JPS5963560A - 超音波自動探傷装置 - 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、スチールパイプ等の管状金属の欠陥を超音波
により自動探傷する超音波自動探傷装置に関し、主とし
て管体長手方向の欠陥を静止型探触子アレイにより検出
するようにした超音波自動深探装置に関する。

従来、管体の主として長手方向に走る傷、割れ等の欠陥
を検出する超音波探傷方法としては、例えば第１図に示
す焦点探触子を使用したものが知られている。

第１図は焦点探触子による探傷原理を示したもので、１
は焦点探触子であり、焦点をＦとすると、管体２の中心
Ｏを通るｘ軸上に焦点Ｆが一致するように焦点探触子１
を位置決めしたとき、管体１に対する超音波ビームの入
射角ｉは中心Ｏと入射点を結んだ破線のｙ軸に対する角
度で決まり、一方、管体１を伝搬する超音波ビーム（横
波）の屈折角θは中心０から焦点Ｆまでの偏心量ｄによ
って一義的に決まる。

ここで超音波伝搬媒質としての水３の縦波高速ＣＷをＣ
Ｗ＝１５００ｍ／ｓ、鋼の横波音速ＣｓをＣｓ＝３２３
０ｍ／ｓとすると、入射角ｉと屈折角θとの間には、 ｓｉｎｉ／Ｃｗ＝ｓｉｎθ／Ｃｓ・・・・（１）の関係
が成立する。

この第（１）式におけるｓｉｎｉは ｓｉｎｉ＝ｄ／ｒ・・・・（２） となることから、第（１）式よりｓｉｎθはｓｉｎθ＝
（Ｃｓ／Ｃｗ）・（ｄ／ｒ）＝（３２３０／１５００）
・（ｄ／ｒ）≒２．１６（ｄ／ｒ）・・・（３） となる。

すなわち、管体２の外径２ｒが決まれは第（３）式より
焦点Ｆの偏心量ｄに応じて屈折角が一義的に定まり、管
体１におりる超音波ビームの伝搬方向を欠陥検出に最適
な方向に設定することができる。

第２図は第１図の原理をもつ焦点探触子を用いた従来装
置を概略的に示したもので、複数の焦点探触子１ａ、１
ｂ、１ｃ、１ｄをその焦点Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４がｘ
、ｙ軸上に偏心量ｄをもつようにセットし、焦点探触子
１ａと１ｂ及び１ｃと１ｄの相合せで同じ場所に両側か
ら超音波ビームを入射して探傷精度を高めるようにして
いる。

このような従来装置における探傷は、焦点探触子１ａ〜
１ｄ又は管体２を一定方向に定速回転させ、管体２の全
周について長手方向の欠陥を自動するようにしている。

しかしながら、このような従来の超音波自動探傷装置に
あっては、焦点探触子又は管体を一定速度で回転駆動す
る設備を必要とし、探傷装置本体に比べて回転駆動設備
のコストが大幅にかかり、しかも被検査体のサイズが変
ると回転駆動設備の大幅な変更を必要とするため被検査
体のサイズにより設備構成が決まって汎用性に欠け、更
に、機械的な回転走査であるため探傷速度および精度に
も限界があった、。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたの
で、探触子群または被検査体を静止したままの状態で長
手方向の欠陥を全周にわたって超音波探傷することで、
回転駆動設備を不要にして設備コストの大幅な低減と汎
用性を高め、更に探傷速度と精度を高めることを目的と
する。

この目的を実現するため、本発明においては、複数の探
触子を環状に配列した探触子アレイを水中に固定設置し
、探触子アレイ内を通過する被検査体に対し、所定数の
探触子群の送受信遅延により焦点探触子と等価な超音波
ビーム特性を作り出し、探触子アレイを順次切換え走査
することにより被検査体の全周におりる軸方向の欠陥を
検出するようにしたものである。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第３図は本発明に用いる探触子アレイの一実施例を示し
た説明図である。

第３図において、１０は探触子アレイであり、被検査体
としての管体２を挿通するリング形状を有し、管体２の
軸周方向に複数の探触子を配列した構造でなる。

この探触子アレイ１０は超音波伝搬媒質としての水中に
固定設置され、探触子アレイ１０に対し搬送装置により
送られてくる管体２の全周について焦点探触子と等価な
超音波ビームの回転走査により管体２の長手方向に走る
傷等の欠陥を探傷する。

