JPS5928613A - 斜角２探触子法を用いた肉厚測定装置 - 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】 本発明は、斜角２探触子法を用いた肉厚測定装置に関す
るものである。

ジルカロイ被覆管・や銅合金押出管は１通常の製造法で
はその集合組織に由来して管長手方向に沿つて音速のば
らつきが生じる。このため、通常の垂直型の超箸波肉厚
測定法を用いると、−音速のばらつきが原因となる測定
誤差が不可ｊｊｉ′なものとガる。即ち、従来の超音波
法による肉１１７．の測定１」１、第１図に示すように
、超盲波探触子（１）から被検材（２）中に垂直に超音
波を入射させ、誤差を少なくするために第１回底面エコ
ー（３）ｆ、Ｊｉｍ’：えずに、第２回底面エコー（４
）、負′り３回底面エコー（５）成いはそれ以後の多重
反射エコーを捉え、その伝播時間から肉厚を求める方法
を採っている６貫だその表示手段としては、デイジクμ
デイスプ°レイ（６）が主流である。この測定装置は、
予め較正用昂（除斥（例えば、被検相と同じ枳剥で作ら
ｉｌ、たもの）にて較正を行なった後に使用するもので
あるが、探触子（１）と被検材（２）との間の接触媒質
（７）等の１γさの変化による誤差等は、多重反則のｎ
数を増やぜは減少さぜることができるものの、被検材（
２）内の償速のｔ、シらつき、成いは被検材（２］と較
正用ｎ・（験ハとの倍速の相違は、手の施しようがない
。

例えば、△ｔ′ｆ：部分的な倍速のばらつきのＡこめに
生じる測定時間の誤差とし、Ｊ−ｔｎ’１それ以外の原
因からの誤差を含む超音波の往復伝播時［１１１とする
。従来の測定装置によれば、較正用試験片により被検材
（２）の音速■と決めると、ｎ重反射を用いた時の材＊
Ｔは、 ＸＶｏ−１△ｔｘＶｏ・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・（１）となり、△ｔ　
ｘ　Ｖｏ以下には誤差は小さくできない６処が、４５°
の斜角型探触子を用いた測定法を採用すると、次のよう
に被検材（２）と較正用試験片との五速が少しばかり異
なっていたとしても、或いは被検材（２）の内部で音速
が局部的に異なっていたとしても、最小の誤差で材厚の
測定ができるのである。

次に４５°の超音波斜角法を用いた本発明肉厚測定装置
の原理を説明する。

■　被検材（２）の音速が較正用試験片と少し異なる場
合。

第２１￥１に示すように、斜角探触子のくさび内の入射
角（通常固定されている）をα、くさび内音速ｆ：　Ｖ
ｏ　、材中屈折角β、材中−音速＜Ｖとすると。

ＶＯＶ ３、。Ｑ、＝　ｓｉｎβ　・・・・・−・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
（１１）が成り立つ（スキルの法則よシ）。

一方、超音波が送信されてから底面エコーとして受信さ
れるまでの伝播時間は簡単に知ることができ、それをも
とする（ｔは実測値）。

ここで、材中音波■が較正用試験片の音波ＶｓとΔＶだ
け異なっているものとする。

Ｖ＝Ｖｓ＋ΔＶ　　　・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（
ｆｉｌ）そこで、被検材（２）の厚さＴを次のように見
積る。

Ｔ＝、（Ｖｓｘｔ）ｘｃｏｓβｏ／２・・−・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・中・・・・（ＩＶ）ここ
で、β０は Ｖｓ　　　　Ｖ。

３Ｉ。βｇ　　ｓｌ。　　−＝°−−−−−−−−°°
−°−−−−−−−−＝−（Ｖ）であυ、即ち、較正用
試験片に苅する屈折角である。従って、（１■）式は■
３とβ０とを用いていで、これらは実際の被検材（２）
の特性量で（」、ないために、Ｔは必然的に誤差を含ん
でしまつわりである。βはβ０から４だけずれるものと
して、 β−βθ＋４　　　　・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・（ＶＤと表わせる。△
■、４は１次の量である。

