JP3713007B2 - 超音波検査装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、物体の非破壊検査手法として用いられ、送受信探触子間において試験体内部に存在する欠陥を経由して伝搬する超音波の伝搬時間から、欠陥の深さや大きさを定量的に把握する機能を有するTOFD法(Time of Flight Diffraction、以下TOFD法と称す)による超音波検査装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
試験体中の欠陥の検出、位置、寸法測定に関して「きずの検出、位置および寸法評価に関する超音波TOFD法の校正および設定の指針」がイギリス規格(BS7706)にある(非特許文献1参照)。
【0003】
TOFD法とは、構造物の内部に超音波を入射し、内部の反射源(欠陥)の上端及び下端で発生した回折波の伝搬時間から、その深さや大きさを定量的に把握しようとするものである(例えば、非特許文献2参照)。
【0004】
図11は、TOFD法における超音波ビームの伝搬経路を示す図である。
図11において、1は送信用探触子、3は受信用探触子、5は試験体、7は試験体内部に存在する反射源(欠陥:D)である。TOFD法において超音波が伝搬する波は、41の試験体表面を伝わる表面伝搬波(Ws)、42の反射源(欠陥)上端部からの回折波(Wu)、43の反射源(欠陥)下端部からの回折波(Wl)および44の試験体底面から反射する底面反射波(Wb)があり、それぞれの波に対応する送受信探触子間の超音波伝搬時間である試験体表面伝搬時間45(Ts)、反射源上端回折伝搬時間46(Tu)、反射源下端回折伝搬時間47(Tl)、試験体底面反射伝搬時間48(Tb)が異なることから、その時間を計測することによって欠陥の位置や大きさを把握するものである。
【0005】
図12は従来のTOFD法における超音波ビームの伝搬時間と反射源位置の関係を説明する図である。
図12において、2は送信振動子、4は受信振動子、6は送信用探触子1から試験体5への超音波入射点、8は試験体5から受信用探触子3への超音波入射点を示す。いま送信用探触子1と受信用探触子3とを反射源7を挟んだ位置に配置し、送受探触子入射点間の水平距離である互いの入射点間隔31が2Sの距離で離れていると仮定する。送信用探触子1の下の固定された点(入射点6)で超音波エネルギーが試験体5に送信され、超音波エネルギーが反射源7の先端で反射し受信用探触子3の固定された点(入射点8)から受信したときの伝搬時間をTfとすると、以下の計算式が成り立つ。
【0006】
【数1】
【0007】
ここで、
Ltt:送信入射点から反射源位置までの伝搬距離35
Ltr:反射源位置から受信入射点までの伝搬距離36
Vt:試験体5の縦波音速30
d:試験体表面下から反射源Dまでの深さ24
S:探触子の入射点から送受探触子入射点間の中心位置までの水平距離32
X:両探触子入射点の間の中心位置と反射源Dの位置との偏っている水平距離33
伝搬時間Tfの値は、Xがゼロのときに最小となり、(1)式は以下の計算式で表される。
【0008】
【数2】
【0009】
したがって反射源7までの深さdは下式で表される。
【0010】
【数3】
【0011】
図13はTOFD法における一般的な受信波形と伝搬時間の関係を示す図である。
図13において、欠陥からの反射波の伝搬時間Tfと表面波(ラテラル波)の伝搬時間Tsとの差をTdとするとTf=Ts+Tdであり、一方Ts=2S/Vtであるから、(3)式は表面波との伝搬時間差Tdを基準に以下の計算式で表される。
【0012】
【数4】
【0013】
このように一般的なTOFD法においては、試験体5の音速Vtと探触子間距離2Sを既知として、表面波との伝搬時間差Tdを測定することにより、比較的容易に欠陥深さ(高さ)の値を得ることが可能となる。
【0014】
【非特許文献1】
British Standard BS7706(1993)
【非特許文献2】
三原毅著「TOFD法の原理と規格」、超音波TECHNO/2000.5 VOL.12 NO.5 日本工業出版、平成12年5月15日、p.4−7
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法では(1)から(4)式の展開に示すように、超音波が固定された点で試験体内に入射すること、および超音波ビームの伝搬時間は、探触子内の超音波発生源、受信源である振動子間で測定しているにもかかわらず、入射点間とすることを前提にして計算している。本来、送受信探触子間の超音波ビームの伝搬経路は、表面波の入射点と試験体内部の反射源への超音波ビームの入射点とは異なっている、すなわち、入射点が一定ではなく、また、伝搬時間も探触子内の超音波発生源、受信源である振動子を起点として考えるべきものである。
超音波ビームは、試験体内部の反射源位置により伝搬経路が変わり、このとき試験体表面において、送信された超音波ビームは変化した位置から試験体の中に入射および試験体から受信探触子に入射する。
また、伝搬時間は、探触子内の超音波発生源、受信源である振動子間で測定しているにもかかわらず、欠陥からの反射波の伝搬時間Tfと表面波(ラテラル波)の伝搬時間Tsとの差Tdを用いることにより、入射点間の伝搬時間の差だけが残り、探触子内の伝搬時間があたかも相殺されたかのように見えるが、実際は、入射点位置が表面波と試験体内部の反射源への超音波とで異なるから上記差Tdを用いても探触子内の伝搬時間が完全には相殺されない。
このことにより、従来の計算式では探触子内の伝搬時間を正確に用いていないことと、入射点の位置の変動が反射源の位置(深さ)の変動につながることなどにより、得られる結果に誤差が生まれることになる。
【0016】
一方、欠陥検出段階での一般的な表示方法として、欠陥または溶接部に沿ってビーム方向に対して垂直に一対の探触子を走査する方法であるD走査表示がある。
