JP2735992B2 - 磁歪応力測定方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大口径の管の磁歪応力
測定方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁歪応力測定法は、強磁性材料に荷重が
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、両透磁率の差を磁歪センサによって検出す
ることによって、主応力の方向および大きさを測定する
手法である。先行技術では、磁歪センサを管の周方向に
移動しつつ、管に作用している応力を測定している。こ
のような測定値は、管が小口径であり、したがって通
常、曲げ変形が卓越し、管の周方向の応力は零またはご
く小さい値であり、したがって磁歪センサの出力は、管
軸方向の応力に対応している。しかしながら管が大口径
のとき、たとえば外径が４００ｍｍφ以上であるとき、
管の周方向の応力を無視することができない。このこと
はまた管が小口径であっても、その管が偏平に変形して
いるときにも同様である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、管の
周方向および管軸方向の各応力を正確に測定することが
できるようにした管の磁歪応力測定方法および装置を提
供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、磁歪センサを
用いて、管の透磁率に対応した出力Ｖを検出し、管の偏
平率Ｓを求め、この偏平率Ｓに対応した管の周方向の最
大応力σ２０を求め、前記周方向の最大応力σ２０と前
記出力Ｖとに基づいて、管の軸方向の最大応力σ１０を
求めることを特徴とする磁歪応力測定方法である。

【０００５】また本発明は、管の偏平率Ｓを求めるにあ
たり、磁歪センサを管の周方向に移動して、管の透磁率
に対応した出力Ｖの最大値が得られる第１の位置を検出
し、第１の位置から周方向に９０度ずれた第２の位置を
求め、前記第１および第２の位置の外径を測定して、管
の偏平率を求めることを特徴とする。

【０００６】また本発明は、管の軸方向の最大応力σ１
０を求めるにあたり、管の周方向の最大応力σ２０に対
応する磁歪センサの出力分ΔＶを求め、磁歪センサの出
力Ｖと前記周方向の最大応力σ２０に対応する出力分Δ
Ｖとの和を求め、その和に対応した管の軸方向の最大応
力σ１０を求めることを特徴とする磁歪応力測定方法で
ある。

【０００７】また本発明は、管の透磁率に対応した出力
Ｖを導出する磁歪センサと、磁歪センサを管の外周面に
沿って移動する手段と、管の偏平率Ｓを演算する手段
と、偏平率演算手段の出力に応答して、偏平率Ｓに対応
した管の周方向の最大応力σ２０を演算して求める手段
と、磁歪センサと周方向応力演算手段との各出力に応答
して、管の軸方向の最大応力σ１０を演算して求める手
段とを含むことを特徴とする磁歪応力測定装置である。

【０００８】

【作用】本発明に従えば、磁歪センサを用いて管の透磁
率に対応した出力Ｖを検出し、この出力Ｖは、管の軸方
向の最大応力σ１０だけでなく管の周方向の最大応力σ
２０にもまた依存する値であり、そのうち、管の周方向
の最大応力σ２０は、管の弾性領域において、管の偏平
率Ｓに依存する値であり、したがって偏平率Ｓから管の
周方向の最大応力σ２０を求めることによって、前記出
力Ｖに基づき、管の軸方向の最大応力σ１０を求めるこ
とができる。

【０００９】管の偏平率Ｓを正確に求めるには、その管
の外径の最大値ＤＨと最小値ＨＶを求める必要があり、
このために、磁歪センサを管の周方向に移動して管の透
磁率に対応した出力Ｖを求めると、その出力Ｖの振幅Ｂ
の最大値が得られる第１の位置で、管の外径の最小値を
得、この第１の位置から周方向に９０度ずれた第２の位
置で管の外径の最大値を得る。こうして管の偏平率Ｓを
正確に求めることができる。

【００１０】また本発明に従えば、管の偏平率Ｓから得
られる管の周方向の最大応力σ２０に対応した磁歪セン
サの出力分ΔＶを求め、この出力分ΔＶを、磁歪センサ
の出力Ｖと加算することによって、管の軸方向の最大応
力σ１０を求めることができる。

