JPH0737963B2

JPH0737963B2 - 渦流探傷用コイル装置

Info

Publication number: JPH0737963B2
Application number: JP1254197A
Authority: JP
Inventors: 三男吉田; 重幸新田; 朗佐伯; 昭治林部; 勝美田口
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1989-09-29
Publication date: 1995-04-26
Anticipated expiration: 2010-04-26
Also published as: JPH03115851A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、渦流探傷用コイル装置に関し、特に、鉄鋼の
熱間圧延工程の中間および最終工程に使用する渦流探傷
用検査装置に適用するのに適したコイル装置に関するも
のである。

従来の技術鋼材、特に棒鋼の熱間圧延加工製造工程において、外表
面傷を確実に検出するために熱間渦流探傷が用いられて
おり、冷間金属管用の従来技術にあっても、その大半が
被検査材と同心のボビンに電線を巻回した貫通コイルに
よる渦流探傷法が採用されている。このような渦流探傷
法においては、被検査材に存在する小さな傷を感度よく
検出するために、貫通励磁コイルと、複数の検査コイル
とを組み合わせることが行われており、例えば、特開昭
58−34357号公報には、その複数の検査コイルからの信
号処理の方法が開示されており、この従来の方法では、
円周上の隣接配設された検査コイル間および軸方向にず
れて配設された準隣接検査コイル相互間にて差動信号を
抽出するようにスキャンニングすべくマルチプレクサを
用いており、また、特開昭63−40850号公報には、これ
と同様の技術を応用した管内検査用渦流探傷装置が開示
されている。

発明が解決しようとする課題ところで、渦流探傷において、より小さく、より浅い傷
を感度よく検出するためには、傷の大きさと検査コイル
の大きさとの比率を適当に設定する必要があり、より小
さな傷を検出しようとして検査コイルの大きさをより小
さくする場合には、次のような問題点がでてくる。

（１）検査コイルを配設するチャンネル数が増加する
ので、検査コイルの有効受感領域の重なりを考慮して被
検査材全周に亘って略均一の探傷感度を確保するための
工夫が必要となる。

（２）検査コイルの小型化に伴って検査コイルのリフ
トオフ特性（すなわち、検査コイルの距離感度特性）を
改善する必要がある。

（３）検査コイルの小型化と共に重要なことは、被検
査材と検査コイルとの距離変動に起因して発生する機械
的振動疑似妨害雑音信号を低減化して探傷精度を向上さ
せる必要がある。すなわち、小型化した検査コイルによ
って小さな傷に対するS/N比は向上するが、相対感度が
プローブの大きさに比例するという事実に徴して、相対
感度が低下するので電気信号を大きく拡大増幅すること
が常套手段であるが、熱間棒鋼等の渦流探傷にあって検
査コイルから被検査材までの機械的距離をできるだけ大
きく間隔をとることが圧延作業工程上、必須の条件であ
る。ところが、検査コイルから被検査材までの距離を大
きくとることは、探傷の仲介を行なう磁力線が減衰し探
傷感度不足を来すこととなる。これを補うためには電気
信号の拡大、増幅を行えばよいのであるが、前述したよ
うな被検査材の機械的振動が大きな妨害信号となって正
常な探傷が困難となってしまう。

（４）検査コイルの小型化は、検査コイルの受感磁力
線距離を縮小化するので、探傷感度低下を来すことは前
述したとおりであるが、検査コイルを赤熱した被検査材
である鋼材から保護するための遮熱と冷却のための機構
を工夫する必要がある。すなわち、小さい検査コイルを
用いた場合、検査コイル自身が小さいことに起因する空
間磁路長の短小化による感度低下と、更に加えて熱間材
探傷時に常套手段として遮熱防熱構造体としてのステン
レス筒体を併用する時に生ずる過電流損失による感度低
下と問題がある。

このように、渦流探傷における検査コイルを小型化する
に伴って考慮すべき問題点が種々あるにもかかわらず、
前述したような従来の渦流探傷用コイル装置において
は、これら問題点のすべてを十分に解決しうるような工
夫がなされているとは言えない。