図14は、従来のTOFD法による超音波検査装置における表示機能の説明図である。
図14に、この走査方法で集められたデータを式(4)で計算し画像化したものを示す。
図14において、16は表示画面上に表示された画像を示し、送受信探触子を紙面に垂直に走査した結果として、その走査方向17に沿って試験体表面波の軌跡51、反射源上端回折波軌跡52、反射源下端回折波軌跡53、試験体底面波の軌跡54が表される。
【0017】
このようにして得られた波の伝搬時間を縦軸に取って表示する従来の画像化手法では、縦軸が伝搬時間であるため、試験体の厚さと欠陥の深さの関係を比例的に一致させることができないことから、欠陥の深さを評価する上で視認性を欠いていた。
【0018】
本発明は、従来のような誤差を解消し、高精度の超音波検査装置を提供することを目的とする。
【0019】
また、本発明は、視認性にすぐれた超音波検査装置を提供することを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波検査装置は、
第1の振動子を有し上記第1の振動子から発生する超音波を試験体に入射する送信用探触子と、
第2の振動子を有し試験体からの超音波を上記第2の振動子を用いて採取する受信用探触子と、
上記送信用探触子と上記受信用探触子とに接続され送信用探触子を電気的に駆動および受信用探触子からの電気信号を検出する手段を備え、送受信探触子間での試験体内部に存在する反射源を経由して伝搬する超音波の伝搬時間から、反射源の位置と大きさとの内少なくとも1つを把握する超音波探傷器と
を用いたTOFD(Time of Flight Diffraction)法による超音波検査装置において、
上記送信用探触子の第1の振動子から出た超音波が試験体に入射され試験体内部の反射源で反射した後、上記受信用探触子の第2の振動子に到るまでの伝搬時間と、上記試験体表面から反射源までの深さとの関係を予め算出する算出手段と、
上記算出手段により予め算出された上記送受信探触子の振動子間の伝搬時間と上記反射源の深さとの関係に基づいて、超音波探傷器で検出した上記送受信探触子の各々の振動子間の伝搬時間から、上記反射源の深さを求めて出力する演算計測手段と
を具備したことを特徴とする。
【0021】
また、上記算出手段は、上記送受信探触子の振動子間の伝搬時間と上記反射源の深さとの関係を予め計算し、上記送受信探触子の振動子間の伝搬時間と上記反射源の深さとの関係を計測テーブルとして予め記憶部に記憶しておき、上記計測テーブルを用いることにより、超音波探傷器で検出した上記送受信探触子間の伝搬時間から上記反射源の深さを得ることを特徴とする。
【0022】
上記超音波探傷器は、所定の表示ドットを有する表示器を装備し、
上記計測テーブルは、超音波探傷器に装備されている表示器の表示ドットのピッチを1データ基準として構成し、超音波探傷器で検出した上記送受信探触子間の伝搬時間に対応する上記反射源の深さに比例するように上記表示ドットの位置を決定して記憶部に記憶し、上記超音波探傷器は、さらに、上記反射源の深さが実際の試験体内の深さに比例したスケールで上記表示器に表示する表示手段を具備したことを特徴とする。
【0023】
本発明の超音波検査装置は、
超音波を発生する第1の振動子を有する送信用探触子と、
超音波を受信する第2の振動子を有する受信用探触子と、
第1の振動子から発生した超音波が試験体に入射する試験体の表面位置と試験体内部の反射源の位置との関係を算出し、第1の振動子から発生した超音波が第2の振動子に伝搬するまでの伝搬時間を計測し、算出された試験体の表面位置と反射源の位置との関係と計測された伝搬時間とに基づいて、試験体内部の反射源の位置を検出する検出手段と
を備えたことを特徴とする。
【0024】
また、上記検出手段は、第1の振動子から発生した超音波が第2の振動子に伝搬する伝搬経路における、第1の振動子から試験体表面までの超音波の伝搬時間と、試験体表面から試験体内部の反射源までの超音波の伝搬時間と、反射源から受信用探触子までの超音波の伝搬時間と、受信用探触子から第2の振動子までの超音波の伝搬時間との合計を上記伝搬時間として計測し、伝搬時間と上記反射源の試験体表面からの深さとの関係を予め求めておき、上記計測された伝搬時間から上記反射源の試験体表面からの深さを求めて出力する出力手段を備えたことを特徴とする。
【0025】
本発明の超音波検査装置は、超音波を用いて試験体内部の反射源を検査する超音波検査装置において、
超音波を発生する第1の振動子と、
上記第1の振動子により発生された超音波を、内部に反射源を有する試験体内に送信する送信用探触子と、
上記試験体内部に有する反射源で反射された上記送信用探触子により送信された超音波を受信する受信用探触子と、
上記受信用探触子により受信された超音波を受信し所定の信号に変換する第2の振動子と、
第1と第2の振動子と送信用探触子と受信用探触子と上記試験体の第1の表面位置と上記試験体の第2の表面位置と上記反射源との位置関係情報に基づき、第1の振動子と送信用探触子との所定の接触点から送信用探触子と第1の表面位置との所定の接触点までの間の所定の方向に対する第1の距離と、上記試験体表面と上記反射源との第2の距離との相関関係情報を算出する第1の算出部と、
上記第1の算出部により算出された相関関係情報に基づいて、上記第2の距離に対する、上記第1の振動子により発生される超音波が順に上記送信用探触子と上記第1の表面位置と上記反射源と上記反射源により反射され伝搬される上記第2の表面位置と上記受信用探触子とを経由して上記第2の振動子に伝搬するまでの理論超音波伝搬時間を算出する第2の算出部と、
上記第1の振動子により発生される超音波が順に上記送信用探触子と上記第1の表面位置と上記反射源と上記反射源により反射され伝搬される上記第2の表面位置と上記受信用探触子とを経由して上記第2の振動子に伝搬するまでの実測超音波伝搬時間を測定する測定部と、