【００１１】

【実施例】図１は、本発明の一実施例の管１が撓んだと
きの状態の軸直角断面を簡略化して示す図である。管１
は、鋼管などであって、強磁性材料から成る。管１に応
力が作用せず、撓んでいない状態では、その管１は直円
筒状であり、その円環の中心線２は真円である。管１に
外力が作用して管１が撓んだとき、中心線２は、図１の
参照符３で示されるように偏平となる。この中心線３の
対称線６は、もう１つの対称線７と垂直であり、管１の
水平な軸線４を通る鉛直線５に関して角度θ方向に、角
度Ｃ、ずれている。中心線３まわりに、管１に作用する
軸方向の応力σ１は、対称軸６と交わる位置３７，３９
で最大の絶対値σ１０となり、対称軸６に垂直な直線７
と交わる位置３８，４０では零となり、このようにして
軸方向のσ１は、周方向の角度をθとするとき、cosθ
変化する。管１に作用する周方向の応力σ２は、対称軸
６に関して対称な一対の直線３１，３２と交わる位置３
３〜３６で零となり、このようにして周方向の応力σ２
は、周方向の角度をθとするとき、cos２θで変化す
る。

【００１２】図２は、管１の応力σを測定するための装
置の全体の斜視図である。管１の外周には環状のレール
１０が装着され、モータなどを含む駆動手段１１によっ
て磁歪センサ８はレール１０に沿って管１の外周面に沿
って、移動する。レール１０と駆動手段１１とは、磁歪
センサ８を管１の外周面に沿って移動する移動手段を構
成する。

【００１３】図３は磁歪センサ８の斜視図であり、図４
はその磁歪センサ８の簡略化した平面図である。磁歪セ
ンサ８は逆Ｕ字状の第１コア１３を有し、このコア１３
には、励磁コイル１４が巻回される。第１コア１３の一
対の磁極１５，１６は管軸４方向に９０度以外の角度α
（この実施例ではα＝４５度）で交差する直線１７の方
向に間隔をあけて設けられる。励磁コイル１４には、た
とえば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ、１００Ｖの交流電源１
８が接続されて、励磁コイル１４が励磁される。さらに
また第２コア１９が設けられ、このコア１９は、逆Ｕ字
状に形成される。この第２コア１９には検出コイル２０
が巻回される。第２コア１９の一対の磁極２１，２２
は、第１コア１３の一対の磁極１５，１６を結ぶ直線１
７に対して垂直な直線２３上で間隔をあけて一対の磁極
２１，２２を有する。各磁極１５，１６；２１，２２の
各図心は、仮想上の正方形の各頂点位置にあり、直線１
７，２３は、その仮想上の正方形の対角線に一致する。
励磁コイル１４を交流電源１８によって励磁し、検出コ
イル２０の誘導起電力は電圧計などの電圧測定手段２４
によって検出される。検出コイル２０の誘導起電力Ｖ
は、管軸４方向の応力σ１と周方向の応力σ２とに依存
して、式１で示される表される。

【００１４】 Ｖ ＝ Ｍ （σ１ − σ２） …（１） ここでＭは磁歪感度であり、溶接管１の材質などに依存
する定数である。管１が小口径であるときには、σ２＝
０である。コア１３，１９は一体的に相互に固定されて
構成される。

【００１５】磁歪センサ８では、第１コア１３の磁極１
５，１６は、第２コア１９の磁極２１と等距離にあり、
したがって管１の管軸４方向に応力σ１が発生していな
い状態では、その管１の管軸方向および周方向の透磁率
μは等しく、したがって励磁コイル１４が交流電源１８
によって励磁されているとき、検出コイル２０に接続さ
れている電圧測定手段２４によって検出される誘導起電
力Ｖは零またはごく小さい値である。管１に管軸方向の
応力σ１および／または周方向の応力σ２が作用する
と、管１の管軸方向と周方向との各透磁率は異なり、し
たがって検出コイル２０の誘導起電力Ｖは、磁歪感度Ｍ
と磁歪応力σ１，σ２とに対応した値となる。ここで管
軸方向の応力σ１と周方向の応力σ２とを総括的に、応
力σと言うことがある。

【００１６】図５は、図１〜図４に示される実施例の電
気的構成を示すブロック図である。電圧測定手段２４の
出力は、マイクロコンピュータなどによって実現される
処理回路２５に与えられる。処理回路２５は駆動手段１
１を制御し、また電圧測定手段２４の測定結果を管軸４
まわりに、鉛直線５からの角度θ毎にストアするメモリ
２７に接続される。メモリ２７のストア内容は陰極線管
または液晶などの目視表示手段２８によって表示するこ
とができる。

