JPH0629702Y2 - 円柱材料の磁歪応力測定装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は、丸棒、管等の円柱材料に対する非接触式の磁
歪応力測定装置に関する。

［従来の技術］ 鋼管等に曲げ応力や軸方向の応力が作用している場合
に、それらの応力の分布状態を知るには、従来の場合、
例えばＸ線応力測定法が用いられている。このＸ線応力
測定法は、結晶の面間隔をｄとし、波長λのＸ線がその
面とθの角度で入射するとき、回折されたＸ線の方向も
θであるときは、 ｎλ＝２ｄsinθ（ｎは正整倍） の関係があるので、λのわかったＸ線によってθを測定
すれば、この式からｄを求めることができ、このｄの変
化から応力を計算で求める測定方法である。

しかしながら、このＸ線応力測定法では、測定位置を前
処理により電解研磨を行う必要があり、前処理に１点あ
たり30分、かつ測定時間も一点あたり10分程度かかり、
しかも鋼管の場合、円周方向に90゜ずつ少なくとも４点
を測定する必要があるので、測定時間が大巾にかかり、
また操作も煩雑なことから多数の測定点を設けることは
実際上困難であり、したがって得られるデータ数も自ず
と限られたものであった。

そのため、Ｘ線応力測定法よりも一層簡便な磁歪応力測
定法を利用することが考えられる。

この磁歪応力測定法は、磁性材料に荷重が作用すると透
磁率に異方性が生じ、荷重方向の透磁率が大きくなり、
反対に荷重方向と直角方向の透磁率が小さくなるので、
両透磁率の差を励磁コアと検出コアを持つ磁歪センサに
よって検出することにより、主応力の方向及び大きさを
測定する方法である。この測定法によると、一点の測定
時間が10〜100msecで済み、取扱いもきわめて便宜であ
る。

ところで、磁歪応力測定法によるとしても、実際の測定
は磁歪センサを手で持って円柱材料の外周面の測定点に
当てて行うもので、測定点が多いときには、測定作業が
煩雑であった。また、磁歪センサが検出した測定データ
の処理もデータレコーダに記録し、オフラインで処理し
ていたために、最終的な測定結果を自動的に得ることは
できなかった。

このため、円柱材料の外周面において測定点が多くても
現場にて迅速にかつ簡便に自動的な磁歪応力測定ができ
る装置の実用化への要求が強まっていた。

［考案が解決しようとする課題］ そこで、本考案は丸棒、管等の円柱材料に対して磁歪応
力測定を行う際に、磁歪センサの位置決め、測定データ
の検出、記録から処理までが一括して迅速に自動的に行
うことができる磁歪応力測定装置を提供することを目的
としている。

［課題を解決するための手段］ 本考案に係る磁歪応力測定装置は、円柱材料の外周面に
装着されたリングギヤに案内されて円柱材料の外周面上
を走行自在で、該外周面から一定の高さに垂直に保持さ
れた磁歪センサを有する走行装置と、走行装置を円柱材
料の周方向に駆動するモータを有する走行装置駆動機構
と、走行装置の移動量をモータの回転量から検出するエ
ンコーダと、モータを駆動制御するモータ駆動回路と、
走行装置の移動・停止の位置データに基づきモータ駆動
回路にモータの駆動指令を発し、エンコーダの検出値が
駆動指令の設定値に達したところで、モータの駆動を停
止させて走行装置の位置制御を行う測定装置制御回路
と、円柱材料の外周面の各測定点における磁歪センサの
磁気異方性に比例した電気信号の測定データをデジタル
変換して記憶する測定データメモリと、測定データメモ
リに記憶された測定データを読み出し、その測定データ
から最小自乗法によって演算処理して円柱材料の周方向
の応力分布をサインカーブで近似して求めるデータ演算
処理回路と、データ演算処理回路が演算処理したデータ
を表示する表示手段とを備えるように構成したものであ
る。

