JP5580651B2 - 電磁超音波センサ - Google Patents

Description

本発明は、試験体の一方向に超音波を送信する（ガイドウェーブを発生させる）電磁超音波センサに関する。

例えば、長期間に渡って稼動している火力発電設備を適切に運用するには、例えば、腐食や減肉等の損傷を受けた蒸気配管等の配管の状況を正確に把握する必要がある。このため、肉厚計を用いて配管のスポット測定検査を実施しているが、配管に生じている減肉部の分布状況を特定するには長時間を要している。このため、稼動中の火力発電設備の配管（例えば、温度が２００℃以上となる主蒸気配管）の効率のよい減肉検査を行う方法として、送信用及び受信用の電磁超音波センサを、配管の外周面との間に隙間を設けて（非接触状態で）それぞれ対向させると共に、周方向に並べて配置し、配管内に発生させた超音波のガイドウェーブによる配管検査が行われている。

しかし、送信用の電磁超音波センサで発生させた超音波のガイドウェーブは、送信用の電磁超音波センサに対向する配管の部位から配管の長手方向両側に伝搬するため、受信用の電磁超音波センサで得られる超音波の受信信号が、配管の長手方向のどちらの側で反射した超音波であるかの判別が困難となるという問題がある。また、送信用の電磁超音波センサに対向する高温配管の部位を中央にして長手方向の両側の同一距離の場所に欠陥（例えば、傷）が存在すると、２つ存在する欠陥を１つの欠陥と判断するという問題もある。そこで、受信信号が配管の長手方向のどちらの側で反射した超音波によるものであるかを判別する方法として、複数の送信用の電磁超音波センサを用いて、ガイドウェーブを一方側のみに伝搬させることが行われている（例えば、特許文献１、２参照）。

特表平１０−５０７５３０号公報 特表平１１−５０２０２０号公報

しかしながら、複数の電磁超音波センサを用いることは、測定装置が大がかりになるという問題が生じる。更に、複数の電磁超音波センサを用いることは、電磁超音波センサを設置する範囲も広くとる必要があることから、各種設備において、試験の適用範囲に制約が生じるという問題もある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、試験体の一方向に超音波を送信することが可能な電磁超音波センサを提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る電磁超音波センサは、平面状の磁極を有する磁石と、前記磁極の表側に第１の絶縁材を介して設けられ、平行に配置された直線部及び該直線部の両端を交互に連結する折り返し部を備えた第１の蛇行コイルとを有する電磁超音波センサにおいて、
前記第１の蛇行コイルの更に表側に第２の絶縁材を介して配置され、平行に配置された直線部及び該直線部の両端を交互に連結する折り返し部を有する第２の蛇行コイルを設け、しかも、平面視して前記第１の蛇行コイルの直線部の間に、前記第２の蛇行コイルの直線部を位置させ、前記第１、第２の蛇行コイルにそれぞれ流す交流電流の一方の位相を、他方の位相に対して７０〜１１０度ずらして送信センサとして使用する。

本発明に係る電磁超音波センサにおいて、前記第２の絶縁材は絶縁基板であって、前記第１、第２の蛇行コイルは、それぞれ前記絶縁基板の裏側、表側にプリント配線されていることが好ましい。

本発明に係る電磁超音波センサにおいて、前記第１、第２の絶縁材は、セラミックシート又は耐熱性樹脂シートとすることができる。

本発明に係る電磁超音波センサにおいては、平面視して第１の蛇行コイルの直線部の間に、第２の蛇行コイルの直線部が位置しているので、電流密度を高くすることができ、送信センサとして使用する場合は強い電磁超音波を発生させることができ、受信センサとして使用する場合は受信感度を高めることができる。

