材質の判別、探傷など
を行なうものである。

また、検出コイルと被試験材との間の間隔（リフトオフ
）は、検出信号または感度に影響する、いわゆるリフト
オフ効果を生じる。

したがって、試験前にあらかじめ標準試験材を用いてリ
フトオフを補正し、試験中は検出コイルと被試験材との
リフトオフを上記補正時のりフトオフに保持するように
する。

従来法では、試験条件あるいは被試験材に変更があり、
リフトオフが変化した場合、改めてその試験条件あるい
は被試験材に対応する標準試験材を用いてリフトオフを
補正しなければならない。

また、検出コイルを交流ブリッジの１辺又は相隣接する
２辺に、挿入してあり、交流ブリッジの可変抵抗を適当
に調整して、交流ブリッジのセ狛調整を行う必要がある
。

この方法によれば、交流ブリッジのゼロ調整の位置（可
変抵抗器の位置）によって、リフトオフ調整が異なって
来るし、また交流ブリッジの中を流れる不平衡電流の大
きさによっても、リフトオフの調整が異なって来るため
に、そのリフトオフ調整そのものが不正確になる。

又従来法によれば、リフトオフ調整が、正確に調整され
ているか否かの確認は出来ない。

このリフトオフ調整は検出信号の大きさに直接影響を与
える。

更に、自動化等に従来法を利用した場合、リフトオフ調
整が、非常に困難となって来るので実際上、不正確なリ
フトオフ調整のみしか行なえないことになる。

第１図は従来の渦流試験装置の構成の一例を示すブロッ
ク図で、これにより従来の渦流試験方法および装置につ
いて説明する。

発振器１により適当な周波数の正弦波電圧を発生させ、
この電圧を検出コイル３を含む交流ブリッジ２に加える
。

なお、交流ブリッジ２は、検出コイル３を基準または任
意の材料に接触または接近させ、可変抵抗４および４′
を調節して出力を零に調整できるようになっている。

この零調整によって低ダイナミツクレンジでの感度が上
がり、試験装置自体の分解能を上げることができる。

検出コイル３を被試験材に接触または接近させると、検
出コイル３のインピーダンスまたは誘起電圧が変化し、
交流ブレツジ２が不平衡状態となる。

これより交流ブリッジ２から電流信号が出力される。

交流ブリッジ２からの出力はメーター８に指示可能なま
で増幅器５により増幅され、同期検波器６に送られる。

同期検波器６は発振器１の出力を適当に移相する移相器
７の出力によって増幅器５の出力を同期検波する。

同期検波器６の出力はメーター８によって指示される。

従来の渦流試験では、上述のように試験前に予め交流ブ
リッジ２の零調整を行なわなければならないが、更にリ
フトオフ調整を必要とする。

すなわち、検出コイルと基準試験片との間に適当な厚み
のスペーサを挿入する。

このとき、交流ブリッジ２は不平衡となり、増幅器５を
介して同期検波器６に出力するが、発振器１の出力を移
相器１により適当に移相して同期検波器６の出力を零に
調整する。

これにより、同期検波の参照電圧が設定される。

そして、実際の被試験材に対する検出コイル３を含むブ
リッジ２の出力を上記参照電圧により同期検波する。

このように従来ではブリッジ２の出力を同期検波してい
るが、実際の被試験材について試験中にリフトオフが変
化して検出コイル３のインピーダンスが変化すると、ブ
リッジ２全体がアンバランスとなる。

したがって試験条件の変更あるいは被試験材が別のもの
となって寸法などが変った場合、改めてリフトオフの補
正を必要とする。

また、ブリッジの零調整およびリフトオフ調整の２段階
の零調整を行なわなければならない。

このような零調整は、試験装置を手動で操作する場合に
はさほど問題とならない。

しかしながら、試験が自動化された場合、検出コイルと
被試験材との間隔の変化によるリフトオフ設定など試験
装置を調整しなければならない箇所が非常に多くなり、
しかも、変動要素も大きくなって来る。

この発明は従来の渦流試験における上記のような問題を
解決したものであり、自動的にリフトオフの調整を行な
うことができる渦流試験方法およびその装置を提供せん
とするものである。