［作用］ この考案においては、磁歪センサを有する走行装置を円
柱材料の外周面上で移動させる走行装置駆動機構はモー
タを有し、そのモータにはエンコーダが取り付けられて
おり、測定装置制御回路がモータ駆動回路に位置データ
に基づく走行装置の移動・停止の駆動命令を発すること
により、モータがモータ駆動回路によって駆動され、モ
ータの停止はエンコーダの検出値が駆動指令の設定値に
達したところで行われるようにしているから、円柱材料
の外周面に対する複数の測定点の磁歪センサの位置決め
を位置データに基づき自動的に行うことができる。ま
た、このように位置決めされた各測定点における磁歪セ
ンサの測定データを測定データメモリに記憶させ、デー
タ演算処理回路が測定データメモリに記憶された測定デ
ータを読み出し、その測定データから最小自乗法によっ
て演算処理して、円柱材料の周方向の応力分布をサイン
カーブで近似して求め、表示手段が該サインカーブをデ
ータとして表示するようにしたので、円柱材料に対する
非接触で連続的な磁歪応力測定について測定データの検
出・記録から処理までが一括して迅速に自動的に行うこ
とが可能となった。

［実施例］ 以下、本考案の一実施例を図により説明する。

第１図は本考案の実施例を示す縦断側面図、第２図は磁
歪応力測定装置の平面図、第３図は磁歪応力測定装置の
別の縦断側面図である。

これらの図に示すように、この実施例では円柱材料１の
外周面11に装着されるリングギヤ100と、円柱材料１の
外周面11上をリングギヤ100に案内されて自走する走行
装置110と、走行装置110に上下動自在に取り付けられた
センサホルダ130と、センサホルダ130に被測定面から一
定の高さに垂直に保持された磁歪センサ140とから大別
構成される。

各部の構成において、リングギヤ100は二個の半円弧状
のリングギヤセグメント101からなり、各リングギヤセ
グメント101は水平レール部102と水平レール部102上に
立設された一対の垂直レール部103と、一方の垂直レー
ル部103に取り付けられた外歯104とから構成されてい
る。水平レール部102の両側部にはそれぞれ上側テーパ
面105と下側テーパ面106とが設けられている。また、一
方のリングギヤセグメント101の一対の垂直レール部103
の両端部には回動自在にクランプネジ107がそれぞれ取
り付けられており、他方のリングギヤセグメント101の
一対の垂直レール部103の両端部にはクランプネジ107が
挿通させられるクラン受け板108がそれぞれ取り付けら
れており、クランプネジ107がクラン受板108に挿通さ
れ、そのクランプネジ107にクランプナット109が締着さ
れて二個のリングギヤセグメント101が組み合わせられ
てリングギヤ100が構成される。

また、走行装置110はリングギヤ100に沿って移動する走
行装置本体111とリングギヤ100を把持するリングギヤ把
持体112とから構成されている。走行装置本体111はセン
サホルダ取付筒部113と、エンコーダ114が連結されたサ
ーボモータ115と、サーボモータ115に減速装置115aを介
して接続され、リングギヤ100の外歯104と噛合する駆動
ギヤ116と、水平支持軸117と、リングギヤ100の片側の
上部及び下部テーパ面105,106に転接する複数の把持部
であるカムフォロア118とを備えている。従って、走行
装置110を移動させる走行装置駆動機構はリングギヤ100
の外歯と、走行装置110のサーボモータ115及び駆動ギヤ
116とで構成されている。また、リングギヤ把持体112は
走行装置本体111の水平支持軸117に嵌挿させられ水平方
向に移動可能な把持用水平筒119と、把持用水平筒119を
走行装置本体111から離れる方向に付勢するスプリング1
20と、水平支持軸117の先端部に螺合して把持用水平筒1
19の抜け止めを行うと共にその進退具合により把持用水
平筒119の走行装置本体111からの距離を調整する調整ネ
ジ121と、把持用水平筒119から垂下する把持用アーム12
2と、把持用アーム122に取り付けられた複数の把持部で
あるカムフォロア123とから構成されている。

