JP3769067B2 - 延伸された加工物の欠陥検出方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は請求項１の上位概念に記載の管材及び棒材の延伸された加工物の欠陥検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドイツ特許出願公告第ＤＥ３９４３２２６Ｂ１号公報に本発明の基本となる発明が開示されている。そこで開示されている公知の方法では、試験体が回転されずに少なくとも１つの定置のエレクトロダイナミック変換器の側を軸方向に通過案内され、各クロック毎にエレクトロダイナミック変換器により音波の波パルスが試験体の中に作られ、波パルスは試験体の中で円周方向の接線方向の両方向に伝播し案内される波の波長の１／４の長さだけ送信場所に対してずらされている受信場所で受信される。試験体の周方向の方向に同時に伝播している波パルスを送信する場所と受信する場所は、両者が受信場所で相殺的に干渉するように選択されている。この場合それぞれのクロックにおいて、受信信号と、試験体の回りを回転する波パルスの１回転時間の１／４の時間より短く選択されている信号周期を有し欠陥無しの加工物の場合に妨げられずに走行する波パルスの減衰時間の長さに対応する信号幅を有する高いデューティ比のバースト信号とが、ピーク検出器に供給され、ピーク検出器の出力信号がデジタル化されて計算機に伝送される。
【０００３】
この方法の欠点は、大きい周縁長を有する管、すなわち、直径が４００ｍｍより大きい管に適していないことにある。更に、欠陥個所の周縁座標に関する情報が提供されない。これは、修理されるべき溶接管の場合には容認されない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、直径が４００ｍｍより大きい管，特に９００ｍｍより大きい管に適し欠陥個所の円周上の座標を求めることを可能にする管材及び棒材等の延伸された加工物における欠陥を検出する方法を提供することにある。更に、必要な機械的構造が簡単かつ安価であることも課題である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明により、請求項１の特徴部分に記載の特徴により解決される。本発明の方法を実施する装置は、従属する請求項に記載されている。
【０００６】
本発明では、試験体の中に、少なくとも４つの対称的に周方向に分離されて位置する場所で周方向の両方向に伝播する波パルスが発生され、それぞれの試験クロックで全変換器の半数が交互にトリガされる。これは、分離されて位置する発生場所を６個所又は８個所とすることが可能であることを意味する。しかし、更に発生場所の数を増加すると、全装置を作動するための電子的及び機械的コストも増加する。
【０００７】
このように選択された配置は次の利点を有する。新しい試験波の発射が行われる前に、先行の超音波は消滅しなければならない。従って、できるだけ大きいクロック周波数と、ひいては高い検査効率を得るために、半数、すなわち６つの変換器の配置の場合には３つの変換器が同時にトリガされる。これにより、全部で２回の試験波の発射を行えば管の全周縁が重畳して試験されることが保証される。
【０００８】
選択された対称的配置により、反射信号及び透過信号は最小限にしか互いに妨げず、透過ピークの間隔が一様になる。更に、この配置により、試験される領域が最適に重畳して検査される。
【０００９】
発生データ量の処理は、反射波を用いる技術において非常に重要である。ゲート区間発生器は、典型的には３３μｓの周期及び９９：１のデューティ比を有する方形信号を発生する。方形信号（バースト信号）の全パルス長は、直径に依存して、評価する信号のパルス長に合わされる。この方形信号は変換器を励振するストローブ信号として機能する。例えば、１メートルの直径の管に対しては３４個のゲート区間が設けられる。これは、周方向で見て５０ｍｍを単位として検査することに相当する。管が軸方向に移動するので、５０ｍｍの幅のラスタができる。通常の試験課題ではこの分解能で充分である、何故ならば研磨個所は常に数ｃｍの大きさであり、従って互いに隣接する領域も一緒に試験されるからである。