本発明の目的は、前述したような従来の問題点を解決し
うる渦流探傷用コイル装置を提供することである。

課題を解決するための手段本発明によれば、渦流探傷装置の被検査材を通すための
貫通孔の周りに装着される貫通励磁コイルと、該貫通励
磁コイルに内挿された検査コイル取付けボビンの円周に
配列された複数の検査コイルとを備える渦流探傷用コイ
ル装置において、前記貫通励磁コイルは、前記貫通孔の
軸方向の所定幅に亘って延長する主コイル部分と、前記
貫通励磁コイルの軸方向中央内壁部の垂直成分磁力線分
布低減領域を拡張するように前記コイル部分の両端部分
に巻回された付加コイルとを備え、前記複数の検査コイ
ルは、前記貫通励磁コイルから発生する励磁磁力線に不
感であるようにその貫通励磁コイルと直交交差するよう
にして、前記検査コイル取付けボビンの前記貫通亘の軸
方向において所定の距離離間した少なくとも２つの円周
に沿って２列に配設され、前記各列に配設した検査コイ
ルは、互いに隣接する検査コイル同志が差動接続されて
対とされて傷信号を出力するようにされ、前記２列の間
において各検査コイル対は、千鳥配列となるようにされ
る。

実施例次に、添付図面に基づいて、本発明の実施例について本
発明をより詳細に説明する。

第１図は、本発明の一実施例としての渦流探傷用コイル
装置を適用した熱間渦流探傷検出端を略示する部分破断
側面図であり、第２図は、その熱間渦流探傷用検出端の
正面図である。これら第１図および第２図に略示される
ように、この熱間渦流探傷検出端は、探傷すべき被検査
材を矢印Ｐの方向から通すための貫通孔11を有した側板
10を備えており、側板10には、冷却水を噴流させるため
の噴流装置20が取り付けられている。この噴流装置20
は、給水管21を介して給水口22に接続されていて、給水
口22を通して給水される冷却水を側板10の貫通孔11の内
周面に沿って噴出させて水膜を形成させることにより、
後述する貫通励磁コイルおよび検査コイルの遮熱冷却を
行なうものである。

また、側板10内の貫通孔11の周りには、励磁フレーム30
と、検査コイル取付けボピン40と、励磁コイルボビン60
とが取り付けられている。検出コイル取付けボビン40に
は、複数の検査コイル51および52が配設されており、励
磁コイルボビン60には、貫通励磁コイルを構成する主コ
イル部分70と、付加コイル部分71および72とが巻回され
ており、さらに、その貫通励磁コイルの周りに磁気シー
ルド部材73が施されている。

側板10の上部には、電源接続線および傷信号導出線等を
含むプラントチューブ110を取り付ける端子カバー100が
取り付けられ、この端子カバー100は、励磁フレーム30
に対して端子板カラー90を介して固定された端子板80を
カバーしている。端子板80には、貫通励磁コイル70、7
1、72を付勢するための電源接続用端子や検査コイル5
1、52等から傷信号を導出するための傷信号出導出用力
端子が設けられている。

なお、第１図において、参照番号120および121は、Ｏリ
ングを示し、参照番号122は、パッキンを示している。

次に、第３図は、前述したように主コイル部分70および
付加コイル部分71および72からなる貫通励磁コイルを巻
回し且つ外周に磁気シールド73を施した励磁ボビン60の
みを取り出して斜視図にて示している。この第３図によ
く示されるように、貫通励磁コイルの両端から電源接続
用のリード線74および75が引き出されており、これらリ
ード線74および75は、端子板80に設けられた対応する端
子に接続されるものである。

第４図は、検査コイル取付けボビン40のみを斜視図にて
示している。この第４図によく示されるように、検査コ
イル取付けボビン40には、中間部に円周溝が形成されて
おり、この円周溝の底部には、軸方向に、例えば、11mm
離間した２つの円周にそって、例えば、12゜のピッチに
てそれぞれ30個の検査コイル挿着溝41および42が形成さ
れている。また、この検査コイル取付けボビン40の円周
溝の両側には、検査コイル（傷信号）導出リードを引き
出すためのリード線引出し溝43および44が形成されてい
る。