処で、本当の材）￥ＴＯは、次式で与えられる。

Ｔｏ＝（Ｖｘ　ｔ　）ｘｃｏｓβ／２　　・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・（Ｖｌｔ）（ＶＩＤ−
（Ｉの＝（■×すＸｃｏｓβ／’ｌ　−（Ｖ９Ｘｔ）Ｘ
ｃｏｎβ０／２＝（Ｖｓ４ｄ）ｘｔｘｃｏｓ（βＯ＋△
β）／２−（Ｖｓｘｔ）ｘｃｏｓβｏ／２＝（Ｖｓ＋△
Ｖ）ｘｔｘ（ｃｏｓβＱ−ａｌｎβ０・△β）／２−（
ＶＳｘｔ）ｘｃｏｓβ５／之２次の量を無視すると、 ＝（△Ｖ　−ｔ　−Ｃｏｓβｏ−’ｉｓ−ｔ−ｓｍβｏ
・＃）／２一方、（１１）式より Ｖｏ−ｓｌｎβｏ　４−　Ｖｏ　−ｃｏｓβｏ　＝　Ｖ
！１　・ｓｍＬ’−ト△Ｖ、＄１ｎα−−−−−・（ｙ
ｌｉｌ）（Ｖ）式よｐ Ｖｓ　　−ｓｌ口α　＝　　ＶＯ・６１ｎβＯ・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・　　
（ＩＸ）Ｗ及び（ｉＸ）より 従って、ΔＶを消去すると、 ｔａｒ　＝　Ｔ　−１’ｏ　＝　（：二〕（シ２−Ｖｏ
７２．７，４−　。８β。−Ｖｓ　ＨＬ　、ｓｌ。βｏ
、４））７２ｓｉｎα ＶｇＶｓ−ｇ量ｎα ＝ｔ・△β−（ｃｏｓ”β０−■。−５ｉｎβ０）／２
ｓｉｎα Ｖｏ−も △Ｔ＝□（９）（２β０）・４　　・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・（×１）箇Ｉｎ
α （Ｘｌ）式よル、厚さの測定誤差は、β０＝４５°の時
に（第小値を取る。従って、較正用ｍ（除斥に剖しｒ４
５゜の屈折角が得られるようＫ、σを設定した探触子を
２個用いｉｔば、較正用試験片と一音速が少（〜が１６
なる材料の材厚を精度よく測定回ｒＪＩ７となる。

■　被検材（２）中に局部内圧音速が平均↑：ｆ　１Ｌ
１１からハなる場合。

第３図に示すように、被検材（２）中に平均音曲■より
も△■だけ異なる厚さｄ、の層があるモデルを考える。

なお（Ａ）は超音波の入射点、ＣＢ）は透；ｉ？ａ八を
示す。

ＶＯＶ ・・・・・・・・・・−・・・・・・・・・・・・・　
（ｎ）ｓｌｎ　Ｑ！　　　ｓｉｎβ ここで、△■は小さいものきして、ｒ＝β＋４、△βは
１次の量である。

被検材（２）の第１ＩＶＪ、第■層、第■層の各層の超
音波の通過時間をｔＩ、ｔ２ｓ　’３とし、また厚さを
ｄ、、ｄ２、ｄ３とすると、真の厚さは次式で与えられ
る。

Ｔ−ｄ＋＋ｄ４）ｄｓ＝　ｖｔ、ｃｏｓβ＋（■→−△
ｖルｚｃｏｓ（β＋、４）＋Ｖも３α遇β＝Ｖ（ｔ、ｌ
−＋３）ｃ弾β＋（■→△Ｖ）瞼艶（β半部）・・・・
・・（０）然るに、実際の測定時には、被検材（２）全
体に平均速度■を適用してしまうので、ｔ　＝　ｔ、−
１・１．）−１，として、１、”　＝　Ｖ　ｔ　ｃｏｓ
β　　　　　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・（ｄ）のよりに厚さを測定してしま
う。

＝Ｖｔ、ｃｏｓβ−（Ｖ−１−△■）ｔ、（ｃｏｓｐ−
、ｌｓｐ　ｓｉｎβ）１−ΔＶ　ｔ、　ｃｏ＊β＋■４
ｓｌｎβ・ｔ、　　　・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・（６）一方、（＋３）より ＶＩＩＩｎ（β−１４）＝（Ｖ＋ΔＶ）ｓｉｎβベアー
ＯＣｏ！＋Δβ中１　　ｓｔ４中△βＶＢｉｎβ→−Ｖ
ｃｏｓβ−＄＝　Ｖ　ｇｉｎβ＋△Ｖｓｉｎβ（ｆ）　
−（（３） １△Ｔ１は２β＝７であシ、β−４５°の時、（“汀小
値をとる。

一方、このような３層を垂直法でその厚さを調べると、
０回反剤を利用するものとして、その誤となシ、これに
以下にはできない。

上記の現象全言葉で置き換えるならば、次の通りである
。被検材（２）中に４５°の屈折角で超−′ｆ４波を入
射させようとすると、もし、被検材（２）の音速が平均
値上υも速かったとすると、屈折角が大きくなシ、従っ
て、道のシが長くなる。逆に？３速が平均値よりも遅い
と屈折角は小さくなυ、道のシが短かぐなる。そｉｔら
が相殺し合って、よｐ正確な肉厚測定が可ｆ？Ｉになる
のである。