更に、センサホルダ130は走行装置本体111のセンサホル
ダ取付筒部113に上下動自在に挿通され、上部に抜け止
め部131aが設けられたシャフト131と、シャフト131を下
方に付勢するスプリング132と、シャフト131の下端に取
り付けられたシャフト取付部材133と、シャフト取付部
材133に第１の水平軸134を介して回転自在に取り付けら
れたコ字状の連結アーム135と、連結アーム135の両端部
に第１の水平軸134に対して直交方向の第２の水平軸136
を介して揺動自在に枢支されたセンサホルダ本体137と
から構成されている。センサホルダ本体137の下部には
被測定面と転接する複数のガイドローラ138が設けられ
ている。また、センサホルダ本体137には磁歪センサ140
がその下端面141が被測定面から一定の微少な高さｈを
保持するようセットネジ139で固定されている。

次に、円柱材料１への磁歪応力測定装置の組み付けにつ
いて説明する。まず、例えば管の円柱材料１の外周面11
における移動箇所に二個のリングギヤセグメント101を
連結してリングギヤ100を円柱材料１にセットする。

次に、走行装置本体111の駆動ギヤ116をリングギヤ100
の一方の垂直レール部103に取り付けられた外歯104と噛
合させてリングギヤ100上に走行装置110を設置する。こ
のとき、リングギヤ把持体112によって走行装置本体111
とでリングギヤ100を把持させることにより、走行装置1
10がリングギヤ100から抜け落ちることなくリングギヤ1
10に走行可能にセットされる。

一方、センサホルダ130のセンサホルダ本体137には磁歪
センサ140が垂直に保持され、かつ被測定面から一定の
高さに維持されるようセットされている。

従って、サーボモータ115が駆動すると、その回転力は
減速装置115aを介して駆動ギヤ116に伝達され、駆動ギ
ヤ116が回転すると、これと噛合しているリングギヤ100
の外歯104によって駆動ギヤ116の回転力が直線運動に変
換され、走行装置110はリングギヤ100に案内され、円柱
材料１の外周面11の周りを走行する。このとき、磁歪セ
ンサ140も走行装置110と共に移動する。

本実施例の機械的構成は以上であり、次に本実施例の電
気的構成について説明する。

第４図は本考案の実施例の制御系を示すブロック図であ
る。

200は磁歪センサ140の電気信号を増幅する磁歪アンプ、
201は磁歪アンプ200によって増幅された電気信号をアナ
ログからデジタルに変換するＡ／Ｄコンバータ、202は
Ａ／Ｄコンバータ201によってデジタルに変換された電
気信号の測定データを測定データメモリ203に記憶し、
これを読み出して円柱材料１の周方向の応力分布を求め
るように演算処理するデータ演算処理回路、204はＣＲ
Ｔ、205はプリンタ、206はキーボード、207は円柱材料
１の外周面11に対して予め設定された測定箇所の位置デ
ータを記憶する位置データメモリ、208はサーボモータ1
15の駆動制御を行うモータ駆動回路、209は位置データ
メモリ207から位置データを読み出してモータ駆動回路2
08にサーボモータ115の回転・停止指令を与える測定装
置制御回路、210はデータ演算処理回路202によって演算
処理されて求められた応力分布データを記憶する応力デ
ータメモリである。

第５図(a),(b)は円柱材料に曲げ応力が作用したときの
説明図およびそのときの応力分布図、第６図は磁歪セン
サの走行状態を示す説明図である。

本実施例の動作を説明する前に磁歪応力測定法の原理に
ついて第５図(a),(b)に基づき説明する。

一般に、円柱材料に第５図(a)のように曲げ荷重が働い
ているときの応力分布は、材料力学的に考えると、同図
(b)のように、サインカーブとなる。そして、曲げ荷重
のほかに軸荷重が加わると、このサインカーブは軸荷重
が引張りか、圧縮かによって、その中立位置が上方向ま
たは下方向に移動する。第５図(b)の場合は引張り荷重
が加わっている場合である。

このような円柱材料１に対して第６図に示すように磁歪
センサ２を全周にわたって走行させ、全周にわたり磁気
異方性すなわち磁歪を測定すれば、同様なサインカーブ
を得ることができる。