第１、第２の蛇行コイルにそれぞれ流す交流電流の一方の位相を、他方の位相に対して７０〜１１０度ずらして送信センサとして使用するので、第２の蛇行コイルの直線部から一方側に送信される電磁超音波の波形と、第２の蛇行コイルの直線部に近接する第１の蛇行コイルの直線部から一方側に送信される電磁超音波の波形とは、位相が９０度前後（理想的には、位相が９０度）ずれており、第１の蛇行コイルの直線部から一方側に送信される電磁超音波の波形の位相を７０〜１１０度の範囲でずらすことができ、第２の蛇行コイルの直線部から一方側に送信される電磁超音波の波形の位相と一致させることができる。これにより、第１の蛇行コイルの直線部から一方側に送信される電磁超音波と、第２の蛇行コイルの直線部から一方側に送信される電磁超音波は重なり合って（位相が一致して）電磁超音波の強度が強められた合成波形となる。したがって、電磁超音波センサを試験体に対向配置した場合、電磁超音波センサと対向する試験体の対向部位の一方側（試験体の一方向）に強い電磁超音波が伝搬する。

一方、第２の蛇行コイルの直線部から他方側に送信される電磁超音波の波形と、第２の蛇行コイルの直線部に近接する第１の蛇行コイルの直線部から他方側に送信される電磁超音波の波形も、位相が９０度前後（理想的には、位相が９０度）ずれている。このため、第１の蛇行コイルの流す交流電流の位相を第２の蛇行コイルに流す交流電流の位相より電気的に７０〜１１０度の範囲でずらすことにより、第１の蛇行コイルの直線部から他方側に送信される電磁超音波の波形の位相を７０〜１１０度の範囲でずらすことができ、第２の蛇行コイルの直線部から他方側に送信される電磁超音波の波形の位相と１８０度ずらすことができる。これにより、第１の蛇行コイルの直線部から他方側に送信される電磁超音波と、第２の蛇行コイルの直線部から他方側に送信される電磁超音波では、位相が１８０°ずれるため電磁超音波は互いに打ち消しあって電磁超音波の強度が低下した合成波形（理想的には電磁超音波が消失する）が得られる。したがって、電磁超音波センサを試験体に対向配置した場合、電磁超音波センサと対向する試験体の対向部位の他方側（試験体の他方向）には、弱い電磁超音波が伝搬する（理想的には電磁超音波が伝搬しない）。

その結果、受信用の電磁超音波センサで得られる超音波の受信信号は、試験体の一方側から反射して帰ってくる超音波が主体となり、試験体の一方側に存在する欠陥を正確に検出することができる。そして、送信用に複数の電磁超音波センサを使用する必要がなくなるため、測定装置をコンパクトにすることができ、電磁超音波センサの設置範囲が狭くなることから、各種設備において試験の適用範囲を拡大できる。

本発明に係る電磁超音波センサにおいて、第２の絶縁材は絶縁基板であって、第１、第２の蛇行コイルが、それぞれ絶縁基板の裏側、表側にプリント配線されている場合、第１、第２の蛇行コイルを正確かつ安価に、しかも容易に製造することができる。

本発明に係る電磁超音波センサにおいて、第１、第２の絶縁材が、セラミックシート又は耐熱性樹脂シートである場合、表面温度の高い試験体に対しても電磁超音波センサを適用することができ、例えば、稼動中の蒸気配管等の高温配管の試験に使用することができる。