以下この発明の詳細な説明する。

第２図はこの発明の渦流試験装置の一例を示すもので、
装置のブロック図である。

発振器１１（例えば周知のＲＣ型発振器）は適当な周波
数の正弦波電圧８ｂを発生する。

この発振器１１の出力端１１ａ、１１ｂは直列に接続さ
れた抵抗１２および検出コイル１３の両端に接続される
。

抵抗１２は検出コイル１３のインピーダンス変化に対し
て十分に大きな値としている。

なお、上記抵抗１２および検出コイル１３は第３図に示
すように励磁コイル１４と検出コイル１５とによって構
成してもよい。

この場合には、発振器１１の出力端１１ａ、１１ｂはそ
れぞれ励磁コイル１４の両端に接続される。

抵抗１２と検出コイル１３との中点１６は差動増幅器１
７に接続されている。

また、差動増幅器１７は固定移相器１８を介して発振器
１１に接続されている。

固定移相器１８は発振器１１の出力Ｅｂの位相をπ／２
だけ進める。

したがって、固定移相器１８の出力ＥＴの位相角は、オ
ープン時における検出コイル１３の出力の位相角と同じ
である。

また、固定移相器１８の出力電圧ＥＴは、被試験材が非
鉄金属である場合には検出コイル１３のオープン電圧に
等しく、鉄鋼材（以下μ材という）の場合にはオープン
電圧に等しいか、またはオープン電圧よりも高い。

なお、上記差動増幅器１７に代えて、単−人力型ミキシ
ング増幅器を用いることができる。

この場合には、発振器１１の出力Ｅｂの位相角は固定移
相器１８によりπ／２だけ遅らされる。

したがって、固定移相器１８の出力ＥＴの位相角はオー
プン時における検出コイル１３の出力の位相角に対し逆
相となっている。

上記固定位相器１８の出力電圧ＥＴは後述のリフトオフ
効果の補償に大きく影響するので、最良の電圧設定を行
なう必要がある。

また、検出コイル１３の仕様によって検出コイル１３か
らの出力は位相角が変化するので、固定位相器１８によ
って発振器１１からの出力を変化した位相角αだけ遅ら
せる。

差動増幅器１７の出力端は次段の差動増幅器１９の入力
端に接続されている。

差動増幅器１９の他の入力端には、可変電圧型移相器２
０を介して発振器１１が接続されている。

可変電圧型移相器２０は発振器１１の出力Ｅｂを適当に
移相し、電圧を調節する。

検出コイル１３を基準試験片に接近または接触させたと
きに、前段の差動増幅器１７にある大きさの出力ＥＬが
生じ、この出力ＥＬに応じて後段の差動増幅器１９に出
力が生じる。

この後段の差動増幅器１９からの出力が零となるように
上記可変電圧型移相器２０を調整する。

このように調整された状態で、検出コイル１３に基準試
験片以外の被試験材を接触または接近すると、被試験材
の寸法、材質、欠陥などに応じた信号が、後段の差動増
幅器１９から出力される。

後段の差動増幅器１９の出力端はＡＣ電力増幅器２１に
接続されている。

電力増幅器２１は、差動増幅器１９からの入力をメータ
ー指示可能な程度まで増幅する。

電力増幅器２１の出力端は同期検波器２２に接続されて
いる。

同期検波器２２として例えばスイッチング型同期検波器
が用いられる。

また、同期検波器２２の入力端は、前記可変電圧型移相
器２０と分岐ライン２４を介して接続されている。

分岐ライン２４には、材質切換えスイッチ２５および零
調整用スイッチ２６とが直列に接続されている。

材質切換スイッチ２５の一方の入力端２５ａは可変電圧
型移相器２０と後段の差動増幅器１９とを結ぶライン２
３に接続され、他方の入力端２５ｂは固定移相器２７を
介して上記ライン２３に接続されている。

固定移相器２７は可変電圧型移相器２０の出力をπ／２
だけ進め、あるいは遅らせる。

材質切換えスイッチ２５は、非鉄金属材およびμ材で前
記固定移相器１８の出力電圧ＥＴが検出コイル１３のオ
ープン電圧に等しい場合には入力端２５ｂ側に閉じ、μ
材で固定移相器１８の出力電圧ＥＴが検出コイル１３の
オープン電圧より大きい場合には入力端２５ａ側に閉じ
る。

零調整の切換えスイッチ２６の一方の入力端２６ａは上
記材質切換えスイッチ２５の共通端２５ｃに接続され、
他方の入力端２６ｂは前記電力増幅器２１と同期検波器
２２とを結ぶライン２８に接続されている。

