JP3734822B1 - 非破壊検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部磁界による残留磁気を利用して非磁性体下にある長尺状の強磁性体の異常の有無を判定するについて、熟練を要することなく正確に異常の有無を判定し得る新規かつ有用な非破壊検査方法を提供する。
【解決手段】 非磁性体１１下の強磁性体１２に直流磁界を付与して該強磁性体をその長手方向に磁化させ、ＭＩセンサまたはフラックスゲート型センサ１６を用いて非磁性体１１の表面１１ａ上で強磁性体１２の長手方向に沿って該強磁性体の残留磁束密度についての該強磁性体の長手方向と直角な方向の磁束密度成分を測定し、該磁束密度成分の分布に基づいて異常箇所の有無を判定する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、非磁性体下に在る強磁性体から発せられる磁界を測定して該強磁性体の異常の有無を推定する非破壊検査方法及びその装置に関し、特に、人為的に外部磁界を強磁性体に付加した後、該強磁性体に残留する磁界の強度を測定して異常の有無を推定する非破壊検査方法及びその装置に関する。

コンクリートに埋設された鉄筋に破断のような異常が生じているか否かを鉄筋コンクリートを破壊することなく診断する非破壊検査方法に、Ｘ線を利用したＸ線透過法がある。しかしながら、Ｘ線のような放射線の取り扱いには、細心の注意が必要であり、また被測定物の両面から接近できない場所では、Ｘ線透過法は利用できない。

また、コンクリートのような非磁性体に鉄筋のような強磁性体が埋設されている場合の非破壊検査方法として、磁界を利用した方法がある（例えば、非特許文献１参照。）。

この従来の磁界を利用した非破壊検査方法によれば、検査対象の強磁性体に人為的に外部磁界を印加し、破断のような欠損が生じている異常箇所での強磁性体からの残留磁気による漏れ磁束を検出することにより、Ｘ線透過法におけるような制限を受けることなく、コンクリート内の鉄筋の異常の有無を判定することができる。
電子磁気工業株式会社、「Products」第２頁、品名 マイクロ磁気探傷装置、［online］、［平成１６年１２月１５日 検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.emic-jp.com/pro/hihakai.html＞

しかしながら、従来の磁界を利用した非破壊検査方法では、外部磁界に磁束方向を交互に反転させる交番磁界が用いられており、商用周波数に応じた周期で外部磁界の磁束方向が反転することから、強磁性体が常に所定方向および所定の強度の同一条件で磁化されるように交番磁界を停止することは容易ではなく、外部磁界の付与操作に熟練を要した。外部磁界による残留磁気の磁化方向およびその強度が定まらず、そのために測定される漏れ磁束の磁化方向および強度が測定毎にばらつきを生じると、磁束検出手段による検出磁束の強度が測定毎にばらつきを生じることから、正確かつ容易な判定は困難になる。

そこで、本発明の目的は、外部磁界による残留磁気を利用してコンクリート体（非磁性体）下に在る鉄筋（長尺状の強磁性体）の異常の有無を判定するについて、熟練を要することなく正確に破断の有無を判定し得る新規かつ有用な非破壊検査方法及びその装置を提供することにある。

本発明は、基本的に、コンクリート体の鉄筋の破断の有無を判定する非破壊検査方法であって、前記鉄筋の長手方向に沿ってコンクリート体上を永久磁石を移動させることにより、鉄筋を磁化させて鉄筋の長手方向に沿って磁界を発生させ、この後、前記永久磁石を取り除いて、磁気検出手段を鉄筋の長手方向に沿って前記コンクリート体上を移動させながら、前記コンクリート体の表面上での鉄筋の残留磁束密度について、鉄筋の長手方向と直角な方向の磁束密度成分を測定し、この測定値の前記鉄筋の長手方向についての微分値を求め、前記磁気検出手段を、鉄筋の長手方向に対して互いに所定距離離間した一対のＭＩセンサまたはフラックスゲート型センサで構成し、この一対のＭＩセンサの測定値の差分または一対のフラックスゲート型センサの測定値の差分を前記所定距離で除することにより前記微分値を求め、この求めた微分値の変化に基づいて鉄筋の破断箇所の有無を判定することを特徴とし、これによって、初めて容易かつ正確な判定が可能となる。

本発明の基本原理の詳細を図１乃至図４に沿って説明する。例えば図１に示すように、コンクリートのような非磁性体１内に埋設された鉄筋のような強磁性体２に破断箇所３があるか否かを知るために、図３に示すような磁気センサ４を用いて非磁性体１の表面１ａ上で磁束密度を測定するが、この測定に先立って、強磁性体２に直流外部磁界を付与する。