本発明の一実施の形態に係る電磁超音波センサの側面図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ同電磁超音波センサのコイル部の平面図、側面図、断面図である。 同電磁超音波センサを送信用に、従来の同電磁超音波センサを受信用にそれぞれ使用した際の電磁超音波センサの配置の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は同電磁超音波センサにより、試験体の表面の一方側に発生する電磁超音波の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は同電磁超音波センサにより、試験体の表面の他方側に発生する電磁超音波の説明図である。 実施例に係る送信用及び受信用の電磁超音波センサの配置の説明図である。 （Ａ）は送信用の電磁超音波センサの第１、第2の蛇行コイルに流す交流電流の位相を９０°ずらせた場合の波形、（Ｂ）は受信用の電磁超音波センサで得られた受信波形の説明図である。 （Ａ）は送信用の電磁超音波センサの第１、第2の蛇行コイルに流す交流電流の位相をずらせていない場合の波形、（Ｂ）は受信用の電磁超音波センサで得られた受信波形の説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る電磁超音波センサ１０は、平面状の磁極を有する磁石１１と、磁極（図１ではS極）の表面に第１の絶縁材の一例である耐熱性樹脂シート１２（例えば、厚みが０．０３〜０．０８ｍｍのポリイミドシート）を介して設けられ、平行に配置された直線部１３及び直線部１３の両端を交互に連結する折り返し部１４を備えた第１の蛇行コイル１５とを有している。更に、電磁超音波センサ１０には、第１の蛇行コイル１５の表側に第２の絶縁材の一例である耐熱性樹脂シート１６（例えば、厚みが０．０３〜０．０８ｍｍのポリイミドシート）を介して配置され、平行に配置された直線部１７及び直線部１７の両端を交互に連結する折り返し部１８を有する第２の蛇行コイル１９を設け、しかも、平面視して第１の蛇行コイル１５の直線部１３の間に、第２の蛇行コイル１９の直線部１７を位置させている。そして、電磁超音波センサ１０では、第１、第２の蛇行コイル１５、１９にそれぞれ流す交流電流の一方の位相を他方の位相に対して７０〜１１０度、例えば、９０度ずらして送信センサとして使用している。以下、詳細に説明する。

平面視した耐熱性樹脂シート１２、１６の形状は、平面視した磁石１１と同一である。また、耐熱性樹脂シート１６の裏側に形成される第１の蛇行コイル１５と、耐熱性樹脂シート１６の表側に形成される第２の蛇行コイル１９は同一形状であり、耐熱性樹脂シート１６を絶縁基板として、例えば、アルミニウム、銅、銀等の導電性材料を用いたプリント配線である。なお、耐熱性樹脂シート１２、１６の代わりに、アルミナシートやガラスシート等のセラミックシートを使用することもできる。

磁石１１、耐熱性樹脂シート１２、１６の寸法は、例えば、縦ａが３０〜５０ｍｍ、横ｂが３０〜５０ｍｍである。また、第１、第２の蛇行コイル１５、１９の配線幅ｄは、例えば０．３〜１ｍｍ、厚みｔは、例えば０．０２５〜０．１ｍｍである。そして、直線部１３、１７の長さＬは耐熱性樹脂シート１６の縦ａの、例えば０．６〜０．８倍、直線部１３、１７の間隔Ｗは、例えば０．５〜３ｍｍである。なお、第１の蛇行コイル１５の両端は、耐熱性樹脂シート１６の縁部（横辺側）に距離を有して設けられた端子部２０、２１と接続し、第２の蛇行コイル１９の両端は、端子部２０、２１とそれぞれ並べて配置された端子部２２、２３と接続している。

続いて、図１、図３に示すように、本発明の一実施の形態に係る電磁超音波センサ１０の第１、第２の蛇行コイル１５、１９にそれぞれ流す交流電流の一方の位相を他方の位相に対して９０°ずらせて、例えば、第１の蛇行コイル１５の流す交流電流の位相を、第２の蛇行コイル１９に流す交流電流の位相より９０°ずらせて、試験体の一例である配管２４内に超音波を送信する送信センサＴとして使用する場合の作用について説明する。なお、送信センサＴとして使用する電磁超音波センサ１０から配管２４内に送信され、配管２４内で反射して帰ってくる超音波を受信する受信センサＲには、従来の電磁超音波センサ２５を使用する。