第５図は、検査コイル51および52の１つを示す斜視図で
あり、この第５図に示す検査コイルは、プリントコイル
であり、コイルの巻回部を構成する印刷導体部53と、出
力端子部54および55とを基板56上に設けてなるものであ
る。

第６図は、第４図の検査コイルボビン40の検査コイル取
付け溝41および42にそれぞれ第５図の検査コイル51およ
び52を挿着した状態を部分的に斜視図にて示している。
第６図においては、各検査コイル51および52の間の接続
線および出力導出用リード線を示していないが、これら
線線は、各検査コイルの出力端子部の間で接続されて、
検査コイル取付けボビン40の各対応するリード線引出し
溝43および44を通して引き出されて、端子板80の対応す
る端子にそれぞれ接続されるものであることは容易に理
解できよう。

このようにして検査コイル51および52を配設した検査コ
イル取付けボビン40を励磁コイルボビン60内に挿着する
とき、各検査コイル51および52は、貫通励磁コイル70、
71、72から発生する励磁磁力線に不感であるようにその
貫通励磁コイルと直交交差するようになっている。

本発明では、被検査材全周に亘って略均一な探傷感度を
確保し、被検査材の外表面のどの個所に傷が点在してい
ても漏れなけ検出することができるようにするために、
小さな検査コイルを多数個配設し、各検査コイル相互の
指向性組合せ状態にて略均一の検出力を確保するように
千鳥配列接続とした。すなわち、同一円周上に被検査材
を取り巻くように30個の検査コイル51を等間隔にて配列
した第１の円環状検査コイル群と、検査コイル取付けボ
ビン40の軸方向にて前記円周から１ピッチずらした位置
（前述した例では、11mm離れた位置）の同一円周上に30
個の検査コイル52を等間隔にて配列した第２の円環状検
査コイル群とを設けた。そして、第７図に模式的に部分
的に示すように、第１の円環状検査コイル群を奇数番号
チャンネルＡとし、第２の円環状検査コイル群を偶数番
号チャンネルＢとし、奇数番号チャンネルＡにおいて
は、奇数コイル番号の検査コイル51−１とそれに隣接す
る検査コイル51−２とを差動接続して傷信号を出力する
検査コイル対とし、すなわち、コイル番号１の検査コイ
ル51とコイル番号２の検査コイル51とを差動隣接し、コ
イル番号３の検査コイル51とコイル番号４の検査コイル
51とを差動接続し、コイル番号５の検査コイル51とコイ
ル番号６の検査コイル51とを差動接続し、コイル番号７
の検査コイル51とコイル番号８の検査コイル51とを差動
接続し、以下同様に隣接する検査コイル51を差動接続の
対とした。一方、偶数番号チャンネルＢにおいては、偶
数のコイル番号の検査コイル52とそれに隣接する検査コ
イル52とを差動接続して傷信号を出力する検査コイル対
とし、すなわち、コイル番号２の検査コイル52−２とコ
イル番号３の検査コイル52−３とを差動接続し、コイル
番号４の検査コイル52−４とコイル番号５の検査コイル
52−５とを差動接続し、コイル番号６の検査コイル52と
コイル番号７の検査コイル52とを差動接続し、コイル番
号８の検査コイル52とコイル番号９の検査コイル52とを
差動接続し、以下同様に隣接する検査コイル52を差動接
続の対とした。

次に、本発明者は、このような小さな検査コイル51およ
び52を多数個配列する場合、検査コイルの大きさをどの
程度の寸法にすれば良いかについて検討するために、種
々な大きさの傷に対して種々な大きさの検査コイルを用
いて傷信号を求める実験を繰り返し行った。その結果を
第８図のグラフに示す。第８図のグラフにおいて横軸
は、用いた検査コイルの大きさ１を、検出した傷の長さ
でＬで正規化した値をとっており、縦軸にS/N比をとっ
ている。また、この第８図に示す結果は、検査コイルを
差動接続し、傷を横切って探傷してみた場合のものであ
る。この第８図のグラフから判るように、S/N比のよい
探傷結果を得るためには、1/L＜２とするのが好まし
く、すなわち、検査コイルの大きさは、探傷すべき傷の
最大長さの２倍より小さくするのが好ましい。