図１に示す例では、直流磁界の付与のために、両端に磁極面Ｎ、Ｓを有する直方体の永久磁石５が用いられている。この永久磁石５が、その磁化方向を強磁性体２の長手方向（ｙ）に沿わせて、非磁性体１の表面１ａ上で強磁性体２の長手方向（ｙ）へその全長にわたって往復移動される。この永久磁石５の磁石操作によって、強磁性体２に磁束の方向を反転することのない直流外部磁界が付与され、この外部磁界により、強磁性体２がその長手方向（ｙ）に磁化される。

直方体の永久磁石５に代えて、図２に示すように、一対の脚部６ａと該両脚部間の梁部６ｂとを有し、脚部６ａの下端面に磁極面Ｓ、Ｎを有する門型の永久磁石６を用いて、同様に強磁性体２に直流外部磁界を付与することができる。

強磁性体２に破断箇所３が存在せず、強磁性体２がその長手方向（ｙ）に連続する場合、前記した直流の外部磁界によって強磁性体２に生じる磁束は、強磁性体２の長手方向に分断されることがないことから、基本的に、強磁性体２の長手方向に連続してその全長にわたって伸びる図２に磁束φ１で示すような閉曲線の磁束が得られる。

しかしながら、強磁性体２に破断が生じ、２つの部分２ａ、２ａに分断されていると、あるいは強磁性体２に分断を生じるような亀裂が生じていると、この破断箇所３で強磁性体２の磁束が漏洩し、図２及び図３に示すように、一部の磁束が破断箇所３で強磁性体２の長手方向へ２つの閉曲線に分断され、その結果、分断部分２ａ、２ａ毎に閉塞する磁束φ２、φ２が生じる。そのため、図３に矢印７ａ、７ｂで示されているように、破断箇所３に対応する部分で、強磁性体２の長手方向（ｙ）と直角な方向（ｚ）に沿って、磁束の方向が反転する。

そこで、図３に示すように、非磁性体１の表面１ａ上を強磁性体２の長手方向（ｙ）に沿って磁気センサ４を移動させながら強磁性体２の残留磁気による強磁性体２の長手方向（ｙ）と直角な方向（ｚ）の磁束密度成分を測定すると、図４に示すような強磁性体２の長手方向に沿った磁束密度変化の分布を示す特性線Ａのグラフを得ることができる。このグラフに示された特性線Ａの線分Ａ１及び線分Ａ２は、強磁性体２の健全部分に対応してほぼ同一方向に傾斜する線分で示される緩やかな磁束密度変化を示す。しかしながら、両線分Ａ１及びＡ２間に位置する線分Ａ３では、破断箇所３で磁束の方向が反転することにより、線分Ａ３の傾斜が反転する。この傾斜が反転する線分Ａ３の中点位置ｙ₁が破断箇所３に対応する。このように、強磁性体２の残留磁気による強磁性体２の長手方向（ｙ）と直角な方向（ｚ）の磁束密度成分を測定して得られる特性線Ａの傾きの変化から、非磁性体１内の強磁性体２に破断箇所３があるか否かを判定し、破断箇所３があると判定されたとき、その位置を知ることができる。

本発明によれば、前記したように、直流磁界を鉄筋に付与して該鉄筋をその長手方向に磁化し、その残留磁界のうち鉄筋の長手方向に直角な残留磁束密度成分をＭＩセンサやフラックスゲート型センサのような高精度磁束センサを用いて測定し、この測定により得られた磁束密度成分の分布から、鉄筋に破断のような異常が生じているか否かを熟練を要することなく迅速かつ正確に判定することができる。

本発明が特徴とするところは、図示の実施例に沿っての以下の説明により、さらに明らかとなろう。

図５には、本発明に係る非破壊検査方法を実施する非破壊検査装置が全体に符号１０で示されており、図５は本発明に係る非破壊検査方法が、コンクリート体１１内に埋設された鉄筋１２に破断のような異常１３が生じているか否かの判定に適用された例を示す。

本発明に係る非破壊検査方法では、非破壊検査装置１０を用いてコンクリート体１１内に埋設された鉄筋１２からの磁束を測定するに先立って、図１または図２に示したように、例えばＮｄ系のような希土類金属磁石からなる永久磁石５あるいは６を用いて、鉄筋１２がその長手方向に磁化される。この永久磁石５、６による磁界は直流磁界であることから、交流磁界におけるような磁界付与の停止時期に応じた磁化方向あるいは磁気強度にばらつきを生じることなく、効果的に鉄筋１２をその長手方向に磁化することができる。