第４図は第３図に示す探触子アレイ１０を軸方向から見
た説明図であり、この実施例では８個の探触子を１グル
ープとし、このグールブの探触子の励振により管体２に
対し焦点探触子と同じ超音波ビームを送出するようにし
ている。この焦点探触子と同じ超音波ビームを得るため
、探触子アレイ１０の各探触子はアナログスイッチ１６
に信号線接続されており（尚、第４図では１グループを
構成する８個の探触子においてのみの信号線接続を示す
）、アナログスイッチ１６に対しては送受信部より焦点
遅延部１２及び偏角遅延部１４を介して信号線接続が行
なわれている。

ここで８個の探触子でなる１グループの励振による焦点
探触子と同じ超音波ビーム特性が得られる原理を第５、
６、及び７図を参照して説明する。

第５図は探触子１０のうちの８個の探触子に対し焦点遅
延部１２を介して同峙に送信パルス信号を供給した時の
各探触子による超音波ビーム特性を示した説明図であり
、焦点遅延部１２には各探触子に対応して遅延素子Ｄ１
〜Ｄ８が設けられ、遅延素子Ｄ１〜Ｄ８による遅延量は
Ｎｏ．１の探触子からＮｏ．４の探触子に向かうにつれ
て順次遅延時間が長くなるように定められており、又Ｎ
ｏ、８からＮ０．５の探触子に向かうにつれて同様に順
次遅延時間が長くなるように定められており、Ｎｏ．４
とＮｏ．５の間の中点を中心とした対称位置にある両側
の遅延素子の遅延量は同一遅延量に設定されている。

このような遅延素子Ｄ１〜Ｄ８の遅延量の設定により同
一タイミングで各遅延素子に発信パルスが供給されたと
すると、まず両端に位置するＮｏ．１．８の探触子が超
音波ビームを出力し、続いてＮｏ．２．７の探触子が超
音波ビームを出力し、更にＮｏ．３．６の探触子、最終
的にＮｏ．４．５の探触子が超音波ビームを出力する。

このようなＮ０．１〜８よりの超音波ビームの遅延出力
により、その合成ビームは焦点遅延部１２の遅延素子Ｄ
１〜Ｄ８の遅延量で定まる所定半径の円の中心に向かっ
て進行し、円の中心となる焦点Ｆに収束する。

一方、第６図は偏向遅延部１４による超音波ビ一ムの偏
向ビーム特性を示したもので、偏向遅延部１４にはＮｏ
．１〜８の各探触子に対応して遅延素子Ｄ１Ｏ〜Ｄ８０
がが設けられ、その遅延量は遅延素子Ｄ１０からＤ８０
に向かってほぼ直線的に増加する遅延量が設定されてい
る。このような偏向遅延部１４を介してＮｏ．１〜Ｎｏ
．８の各探触子に同一タイミングで送信パルス信号を供
給したとすると、遅延素子Ｄ１Ｏ〜Ｄ８０の遅延時間に
よりＮｏ．１からＮｏ．８の順に探触子より超音波が出
力され、各探触子の合成ビームは中心方向に対し偏角ｉ
をもった偏向ビ一ム特性となる。そこで、本発明で用い
る焦点探触子と同じ超音波ビーム特性を得るためには、
第５図の焦点ビーム特性と第６図の偏向ビーム特性を加
え合わせた第７図の構成とすればよく、Ｎｏ．１〜Ｎｏ
．８の探触子に対し焦点遅延部１２、偏向遅延部１４を
介して同一タイミングで超音波パルス信号を供給するこ
とにより中心方向に対する偏角ｉをビーム中心とする焦
点Ｆに探触子アレイ１０よりのビームを集束させること
ができる。

再び第４図を参照するに、探触子アレイ１０における８
個の探触子群をアナログスイッチ１６で選択し、選択し
た探触子群に対し、偏向遅延部１４及び焦点遅延部１２
を介して同一タイミングで送信パルス信号を供給したと
すると、探触子群よりの超音波ビームは破線で示すよう
に所定の偏向を持って収束する焦点探触子と同じ超音波
ビーム特性が得られ、この超音波ビームの焦点Ｆを管体
２の中心Ｏを通るｘ軸上の偏心量ｄの位置となるように
焦点遅延部１２及び偏向遅延部１４の各遅延量を定める
ことにより、探触子アレイ１Ｏの探触子群を利用して焦
点探触子と等価な超音波ビーム特性を得ることができ、
前記第（３）式に示すように入射した超音波ビームの屈
折角θは管体２の外径２ｒが定まると偏心量ｄの設定に
より一義的に定めることができる。