上記第2の算出部により算出された理論超音波伝搬時間と上記測定部により測定された実測超音波伝搬時間とが一致する上記第2の距離を上記反射源の試験体表面からの深さと判断する判断部と
を備えたことを特徴とする。
【0026】
本発明の超音波検査装置は、
超音波を発生する第1の振動子を有する送信用探触子と、
超音波を受信する第2の振動子を有する受信用探触子と、
スネルの法則と第1の振動子から発生した超音波が第2の振動子に伝搬するまでの伝搬時間とに基づいて、試験体内部の反射源の位置を検出する検出手段と
を備えたことを特徴とする。
【0027】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1は、実施の形態1における反射源位置の演算機能を説明する原理図である。
本実施の形態1においては、反射源(欠陥)の深さdを求める方法として、図1に示したように探触子の屈折角、二つの探触子の入射点間距離、超音波伝搬時間から深さを演算する方式を採用している。
図1において、1は送信用探触子、2は送信振動子、3は受信用探触子、4は受信振動子、5は試験体、7は試験体内の反射源(欠陥)、21は探触子の振動子中央とケース先端までの水平距離(Lo)、22は探触子の振動子中央とアタッチメント表面までの高さ(h)、23は反射源7と探触子先端間の水平距離(Lx)、24は反射源7の深さ(d)、25は探触子の振動子中央から反射源までの水平距離(L)、26は反射源7が(Xt、Yt)にある場合の入射点位置と振動子中央との水平距離(p)、27は反射源が(Xt、Yt)にある場合の入射角度(αp)、28は反射源が(Xt、Yt)にある場合の屈折角度(θp)、29はアタッチメントの縦波音速(Va)、30は試験体の縦波音速(Vt)である。また、34は送信振動子中央から送信入射点までの超音波ビーム伝搬距離(Lat)、35は送信入射点から反射源位置(Xt,Yt)までの超音波ビーム伝搬距離(Ltt)、36は反射源位置(Xt,Yt)から受信入射点までの超音波ビーム伝搬距離(Ltr)、37は受信入射点から受信振動子中央までの超音波ビーム伝搬距離(Lar)、38は送信振動子から反射源を経由し受信振動子までの超音波伝搬時間(Tz)である。
図1において、送信用探触子1と受信用探触子3とは、反射源7の位置を中心に対称に配置されている。
【0028】
図1に示した関係から、入射角αpと屈折角θpは次式で表される。
【0029】
【数5】
【0030】
ここで、
P:試験体表面における探触子の振動子中心直下点と入射点Px間の距離
h:試験体表面から探触子の振動子中心までの高さ
d:試験体表面から反射源までの深さ
またL=Lo+Lxであり、
Lo:探触子の振動子中心から探触子端面までの距離
Lx:探触子端面から反射源位置までの水平距離
一方、スネルの法則から下式(7)が成立する。
【0031】
【数6】
【0032】
ここで
Va:探触子アタッチメント内の縦波音速
Vt:試験体内の縦波音速
式(5)および(6)を式(7)に代入すると下式(8)が得られる。
【0033】
【数7】
【0034】
一方、アタッチメント内ビーム伝搬時間距離Laを下式(9)にて求める。
【0035】
【数8】
【0036】
また、入射点から反射源までのビーム伝搬距離Ltを下式(10)にて求める。
【0037】
【数9】
【0038】
式(10)において、Lは、振動子中央から反射源までの距離、dは、反射源の深さである。
次に、送信振動子中央から反射源を経由して受信振動子までの超音波伝搬時間Taは下式(11)で求められる。
【0039】
【数10】
【0040】
式(9)および式(10)を式(11)に代入すると、下式(12)が得られる。
【0041】
【数11】
【0042】
ここで(8)式と(12)式とはP及びdの二元四次の連立方程式となるため、一般の数値計算にて解を求めることはできない。そこでPを変化させたときのdの値を(8)式から求め、またそのときの伝搬時間を(12)式から予め求めておくものとする。
Pが変化したとしても屈折角θpは90度までが限度であり、そのときsinθp=1となること、および式(5)、(7)とからPの最大値Pmには下式(13)が成り立つ。
【0043】
【数12】
【0044】
(13)式を解いて
【0045】
【数13】
【0046】
したがってPの値を0〜Pmまで変化させた伝搬時間Taおよび反射源までの深さdを求めておけば、実際に計測した伝搬時間から反射源の深さを知ることができる。
【0047】
図2は、超音波検査装置の外観図である。
図2において、9は、超音波探傷器、15は、表示画面、100は、超音波検査装置である。送信用探触子1、受信用探触子3は、図1と同様である。
送信用探触子1と受信用探触子3とは、それぞれケーブルで超音波探傷器9に接続されている。超音波探傷器9は、表示画面15を備えている。超音波検査装置100は、送信用探触子1と受信用探触子3と超音波探傷器9とを備えている。
【0048】
図3は、この実施の形態1を示すTOFD法による超音波検査装置の構成図である。