電磁超音波センサ１０は、第１、第２の蛇行コイル１５、１９の直線部１３、１７に直交する方向（センサ幅方向）が配管２４の長手方向に沿うようにして、配管２４の外周面と隙間（例えば、０．０１〜１ｍｍ）を設けて（非接触状態で）対向配置されている。また、電磁超音波センサ２５は、配管２４の外周面と隙間（例えば、０．０１〜１ｍｍ）を設けて対向させると共に、電磁超音波センサ１０に対して周方向に０〜１００ｍｍの距離を設けて並べて配置されている。

図２（Ａ）、（Ｃ）に示すように、平面視して第１の蛇行コイル１５の直線部１３の間に、第２の蛇行コイル１９の直線部１７が位置しているので、図４（Ａ）に示すように、第２の蛇行コイル１９の直線部１７から一方側に送信される電磁超音波の第２の波形２６と、第２の蛇行コイル１９の直線部１７に近接する第１の蛇行コイル１５の直線部１３から一方側に送信される電磁超音波の第１の波形２７とは、位相が９０°ずれている。したがって、第１の蛇行コイル１５に流す交流電流の位相を第２の蛇行コイル１９に流す交流電流の位相より電気的に９０°ずらせた際に、第１の蛇行コイル１５の直線部１３から送信される電磁超音波の第１の位相修正波形２８は、図４（Ｂ）に示すように、第２の波形２６と位相が一致する。

また、図５（Ａ）に示すように、第２の蛇行コイル１９の直線部１７から他方側に送信される電磁超音波の第２の波形２９と、第２の蛇行コイル１９の直線部１７に近接する第１の蛇行コイル１５の直線部１３から他方側に送信される電磁超音波の第１の波形３０とは、位相が９０°ずれている。したがって、第１の蛇行コイル１５の流す交流電流の位相を第２の蛇行コイル１９に流す交流電流の位相より電気的に９０°ずらせた際に、第１の蛇行コイル１５の直線部１３から送信される電磁超音波の第１の位相修正波形３１は、図５（Ｂ）に示すように、第１の波形２９に対して位相が１８０°ずれている。

このため、図４（Ｃ）に示すように、第１の蛇行コイル１５の直線部１３から一方側に送信される電磁超音波と、第２の蛇行コイル１９の直線部１７から一方側に送信される電磁超音波は重なり合って（位相が一致して）電磁超音波の強度が強めらた合成波形３２となる。その結果、配管２４の一方向には強い電磁超音波が伝搬する。これに対して、図５（Ｃ）に示すように、第１の蛇行コイル１５の直線部１３から他方側に送信される電磁超音波と、第２の蛇行コイル１９の直線部１７から他方側に送信される電磁超音波では、位相が１８０°ずれるため電磁超音波は互いに打ち消しあって電磁超音波の強度が低下した合成波形３３（理想的には電磁超音波が消失する）が得られる。その結果、配管２４の他方向には弱い電磁超音波が伝搬する（理想的には電磁超音波が伝搬しない）。

したがって、図３に示すように、配管２４の電磁超音波センサ１０と対向する部分を起点として、強い電磁超音波が伝搬する配管２４の一方側が試験の対象側となり、弱い電磁超音波が伝搬する（理想的には電磁超音波が伝搬しない）配管２４の他方側が試験の非対象側となる。また、送信用に複数の電磁超音波センサを使用しないため、測定装置をコンパクトにでき、電磁超音波センサの設置範囲が狭くできる。

図６に示すように、本発明の電磁超音波センサを送信センサTに、従来の電磁超音波センサを受信センサRにそれぞれ使用し、平板試験体（長さ１５００ｍｍ、幅３００ｍｍ、板厚９ｍｍ）の一方側の端部Ａから６００ｍｍの位置に、平板試験体の幅方向に沿って送信センサTを配置し、端部Ａから６００ｍｍの位置に、送信センサＴと２０ｍｍの距離を設けて受信センサＲを並べて配置した。そして、送信センサＴから平板試験体の他方側の端部Ｂに向けて電磁超音波を送信すると共に、端部Ａに向けて送信する電磁超音波を抑制できるか否かを判定した。