【００１０】
特別な場合、このラスタを２０ｍｍ幅に減じることが必要であることもある。この場合、信号の数が増えるので、実際に重要な信号のみが処理されるように、例えば６ｄＢのノイズレベルより大幅に高い振幅値のみが、ゲート区間の番号（波の伝播時間から求められる）を表す信号と一緒に中央演算装置に伝送される。
【００１１】
反射波が捕らえられたときその伝播時間に対応するゲート区間の番号は既知であるので、それぞれの組合せられている変換器からの推定欠陥個所の距離が情報として得られる。しかしこの場合まだ、欠陥個所が変換器から見て時計の針の回転方向に位置するか又はその反対の方向に位置するかは判断できない。
【００１２】
この判断を可能にするためには適切な論理回路により、別の変換器の反射信号も一緒に考慮し、これにより、いずれの周縁セグメント（例えば周囲を５０ｍｍ毎に区切った区間）の中に欠陥個所が位置するかを求める。
【００１３】
適切な統計的なゆらぎ除去アルゴリズムにより、試験動作の終了後にデータを評価でき、これにより例えば統計的ゆらぎに起因する孤立的データが除去される。２つの変換器が同一の場所に表示を検出すると初めて、欠陥個所と推定される。
【００１４】
このように範囲が限定された欠陥個所に対して、付加的に振幅値が得られ、これにより表示すべき欠陥として評価することが可能となる。
【００１５】
前述の方法の利点は、第１に、ゲート区間を適切に設定することにより、中央演算装置が処理するデータ量を最初から減少でき、第２に、欠陥個所の周縁上の座標を求めることができることにある。
【００１６】
例えば精密管の場合には欠陥個所の周縁座標を求めることは無益である、何故ならば所定の欠陥レベルを越えると、その管は廃棄されなければならないからである。局所的修理は不可能であり、たとえ可能であってもコストがかかりすぎる。
【００１７】
大型管の場合には修理が可能であることは、重要である。この点に関して大型溶接管の場合には、更に次のことを注意しなければならない。本装置に試験体を制御して供給する際、溶接継目が変換器の下に位置しないことが保証されなければならない。何故ならば溶接継目が変換器の下に位置すると、この変換器とは不定の不充分な結合となるからである。溶接継目は、ある程度は管全長にわたり予測される小さい反射波の表示を生じさせる。この表示線は検出でき、継目に対応させることができる。
【００１８】
本発明の反射波解析の技術と、公知の透過波解析の技術とを一緒に利用することにより得られる利点は、形態及び大きさが非常に異なる欠陥を確実に検出できることにある。例えば、表面の浅い窪みは反射技術では確実には検出できない。しかしこのような窪みは透過技術により確実に検出できる。
【００１９】
簡単かつ小コストの機械的構造のための選択された配置は、とりわけ有利である。それぞれ２つの変換器がそれぞれ１つの変換器担体に一緒に取付けられる。この変換器担体は全体として、管中心点を通り、管軸線に垂直な軸線に沿って動かすことができ、この変換器担体は、前述の軸線を中心に僅かな回転運動を行うことができる。これにより、試験の間の管のずれを補償でき、この機構は、例えば管径等に合わせるための寸法調整の面で非常に簡単に構成できる。
【００２０】
一般的に言って、本発明では２・ｎ個の変換器（ただしｎは２以上）が設けられ、１つの変換器担体に取付けられている変換器と変換器との間の間隔は３６０゜／４／ｎである。それぞれ２つの変換器を有する変換器担体と変換器担体との間の間隔は、３６０゜／ｎである。また、１つのエレクトロダイナミック変換器に設けられる１つ又は複数の送信コイルの全てが同時に同じクロックで制御されて励振される。
【００２１】