【００１７】入力手段４１は、たとえばキーボードなど
であり、管１の偏平率Ｓを演算するために、たとえばノ
ギスを用いて測定した管１の最大の外径ＤＨと最小の外
径ＤＶとを、操作者が入力する。

【００１８】図６は、管１の軸直角断面図である。管１
が撓んだとき、弾性の範囲内で、管１の軸直角断面が偏
平となり、その最小の外径をＤＶとし、最大の外径をＤ
Ｈとするとき、偏平率Ｓは、式２で示されるとおりであ
る。

【００１９】

【数１】

【００２０】この偏平率Ｓが決定されると、図７から、
その偏平率Ｓに対応する管１の周方向の曲げ応力σ２の
最大値σ２０が決定される。このような偏平率Ｓと周方
向の最大応力σ２０との図７に示される参照符４２で示
されるグラフの関係は、計算によって，または実験によ
って予め準備しておく。このような図７に示されるグラ
フの内容は、前述の図５に示されるメモリ２７にたとえ
ばテーブルとして予めストアしておき、こうして入力手
段４１から、管１の各外径ＤＶ，ＤＨを入力することに
よって、偏平率Ｓが演算して求められ、それに対応する
周方向の応力σ２が求められる。

【００２１】表示手段２８によって表示される角度θと
検出コイル２０の誘導起電力Ｖとの関係は、図８のよう
にして得られる。前記出力Ｖは、図８のラインＬ３で示
されるとおりであり、この出力Ｖは、管１の軸方向の応
力σ１に対応するcos(θ＋Ｃ）で変化する電圧成分Ｌ１
と、管１の周方向の応力σ２のcos(２θ＋Ｃ）で変化す
る成分Ｌ２とが、前述の式１に従って合成された値であ
る。このラインＬ３で示される出力Ｖの最大値が得られ
る第１位置θ１は、前述の図１に示される対称軸６と中
心線３との交点位置３７であり、したがってこの位置３
７で、管軸４のまわりに１８０度ずれた位置３９との間
の管１の最小の外径ＤＶを正確にすることが可能であ
る。またこの位置３７から周方向に９０度ずれたライン
の位置３８，４０間の長軸である最大の外径ＤＨを測定
することができる。このようにして、磁歪センサ８を管
１の周方向に移動することによって得られるラインＬ３
の電圧Ｖに基づき、短軸の外径ＤＶが得られる位置３７
を知ることができ、これに基づき、９０度ずれた長軸の
外径ＤＨが得られる位置３８を知ることができる。ライ
ンＬ１は、前述のように周方向の応力σ１に対応した値
であり、図８では、その応力σ１の最大値σ１０に対応
する出力Ｖ（σ１０）を示してある。また、ラインＬ２
は、周方向の応力σ２に対応しており、その応力σ２の
最大値σ２０に対応する出力Ｖ（σ２０）を図８に示し
てある。

【００２２】図９を参照して、動作を説明する。図９に
示されるフローチャートは、図５の処理回路２５の動作
を示す。ステップｎ１からステップｎ２に移り、磁歪セ
ンサ８を駆動手段によって管１の周方向に移動する。こ
の磁歪センサ８は、管１の外表面に極く近接し、一定の
間隔を保って、周方向に移動される。磁歪センサ８の検
出コイル２０からの出力は電圧測定手段２４によって検
出され、その出力Ｖは、処理回路２５によって読込まれ
る。こうして磁歪センサ８の出力Ｖは、管１の周方向に
一定角度の角変位毎に、メモリ２７にストアされる。こ
うして磁歪センサ８を、管１の全周にわたって移動す
る。このようなメモリ２７にストアされた検出コイル２
０の誘導起電力Ｖは、表示手段２８によって、前述の図
８のラインＬ３に示されるように表示されることができ
る。

【００２３】ステップｎ４では、前述の式２に従い、偏
平率Ｓを演算する。

【００２４】ステップｎ５では、偏平率Ｓに対応する周
方向の応力σ２を、図７に示される内容がストアされて
いるメモリ２７に基づき、演算して求める。次のステッ
プｎ６では、前述の式１から導かれる次の式３に基づ
き、管１の軸方向の応力σ１を演算して求め、こうして
ステップｎ７では一連の動作を終了する。