次に探触子アレイ１０における８個の探触子群を１グル
ープとしたアナログスイッチによる選択走査は所定の掃
引開始位置をスタート地点としてアナログスイッチ１６
により８個の探触子を選択接続して超音波ビームの送信
と受信を一定周期の間行ない、送受信終了後に探触子１
周分だけ時計回り方向又は反時計回り方向にずらして８
個の探触子群をアナログスイッチ１６で選択接続し、以
下同様に８個の探触子群を１グループとして探触子１個
分だけ順次所定方向にずらした選択走査を行なう。

第８図は、第３、４図に示した探触子アレイ１０を用い
た本発明の一実施例を示したブロック図である。

まず、構成を説明すると、２０は制御信号発生器であり
、マイクロコンピュータ４６よりの制御信号により送信
パルス信号、受信タイミング信号、更にアナログスイッ
チ１６の切替え操作信号のそれぞれを発生する。２２は
送信遅延回路であり、第４図に示した偏向遅延部１４及
び焦点遅延部１２のそれぞれが設けられ、所定周期毎に
制御信号発生器２０より与えられる送信パルス信号を探
触しアレイ１０よりの超音波ビームが焦点探触子と同じ
超音波ビーム特性が得られるように偏角遅延及び焦点遅
延を施して出力する。

この送信遅延回路２２の具体的な構成としては、第４図
に示すようにアナログ遅延素子を用いてもよいが、制御
信号発生部よりのパルス信号に同期したクロックパルス
をカウンタで計数することにより、カウンタ計数による
並列出力端子を適宜に選択することで送信パルス信号を
偏角及び焦点遅延させることができる。２４は送信部で
あり、探触子アレイ１０において１グループを形成する
８個の探触子に対応して送信遅延回路２２より出力され
た送信パルス信号に基づいて超音波発振器を作動し、そ
の発信出力を電力増幅した後に制御信号発生器２０より
の切換走査信号により選択接続されているアナログスイ
ッチ１６を介して探触子アレイに焦点探触子と同様な超
音波ビーム特性を得るための送信パルス信号を供給する
。

一方、受信系としてはアナログスイッチより選択されて
いる８個の探触子群よりの超音波受信信号を個別に前置
増幅するプリアンプ２６が設けられ、プリアンプ２６の
増幅出力は受信遅延回路２８において焦点探触子と同じ
超音波ビームの送出により各探触子よりの受信した信号
の受信タイミングが同一となるように第４図に示す偏向
遅延部１４及び焦点遅延部１２を内蔵しており、個の受
信遅延回路についは、受信信号がアナログ信号波形であ
ることからアナログ遅延素子を使用している。

３０は受信機であり、受信遅延回路２８で受信タイミン
グが整合された各探触子よりの受信信号を加え合わせて
合成する。３２は主増幅部であり、加算器３０よりの合
成信号を増幅するとともに探傷処理に応じて信号レベル
の異なる受信信号を距離による変動をなくすようにする
距離振輻補正の機能も備えており、更に、第８図の実施
例では、受信処理をマイクロコンピュータ４６により行
なうことからアナログ受信信号をデジタル信号に変換す
るＡ／Ｄ変換器をも含んでいる。

１増幅部３２よりの受信デジタル信号はバッファ３４を
介して混合−レベル比較器４２に与えられており、混合
−レベル比較器４２において規定レベルを上回る受信信
号のみを欠陥受信信号として比較判別し、受信信号に含
まれる送信回り込み成分もしくはノイズ成分等を除去す
る。