この零調整スイッチ２６は同期検波器２２の零調整時に
は入力端２６ｂ側に閉じ、試験時には入力端２６ａ側に
閉じる。

同期検波器２２は、可変電圧型移相器２０または固定移
相器２７の出力を参照電圧として電力増幅器２１の出力
を同期検波する。

同期検波器２２の出力はメーター２９によって指示され
る。

次に以上のように構成された渦流試験装置の作動原理に
ついて説明する。

第４図〜第６図は上記装置における電圧ベクトル図であ
り、第４図は非鉄金属材を試験する場合、第６図は被試
験材がμ材で固定移相器１８の出力電圧ＥＴがオプーン
時における検出コイル１３の電圧と等しい場合を示して
いる。

更に第５図はμ材で固定移相器１８の出力電圧がオープ
ン時における検出コイル１３の電圧よりも大きい場合を
示している。

周波数および電圧一定の交流電圧を印加した前記検出コ
イル１３を被試験材に接触または近接した場合、被試験
材の導電率σ透磁率μ寸法などの変化に応じて電圧ベク
トルが第４図〜第６図のような軌跡を描くことは広く知
られている。

即ち非鉄金属の場合、第４図に示されている如きになる
。

今、標準試験材をアルミニウムとし、これを基準として
銅などの他の材質の材料を選別するものとする。

図において、ｄ＝ｏの曲線は検出コイル１３を被試験材
に接触した場合の特性曲線で、この曲線に沿い０点から
０点に向うに従って導電率σが大きくなる。

検出コイル１３を、標準試験材に接触させた場合かりに
Ａ点に検出コイルの電圧ベクトルＥｋが発生した場合、
同図のＥＴより なるＥＬを求める。

つぎに、この電圧ベクトルＥＬに直角に同期検波出力電
圧位相軸を示すベクトルＥＯをとる。

これを装置で説明すれば可変電圧型移相器２０の信号を
固定移相器２７で−だけ位相をずらすことになる。

そこでＡ点に於て、リフトオフを取るとＡ点はＡ′に移
動（第４図）ＬＥＬがＥ’ Ｌ ’になる。

１Ｌ−ｉ（￥に′ｒ）−ｉ′Ｌ′（２） 実験の結果によると、リフトオフ変化の軌跡はこのベク
トルＥＬと同軸の直線ｌで近似的に表わすことができ、
直線ｌに沿いＡ点から０点に向かうに従ってリフトオフ
は大きくなる。

同期検波出力電圧位相軸ＥＤによってこのＥ’Ｌ’を検
波するとその出力は常に零になる。

その理由は次の通りである。

同期検波出力Ｅｏは、 Ｅ ｏ ＝Ｅ’ Ｌ ’ｓｉｎωｔｃｏｓψ（３）で示
される如き搬送波の同期検波出力電圧位相軸ＥＤに対す
る余弦成分を取り出す。

（３）式のψ（搬送波と同期検波出力電圧位相軸との位
相角）がとなる。

従ってＡ点に於てリフトオフ効果の補償を定めるとＡ点
から０点まではリフトオフが変化しても（５）式が常に
成り立つ。

つまり、あらかじめ標準試験材においてリフトオフ効果
の補償をしておくと、試験条件などが変更になってリフ
トオフが変化しても改めてリフトオフ効果の補償をする
必要はない。

これは、検出コイルを含むブリッジの出力ではなく、検
出コイルの出力を同期検波するからである。

上記のようにして装置の設定が終ったならば、標準試験
材の代りに実際の被試験材を試験することになる。

例えば被試験材が銅であって、電圧ベクトルの先端がＡ
点よりＢ点に移動した場合、Ｅｓなる信号が出て来るが
、同期検波により同期検波出力Ｅ。

はなる同期検波出力が得られる。

出力が０でなくＥｓであるということは、アルミニウム
とは異った材料であり、あらかじめ求められた曲線ｄ＝
０から値Ｅｓは銅を示すものと判断される。

つぎに、被試験材の寸法が変わり、リフトオフがＯから
ｄｌになったとする。

このときの特性曲線はｄ＝ｄ１となる。

被試験材がアルミニウムであればベクトルはＡ′点を指
し、前述のように同期検波出力Ｅ ｏ ＝ Ｏである。

また、被試験材が銅であれば、Ｂ′点にベクトルが移動
、し、同期検波出力Ｅ’Ｏ’は となる。

非鉄金属の場合、以上の如き理論により、リフトオフを
最小限度に押え、かつ、リフトオフ調整をあらためて行
う必要がなくなり、その誤差を、いちじるしく低下させ
、少なくとも従来のものよりも精確な測定器を構成させ
ることが出来る。