また、鉄筋１２の長手方向に沿って配置される門型の永久磁石６を用いることにより、該永久磁石を鉄筋１２に沿って移動させることなく、あるいは少ない移動距離で以て鉄筋１２に適正に直流外部磁界を付与することができるが、永久磁石６が大型化する。これに対して、図１に示したような永久磁石５を用いることにより、永久磁石６に比較して小型の永久磁石５で以て永久磁石６におけると同様に、鉄筋１２に直流外部磁界を付与し、これにより鉄筋１２をその長手方向に効果的に磁化することができる。

外部の直流磁界により鉄筋１２を磁化した後、永久磁石５あるいは６がコンクリート体１１の表面１１ａから除去される。その後、本発明に係る非破壊検査装置１０を用いてコンクリート体１１内の鉄筋１２からの残留磁束密度が測定される。

この残留磁束密度を測定する非破壊検査装置１０は、コンクリート体１１の表面１１ａに沿った平面上を鉄筋１２の長手方向に沿って符号１４で示す方向へ移動される磁気検知部１５を備える。この磁気検知部１５の移動は、手動で行いあるいは図示しない駆動機構を用いて機械的に行うことができる。磁気検知部１５には、例えばＭＩセンサからなる磁気センサ１６が組み込まれている。この磁気検知部１５に、該磁気検知部の移動距離（ｙ）を求めるための距離センサ（図示せず）を必要に応じて組み込むことができる。

ＭＩセンサは、従来よく知られているように、アモルファス磁性ワイヤの磁気インピーダンス効果を利用した高感度磁気センサである。高感度の磁気センサ１６は、鉄筋１２からの磁束密度を高感度で検出する。

ＭＩセンサに代えて、フラックスゲート型センサを磁気センサ１６として用いることができる。このフラックスゲート型センサは、軟磁性体の非線形の高透磁率特性を利用して微小直流磁界を磁気変調することにより、励磁周波数と検出周波数とを分離して高いＳ／Ｎ比で直流磁界を検出する。

これらＭＩセンサあるいはフラックスゲート型磁気センサのような高感度磁気センサを用いることにより、磁気検出のための複雑な磁気バイアス調整等を行うことなく、鉄筋１２からの例えば数十μＴの微小な磁束密度をも良好に検出することができる。

磁気センサ１６は、例えばコンクリート体１１の表面１１ａに垂直な方向の磁束密度成分Ｂｚを検出すべく磁気検知部１５に支持されており、検出した磁束密度成分Ｂｚに応じた電気信号を装置本体１７に出力することにより、鉄筋１２の長手方向に沿って磁束密度を測定する。装置本体１７は、磁気検知部１５から出力される電気信号すなわち磁束密度成分Ｂｚを鉄筋１２の長手方向について微分する微分回路１８と、該微分回路により得られた微分値（ｄＢｚ／ｄｙ）を閾値と比較し、閾値を超えるか否かを判定する傾き判定回路１９と、微分回路１８により得られた微分値が閾値を超えると傾き判定回路１９が判定したとき、該傾き判定回路からの出力によって動作する判定表示回路２０とを備える。微分回路１８は、磁気検知部１５から出力される磁束密度成分Ｂｚを鉄筋１２の長手方向について微分することから、この微分値は、鉄筋１２の長手方向に沿った磁束密度成分の傾きを示す。微分回路１８は、従来よく知られた微分演算機能を有するアナログ電気回路あるいはソフトウエア的に処理するディジタル回路で構成することができる。

これにより、単に、磁気検知部１５をコンクリート体１１の表面１１ａ上で鉄筋１２の長手方向に沿ってその一方向へ移動させることにより、微分回路１８の出力値である微分値から、図４に示したと同様なグラフを得ることができる。

また、傾き判定回路１９は、微分回路１８からの微分値と、傾きが零を示す閾値と比較し、微分回路１８からの微分値が傾きを反転させたと判定したとき、判定表示回路２０にその旨を表示させる。この判定表示回路２０によって、前記したように鉄筋１２の破断箇所ｘ₁の有無が表示され、また破断箇所が存在するときにその位置を表示させることができる。

従って、本発明に係る非破壊検査装置１０によれば、微分回路１８からの出力により得られる微分特性曲線の観察によって、熟練を要することなく迅速に鉄筋１２の異常の有無を判定できる。さらに、装置本体１７に微分回路１８からの出力信号を処理する前記傾き判定回路１９及び判定表示回路２０を組み込むことにより、閾値との比較結果から異常の有無についての判定を自動的に下し、異常箇所がある場合、その旨を自動的に表示させることができるので、一層正確かつ容易に異常の有無を判定することができる。