図3において6は送信用探触子から試験体への超音波入射点(試験体の表面位置、第1の表面位置の一例である)、8は試験体から受信用探触子への超音波入射点(第2の表面位置の一例である)、10は送信用探触子を駆動する送信回路(電気的に駆動する手段の一例である)、11は受信用探触子からの信号を検出する受信回路(電気信号を検出する手段の一例である)、12は送受信間の伝搬時間を測定する伝搬時間測定回路(測定部の一例である)、13は伝搬時間から反射源の位置を求める演算回路(算出手段の一例である)、14は演算結果から反射源の位置を決定する確定回路(演算計測手段、判断部の一例である)、16は表示画面上の表示画像、19は、計測テーブル記憶回路、20は、表示手段(出力手段の一例でもある)、133は、算出部(第1の算出部の一例である)、134は、算出部(第2の算出部の一例である)、181は、計測テーブルである。送信用探触子1、送信振動子2(第1の振動子の一例である)、受信用探触子3、受信振動子4(第2の振動子の一例である)、試験体5、試験体内の反射源7、反射源7の深さ24(第2の距離の一例である)、送信振動子中央から送信入射点までの超音波ビーム伝搬距離34、送信入射点から反射源位置(Xt,Yt)までの超音波ビーム伝搬距離35、反射源位置(Xt,Yt)から受信入射点までの超音波ビーム伝搬距離36は、図1と同様である。超音波探傷器9、超音波による検査結果を図示する表示画面15(表示器の一例である)は、図2と同様である。入射点間隔31、探触子の入射点から探触子間の中心までの距離32は、図12と同様である。反射源7は、例えば、試験体内の欠陥、傷、空洞、溶接不良部、異物等であるがこれに限るものではない。超音波の反射源と成り得るものであれば構わない。
演算回路13は、算出部133、算出部134、計測テーブル記憶回路19、計測テーブル181を有している。
送信回路10と受信回路11と伝搬時間測定回路12と演算回路13と確定回路14とを有する回路群は、検出手段の一例である。表示手段20は、表示画面15を有する。
超音波探傷器9は、送信回路10と受信回路11と伝搬時間測定回路12と演算回路13と確定回路14と表示手段20とを有している。
送信用探触子1は、振動子2を有している。
受信用探触子3は、振動子4を有している。
【0049】
図3において、送信回路10で送信振動子2を駆動した時刻と受信振動子4からの信号を受信回路11で受信した時刻との時間差を12の伝搬時間測定回路12で測定する。その実測伝搬時間Ta(実測超音波伝搬時間の一例である)を入力とし、反射源位置演算回路13においては、与えられた、入射点位置と振動子との距離P(第1の距離の一例である)の値から(8)式および(12)式を使って反射源深さd、仮想伝搬時間Tk(理論超音波伝搬時間の一例である)を導き出す。この演算は式(14)で決められる範囲においてPを変化させながら繰返し行われ、TkがTaと一致したところで確定信号gとともに、その時の反射源深さdを出力する。反射源位置確定回路14においては確定信号gに基ずいて反射源深さdを確定し、表示画面15に画像16を出力する。
【0050】
すなわち、超音波を用いて試験体内部の反射源を検査する超音波検査装置100において、
振動子2は、超音波を発生する。
送信用探触子1は、上記振動子2により発生された超音波を、内部に反射源7を有する試験体5内に送信する。
受信用探触子3は、上記試験体5内部に有する反射源7で反射された上記送信用探触子1により送信された超音波を受信する。
振動子4は、上記受信用探触子3により受信された超音波を受信し電気信号(所定の信号の一例である)に変換する。
算出部133は、振動子2,4と送信用探触子1と受信用探触子3と上記試験体5の超音波入射点6と上記試験体5の超音波入射点8と上記反射源7との位置関係情報である、例えば、定数L,hに基づき、振動子2と送信用探触子1との所定の接触点から送信用探触子1と試験体5の表面位置との所定の接触点である超音波入射点6までの間の所定の方向(ここでは、水平方向)に対する距離Pと、上記試験体5表面と上記反射源7との距離である深さdとの相関関係情報を式(8)より算出する。
算出部134は、上記算出部133により算出された相関関係情報に基づいて、上記深さdに対する、上記振動子2により発生される超音波が順に上記送信用探触子1と上記超音波入射点6と上記反射源7と上記反射源7により反射され伝搬される上記超音波入射点8と上記受信用探触子3とを経由して上記振動子4に伝搬するまでの仮想伝搬時間Tkを式(12)より算出する。
測定回路12は、上記振動子2により発生される超音波が順に上記送信用探触子1と上記超音波入射点6と上記反射源7と上記反射源7により反射され伝搬される上記超音波入射点8と上記受信用探触子3とを経由して上記振動子4に伝搬するまでの実測超音波伝搬時間Taを測定する。
確定回路14は、上記算出部134により算出された仮想伝搬時間Tkと上記測定回路12により測定された実測超音波伝搬時間Taとが一致する上記深さdを上記反射源7の試験体5表面からの深さと判断する。
【0051】
図4は図3における反射源位置演算回路13および反射源位置確定回路14の機能を説明するための動作ブロック図である。
図4における、
ステップ(1)において、演算回路13は、定数Va、Vt、h、Lを入力し、セットする。
ステップ(2)において、演算回路13は、距離Pに初期値0を入力設定する。
ステップ(3)において、演算回路13における算出部133は、ステップ(2)で入力されたPとステップ(1)で入力された定数Va、Vt、h、Lとを式(8)に入力して深さdを算出する。
ステップ(4)において、演算回路13における算出部134は、ステップ(2)で入力された距離Pの値とステップ(3)で算出された深さdと定数Va、Vt、h、Lとを式(12)に入力し、理論超音波伝搬時間Tk(式(12)ではTaと表示されている)を算出する。
ステップ(5)において、演算回路13は、測定回路12から実際に測定した実測超音波伝搬時間Taを入力する。演算回路13は、ステップ(4)で算出された理論超音波伝搬時間Tkと入力した実測超音波伝搬時間Taとが一致するかどうかを判断する。一致する場合には、ステップ(7)へ、一致しない場合にはステップ(6)へ進む。
ステップ(6)において、演算回路13は、理論超音波伝搬時間Tkと入力した実測超音波伝搬時間Taとが一致しない場合、距離Pの値に所定の値(例えば数値1)を加算し、ステップ(3)へ進む。