次に本発明肉厚測定装ｒｔｔの一実施例を図面に基いて
説明する。第４図及び第５図は肉厚測定装置の七ン・す
”一部Ｏりを示し、Ｑｌ）は銅合金押出管等の被検材、
（Ｉｚは矩形状の支持枠で、この支持枠ａｚ内に送信探
触子０３、受信探触子（１４）及び走査手段叫等が組込
まれている６探触子Ｑ３　（１４１は被検材αυ内の平
均音速に対して屈折角が４５°となる斜角型で、被検材
０１）の軸方向に相列向して配置され、探触子側からア
クリル等の遅延線ＱＧを介して被検材（Ｉｎ内に超音波
パルスを送信し、その底面エコーを遅延線Ｑ７１を介し
て探触子側で受信するように構成されている。探触子（
１３は球面型損動子を用いた収束ビーム型であって、固
定台０＆上のｙニーＯｎに収納され、押（ＮＪＩＣＥ　
７Ｆ、’！整ネジ（イ）により押付圧を調整可ｆ１■な
バネＱυによυ被検材０υ側に押圧されている。固定台
０８１は支持台（１力のスリット（２）罠被検材軸方向
に摺動自在に挿入され、かつ調整ネジ（社）によシ探触
子０３（同量の距離を任意に調整できるようになってい
る。

探触子側も探触子ａ３七同様に可１１１ＪＪ　ｆｊ（支
）上にシュー（イ）、押伺圧調整ネジ（イ）、バネ＠等
を介して支持され、被検材ＯＤ側圧押圧さり、ている。

可動台（２４）　ｔ：］、支支 荷枠（１２のスリット（２）に被検材軸方向、即ちＡＫ
ｉ音波パルス送受信方向に摺動自在に挿入され、かつ突
起（ホ）に引掛けられた一対のバネ（至）によシ固定台
叫と反対側に付勢されている。なお、遅延線（ＩＣＱ（
＋７１の端面は、被検材α刀の外周面に合わせた曲率に
形成されており、バネ３υ（財）で被＄　ｌ’　Ｑｌ）
　（１１１１に押圧することによシ、被検材αυと遅延
線ｕｅ　（１７１とのカップリングの安定性を良くし−
Ｃいる。走査手段０９は可動台Ｃ＆Ｗを介して探触子側
を往復走査するものであって。

モータ０〃と、減速機０２と、その出力１１１１１１　
Ｋ固１９さ！したカム（至）と、可動台（財）側圧固着
されたカム従動体（財）等から成ｐ、モータ０◇は図外
の適宜部イ：イを介［７て支持枠ａ７Ｊに固定されてい
る。なお、この走ヂ１−幅は、被検材（Ｉｎの材中音速
の変化率、オイ（−音波パルヌのビームの収束度により
定まるものであって、木実施例では、ビーム径が２０１
１１％音速の変化率が３％であり、ピークを生ずる探触
子口０距離の変化が約１．７間であるため、走査範囲１
：　３．７　鮎よシ大きい４開としている。（９は支持
枠■に走査手段Ｑｒｊの下方近傍で４１’（眉されたロ
ーラで、被検４」０υ上を転動する６（イ）は接触媒質
の供給口、０７）はその供給パイプである。（至）は超
−ｆ４波パルスの送受信用コネクタである。

次に第６図に示すブロック図と共に肉厚測定時の作用４
取１明する。被検材０１）の肉〃、測定に際しては超音
波探傷８（θ（）により送信探触子αａの球面型振動子
全駆動し、その超音波パルスの収束ビームを被検材０υ
中に屈折角４５°で人則し、底面で反射した底面エコー
を透過法で受信探触子（１４）により捉え、その底面エ
コーが最大になった条件下での伝播中の遅延時間から被
検材σＤの肉厚を測定する。従って、最大値を示す茶件
をａ１測することが肉Ｊ’７測定精度を決めるととにな
り、収束ビーム型の探触子０３を使用し、超音波ビーム
の指向性を強くすること目二測定精度回上に有効である
。

属音−波探（Ｊｉｍ器（４０Ｎ、マイクロコンピュータ
ｃｖ　ＯＩ’Ｕ圓によりゲートされたパルスジェネＩ／
　−タ（４２１（７）　出力圧よりトリガされる。被検
材（ＩＩｌ中を往１７）し念エコーは、超音波探傷器Ｉ
Ｉ内で増幅された後、コンピュータハ３）トアナログピ
ークホールド回路（伺）とに入る。コンパレータ泊はエ
コーの立ち上りを受けてクロックカウンタｆ４［ｉｌ　
［ｉｆｆ数停止の信弓を送る。