図５に示した非破壊検査装置１０では、単一の磁気センサ１６を有する磁気検知部１５からの磁束密度成分に微分処理を施す微分回路１８を用いた例を示した。これに対し、図６に示す非破壊検査装置１１０では、磁気検知部１５の磁気センサにそれぞれがＭＩセンサあるいはフラックスゲート型センサからなる一対の磁気センサ１６ａ、１６ｂが用いられており、非破壊検査装置１０の装置本体１７に組み込まれた微分回路１８に代えて、一対の磁気センサ１６ａ、１６ｂで得られる磁束密度の測定値の差分を求める演算回路すなわち差分回路２１が用いられている。

一対の磁気センサ１６ａ、１６ｂは相互に中心間距離Δｙの間隔をおくように磁気検知部１５に整列して配置されており、磁気検知部１５は一対の磁気センサ１６ａ、１６ｂの整列方向が鉄筋１２の長手方向に沿って移動される。

図５に示した非破壊検査装置１０の微分回路１８は、前記したように、Ｂｚ成分のｙ方向の変化分である微分値ｄＢｚ／ｄｙを求めた。この微分値ｄＢｚ／ｄｙは、近似的に微小区間ΔｙにおけるＢｚ成分の微小変化分ΔＢｚの比と見なすことができることから、次の式（１）及び式（２）の関係が成り立つ。

ｄＢｚ／ｄｙ ≒ ΔＢｚ／Δｙ …（１）
ΔＢｚ／Δｙ ＝ （Ｂｚ₁−Ｂｚ₂）／Δｙ …（２）
ここで、Ｂｚ₁及びＢｚ₂は、それぞれ一対の磁気センサ１６ａ、１６ｂにより検出される垂直なｚ軸方向の磁束密度成分である。Δｙを一定とすると、式（２）に示すように、両磁気センサ１６ａ、１６ｂによって得られる磁束密度成分の差（Ｂｚ₁−Ｂｚ₂）を一定値である磁気センサ１６ａ、１６ｂの中心間距離Δｙで除すことにより、微分値ｄＢｚ／ｄｙに近似する近似微分値ΔＢｚ／Δｙが得られるので、この近似微分値が閾値を超えると、近似微分値により示される傾きが反転したと判定し、その旨を判定表示回路２０により表示させるべく該判定表示回路を動作させる。

さらに、ここで、Δｙは定数であるので、Δｙで除すことを省略し、差分回路２１によって得られる磁束密度成分の差（Ｂｚ₁−Ｂｚ₂）の大きさのみでレベル判定することができ、これにより傾き判定回路１９の回路構成の簡素化を図ることができる。また、差分回路２１からの出力により、図４に示したと同様なグラフを得ることができる。

図６に示した非破壊検査装置１１０によれば、一対の磁気センサ１６ａ、１６ｂを用いることにより、複雑な微分回路１８を用いることなく、この微分回路１８に代えて単純な構成の差分回路２１で以て、微分近似値あるいはこれに相当する値を求めることができるので、構成の簡素化を図ることができる。

さらに、差分回路２１からなる演算回路によって、地磁気成分を相殺することができるので、この地磁気成分の影響を排除するための格別な回路構成を採用することなく地磁気成分の影響を除去できる。

また、前記一対の磁気センサを移動方向へ相互に４０ｍｍ乃至６０ｍｍの間隔をおくように設置することにより、測定対象物の品質のばらつきや測定条件の変化等に拘わらず、異常箇所での異常による磁束密度変化の微分値と、環境ノイズによる磁束密度変化の微分値との間に、この両者を正確に判別するに充分な大きさの違いを確保することができるので、ノイズの影響を排除してより正確かつ迅速な判定が可能となる。

図６に示した非破壊検査装置１１０を用いて、主鉄筋および補助鉄筋を格子状に組んだモデルで実測した例を図７および図８に沿って説明する。

図７に示すように、モデルとなった鉄筋１２は、互いに平行に配置され、それぞれが約３ｍｍの直径を有する補助鉄筋１２ａと、該補助鉄筋下で該補助鉄筋と直角に配置され、それぞれが約９ｍｍの直径を有する互いに平行に配置された主鉄筋１２ｂとから成る。