ステップ(7)において、確定回路14は、理論超音波伝搬時間Tkと入力した実測超音波伝搬時間Taとが一致する場合、ステップ(3)で算出された深さdを入力する。そして、入力されたdを反射源の深さと確定する。すなわち、確定回路14は、理論超音波伝搬時間Tkと入力した実測超音波伝搬時間Taとが一致する値dを上記反射源7の試験体5表面からの深さと判断する。確定回路14は、確定したdの値を表示手段20が有する表示画面15に出力する。
ステップ(5)で、理論超音波伝搬時間Tkと入力した実測超音波伝搬時間Taとが一致するまで、図4における処理を繰り返す。
Pの値は通常0からスタートし、許容精度から決まる一定のピッチで変化していく。また、図中(4)項のTaとTkとの比較も、その差が一定の範囲内であれば一致していると見なして以後の演算を停止し確定信号gを出力するようにしても構わない。
【0052】
以上のように、超音波検査装置100は、超音波を発生する振動子2を有する送信用探触子1と、超音波を受信する振動子4を有する受信用探触子3と、振動子2から発生した超音波が試験体5に入射する超音波入射点6と試験体5内部の反射源7の位置の一例である深さdとの関係を算出し、振動子2から発生した超音波が振動子4に伝搬するまでの伝搬時間を計測し、算出された超音波入射点6の位置と反射源7の深さdとの関係と計測された伝搬時間Taとに基づいて、試験体5内部の反射源7の位置を検出する検出手段とを備えている。
また、上記検出手段は、振動子2から発生した超音波が振動子4に伝搬する伝搬経路における、振動子2から試験体表面までの超音波の伝搬時間と、試験体5表面から試験体5内部の反射源7までの超音波の伝搬時間と、反射源7から受信用探触子3までの超音波の伝搬時間と、受信用探触子3から振動子4までの超音波の伝搬時間との合計を上記伝搬時間Taとして計測し、伝搬時間Taと上記反射源7の試験体5表面からの深さdとの関係を予め求めておき、上記計測された伝搬時間Taから上記反射源7の試験体表面からの深さdを求めて出力する出力手段の一例である表示画面15を備えている。
【0053】
以上のように、実施の形態1におけるTOFD法による超音波検査装置100は、送信用探触子1の振動子2から出た超音波が試験体5に入射され試験体内部の反射源7で反射した後、受信用探触子3の振動子4に到るまでの伝搬時間と、試験体表面から反射源7までの深さdとの関係を幾何学的に演算する手段を有し、送受信探触子間の伝搬時間から反射源の深さdを精密に求めて出力するようにしたものである。
【0054】
以上のように、実施の形態1における超音波検査装置100は、超音波を発生する振動子2を有する送信用探触子1と、超音波を受信する振動子4を有する受信用探触子3と、スネルの法則と振動子2から発生した超音波が振動子4に伝搬するまでの伝搬時間とに基づいて、試験体5内部の反射源7の位置を検出する検出手段とを備えている。
【0055】
以上のように、実施の形態1における超音波検査装置100は、振動子2を有し上記振動子2から発生する超音波を試験体5に入射する送信用探触子1と、
振動子4を有し試験体5からの超音波を上記振動子4を用いて採取する受信用探触子3と、
上記送信用探触子1と上記受信用探触子3とに接続され送信用探触子1を電気的に駆動および受信用探触子3からの電気信号を検出する手段を備え、送受信探触子間での試験体5内部に存在する反射源7を経由して伝搬する超音波の伝搬時間から、反射源7の位置と大きさとの内少なくとも1つを把握する超音波探傷器9と
を用いたTOFD法による超音波検査装置100において、
上記送信用探触子1の振動子2から出た超音波が試験体5に入射され試験体5内部の反射源7で反射した後、上記受信用探触子3の振動子4に到るまでの伝搬時間と、上記試験体5表面から反射源7までの深さとの関係を予め算出する演算回路13と、
上記演算回路13により予め算出された上記送受信探触子の振動子間の伝搬時間と上記反射源7の深さとの関係に基づいて、超音波探傷器9で検出した上記送受信探触子の各々の振動子間の伝搬時間から、上記反射源7の深さを求めて出力する確定回路14とを具備したことを特徴とする。
【0056】
実施の形態2.
図5は、この実施の形態2を示すTOFD法による超音波検査装置における反射源位置演算回路13の構成図である。
図5において、18は与えられた定数に従って入射点距離Pの変化による反射源深さd、伝搬時間Tkの関係を一覧表にする計測テーブル作成回路である。作成したテーブルを記憶し、保持する計測テーブル記憶回路(記憶部の一例である)19、計測テーブル181は、図3と同様である。演算回路13は、計測テーブル作成回路18、計測テーブル記憶回路19を有している。計測テーブル作成回路18は、計測テーブル181を有している。その他の構成は、図3と同様である。
【0057】
この実施の形態2によれば図5に示した構成において、検査する装置の状態および試験体5に関して決まっている定数Va,Vt,h,Lを入力し、各入射点距離P毎の伝搬時間Tkと反射源深さdを予め求めておけば、実測伝搬時間Taに一番近いTkに該当する反射源深さdを即座に計測テーブル181から得ることができることとなる。
演算回路13は、上記送受信探触子の振動子間の伝搬時間と上記反射源7の深さとの関係を予め計算する。
計測テーブル作成回路18は、上記送受信探触子の振動子間の伝搬時間と上記反射源の深さdとの関係を計測テーブル181として作成する。
計測テーブル記憶回路19は、計測テーブル181を予めに記憶する。
演算回路13は、上記計測テーブル181を用いることにより、超音波探傷器9で検出した上記送受信探触子間の伝搬時間から上記反射源の深さを得る。
【0058】
以上のように、実施の形態2におけるTOFD法による超音波検査装置は、計測手段として幾何学的に求めた実施の形態1に係る送受信探触子間の伝搬時間と上記反射源の深さとの関係を予め計算した上で計測テーブルとして記憶しておき、超音波探傷器で検出した上記送受信探触子間の伝搬時間から上記反射源の深さが対応して直ぐ得られるようにしたものである。
【0059】
実施の形態3.