提案される方法は、内径が本機構構造の通過を可能にする場合には管の内部試験にも適する。この場合、本発明により得られる簡単な構造が有利である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１には、本発明の方法を実施する原理的構成が示されている。
【００２３】
試験体１に僅かに間隔を置いて配置されている全部で６つの変換器（エレクトロダイナミック変換器）Ｗ１〜Ｗ６のうちの３つの変換器（図１では変換器Ｗ１，Ｗ３，Ｗ５）が、試験体１の周方向上の両方向に波パルスＡ，Ｂを同時に放出する。すなわち、１つの変換器に複数の送信コイルが設けられる場合には、その１つの変換器の全ての送信コイルが同時に同じクロックで制御されて励振される。この例では、放出された波パルスＡ又はＢは波状線により示され、波パルスＡは時計の針と同一の回転方向に定められ、Ｂは時計の針とは反対の回転方向に定められている。
【００２４】
両方の波パルスＡ，Ｂは周方向に幾度も回り、周縁の一定の２つの点で再び出合う。それぞれの変換器Ｗ１，Ｗ３，Ｗ５のそれぞれに正確に１８０゜ずれて位置するすなわち正確に対向して位置する個所がそれぞれ、Ｐos．２，Ｐos．３，Ｐos．４により示されてい
る。
【００２５】
図示の変換器Ｗ１〜Ｗ６は組合せ変換器と呼ばれる、何故ならば変換器Ｗ１〜Ｗ６は送信巻線と受信巻線を有するからである。必要な試験感度を保証するために、まず反射技術が使用される、すなわち欠陥個所で反射された波成分が検出される。更に、透過信号も測定され評価される。
【００２６】
大型管すなわち直径が９００ｍｍより大きい管の場合に試験体の全周縁をくまなく監視できるためには、組合せ変換器Ｗ１〜Ｗ６が必要である。これらの６つの変換器Ｗ１〜Ｗ６は１つの平面の中に周縁の上に位置−１５゜，１５゜（変換器Ｗ１，Ｗ２）；１０５゜，１３５゜（変換器Ｗ３，Ｗ４）及び２２５゜，２５５゜（変換器Ｗ５，Ｗ６）に配置されている。３つの送信変換器Ｗ１，Ｗ３，Ｗ５又はＷ２，Ｗ４，Ｗ６はそれぞれ、同時にトリガされる。
【００２７】
本発明ではそれぞれ２つの変換器、すなわち変換器Ｗ１，Ｗ２；変換器Ｗ３，Ｗ４又は変換器Ｗ５，Ｗ６は変換器担体に載置されて取付けられている。変換器担体は、２つのホルダ９，１０；９ａ，１０ａ：９ｂ，１０ｂから成り、これらの２つのホルダ９，１０；９ａ，１０ａ：９ｂ，１０ｂは回転中心点１１，１１ａ，１１ｂを中心に回転させることができる。変換器Ｗ１，Ｗ２の領域内の矢印１２は、変換器担体の運動可能方向を示す。これにより、異なる寸法への簡単な整合が可能となる。
【００２８】
本発明の方法を説明するために、１つのクロックｌの中で変換器Ｗ１を考察する。図２は概略的に受信信号を示す。
【００２９】
送信巻線と受信巻線とのクロストークに起因して変換器Ｗ１の直接下からの反射信号は受信できない。
【００３０】
増幅器の過励振が減衰した後、図示の区間ａ，ｂ（図１）からの反射信号が受信される。これは、図２の区間５に相当する。
【００３１】
変換器Ｗ３，Ｗ５は変換器Ｗ１に対して対称的に配置されているので、これらの変換器Ｗ３，Ｗ５から発信された波は、実際の上で同時に変換器に到達し、これらの波の振幅が大きいことに起因して変換器Ｗ１の受信増幅器に過励振を生じさせる。両波列の重畳度は定まらないので、この時間領域内での振幅測定は無益である。
【００３２】
区間ｃ及びｄ（図１）からの反射信号が後続し、そして変換器Ｗ３及びＷ５からそれぞれ逆の周方向に発信された波が同時に変換器Ｗ１に到達する。区間ｃ，ｄは図２の区間６に相当する。
【００３３】
より長い時間間隔での測定、すなわち区間ｅ，ｆ（図１）からの信号の測定は無益である、何故ならば個々の信号の同定はますます複雑になり、反射信号は吸音に起因して振幅が小さすぎるからである。
【００３４】
現在の超音波が完全に消滅すると初めて、すなわち回っている波の振幅がノイズとなって消滅すると初めて、次の試験波を発射することに注意されたい。