更に、混合−レベル比較器４２にはバッファ３４を介し
て管体に対する探触子アレイ１０の回転走査方向及び管
体の進行方向等が入力される。

更に、混合−レベル比較器４２に対してはバッファ３６
、３８、４０のそれぞれを介して距離信号ａ、タグ信号
ｂ及び欠陥位置信号ｃのそれぞれが供給されている。

ここで距離信号ａは第３図に示すように探触子アレイ１
０に対し、管体２を軸方向に搬送した時の管体２の移動
中をパルスジェネレータなどで検出して供給している。

又、タグ信号ｂは管体の基準位置を示す信号であり、こ
の基準信号を基準位置として距離信号ａに基づいて管体
の長手方向に対する探傷アレイ１０の位置を演算する。

更に欠陥位置信号は、探触子アレイの基準線を零度とす
ると、何度の選択走査位置、すなわち、基準位置の探触
子に対し、何番目の探触子の走査で欠陥が検出されたか
を判別するために用いられ、具体的にはアナログスイッ
チ１６の選択走査信号を角度信号に変換した信号である
。

このように、バッファ３４〜４０を介して入力する受信
デジタル信号、距離信号ａ、タグ信号ｂ及び欠陥位置信
号ｃを信号処理する混合−レベル比較器４２は制御信号
発生器２０よりの受信制御タイミング信号を受けて所定
の信号処理を行ない、受信処理データを入力インタフェ
ース３４を介してマイクロコンピュ−タ４６に入力して
いる。マイクロコンピュータ４６は入力インタフェース
４４を介して入力する受信データを所定のプログラム処
理のもとに演算処理し、出力インタフェース４８を介し
てプリンタ５０．ＣＲＴに欠陥受信データを打ち出し表
示する。

このデータ表示としては、被検査体の長手方向の位置及
び円周方向の位置と共に欠陥の程度を表わすデータを出
力表示するようになる。

次に第８図のブロック構成による本発明の超音波自動探
傷の動作を説明するに、第３図に示すように水中に固定
設置された探触子アレイ１０に対し搬送装置により管体
２が送り込まれると、探触子アレイ１０はアナログスイ
ッチ１６に対する制御信号発生器２０よりの切換信号に
より、探触子アレイ１０の基準位置より８個の探触子群
を１グループとして探触子アレイ１０の探触子が順次ア
ナログスイッチ１６を介して送信部２４に接続され、制
御信号発生器２０よりの送信パルス信号に基づいて送信
遅延回路２２より焦点遅延及び偏角遅延を持って焦点探
触子と同様な超音波ビーム特性が得られる遅延のパター
ンで送信パルス信号が送信部２４に与えられ、送信部２
４において電力増幅した後にアナログスイッチ１６より
探触子アレイ１０の８個の探触子群に供給される。

このように探触子アレイ１０の８個の探触子群に送信パ
ルスが供給されると、第４図に示すように探触子アレイ
１０よりは管体２の中心Ｏよりの編心量ｄを焦点Ｆとす
る特性の超音波ビームが出力され、管体２に対し、屈折
角θをもって入射することで管体２の軸は方向に存在す
る欠陥を探傷するようになる。

この超音波ビームの伝搬経路に欠陥が存在したとすると
、欠陥で反射された超音波反射エコーはアナログスイッ
チ１６で選択されている超音波ビームを出力した８個の
探触子群で受信され、プリアンプ２６で前置増幅した後
に受信遅延回路２８で各探触子よりの受信信号が同一タ
イミングとなるように送信遅延回路２２と同様に偏向遅
延及び焦点遅延を施した後、加算器３０で加え合わされ
て合成信号となり、主増幅部３２で距離振幅補正等を施
した後にデジタル信号に変換され、バッファ３４を介し
て混合−レベル比較器４２に与えられる。

同時にバッファ３６、３８、４０を介して距離信号ａ、
タグ信号ｂ及び欠陥位置信号ｃが与えられており、主増
幅部３２よりの受信デジタル信号のレベルが所定レベル
を上回ったときに欠陥受信信号と判別し、距離信号ａ、
タグ信号ｂ及び欠陥位置信号ｃに基づいた欠陥位置情報
とともに入力インタフェース４４を介してマイクロコン
ピュータ４６に入力し、マイクロコンピュータ４６で所
定の演算処理を実行した後に出力インタフェース４８を
介してプリンタ５０に欠陥データを打ち出すとともにＣ
Ｒ１５２に同様に欠陥データを表示する。