【００２５】

【数２】

【００２６】本発明の他の実施例として、図９のステッ
プｎ５における周方向応力σ２に対応する磁歪センサ８
の出力分ΔＶ（＝Ｍ・σ２）を求め、この出力分ΔＶと
磁歪センサ８の出力Ｖとの和（＝Ｖ＋ΔＶ）を求め、そ
の和に対応した管１の軸線方向の応力σ１（＝（Ｖ＋Δ
Ｖ）／Ｍ）を求めるようにしてもよい。このようにして
演算を簡略化することもまた可能である。

【００２７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、管の偏平
率Ｓを求めることによって、管の弾性領域では、その偏
平率Ｓに対応した管の周方向の最大応力σ２０を求める
ことができ、したがって磁歪センサの出力Ｖに基づい
て、その周方向最大応力σ２０を考慮することによっ
て、管の軸方向の最大応力σ１０を正確に求めることが
可能になる。これによって大口径の管および小口径であ
っても、管が偏平に変形した状態における管軸方向の最
大応力σ１０を正確に求めることが可能になる。

【００２８】また本発明に従えば、管の偏平率を求める
にあたり、磁歪センサを管の周方向に移動し、その管の
透磁率に対応した出力Ｖの最大値が得られる第１の位置
を検出し、その出力Ｖの最大値が得られる第１の位置に
おける管の外径の最小値ＤＶと、第１の位置から９０度
ずれた第２の位置における管の外径の最大値ＤＨとに基
づき、管の偏平率Ｓを正確に演算して求めることができ
る。これによって管の軸方向の最大応力σ１０を正確に
求めることが可能になる。

【００２９】さらに本発明によれば、管の偏平率Ｓから
得られた管の周方向の最大応力σ２０に対応する磁歪セ
ンサの出力分ΔＶを求めることによって、磁歪センサの
出力Ｖに加算して、管の軸方向の応力Δ１を求めること
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の管１が変形するときの状態
を説明するための簡略化した断面図である。

【図２】磁歪センサ８を用いて管１の周方向に移動しつ
つ磁歪応力を測定するときの状体を示す斜視図である。

【図３】磁歪センサ８の斜視図である。

【図４】磁歪センサ８の平面図である。

【図５】磁歪センサ８の検出コイル２０に関連する構成
を示すブロック図である。

【図６】管１がたわんで変形したときの状態を示す断面
図である。

【図７】偏平率Ｓと周方向の応力σ２との関係を示すグ
ラフである。

【図８】磁歪センサ８の出力Ｖを示す図である。

【図９】処理回路２５の動作を説明するためのフローチ
ャートである。

【符号の説明】

１ 管 ８ 磁歪センサ ２４ 電圧測定回路 ２５ 処理回路 ２７ メモリ ２８ 表示手段 ４１ 入力手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 境 禎明 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (72)発明者 黒田 隆司 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−176627（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁歪センサを用いて、管の透磁率に対応
   した出力Ｖを検出し、 管の偏平率Ｓを求め、 この偏平率Ｓに対応した管の周方向の最大応力σ２０を
   求め、 前記周方向の最大応力σ２０と前記出力Ｖとに基づい
   て、管の軸方向の最大応力σ１０を求めることを特徴と
   する磁歪応力測定方法。
2. 【請求項２】 管の偏平率Ｓを求めるにあたり、 磁歪センサを管の周方向に移動して、管の透磁率に対応
   した出力Ｖの最大値が得られる第１の位置を検出し、 第１の位置から周方向に９０度ずれた第２の位置を求
   め、 前記第１および第２の位置の外径を測定して、管の偏平
   率を求めることを特徴とする請求項１記載の磁歪応力測
   定方法。
3. 【請求項３】 管の軸方向の最大応力σ１０を求めるに
   あたり、 管の周方向の最大応力σ２０に対応する磁歪センサの出
   力分ΔＶを求め、 磁歪センサの出力Ｖと前記周方向の最大応力σ２０に対
   応する出力分ΔＶとの和を求め、その和に対応した管の
   軸方向の最大応力σ１０を求めることを特徴とする磁歪
   応力測定方法。
4. 【請求項４】 管の透磁率に対応した出力Ｖを導出する
   磁歪センサと、 磁歪センサを管の外周面に沿って移動する手段と、 管の偏平率Ｓを演算する手段と、 偏平率演算手段の出力に応答して、偏平率Ｓに対応した
   管の周方向の最大応力σ２０を演算して求める手段と、 磁歪センサと周方向応力演算手段との各出力に応答し
   て、管の軸方向の最大応力σ１０を演算して求める手段
   とを含むことを特徴とする磁歪応力測定装置。