これに先行してクロックカウンタ＋４１５１　＋Ｊ：パ
ルスジエネレータΩ２の作るパルスの立ち上りを受けて
、水晶振動子ヲ用いたクロックジェネレータ（４（ｉｌ
のパルスの計数全開始する。クロックカウンタ（１５１
の旧数値ハ、超−音波の遅’４　Ｍｌ　（ＩＧ　０７１
　内ノ（Ｅ　Ｊ’ｎ’ｉ　ｌｌ＆間Δｒ１ｖ　、ｊ）１
検材圓中の伝播時間△ｔｓ　、及び測定回路内の遅延時
間△ｔｏを含んだものである。これらの内、△ｔｗとΔ
ｔｃは、通常行なわｉｔでいるように、予め１７．さの
！ｌ’ｌＪつている音響的に均質な４４　＊’ｌを測定
することによシ消去可能である。アナログピークホール
ド回路部はエコーのピーク値を保持するだめのものであ
り、とｉｔを回路内に装入することにょ９、次にあるＡ
ｌ１）変換素子ｆ４７１に安価な比較的低速なものを使
用することができる。このアナログビークホーμド回路
い４）でピークホールドされ、Ａ／Ｄ　ｉ換素子［４７
１でＡ／Ｊ）　′ｇ：換された成る探触子間距離でのピ
ーク値は、探触子０３圓が４５°の屈折角に列して最適
な入射点で超音波の送受を行なっているか否がをチェッ
クするために用いられている。即ち、２個の探触子０東
（挿間の距離は、被検材Ｑｔｌの肉厚の関数である。こ
のため走査手段（ＩＧのモータＣ１υによりカム曽を回
転駆動し、可動台腕を介して探触子（１４１を走査範囲
４ｆｆｌｌの範囲内で往復移動させて走査し、探触子（
１３＋１４）間の距離を変えながらエコーを測定し、そ
の最大値の条件下での超音波の被検材ＯＤ中の伝播時間
を測定している。しかしながら、探触子（１３（１４１
と被検材（ＩＩ）との音響的なカップリングの状態等の
理由から、横４９１１に探触子間の距離、縦軸にピーク
値をプロットして両者の関係を示すと、第７図に示すよ
うになり、一般には滑らかな曲１１いとｔｊ、ならない
。そこで、伝播時間の決定のために、後述するような平
均操作を行なっている。被検材（＋１）の軸方向の位置
情報（測定点を被検材端面から測定したもの）として、
被検イフイ０υに接触して転動するタッチローラ（４〜
とパルスジエネルータ１４４１１　（！：の組合せから
得られるパルスを用い、そのパルスをカウンタ（ｉｏ）
　Ｋよりｆｆｌしてコンピュータの７（スフィン伸０に
送出している。第６図におけるバスフィン（ｉｌｌＴ側
の各要素は、装置全体のタイミングコントロール、演算
、出力に関連したものである。コンピュータのパヌフィ
ン町）には、超音波パルスのＭ　’Ｘ−信の突打毎に、
クロックカウンタ（伺から遅延時間に相当するクロック
数がデータラッチ（５２１ｆ介して、その時の透過エコ
ーの最大値がデータラッチ（１５３）を介して、そして
肉厚測定点の位Ｗ（情報がデータラッチ伸唱）ヲ介して
夫々送られてくる。＜３１’　ｕｉ４１１　ｔＪ：　１
ｔ、ＯＭ（５Ｔｉ！Ｉｃ　Ｗｉき込ｔｉしたブログヲム
に従って、寸スピーク値をラベルとして遅延時間と位置
情報を１（品Ｌ　（ＩｉＧｌに６セツト分取シ込む。次
の透ｊ１Ｍ）パルスより１１）らり、ｆｃデータがパス
フィン（１ｉｌＩＦＣ到悴した時に、ＣＩ’ＵいＩＩ　
Ｉｄ：　ＩＩＡＡＬ　（ｌｉＧ）に収納されている６つ
のピーク値と今のピークＩｉ［ｌ［と全比較し、前６者
よりも最新のものが小さい時は、そのデータの絹（ピー
ク値、位置、遅延時間）は捨てる。逆に、若し最新のピ
ーク鎮が前６者のどれよシも大きい時は、＋１ｉＪ　３
者のデータの内、ピーク値が最も小さいデータの組を消
去し、代υに最新のものに対するデータの組を書き込む
。このような操作を０．２間ピッチで２０回繰返すこと
によシ、最終的にピーク値をワベルとしたデータのＲ１
が３つ残る。その時のピーク値を第７図ではＰ３、ｌ′
２、Ｐ、で示している。ここで、（３ＰＵ　（４１１は
それらに対応じた３つの遅延時間を平均して肉ｊワの換
η−し、寸たろつの位置情＠を平均し、肉厚の測定点と
して長さに換や、し、その２者をプリンタ（ｌｌｉ８１
　Ｊ：に出力する。この操作が完了すると、ＣＰＵ（４
１）は走査用モータドライバ（ハ）９）ヲ初期化して、
カウンタ（ｌ′ｉ０）から送られてくる位置情報をチェ
ックしながら次の測定点寸で待機する。コントロールボ
ートリ（鳥ね、装置全体の初期化、パワメータ（被検材
の平均−音速、長さ、搬送速度ｇ）の入力、緊急停止等
の操作に使用されている。ディレィ（６１）は遅れエコ
ー等の妨害全排除し、第１回透過エコーのみをピークホ
ールドすること、及び第１回透過エコーの立ち」二りの
みでクロックカウンタ（４四に停止音かけるためのもの
であ勺、被検４Ｊ’　（ｌυの平均？ｆｆｌ！、平均肉
厚によりディレィ時間を予め調整しておく。