主鉄筋１２ｂを長手方向に磁化するために、図１に示したと同様な方法によって永久磁石５を主鉄筋１２ｂの表面から約４ｃｍ上方の水平面Ｈ上を移動させた。この永久磁石５には、３３ｍｍ×３３ｍｍ×２０ｍｍの方形を有するＮｄ系の永久磁石が用いられた。この永久磁石による主鉄筋１２ｂ上の長手方向に沿った磁束密度は、約０．０２Ｔ（２００Ｇ）であった。

主鉄筋１２ｂの磁化後、非破壊検査装置１１０を用いて、主鉄筋１２ｂの約７ｃｍ上方の水平面上を主鉄筋１２ｂの長手方向に沿って、これと直角な方向の残留磁束密度が測定された。

図８は、その測定結果を示すグラフであり、その横軸が原点からの磁気検知部１５の移動時間で示されている以外は図４と同様である。図８のグラフに示されているとおり、主鉄筋１２ｂに交差する補助鉄筋１２ａが存在するにも拘わらず、この補助鉄筋１２ａの影響を受けることなく、グラフ上の特性線Ａの健全部分に対応する線分Ａ１、Ａ２間でこれら両線分Ａ１、Ａ２の傾きと逆の傾きを示す線分Ａ３の中点位置ｙ１で破断箇所を明確に特定することができた。

前記したところでは、強磁性体１２を磁化させた後、永久磁石５、６を除去して強磁性体１２からの残留磁束密度を測定した。これに対し、図２に示した門型の永久磁石６を用いた場合、該門型永久磁石を除去することなく、この永久磁石６の静止下あるいは磁気検知部１５との一体的な移動下で、強磁性体１２からの長手方向と直角な方向の磁束密度成分を測定することが考えられる。しかしながら、永久磁石６からの漏れ磁束が磁気検知部１５の磁気センサ１６を横切ることによる漏れ磁束の悪影響を排除し、正確な判定を可能とする上で、前記したとおり、門型永久磁石６を除去した後、強磁性体１２の残留磁束を測定することが望ましい。

また、鉄筋１２の主鉄筋１２ｂを検査対象とした例について説明したが、補助鉄筋１２ａを検査対象とすることができる。また、本発明は、コンクリート以外の種々の非磁性体下に存在する強磁性体の非破壊検査に適用することができる。

本発明に係る非破壊検査方法における磁化工程を模式的に示す説明図である。 本発明に係る非破壊検査方法における磁化工程の他の例を示す図１と同様な図面である。 本発明に係る磁化工程よって生じる強磁性体の残留磁束の一例を示す説明図である。 本発明に係る非破壊検査方法によって得られる磁束密度の変化の一例を強磁性体の破断箇所との関係で示すグラフである。 本発明に係る非破壊検査装置を概略的に示すブロック図である。 本発明に係る非破壊検査装置の他の例を示す図５と同様な図面である。 本発明に係る非破壊検査方法の検査対象の一例を示す鉄筋コンクリート板の縦断面である。 図７に示した鉄筋コンクリート板の実測により得られた図４と同様なグラフである。

符号の説明

５、６ 永久磁石
１０、１１０ 非破壊検査装置
１１ コンクリート（非磁性体）
１１ａ 表面
１２（１２ａ、１２ｂ） 鉄筋（強磁性体）
１２ａ 補助鉄筋
１２ｂ 主鉄筋
１３ 異常箇所
１５ 磁気検知部
１６（１６ａ、１６ｂ） 磁気センサ
１８ 演算回路（微分回路）
１９ 傾き判定回路
２０ 表示手段（判定表示回路）
２１ 演算回路（差分回路）

Claims (1)

1. コンクリート体の鉄筋の破断の有無を判定する非破壊検査方法であって、
   前記鉄筋の長手方向に沿ってコンクリート体上を永久磁石を移動させることにより、鉄筋を磁化させて鉄筋の長手方向に沿って磁界を発生させ、
   この後、前記永久磁石を取り除いて、磁気検出手段を鉄筋の長手方向に沿って前記コンクリート体上を移動させながら、前記コンクリート体の表面上での鉄筋の残留磁束密度について、鉄筋の長手方向と直角な方向の磁束密度成分を測定し、この測定値の前記鉄筋の長手方向についての微分値を求め、
   前記磁気検出手段を、鉄筋の長手方向に対して互いに所定距離離間した一対のＭＩセンサまたはフラックスゲート型センサで構成し、
   この一対のＭＩセンサの測定値の差分または一対のフラックスゲート型センサの測定値の差分を前記所定距離で除することにより前記微分値を求め、
   この求めた微分値の変化に基づいて鉄筋の破断箇所の有無を判定することを特徴とする非破壊検査方法。

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