【００３５】
変換器Ｗ３，Ｗ５の受信信号は、アナログ構造を有する。それぞれの周縁セグメントａ〜ｆは二重に試験されるので、原理的には、反射表示がどこから到来したのかを決定できる、何故ならば変換器Ｗ１〜Ｗ６は両方向で動作するからである。
【００３６】
周縁全体を完全に監視するために、次のクロックｌｌでは変換器Ｗ２，Ｗ４，Ｗ６を用いる。この場合、監視されるセグメントの各端縁領域内では既にクロックｌで監視されたと想定される、何故ならば通常、１つのクロックの中で試験不可能な区間は、試験可能な区間より短いからである。
【００３７】
反射信号の外に、それぞれの時間クロックの中で透過信号も受信される。変換器Ｗ１に対する図２の第２の振幅７は、例えば方向Ａの変換器Ｗ３，Ｗ５の透過信号を示し、図２の第３の振幅８は、反対の方向Ｂの変換器Ｗ３，Ｗ５の透過信号を示す。
【００３８】
周縁座標を求める方法を説明するために、図２の区間５は欠陥個所の振幅１３を示すとする。それぞれの区間５と６の中に設定されるゲート区間１４又は１５が概略的に画面表示装置の下方に示されている。
【００３９】
例として１つの区間毎に５つのゲート区間が示されているが、しかし実際には非常に多数のゲート区間が密に隣接して配置されている。同定は、ピーク検出器が、ノイズレベル１６から立ち上っている振幅１３を検出し、最大測定振幅値を記憶して行われる。
【００４０】
同時に、設定されたゲート区間の番号が計数される。この場合、左側から数えてゲート区間列１４の２番目のゲート区間である。ゲート区間の番号は走行時間に対応するので、幾ｍｍだけ変換器Ｗ１から離れて欠陥個所１３が位置するかを簡単に計算できる。
【００４１】
変換器Ｗ２，Ｗ４，Ｗ６の次の試験波の発射でこの欠陥個所１３は再び変換器Ｗ２，Ｗ４，Ｗ６のうちの１つにより検出されると、第１に、統計的ゆらぎでないことが確認され、第２に、これら２つの走行時間を論理的に解析することにより欠陥個所１３の周縁上の座標を正確に求めることができる。
【００４２】
変換器対Ｗ１，Ｗ２；Ｗ３，Ｗ４；Ｗ５，Ｗ６を試験体の円周上の位置に割当てるときの基準となる位置は、継ぎ目無管においては前もって管の表面に描かれたパイロット線により行われ、溶接管では通常溶接継目がこの機能を引受ける。
【００４３】
図３は概略的に、時間クロックｌの中での変換器Ｗ２での受信信号を示す。この時間クロックｌの中では変換器Ｗ１，Ｗ３，Ｗ５がトリガされている。図１で既に示されているように方向Ａは、図１において超音波が時計の針の回転方向に回り、方向Ｂは、時計の針の回転方向とは反対の方向に回ることを意味する。
【００４４】
この時間クロックの中で作動されている３つの送信変換器から到来する超音波の受信信号と受信信号との間の時間間隔は、超音波探触子の配置が対称的に選択されていることに起因して等間隔である。
【００４５】
透過信号が飽和することを防止するために増幅率は、反射信号の受信の場合に比して大幅に小さい。変換器Ｗ２の場合と同一の構造の透過信号を同時に変換器Ｗ４及びＷ６の受信機が受信する。
【００４６】
第２の時間クロックｌｌの中では変換器Ｗ２，Ｗ４，Ｗ６がトリガされ、変換器Ｗ１，Ｗ３，Ｗ５は透過信号を検出する。図示の試験は、試験体１を長手方向に搬送しながら行われ、その際の線速度は１０ｍ／ｍｉｎより大きい。試験の間、試験体１を回転させることは不要であり、上記変換器が試験体表面を機械的に走査することも不要である。
【００４７】
図４，図５に本発明に係る方法を実施する装置の電子回路の一例が示されている。
【００４８】
送信側では、中央演算装置ＺＲによりトリガされて信号発生源ＳＧがバースト信号を発生する。
【００４９】
図１の例では、６個の変換器Ｗ１〜Ｗ６の中のＷ１，Ｗ３，Ｗ５の組とＷ２，Ｗ４，Ｗ６の組を交互に励振するために送信器マルチプレクサＳＭを用いて、上記バースト信号が上記組の変換器に交互に送られる。
【００５０】
その信号は送信器用増幅器ＳＶで増幅されて変換器の組Ｗ１，Ｗ３，Ｗ５あるいは変換器の組Ｗ２，Ｗ４，Ｗ６の送信コイルＳに送られる。