図6は、この実施の形態3を示すTOFD法による超音波検査装置における計測テーブルの一例を示す図である。
図6において、計測テーブル181は、表示位置、反射源深さ、入射点位置、試験体内伝搬距離、伝搬時間を項目に有している。表示位置は、表示画面15の表示ドット数で表される。反射源深さは、d(単位はmm)で表される。入射点位置は、P(単位はmm)で表される。試験体内伝搬距離は、Lt(単位はmm)で表される。伝搬時間は、Tk(単位はμs)で表される。
計測テーブル181は、図5の計測テーブル記憶回路19に保持されるものである。このテーブルにおいては、表示画面15の表示ドットのピッチ毎に反射源深さdを割り当て、それに対応した伝搬時間Tkを演算してまとめたものとする。
【0060】
図7は、実施の形態3における表示機能の説明図である。
図7において、送信用探触子1、受信用探触子3、試験体5、試験体内部に存在する反射源7(欠陥:D)は、図3と同様である。TOFD法において超音波が伝搬する波である、試験体表面を伝わる表面伝搬波(Ws)に対応する送受信探触子間の超音波伝搬時間である試験体表面伝搬時間45(Ts)、欠陥上端部からの回折波(Wu)に対応する送受信探触子間の超音波伝搬時間である反射源上端回折伝搬時間46(Tu)、欠陥下端部からの回折波(Wl)に対応する送受信探触子間の超音波伝搬時間である反射源下端回折伝搬時間47(Tl)、試験体底面から反射する底面反射波(Wb)に対応する送受信探触子間の超音波伝搬時間である試験体底面反射伝搬時間48(Tb)は、図14と同様である。
図7において、16は表示画面上に表示された画像を示し、送受信探触子を紙面に垂直に走査した結果として、送受信探触子の走査方向17に沿って試験体表面波の軌跡である試験体表面伝搬波表示51、反射源上端回折波の軌跡である反射源上端回折波表示52、反射源下端回折波の軌跡である反射源下端回折波表示53、試験体底面波の軌跡である試験体底面反射波表示54が表される。
【0061】
上記超音波探傷器9は、所定の表示ドットを有する表示器の一例である表示画面15を装備している。
上記計測テーブル181は、超音波探傷器9に装備されている表示画面15の表示ドットのピッチを1データ基準として構成し、超音波探傷器9で検出した上記送受信探触子間の伝搬時間に対応する上記反射源7の深さに比例するように上記表示ドットの位置を決定して計測テーブル記憶回路19に記憶する。
上記超音波探傷器9における表示手段20は、さらに、上記反射源7の深さが実際の試験体5内の深さに比例したスケールで上記表示画面15に表示する。
【0062】
この実施の形態3によれば、実測伝搬時間Taに最も近い伝搬時間Tkをテーブルから取り出すことによって、反射源深さdを得るとともに表示画面15に対する表示位置を即座に決めることができる。
【0063】
その結果、検査個所に沿って探触子を走査させるD走査における欠陥検出段階での表示手法として図7に示すように、縦軸を試験体の厚さとし、欠陥(反射源)の深さと表示位置の関係が一致するようにすることが可能となる超音波検査装置を実現するものである。
【0064】
以上のように、実施の形態3におけるTOFD法による超音波検査装置は、実施の形態2に係る計測テーブル181が、超音波探傷器9に装備されている表示器の表示ドットのピッチ単位で構成され、超音波探傷器9で検出した上記送受信探触子間の伝搬時間に対応して上記表示ドットを決定することにより、上記反射源の深さが実際の深さに比例したスケールで表示される画像表示手段を具備したものである。
【0065】
実施の形態4.
実施の形態4では、上記各実施の形態における超音波検査装置100の使用例、応用例を示す。超音波検査装置100は、水平部材の反射源の位置を検出することはもちろんであるがその他にも使用できる。
図8は、管の胴部を超音波検査する例を示す図である。
図8において、超音波検査装置100、超音波探傷器9、送信用探触子1、受信用探触子3、探触子の走査方向17は、上記各実施の形態と同様である。
図8においては、厚さtを有する管を軸方向につなげるために周方向に溶接した場合に、溶接箇所に反射源7となる欠陥が存在するかを調べるため超音波検査装置100を用いている例である。
送信用探触子1と受信用探触子3との中間位置に溶接箇所が来るように送信用探触子1と受信用探触子3とを配置する。配置後、上記各実施の形態で説明したように反射源の位置を検査する。1ヶ所の検査が済んだら探触子の走査方向17に送信用探触子1と受信用探触子3とを移動し同様に反射源の位置を検査する。これを繰り返すことにより、管回り全体について反射源の存在と存在する場合に反射源の位置とを検査することができる。
【0066】
また、超音波検査装置100は、試験体(ここでは管)内部の欠陥を検査する以外にも試験体の厚さ(ここでは管の厚さt)を測定することもできる。超音波検査装置100は、これに限るものではないが、例えば、厚さtが5mm〜100mmの厚さを検出することができる。
【0067】
図9は、管の胴部を超音波検査する例を示す図である。
図9において、超音波検査装置100、超音波探傷器9、送信用探触子1、受信用探触子3は、上記各実施の形態と同様である。
図9においては、管を周方向につなげるために半径方向に溶接した場合に、溶接箇所に反射源7となる欠陥が存在するかを調べるため超音波検査装置100を用いている例である。
送信用探触子1と受信用探触子3との中間位置に溶接箇所が来るように送信用探触子1と受信用探触子3とを配置する。配置後、上記各実施の形態で説明したように反射源の位置を検査する。ここでは、送信用探触子1と受信用探触子3とが水平上に配置されていないが送信用探触子1と管の円との接線方向の角度γ1と受信用探触子3と管の円との接線方向の角度γ2とを考慮することで反射源の位置を検査することができる。