また、本発明者は、検査コイルの小型化に伴って検査コ
イルのリフトオフ特性、すなわち、検査コイルと被検査
材との距離が変化したときの感度の変化率が少なくなる
ような検査コイルの配列態様について検討するため、パ
ンケーキ型プローブを検査対象面と平行に位置させた場
合と、垂直に位置させた場合とについて、プローブと被
検査材との距離（リフト・オフ）を変えたときの信号の
減衰の程度を調べみた。その結果、垂直に位置させた場
合は、相対感度は悪いが、リフトオフに伴う減衰が少な
いことが判った。

さらにまた、本発明者は、検査コイルの小型化と共に重
要な距離変動に伴って発生する機械的振動疑似妨害雑音
信号低減化のため、この雑音信号発生要因の根本的解決
策を検討してみた。検査コイルと被検査材との相対的距
離変動で発生する妨害雑音信号発生要因としては種々考
えられるが、次の２つの点を考慮することにより、雑音
信号の発生を実質的に抑えることができると考えた。す
なわち、（Ａ）距離変動に伴って生ずる交番磁界が雑音信号発
生の要因であり、妨害発生は、検査コイルを横切る磁力
線の変化が少なくなるように検査コイルを配置すればよ
いこと。

（Ｂ）妨害雑音信号に加担するその他の磁力線分布を
できるだけ排除すること。

先ず、前記（Ａ）項については、検査コイルの受感軸と
磁力線の方向とを略直交するようにすることにより解決
した。すなわち、探傷試験コイルの中の励磁コイルによ
って発生した磁力線は、コイルの内筒軸方向に進行した
のち、コイル外周を大きく迂回して磁路を形成する。検
査コイルの受感軸は、励磁磁力線と直交せしめ、通常状
態時の一定励磁磁力線に不感とすることにし、これは、
前述した実施例の如く、励磁コイル内周に沿って環状を
なす仮空円環状輪に複数の検査コイルの受感軸を串差し
状に配設することによって達成されうる。

また、前記（Ｂ）項については、励磁コイルの磁力線分
布の垂直成分を低減化するための積極的な手段を講じ
た。この点詳述するに、例えば、熱間棒鋼製造設備にあ
っては、正常且つ順調な圧延作業を遂行するために、一
般的に、圧延用ロールと次の段の圧延用ロールとの間隔
を極力狭く配設する。また、圧延最終スタンド（ロー
ル）直後にあっては、ラッパ状案内を随所に設けてい
る。かかるレイアウトにあっては、圧延用ロールスタン
ド間又はロールスタンドと他のラッパ状案内器具との中
間からミスロールと称して、棒鋼が圧延設備外に蛇行卵
乱走することが最も恐れられている。このような状況下
にあって、非破壊検査装置等を圧延設備内に装着する場
合、トンネル穴状の探傷試験コイルの穴（内）径は、圧
延される鋼材外径に比べて可能な限り大きく、軸長は極
力短くすることが強いられている。したがって、渦流探
傷用コイル装置においも、貫通励磁コイルの内径は、出
来るだけ大きく、軸長は、出来るだけ短くする必要があ
る。

そこで、円筒状に長い巻線の励磁コイルを備えた探傷試
験コイル内の励磁磁力線分布の一般的な特性を調べてみ
たところ、第９図および第10図に示すようなものである
ことがわかった。第９図および第10図に示す特性は、単
純なソレノイド空芯励磁コイルの磁束分布を示すもの
で、第９図は、横軸にコイルの長さ方向の距離をとり、
縦軸に励磁磁力線の水平成分の大きさをとったものであ
り、第10図は、横軸にコイルの長さ方向の距離をとり、
縦軸に励磁磁力線の垂直成分の大きさをとったものであ
る。ここで、第10図の励磁磁力線の垂直成分の分布特性
から明らかなように、検査コイルは、垂直成分の小さい
領域である励磁コイルの中間部に設けるのがよいである
が、励磁コイルの内径をできるだけ大きくし、軸長をで
きるだけ短くちようとする場合には、励磁コイルの中間
部における励磁磁力線の垂直成分の低減領域がそれだけ
狭くなってしまい、検査コイルの配設位置に制約が生じ
てしまうことがわかった。本発明者は、励磁コイルの内
径を大きくし軸長を短くしても、励磁コイルの中間部に
垂直成分の低減した領域が検査コイルを配置するに十分
に得られるような方法を検討するなかで、第11図に略示
するように主コイル部分70の両端の外周に付加コイル部
分71および72を巻回してなるような貫通励磁コイルの構
成がその要求に十分応えられるものであることを見出し
た。