これを式で示すと、次のようにあらわすことができる。

Ｖ＝Ａsin（θ＋ω）＋Ｂ ……(1) 但し、Ｖ：磁歪センサの出力電圧 Ａ：振幅 Ｂ：オフセット量 θ：円柱材料の周角度 ω：位相ずれ この式中の振幅Ａは曲げ応力の大きさによって変化する
値であり、オフセット量Ｂは周角度θに無関係な応力、
すなわち軸方向応力によって変化する値と考えられる。
また、位相ずれωは測定開始点と材料力学的中立軸との
相対位置関係を示すことになる。

このようにして得られた磁歪センサの出力電圧の線図は
通常被測定材料の不均一性によるリップルを含んでいる
ので、測定データの統計的処理即ち最小自乗法によりリ
ップル成分を平滑化して上記式(1)に近似させる。

次に、本実施例の動作について説明する。

まず、円柱材料に対する磁歪応力測定装置の走行動作に
ついて第７図のフローチャートに基づいて説明する。

まず、予め走行装置110を円柱材料１の外周面11の測定
原点に設定して置く。次に、キーボード206を操作して
位置データメモリ207に円柱材料１の外周面11に対する
一定のピッチ間隔に設定された複数の測定点の位置デー
タを記憶させ、位置データ入力を行う（ステップＳ
１）。測定装置制御回路209は位置データメモリ207を読
み出し、位置データに基づいて走行装置110をサーボモ
ータ115を駆動して周方向に移動させる（ステップＳ
２）。エンコーダ114は走行装置110の周方向の移動量を
サーボモータ115の回転量から検出する（ステップＳ
３）。そして、エンコーダ114の検出値が位置データと
一致するか否かが測定装置制御回路209で判断される
（ステップＳ４）。

そして、その検出値が一致すれば、測定装置制御回路20
9はモータ駆動回路208にサーボモータ115の駆動停止指
令を発して走行装置110の移動を停止させる（ステップ
Ｓ５）。このようにして最初の測定点に対して走行装置
110が位置決めされたときには、走行装置110に設けられ
ている磁歪センサ140の位置決めもなされているものと
する。

このように磁歪センサ140の測定点に対する位置決めが
終了すれば、次に磁歪センサ140が測定点から磁気異方
性に比例した電気信号を検出する（ステップＳ６）。磁
歪センサ140の電気信号の検出値は測定データメモリ203
に記憶される（ステップＳ７）。そして、次の測定点に
ついて位置データがあるかどうかの読み出しが行われ
（ステップＳ８）、次の測定点の位置データがなければ
エンドなり、次の位置データがあれば位置データのアド
レスが＋１となる（ステップＳ９）。次の位置データが
２番目の測定点とすれば、第１の測定点から第２の測定
点に走行装置110を移動させ、前述したＳ１〜Ｓ７のス
テップで次の測定点の測定を行う。

このようにして、順次各測定点について測定が自動的に
行われる。尚測定点相互の測定ピッチは、この実施例で
は管径300mmの鋼管の円柱材料１で例えば５°間隔とな
るピッチであり、円柱材料１の径によって適宜ピッチに
設定される。

次に、磁歪センサの検出した測定データの処理について
第８図のフローチャートに基づいて説明する。

円柱材料１の測定点について磁歪センサ140が位置決め
されたら、磁歪センサ140により磁気異方性に比例した
電気信号を検出する（ステップＳ20）。次に、磁歪セン
サ140の検出した電気信号はアナログであるから、Ａ／
Ｄコンバータ201でデジタルに変換し、データ演算処理
回路202によって測定データメモリ203に記憶される（ス
テップＳ21）。磁歪センサ140が次の測定点に位置決め
されたら、ステップＳ20と同様に磁歪センサ140により
電気信号を検出し、その電気信号をデジタルに変換して
測定データメモリ207に記憶させる（ステップＳ22，Ｓ2
3）。そして、データ演算処理回路202では予め設定され
た全ての測定点について測定データが測定データメモリ
203に記憶されたか否かを判断する（ステップＳ24）。
全ての測定点についての測定データが記憶された場合に
はデータ演算処理回路202は全ての測定点についてのデ
ータを測定データメモリ203から読み出し、各測定点に
ついての測定データから統計的処理手法である最小自乗
法によって円柱材料１の円周方向の応力分布をサインカ
ーブで近似して求める。サインカーブの位相で、円柱材
料１の周角度を判断でき、サインカーブの振幅で曲げ応
力の大きさが判断できる（ステップＳ25）。