【0068】
図10は、海底障害物を超音波検査する例を示す図である。
図10において、超音波検査装置100、超音波探傷器9、送信用探触子1、受信用探触子3は、上記各実施の形態と同様である。
図10においては、海面(水面)に送信用探触子1と受信用探触子3とを配置する。配置後、上記各実施の形態で説明したように反射源の位置を検査する。海底障害物も反射源となるため海底障害物の位置を検査することも可能である。
【0069】
以上のように、上記各実施の形態における超音波検査装置100は、超音波が伝搬するものと超音波の反射源と成り得るものとにより構成される試験体であれば反射源の位置、そして試験体の厚さ(深さ、所定方向の距離)を検出することができる。
【0070】
以上のように、上記実施の形態における超音波検査装置100は、超音波を試験体に入射する送信用探触子1および試験体5からの超音波を採取する受信用探触子3と、上記探触子に接続され送信用探触子1を電気的に駆動および受信用探触子3からの電気信号を検出する手段とを備え、送受信探触子間での試験体5内部に存在する反射源7である欠陥を経由して伝搬する超音波の伝搬時間から、欠陥の位置や大きさを定量的に把握する超音波探傷器9から構成されるTOFD法による超音波検査装置において、上記送信用探触子1の振動子2から出た超音波が試験体5に入射され試験体5内部の反射源7で反射した後、上記受信用探触子3の振動子4に到るまでの伝搬時間と、上記試験体5表面から反射源7までの深さとの関係をスネルの法則に従って幾何学的に算出する手段を具備し、超音波探傷器9で検出した上記送受信探触子の各々の振動子間の伝搬時間から、上記反射源7の深さを精密に求めて出力する演算計測手段を具備したことを特徴とする。
【0071】
また、上記演算計測手段は、幾何学的に求めた上記送受信探触子の振動子間の伝搬時間と上記反射源7の深さとの関係を予め計算して計測テーブル181として記憶しておき、超音波探傷器9で検出した上記送受信探触子間の伝搬時間に対応して上記反射源7の深さが直接得られるようにしたことを特徴とする。
【0072】
また、上記計測テーブル181は、超音波探傷器9に装備されている表示器の表示ドットのピッチを1データ基準として構成され、超音波探傷器9で検出した上記送受信探触子間の伝搬時間に対応する上記表示ドットの位置を決定することにより、上記反射源7の深さが実際の試験体内の深さに比例したスケールで表示される表示手段20を具備したことを特徴とする。
【0073】
以上のように、上記実施の形態は、上記送信用探触子1の振動子2から出た超音波が試験体5に入射され、試験体内部の反射源(欠陥)7で反射した後、上記受信用探触子3の振動子4に到るまでの伝搬時間と試験体表面から上記反射源7までの深さとの関係を計算する手段を具備し、超音波探傷器で検出した上記送受信探触子間の伝搬時間から、上記反射源の深さを正確に求めて出力する演算計測手段を備えることにより、高精度のTOFD法による超音波検査装置を提供するものである。
【0074】
以上のように、上記実施の形態は、送受探触子間の試験体内部に存在する反射源である欠陥を経由して伝搬する超音波の伝搬時間から、欠陥の位置や大きさを定量的に把握する超音波検査装置において、探触子の位置によって超音波の入射角や屈折角が変化した場合でも送信用探触子から出た超音波が試験体に入射され試験体内部の反射源で反射した後、受信用探触子に到るまでの伝搬時間と、試験体表面から反射源までの深さとの関係を正確に求めて出力するTOFD法による超音波検査装置を提供する。その手段は、送信用探触子1の振動子2から出た超音波が試験体5に入射され、試験体内部の反射源7で反射した後、受信用探触子3の振動子4に到るまでの伝搬時間と、試験体表面から反射源までの深さとの関係を幾何学的に演算する手段を有し、送受信探触子間の伝搬時間から反射源の深さを精密に求めて出力する。
【0075】
以上の説明において、各実施の形態の説明において「〜部」として説明したもの、測定回路12、演算回路13、確定回路14は、一部或いはすべてコンピュータで動作可能なプログラムにより構成することができる。
これらのプログラムは、例えば、C言語により作成することができる。或いは、HTMLやSGMLやXMLを用いても構わない。或いは、JAVA(登録商標)を用いて画面表示を行っても構わない。
また、各実施の形態の説明において「〜部」、測定回路12、演算回路13、確定回路14として説明したものは、ROMに記憶されたファームウェアで実現されていても構わない。或いは、ソフトウェア或いは、ハードウェア或いは、ソフトウェアとハードウェアとファームウェアとの組み合わせで実施されても構わない。
また、上記各実施の形態を実施させるプログラムは、また、磁気ディスク装置、FD(Flexible Disk)、光ディスク、CD(コンパクトディスク)、MD(ミニディスク)、DVD(Digital Versatile Disk)等のその他の記録媒体による記録装置を用いても構わない。
また、表示画面15は、CRT表示装置、LCD表示装置、その他の表示装置、プリンタ装置87等の出力装置を用いても構わない。
また、図2において、超音波探傷器9は、表示画面15上のタッチパネルによる入力手段と入力ボタンとポインタのスクロール等を行なう矢印キー等を有しているが、マウス、キーボード等の入力装置を備えていても構わない。
【0076】
【発明の効果】
この発明によれば、送信用探触子内の振動子から出た超音波ビームが試験体内の反射源を経て受信用探触子内の振動子に到るまでの経路を幾何学的に求めた式から厳密に計算するようにしたことにより、反射源の深さや大きさを少ない誤差で正確に把握することができるようになる。
【0077】