尚、ＣＲＴ５２における欠陥データの表示方としては、
管体の立体影像に欠陥位置を画像表示するようにしても
よい。

以下、同様に制御信号発生器２０よりの切換走査信号に
基づいてアナログスイッチを切換走査し、探触子１つ分
ずらせた次の８個の探触子群を選択接続して同様に超音
波ビームの送出による欠陥検出を繰り返す。

第９図は、本発明に用いる探触子アレイの他の実施例を
示した説明図であり、この実施例は、探触子アレイを探
触子アレイ１０ａと１０ｂに２分割し、一方の探触子ア
レイ１０ａについては４分割した対称位置に複数の探触
子を所定数配列し、一方、他方の探触子アレイ１０ｂに
ついては同じく４分割した探触子アレイ１０ａの空き部
分となる対称位置に複数の探触子を配列したものである
。

すなわち、第３図に示したように、全周に探触子を配列
した探触子アレイは、実際の加工組立上に問題があり、
特に探触子アレイを均一ピッチで全周に配列することは
寸法上の制約を大幅に受ける。

そこで、第９図に示すように探触子アレイ１０ａ、１０
ｂに２分割してその４分の１の軸周部分に複数の探触子
を配列し、これを組み合わせることで全周に探触子を配
列したと同じにすることができ、探触子を全周に設けて
いないことから同一ピッチで探触子を配列する時の寸法
許容度が大きくなり、加工組立てが容易になり、より実
用的にすることができる。

以上説明したきたように本発明によれば、複数の探触子
を環状に配列した探触子アレイを水中に固定設置した探
触子アレイ内を通過する被検査体に対し、所定数の探触
子群を１グループとして送受信信号の遅延により、焦点
探触子と等価な超音波ビーム特性を作り出し、探触子ア
レイを順次切換走査することにより、被検査体の長手方
向に存在する欠陥を検出するようにしたため、被検査体
又は、探触子を回転駆動するための回転駆動設備が不要
となり、これによって超音波自動探傷装置の設備コスト
を大幅に低減することがでさ、又電気的な超音波ビーム
の回転走査であることから耐久性及び信頼性にすぐれ、
特に被検査体のサイズが変わっても探触子アレイを交換
するだけで簡単に探傷を行なうことができ、 更に電気的な回転走査であることから探傷速庶を任意に
設定することがでさ、探触子又は被検査体の回転による
位置変化のないことから探傷制度を大幅に向上すること
ができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の焦点探触子の原理説明図、第２図は焦点
探触子を用いた従来装置の説明図、第３図は本発明で用
いる探触子アレイの説明図、第４図は本発明で用いる探
触子アレイの焦点ビーム特性の説明図、第５、６、７図
は本発明の探触子アレイにおいて焦点ビーム特性を得る
ための信号遅延を示した説明図、第８図は本発明の装置
構成の一実施例を示したプロック図、第９図は本発明で
用いる探触子アレイの他の実施例を示した説明図である
。 ２：管体 １０、１０ａ、１０ｂ：探触子アレイ １２：焦点遅延部　　　１４：偏向遅延部１６：アナロ
グスイッチ ２０：制御信号発生器 ２２：送信遅延回路　　２４：送信部 ２６：プリアンプ　　　２８：受信遅延回路３０：加算
器３２　　　３２：主増幅部３４、３６、３８、４０：
バッファ ４２：混合−レベル比較器 ４４：入カインタフェース ４６：マイクロコンピュータ ４８：出力インタフェース ５０：プリンタ　　　　５２：ＣＲＴ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）水中に固定設置され、複数の探触子を環状に配列
   した探触子アレイと、該探触子アレイの探触子を所定数
   単位毎に順次走査する操作手段と、該走査手段で選択し
   た探触子群に対する送信パルス信号を焦点探触子と等価
   な超音波ビーム特性が得られるように遅延する送信遅延
   手段と、前記走査手段で選択した探触子群による超音波
   受信信号の各々の受信タイミングが一致するように遅延
   する受信遅延手段と、 該受信遅延手段の合成受信出力に基づいて前記探触子ア
   レイ内を通過する管状金属の欠陥を検出表示する処理手
   段とを備えたことを特徴とする超音波自動探傷装置。
2. （２）前記走査手段は所定数の探触子を１グループとし
   、所定の送受信周期毎に１探触子ぶんだけ接続状態を順
   次シフトするアナログスイッチ群で成る特許請求の範囲
   第１項記載の超音波自動探傷装置。