そして、このサインカーブの応力データである位相と振
幅は応力データメモリ210に記憶され（ステップＳ2
6）、その応力データをデータ演算処理回路202がＣＲＴ
204に第９図に示すようなグラフとして表示させること
により、円柱材料１の磁歪応力分布を知ることができる
（ステップＳ27）。なお、応力データをプリンタ205に
よって第10図に示すようにシートＳに印刷して表示する
こともできる。

［考案の効果］ 以上のように本考案によれば、磁歪センサを有する走行
装置を円柱材料の外周円上で移動させる走行装置駆動機
構は、モータを有し、そのモータにはエンコーダが取り
付けられており、測定装置制御回路がモータ駆動回路に
位置データに基づく走行装置の移動・停止の駆動命令を
発することにより、モータがモータ駆動回路によって駆
動され、モータの停止はエンコーダの検出値が駆動指令
の設定値に達したところで行われるようにしているの
で、円柱材料の外周面に対する複数の測定点の磁歪セン
サの位置決めを位置データに基き自動的に行うことがで
きるという効果がある。

更に、位置決めされた各測定点における磁歪センサの測
定データを測定データメモリに記憶させ、データ演算処
理回路が測定データメモリの記憶された測定データを読
み出し、その測定データから最小自乗法によって演算処
理して円柱材料の円周方向のサインカーブに近似した応
力分布を求め、表示手段が該応力分布のデータを表示す
るようにしたので、円柱材料に対する測定データの検出
・記録から処理までが一括して迅速に自動的に行うこと
ができ、しかも磁歪応力測定を短時間で行い、実際に働
いている応力状態を高信頼度をもって高精度に測定でき
るという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の実施例を示す縦断面図、第２図は磁歪
応力測定装置の平面図、第３図は磁歪応力測定装置の別
の縦断側面図、第４図は本考案の実施例の制御系を示す
ブロック図、第５図(a),(b)は円柱材料に曲げ応力が作
用したときの説明図及びそのときの応力分布図、第６図
は磁歪センサの走行状態を示す説明図、第７図は磁歪応
力測定装置の走行動作を示すフローチャート、第８図は
磁歪応力測定装置の測定データの処理を示すフローチャ
ート、第９図は測定された応力データをサインカーブに
近似させて示すグラフ、第10図は測定された応力データ
を印刷したシートを示す平面図である。 １……円柱材料、11……外周面、100……リングギヤ、1
04……外歯（走行装置駆動機構）、110……走行装置、1
15……サーボモータ、116……駆動ギヤ（走行装置駆動
機構）、140……磁歪センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 境 禎明 東京都千代田区丸の内１丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−308933（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−135339（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】円柱材料の外周面に装着されたリングギヤ
   に案内されて円柱材料の外周面上を走行自在で、該外周
   面から一定の高さに垂直に保持された磁歪センサを有す
   る走行装置と、走行装置を円柱材料の周方向に駆動する
   モータを有する走行装置駆動機構と、走行装置の移動量
   をモータの回転量から検出するエンコーダと、モータを
   駆動制御するモータ駆動回路と、走行装置の移動・停止
   の位置データに基づきモータ駆動回路にモータの駆動指
   令を発し、エンコーダの検出値が駆動指令の設定値に達
   したところで、モータの駆動を停止させて走行装置の位
   置制御を行う測定装置制御回路と、円柱材料の外周面の
   各測定点における磁歪センサの磁気異方性に比例した電
   気信号の測定データをデジタル変換して記憶する測定デ
   ータメモリと、測定データメモリに記憶された測定デー
   タを読み出し、その測定データから最小自乗法によって
   演算処理して円柱材料の円周方向の応力分布をサインカ
   ーブで近似して求めるデータ演算処理回路と、データ演
   算処理回路が演算処理したデータを表示する表示手段と
   を備えたことを特徴とする円柱材料の磁歪応力測定装
   置。