また、この発明によれば、予め超音波伝搬時間と反射源深さの関係を計算して表にまとめておく計測テーブルは、超音波探傷器に装備されている表示器の表示ドットのピッチ単位で構成され、超音波探傷器で検出した上記送受信探触子間の伝搬時間から上記表示ドットを決定することにより、上記反射源の深さが実際の深さに比例したスケールで表示されるため、試験体の内部状態を視認性良く正確に確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施の形態1における反射源位置の演算機能を説明する原理図である。
【図2】 超音波検査装置の外観図である。
【図3】 この実施の形態1を示すTOFD法による超音波検査装置の構成図である。
【図4】 反射源位置演算回路の動作説明図である。
【図5】 実施の形態2における反射源位置演算回路の構成図である。
【図6】 実施の形態3における反射源位置演算回路における計測テーブルの一例である。
【図7】 実施の形態3における表示機能の説明図である。
【図8】 管の胴部を超音波検査する例を示す図である。
【図9】 管の胴部を超音波検査する例を示す図である。
【図10】 海底障害物を超音波検査する例を示す図である。
【図11】 TOFD法による超音波ビームの伝搬経路を示す図である。
【図12】 従来のTOFD法における超音波ビームの伝搬時間と反射源位置の関係を説明する図である。
【図13】 TOFD法における受信波形と伝搬時間の関係を示す図である。
【図14】 従来のTOFD法による超音波検査装置における表示機能の説明図である。
【符号の説明】
1 送信用探触子、2 振動子、3 受信用探触子、4 振動子、5 試験体、6 超音波入射点、7 反射源、8 超音波入射点、9 超音波探傷器、10送信回路、11 受信回路、12 測定回路、13 演算回路、14 確定回路、15 表示画面、16 表示画像、17 探触子の走査方向、18 計測テーブル作成回路、19 計測テーブル記憶回路、20 表示手段、21 距離(Lo)、22 高さ(h)、23 距離(Lx)、24 反射源の深さ(d)、25 距離(L)、26 距離(P)、27 入射角度(αp)、28 屈折角度(θp)、29 縦波音速(Va)、30 縦波音速(Vt)、31 水平距離(2S)、32 水平距離(S)、33 水平距離(X)、34 伝搬距離(Lat)、35 伝搬距離(Ltt)、36 伝搬距離(Ltr)、37 伝搬距離(Lar)、38 伝搬時間(Ta)、41 試験体表面伝搬波(Ws)、42 反射源上端回折波(Wu)、43 反射源下端回折波(Wl)、44 試験体底面反射波(Wb)、45 試験体表面伝搬時間(Ts)、46 反射源上端回折伝搬時間(Tu)、47 反射源下端回折伝搬時間(Tl)、48 試験体底面反射伝搬時間(Tb)、51 試験体表面伝搬波表示、52 反射源上端回折波表示、53 反射源下端回折波表示、54 試験体底面反射波表示、100 超音波検査装置、133,134 算出部、181計測テーブル。
Claims (3)
- 超音波を用いて試験体内部の反射源を検査する超音波検査装置において、
超音波を発生する第1の振動子と、
上記第1の振動子により発生された超音波を、内部に反射源を有する試験体内に送信する送信用探触子と、
上記試験体内部に有する反射源で反射された上記送信用探触子により送信された超音波を受信する受信用探触子と、
上記受信用探触子により受信された超音波を受信し所定の信号に変換する第2の振動子と、
第1と第2の振動子と送信用探触子と受信用探触子と上記送信用探触子から上記試験体への超音波入射点である第1の表面位置と上記試験体から上記受信用探触子への超音波入射点である第2の表面位置と上記反射源との位置関係情報に基づき、上記送信用探触子の振動子中心点から上記第1の表面位置までの間の第1の表面位置を含む上記送信用探触子の面と平行方向に対する第1の距離と、上記試験体表面と上記反射源との第2の距離との相関関係情報を算出する第1の算出部と、
上記第1の算出部により算出された相関関係情報に基づいて、上記第2の距離に対する、上記第1の振動子により発生される超音波が順に上記送信用探触子と上記第1の表面位置と上記反射源と上記反射源により反射され伝搬される上記第2の表面位置と上記受信用探触子とを経由して上記第2の振動子に伝搬するまでの理論超音波伝搬時間を算出する第2の算出部と、
上記第1の振動子により発生される超音波が順に上記送信用探触子と上記第1の表面位置と上記反射源と上記反射源により反射され伝搬される上記第2の表面位置と上記受信用探触子とを経由して上記第2の振動子に伝搬するまでの実測超音波伝搬時間を測定する測定部と、
上記第2の算出部により算出された理論超音波伝搬時間と上記測定部により測定された実測超音波伝搬時間とが一致する上記第2の距離を上記反射源の試験体表面からの深さと判断する判断部と
を備えたことを特徴とする超音波検査装置。 - 上記第2の算出部は、上記第1の振動子から上記第2の振動子への伝搬時間と上記第2の距離との関係を予め計算し、上記第1の振動子から上記第2の振動子への伝搬時間と上記第2の距離との関係を計測テーブルとして予め記憶部に記憶しておき、上記計測テーブルを用いることにより、上記測定部が測定した上記実測超音波伝搬時間から上記第2の距離を得ることを特徴とする請求項1記載の超音波検査装置。
- 上記超音波検査装置は、所定の表示ドットを有する表示器を装備し、
上記計測テーブルは、上記表示器の表示ドットのピッチを1データ基準として構成し、上記測定部が測定した上記実測超音波伝搬時間に対応する上記第2の距離に比例するように上記表示ドットの位置を決定して記憶部に記憶し、上記超音波検査装置は、さらに、上記第2の距離が実際の試験体内の深さに比例したスケールで上記表示器に表示する表示手段を具備したことを特徴とする請求項2記載の超音波検査装置。
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