【００５１】
これにより管体、棒体等の試験内の表面に音波が誘起され、これが試験内の表面に沿って伝播していく。
【００５２】
このサイクルでは送信器として動作しなかった方の変換器の組が受信器として動作し、その変換器の組の受信コイルＥが伝播してきた波パルスを検出する。
【００５３】
各受信コイルＥの出力は低ノイズの前置増幅器ＶＶでインピーダンス変換をしながら前置増幅される。各変換器の受信コイルＥと前置増幅器ＶＶの間のケーブルの長さは、信号の減衰を防止するためにできるだけ短くする。
【００５４】
前置増幅器ＶＶで増幅された信号は主増幅器ＨＶで適当な信号レベルになるように増幅される。
【００５５】
反射波の信号レベルは透過波の信号レベルより桁ちがいに小さいので、反射波の信号と受信波の信号を共に用いて処理するために、反射波の信号については更に増幅するために固定増幅率の増幅器Ｖを通し、透過波の信号についてはそのまま出力端子に出力するマルチプレクサＭ１，Ｍ２が、変換器のそれぞれの組に設けられている。
【００５６】
主増幅器ＨＶのマルチプレクサＭ１，Ｍ２を通った出力信号は、ピーク検出器ＰＤに送られる。
【００５７】
他方中央演算装置ＺＲに制御されてゲート区間発生器ＢＧがゲート信号を発生し、そのゲート信号はマルチプレクサＭ３を通って、変換器の一方の組あるいは他方の組のピーク検出器ＰＤに送られる。
【００５８】
ピーク検出器ＰＤは、ゲート区間が開いているときの信号のピーク値を検出する。ゲート信号は次々に送られて来るので、各ゲート区間におけるピーク値が検出される。波の伝播時間と、何番目のゲート信号であるかを対応づけることによって、欠陥の位置についての情報となる。
【００５９】
ゲート信号の頻度は、試験体の直径、あるいは検査目的によって選ばれる。
【００６０】
ピーク検出器ＰＤの出力はアナログ／デジタル変換器ＡＤでデジタル信号に変換され、前置計算器Ｒに送られる。前置計算器Ｒでは、例えば、上記デジタル信号の信号レベルが雑音レベルより充分大きいかどうかを判断し、充分雑音レベル信号より大きい信号だけを中央演算装置ＺＲに送るデータ選別等の処理をする．
【００６１】
中央演算装置ＺＲは、上記マルチプレクサＭ１，Ｍ２，Ｍ３を制御しており、ピーク検出器ＰＤで得られたピーク値は、どの変換器から送信され、どの変換器で受信されたかを判断することができる。更に、変換器の２つの組を交互に切り替えることによって、同一の欠陥について、少なくとも２つのデータを得ることができる。また、何番目のゲート区間でピーク検出器ＰＤがピーク値を検出したかをも判断できる。これらのデータを総合することによって、中央演算装置ＺＲは、欠陥の場所を同定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実施する方法を概略的に示す断面図である。
【図２】トリガされている送信変換器Ｗ１，Ｗ３，Ｗ５の受信信号の線図である。
【図３】トリガされている変換器Ｗ１，Ｗ３，Ｗ５における変換器Ｗ２の受信信号を概略的に示す線図である。
【図４】送信側のブロック回路図である。
【図５】受信側のブロック回路図である。
【符号の説明】
１ 試験体
Ｗ１〜Ｗ６ 変換器
９，９ａ，９ｂ，１０，１０ａ，１０ｂ ホルダ
１１，１１ａ，１１ｂ 回転中心点
１２ 変換器担体の運動の可能性を示す二重矢印
１３ 振幅
１４，１５ ゲート区間
Ａ，Ｂ 波パルス
ＺＲ 中央演算装置
ＳＧ 信号発生源
ＳＭ 送信器マルチプレクサ
ＳＶ 送信器用増幅器
Ｓ 送信コイル
Ｅ 受信コイル
ＶＶ 前置増幅器
ＨＶ 主増幅器
Ｖ 増幅器
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ マルチプレクサ
ＰＤ ピーク検出器
ＢＧ ゲート区間発生器
ＡＤ アナログ／デジタル変換器
Ｒ 前置計算器

Claims (8)