すなわち、第11図において、参照符号W_Tは、主ホイル部
分70の巻幅（mm）を示し、参照番号W₀は、励磁磁力線分
布の垂直成分低減化のために主コイル部分70の両端側に
積層して巻回した付加コイル部分71および72の巻幅（m
m）を示し、参照番号Ｄφは、励磁コイルの平均径（m
m）を示している。第11図のような構成の貫通励磁コイ
ルの種々な寸法のものを作製して、Ｗ_0.1φv/D値を求め
てみた。ここで、Ｗ_0.1φv/Dは、励磁コイル両端面部の
磁力線の内、垂直成分の最大値を１としたとき、その1/
10の強さとなるＶ字状特性の領域（mm）を励磁コイルの
平均径Ｄで除した値を示している。その結果を、第12図
に励磁している。第12図に示すグラフは、横軸にW₀/W_T
の値をとり、縦軸にＷ_0.1φv/Dの値をとったものであ
る。そして、曲線Ａは、W_T/D＝1.85の場合の特性を示
し、曲線Ｂは、W_T/D＝0.81の場合の特性を示している。
この第12図の曲線から分かるように、単純ソレノイドの
励磁コイルの場合に比較して、付加コイル部分を設けた
励磁コイルの場合の方が、コイル内壁に於ける垂直成分
を大幅に低減することができ、例えば、曲線Ｂに示すよ
うに、Ｗ_0.1φ/Dを15％から65％へと上げることがで
き、すなわち、垂直成分低減領域を約４倍に拡張するこ
とができる。

このような本発明による付加コイルの効果を確認するた
めに、従来の如く付加コイルのない単純なソレノイドコ
イルを励磁コイルとして用いた探傷装置と、それと同じ
ソレノイドコイルに前述したような付加コイルを設けた
コイルを励磁コイルとして用いた同様の探傷装置とで同
じ傷について探傷を行ってみた。第14図のグラフは、従
来の付加コイルのない場合の探傷結果である位相特性を
示しており、第13図は、本発明によって付加コイルを設
けた場合の探傷結果である位相特性を示している。これ
らグラフにおいて、上部の２つの曲線は、２つの種類の
異なる傷に対してそれぞれ得られた傷信号を示してお
り、下部の２つの曲線は、その２つの種類の異なる傷に
対してそれぞれ得られたガク（ノイズ）信号を示してい
る。これらグラフから明らかなように、従来の励磁コイ
ルを用いた場合には、そのS/N比は、約5.9であったのに
対して、本発明による付加コイルを設けた励磁コイルの
場合には、そのS/N比は、約11.8と２倍の改善が確認さ
れた。

なお、第１図に示した実施例において、励磁コイルの外
周に磁気シールド73を設けたのは、このような磁気シー
ルドを設けることによって励磁磁気回路を形成させるこ
とにより、大電力励磁実施時における探傷試験コイルの
外周筐体のヒステリシス損失を未然に防止して、発熱を
抑制すると共に検査コイルの周辺温度上昇に伴うドリフ
トを低減させるためである。