次ぎにμ材について述べる。

第５図、第６図がμ材の場合のベクトル図であるが、ま
ず第５図について説明すると、第３図中の検出コイル１
３をある被試験材に接近又は接触させた場合、かりに検
出コイルの出力電圧ベクトルが、Ａ点であったとすれば
、その出力電圧はＥｋとなる。

又Ｅｋの電圧に比して十分大きな電圧又はＡ点を基準に
ＥＬが図中のμ、ｄの変化方向、即ちリフトオフの変化
方向ｄと透磁率μの変化方向に対してＥＬがＥ／Ｌ と
変化しても常にπ／２の位相角度を保つ様に十分大きな
電圧ＥＴを設定しなるＥＬを求める。

このＥＬのＡ点に於て、リフトオフを定めるとそのとき
の同期検波出力ＥＯは 従ってαυ式が得られ、Ａ点におけるリフトオフが求め
られることになる。

そこで検出コイル１３を他の被試験材又は同材質に於て
は欠陥等によりＢ点にＡ点が移動したベク］・ルとなり
、出力信号電圧はＥｓｏとなり、そのときの同期検波出
力（直流）Ｅｏは、 Ｅ ＝Ｅ ｓｉｎωｔ ｃｏｓθ ＝Ｅ
（１２）６ ｓｏ ｓ
ｓＢ点に於て被試験材より検出コイル１３が若干離
れた場合には、Ｂ点に移動し、そのときの出力電圧をＥ
’ｓｏ’とすると同期検波出力Ｅ’ｏはＥ’ ＝Ｅ”
＝Ｅ’８ｏｓｉｎωｔ ｃｏｓθ’８’ （１，３）
ＯＳ 次ぎにＢ点の透磁率μＢがＡ点の透磁率μＡと異なり、 となった場合、Ｂ点はＢ“点に移動しそのときの出力電
圧をＥ″ｓｏとするとそのときの同期検波出力Ｅ″ｏは が得られる。

このときの３者の出力電圧を比較すると次のようになる
。

上記α２）（１３Ｘ１５）式は、文法の様に考えること
も出来る。

即ち検出コイル１３を被試験材に接触させず、ある間隔
ｌを持たせた場合、（ｌ−△ｌ）、ｌ。

（ｌ＋△ｌ）の３者、即ち検出コイル１３が被試験体に
対して、ｌを中心に、 ａ）接近した場合 （ｌ−△１）（１８）ｂ）離れ
た場合 （ｌ＋△ｌ） α９）Ｃ）移動しない場
合 ｌ （２０）上記３条件のもとにお
ける、同期検波出力はｌ−△ｌの場合がＥ／１０に相当
し ｌ＋△ｌの場合がＥ’ｏに相当し ｌ の場合がＥｏ に相当する。

即ち被試験材が標準被試験材でない場合には検出コイル
１３と被試験材との間隔が接近すると、同期検波出力は
大きくなり逆に間隔が大きくなると同期検波出力は小さ
くなり、変化しない場合が両者の中間の値を指示するこ
とになる。

これらの事実は非鉄金属のそれと全く同じ結果になる。

次ぎに第６図について説明するとこの場合もμ材の信号
処理についてのベクトル図であるが、第５図の場合は基
準とするＥＴをかなり大きな電圧に設定しているがこの
第６図は非鉄金属と同様にＥＴを検出コイル１３のオー
プン電圧に設定して信号の基本となるＥＬを求めるもの
で以下の説明はμ材の場合の第５図の説明と全く同じで
ある。

第１図はリフトオフ効果の補償を完全に行なう渦流試験
装置の例を示すブ泊ツク図である。

同図に示すように、差動増幅器１７と１９との間にＡＧ
Ｃ回路３１を設けである。

また、前記抵抗１２と検出コイル１３との間の中点１６
およびこのＡＧＣ回路３１との間にＡＧＣ制御回路３２
を設けである。

差動増幅器１７の出力Ｅ Ｌは、被試験材から検出コイ
ル１３が離れた場合、振幅は変化するが位相は変化しな
い。

したがって、上記ＡＧＣ回路３１の作動原点を検出コイ
ル１３またはこれに接近して配置した２次コイルによっ
てコントロールすれば、リフトオフ効果の補償を完全に
行なうことができ、被試験材と検出コイル１３との間の
距離の変動による影響を全くなくすことができる。