1. 試験体の周方向に分離されて配置された、試験体の近傍に定置のエレクトロダイナミック変換器の側を試験体が回転せずに軸方向に通過案内され、上記エレクトロダイナミック変換器により前記試験体の中に試験クロック毎に交互に異なる場所で周方向の両方向に伝播する波パルスが発生され、反射信号を受信する時点と透過信号を受信する時点とが異なり、受信信号の列が分離されて評価され、それぞれのクロックに対して受信信号とバースト信号とがピーク検出器に供給され、ピーク検出器の出力信号がデジタル化されて計算機に伝送される、管材及び棒材の延伸された加工物の欠陥検出方法において、
   試験体の中に少なくとも４つの対称的に周方向に分離されて位置する場所で周方向の両方向に伝播する波パルスが発生され、それぞれの試験クロックで全変換器の半数が交互にトリガされ、透過信号の受信が反射信号の受信に比して大幅に小さい増幅率で行われ、試験課題に依存して所要場所分解能を提供するように反射信号の測定のためのバースト信号の波形が構成され、バースト信号は、ゲート区間の中で測定されかつノイズレベルから選択された閾値以上の振幅値の信号のみが更に伝播されるように構成されていることを特徴とする延伸された加工物の欠陥検出方法。
2. 周方向の６つのエレクトロダイナミック変換器が両方向に波パルスを試験クロック毎に交互に発生することを特徴とする請求項１に記載の延伸された加工物の欠陥検出方法。
3. 大型管の場合、反射信号の測定のためのバースト信号の周期が、５ｃｍ以下の周方向の場所分解能に相当するように選択されることを特徴とする請求項１又は２に記載の延伸された加工物の欠陥検出方法。
4. 欠陥個所で発生した反射波が少なくとも２つのエレクトロダイナミック変換器で検出され、中央演算装置の中の論理回路により両エレクトロダイナミック変換器の出力が互いに論理結合され欠陥個所の周方向の座標をも求めることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の延伸された加工物の欠陥検出方法。
5. 互いに離されて配置されている送信コイル及び受信コイルを有する複数のエレクトロダイナミック変換器が試験体の一断面平面内で試験体の周縁から少しずらされて装置に固定されて配置され、上記エレクトロダイナミック変換器が評価回路ユニットに結合され、１つのエレクトロダイナミック変換器に設けられる１つ又は複数の送信コイルの全てが同時に同じクロックで制御されて励振される、請求項１または２の方法を実施する装置において、２・ｎ個（ｎは２以上の整数）のエレクトロダイナミック変換器（Ｗ１〜Ｗ６）が対称的に配置され、それらのエレクトロダイナミック変換器は２個ずつ対にして（Ｗ１，Ｗ２；Ｗ３，Ｗ４；Ｗ５，Ｗ６）１つの変換器担体の上に一緒に固定され、上記変換器担体は３６０°／ｎの角度の間隔で配置され、各エレクトロダイナミック変換器（Ｗ１〜Ｗ６）は固有の前置電子回路と固有の評価回路を備えることを特徴とする延伸された加工物の欠陥検出装置。
6. 変換器担体に配置されている２つのエレクトロダイナミック変換器の間隔が３６０゜／４／ｎであることを特徴とする請求項５に記載の加工物の欠陥検出装置。
7. それぞれの変換器（Ｗ１〜Ｗ６）のための変換器担体がホルダ（９，１０，９ａ，１０ａ，９ｂ，１０ｂ）を有し、２つずつの変換器（Ｗ１，Ｗ２；Ｗ３，Ｗ４；Ｗ５，Ｗ６）が対をなして互いに固定され、それらの間に位置する回転中心点（１１，１１ａ，１１ｂ）を中心に回転可能であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の加工物の欠陥検出装置。
8. エレクトロダイナミック変換器（Ｗ１〜Ｗ６）と、前記変換器（Ｗ１〜Ｗ６）に所属の前置電子回路との間のケーブル長が可能な限り短いことを特徴とする請求項５から請求項７のうちのいずれか１項に記載の加工物の欠陥検出装置。

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