図７（Ａ）に示すように、送信センサＴの第１、第2の蛇行コイルに流す交流電流の位相を９０°ずらした場合、図７（Ｂ）に示すように、受信センサＲで受信される受信信号では、端部Ａからの反射波の受信信号Ｐが端部Ｂからの反射波の受信信号Ｑに比較して小さくなった。このため、送信センサＴから端部Ｂに向けて送信する電磁超音波に対して、端部Ａに向けて送信する電磁超音波を抑制できることが確認できた。なお、図７（Ｂ）に示される受信信号Ｕは、送信センサＴから電磁超音波が送信された際の発信パルス、受信信号Ｓは、送信センサＴにより平板試験体内に発生した電磁超音波が、端部Ｂで反射して端部Ａに向かって進み、端部Ａで反射して受信センサＲに到達した際の受信信号である。

図８（Ａ）に示すように、送信センサＴの第１、第2の蛇行コイルに流す交流電流の位相をずらさない場合、図８（Ｂ）に示すように、受信センサＲで受信される受信信号では、端部Ａからの反射波の受信信号Ｐが端部Ｂからの反射波の受信信号Ｑに比較して大きくなった。これは、送信センサＴを用いて、平板試験体の端部Ａ、Ｂに向けて均等に電磁超音波が送信されるので、端部Ａ、Ｂでそれぞれ反射して受信センサＲに到達した場合、受信センサＲに近い端部Ａからの反射波の受信信号が、端部Ｂからの反射波の受信信号より強くなるためである。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
例えば、本発明の電磁超音波センサにおいて、第１、第２の蛇行コイルにそれぞれ流す交流電流の位相を一致させて送信センサとして使用することができる。なお、送信センサとして使用する場合は、複数の電磁超音波センサを用いて、ガイドウェーブを一方側のみに伝搬させる必要がある。
また、本発明の電磁超音波センサを、受信センサとして使用することもできる。この場合、電流密度を高くできるので、従来の電磁超音波センサと比較して受信感度が高くなって、正確な検査を行うことができる。

１０：電磁超音波センサ、１１：磁石、１２：耐熱性樹脂シート、１３：直線部、１４：折り返し部、１５：第１の蛇行コイル、１６：耐熱性樹脂シート、１７：直線部、１８：折り返し部、１９：第２の蛇行コイル、２０、２１、２２、２３：端子部、２４：配管、２５：電磁超音波センサ、２６：第２の波形、２７：第１の波形、２８：第１の位相修正波形、２９：第２の波形、３０：第１の波形、３１：第１の位相修正波形、３２、３３：合成波形

Claims (3)

1. 平面状の磁極を有する磁石と、前記磁極の表側に第１の絶縁材を介して設けられ、平行に配置された直線部及び該直線部の両端を交互に連結する折り返し部を備えた第１の蛇行コイルとを有する電磁超音波センサにおいて、
   前記第１の蛇行コイルの更に表側に第２の絶縁材を介して配置され、平行に配置された直線部及び該直線部の両端を交互に連結する折り返し部を有する第２の蛇行コイルを設け、しかも、平面視して前記第１の蛇行コイルの直線部の間に、前記第２の蛇行コイルの直線部を位置させ、前記第１、第２の蛇行コイルにそれぞれ流す交流電流の一方の位相を、他方の位相に対して７０〜１１０度ずらして送信センサとして使用することを特徴とする電磁超音波センサ。
2. 請求項１記載の電磁超音波センサにおいて、前記第２の絶縁材は絶縁基板であって、前記第１、第２の蛇行コイルは、それぞれ前記絶縁基板の裏側、表側にプリント配線されていることを特徴とする電磁超音波センサ。
3. 請求項１又は２記載の電磁超音波センサにおいて、前記第１、第２の絶縁材は、セラミックシート又は耐熱性樹脂シートであることを特徴とする電磁超音波センサ。

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