イ２）はパルスカウンタである。

上記肉厚測定装置＆てより、平均円シ、１５開、内径６
０羽の銅合金の押出管の肉厚を測定した結果、管の軸方
向両端で音速異方性が大きいにも拘らず、全長にわたっ
て±０．０：Ｉ’ｍの精度で測定することができた。

これに列し、との押出管を通常の垂１１！１法で肉厚測
定すると、３！’！５程度の一音速変化があるため、必
然的に１．５Ｘ０．０３＝０．４５＋ｕ以上の測定誤差
が３止れることになる。

なお、銅合金のような異方性のあるイ１ヶ品から成る被
検材（１１）の場合、横波よりも縦波の方がより使い易
い。肉厚、管径の異なる被検４Ａ’　ＣＩＩ）に列して
目１、遅延線（ＩＧ　Ｑηの相互の距離、曲率を変えれ
げ対応できる。収束ビーム型の探触子（１３としてｔ」
１、球面振動子を用いたものの他、畜響レンズを用いた
ものであっても良い。送信探触子（１３’ｉ走査しても
良い。

以上実施側圧詳述したように本発明に、Ｌ：　１１．げ
。

探触子として被検材中の平均省速に苅して屈折角が略４
５°となる斜角型を用いているので、？ＪＪｌ検材の内
部で音速が局部的に異なっていたとしても、最小の誤差
で？ＪＩ　ＩＧ材の肉Ｊ’Ｘ　’！ｒ高精度に測定する
ことができる。また送受信用の２個の探触子の内、何り
、か−力を送受（ＦＥ力方向往復走査する走査手段を設
けているので、被検材の肉厚の変化が著しい時にも最大
の底面エコーが得られ、最大値の条件下で測定できる。

従って１本発明によれば、品質管理及び歩■ｌシの向上
に多大な貢献ができ、工業上の価値は著大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例を示す構成図、第２図及び第５図は本発
明の原理図、第４図は本発明の一実施例を示す平面図、
第５図は同Ｗｒ面図、第６図は同ブロック図、第７図は
探触子間距離とエコービーク値の関係を示す説明図であ
る。 Ｑ（ト・・センザ部、　Ｑｌ）・・・被検材％Ｏ３・・
・支持枠、０３・・・送信ｈ′！触子、０（イ）・・・
受信探触子、叫・・・走査手段、Ｏａ・・・固定台、例
・・・可動台、Ｏｌ）・・・モータ、（ト）・・・カム
、θ（ト・・超音波探傷器。 特ｎ゛「出癲人　　株式会社神戸製鋒）所第６図 第４＠ 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　被検材上に送信探触子と受信探触子とを相対向する
   ように配置し、送信探触子より被検材中に送信した超音
   波パルスの底面エコーを受信探触子によシ受信し、その
   伝播時間よシ被検拐の肉１”７を測定するようにした肉
   厚測定装置において、前記測探触子を被検相中の平均五
   速に苅して屈折角が略４５″となる斜角型とすると共に
   。 ２個の探触子の内、何れか≠Ｌ一方を超音波パルスの送
   受信方向に往復走査する走査手段を設は几ことを特徴と
   する斜角２探触子法を用いた肉厚測定装置。