第８図はこの発明の方法による指示誤差を従来法のそれ
とを比較して示すグラフである。

すなわち、同グラフでは、μ材のリフトオフ軌跡を描い
たものであり、横軸に検出コイルと被試験材との間隔ｍ
ｙをとり、縦軸に指示誤差μＡをとっである。

このグラフから明らかなように、この発明の指示誤差は
従来のものに比べ数分の一以下である。

なお、前述のＡＧＣ回路を用いれば、指示誤差を殆んど
零とすることができる。

この発明は上述のように構成されているので、ある被試
験材について零調整を行なうと、自動的にリフトオフ効
果を補償する同期検波出力電圧位相軸が決まってしまう
。

したがって、この発明では改めてリフ］・オフ調整を行
なう必要はなく、極めて容易に渦流試験の容易化を図る
ことができる。

また、前記ＡＧＣ回路を利用する場合には、標準被試験
材とは異なる被試験材に対してリフトオフが変化しても
、差動増幅器１９の出力ＥＬは一定であるため、移相器
２０から差動増幅器１９への出力の振幅および位相は、
上記出力ＥＬのものと等しくすればよい。

これより移相器２０の出力の大きさと位相とを分離して
変化させることができ、オートバランスが容易に行なえ
る。

したがって、この発明の方法において、オートバランス
を設定すれば、試験作業者は試験装置の電源を投入する
のみで試験を開始することができる。

更にまた、この発明では、リフトオフの自動調整により
、検出信号量の大きさは変化せず、常に一定の検出信号
量として捕えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ従来およびこの発明の渦
流試験装置のブロック図である。 第３図はこの発明の渦流試験装置の検出部分の他の実施
例を示す略図である。 第４図は被試験材が非鉄金属である場合における出力電
圧のベクトル図である。 第５図および第６図はそれぞれ被試験材が強磁性材料で
ある場合における出力電圧のベクトル図である。 第７図はこの発明の渦流試験装置の他の例を示すブロッ
ク図である。 第８図はこの発明の方法による指示誤差を従来法のそれ
と比較して示すグラフである。 １．１１・・・発振器、３，１３・・・検出コイル、５
・・・増幅器、６・・・同期検波器、７・・・移相器、
１７゜１９・・・差動増幅器、１８，２７・・・固定移
相器、２０・・・可変電圧型移相器、２１・・・電力増
幅器、２９・・・メーター。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 開放時の検出コイルの電圧ベクトルの大きさ以上で
   あり、かつ、前記電圧ベクトル軸上の一定電圧ベクトル
   を有する基準電圧を設定し、被試験材に対する°検出コ
   イルの電圧と前記基準電圧の差を検出電圧とし、被試験
   材および標準被試験材に対する前記検出電圧の差をリフ
   トオフ変化方向に対して直角方向の参照電圧により同期
   検波することを特徴とする渦流試験方法。 ２ 発振器１１と、直列に接続された抵抗１２と検出コ
   イル１３とからなり、前記発振器１１に接続された回路
   と、前記抵抗１２と検出コイル１３とを結ぶラインの中
   点１６に接続された差動増幅器１７と、前記発振器１１
   と差動増幅器１７との間に介在し、発振器１１の出力を
   開放時の検出コイル１３の電圧に対して該電圧ベクトル
   の大きさ以上の一定大きさを有し、かつ、該電圧のベク
   トルと同相または逆相の電圧ベクトルを有する基準電圧
   に移相する固定移相器１８と、前記差動増幅器１７に接
   続された後段の差動増幅器１９と、前記発振器１１と後
   段の差動増幅器１９との間に介在し、検出コイル１３が
   基準試験片に接触または近接したときの後段の差動増幅
   器１９の出力が零となるように発振器１１の出力電圧の
   太きさおよび位相を調整する可変電圧型移相器２０と、
   前記後段の差動増幅器１９に接続された電力増幅器２１
   と、前記電力増幅器２１に接続きれた同期検波器２２と
   、前記可変電圧型移相器２０と同期検波器２２との間に
   介在し、可変電圧型移相器２０の出力をπ／２だけ遅ら
   せる固定移相器２７と、同期検波器２２に接続され、該
   同期検波器２２の出力を指示するメーター２９とからな
   ることを特徴とする渦流試験装置。