発明の効果本発明による渦流探傷用コイル装置は、前述したような
構成であるので、検査コイルを小型化しても被検査材の
全周に亘って均一の探傷感度を確保でき、しかも、検査
コイルのリフトオフ特性も改善され、励磁コイルの内径
を大きくし軸方向の長さを短縮しても、機械的振動疑似
妨害雑音信号を低減化して探傷精度を向上させることが
できる等の格別な効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例としての渦流探傷用コイル
装置を適用した熱間渦流深傷用検出端を略示する部分破
断側面図、第２図は、その熱間渦流探傷用検出端の正面
図、第３図は、第１図の熱間渦流探傷用検出端における
渦流探傷用コイル装置の励磁コイルの部分を示す斜視
図、第４図は、第１図の熱間渦流探傷用検出端における
検査コイル取付けボビンのみを示す斜視図、第５図は、
第１図の熱間渦流探傷用検出端における検査コイルの１
つを示す斜視図、第６図は、第４図の検査コイルボビン
の検査コイル取付け溝にそれぞれ第５図の検査コイルを
挿着した状態を示す部分斜視図、第７図は、第１図の熱
間渦流探傷用検出端における渦流探傷用コイル装置の検
査コイルの差動接続の態様を例示するための概略図、第
８図は、検査コイルの大きさと傷の大きさと得られる傷
信号のS/N比との関係を例示するグラフを示す図、第９
図は、単純なソレノイド空芯励磁コイルによる励磁磁束
の水平成分の分布を例示する図、第10図は、単純なソレ
ノイド空芯励磁コイルによる励磁磁束の垂直成分の分布
を例示する図、第11図は、本発明による励磁コイルの基
本的構造を略示する図、第12図は、第11図に示したよう
な構成の励磁コイルによる励磁磁力線分布の垂直成分低
減化を例示するためのグラフを示す図、第13図は、本発
明による渦流探傷用コイル装置を用いた場合の傷信号の
S/N比を例示するためのグラフを示す図、第14図は、従
来の渦流探傷用コイル装置を用いた場合の傷信号のS/N
比を例示するためのグラフを示す図である。 10……側板、11……貫通孔、 20……噴流装置、21……給水管、 22……給水口、30……励磁フレーム、 40……検査コイル取付けボビン、 41、42……検査コイル挿着溝、 43、44……リード線引出し溝、 51、52……検査コイル、 53……印刷導体部、 54、55……出力端子部、 56……基板、 60……励磁コイルボビン60、 70……主コイル部分、 71、72……付加コイル部分、 73……磁気シールド部材、 74、75……リード線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐伯朗東京都板橋区桜川１丁目５番７号原電子測器株式会社内 (72)発明者林部昭治東京都板橋区桜川１丁目５番７号原電子測器株式会社内 (72)発明者田口勝美東京都板橋区桜川１丁目５番７号原電子測器株式会社内 (56)参考文献特開昭58−34357（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−40850（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−123352（ＪＰ，Ａ) 実開昭62−167161（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】渦流探傷装置の被検査材を通すための貫通
孔の周りに装着される貫通励磁コイルと、該貫通励磁コ
イルに内挿された検査コイル取付けボビンの円周に配列
された複数の検査コイルとを備える渦流探傷用コイル装
置において、前記貫通励磁コイルは、前記貫通孔の軸方
向の所定幅に亘って延長する主コイル部分と、前記貫通
励磁コイルの軸方向中央内壁部の垂直成分磁力線分布低
減領域を拡張するように前記主コイル部分の両端部分に
巻回された付加コイル部分とを備えており、前記複数の
検査コイルは、前記貫通励磁コイルから発生する励磁磁
力線に不感であるようにその貫通励磁コイルと直交交差
するようにして、前記検査コイル取付けボビンの前記貫
通孔の軸方向において所定の距離離間した少なくとも２
つの円周に沿って２列に配設されており、前記各列に配
設した検査コイルは、互いに隣接する検査コイル同志が
差動接続されて対とされて傷信号を出力するようにされ
ており、前記２列の間において各検査コイル対は、千鳥
配列となるようにされたことを特徴とする渦流探傷用コ
イル装置。
【請求項２】前記検査コイルの大きさは、探傷すべき傷
の最大長さの２倍より小さい請求項（１）記載の渦流探
傷用コイル装置。
【請求項３】前記検査コイルは、プリントコイルである
請求項（１）または（２）記載の渦流探傷用コイル装
置。