JP7222365B2 - 被検体の肉厚測定装置及び肉厚測定方法 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1では、金属薄板中に渦電流を誘起するための高周波電流を流すコイルと、金属薄板に所定の磁界を印加する磁石と、渦電流と磁界との相互作用のために金属薄板の表面近傍に生ずる電磁力により発生する2種の横波超音波および1種の縦波超音波を検出する共振型電磁超音波センサとを備えた電磁超音波装置を用いて、2種の横波超音波および1種の縦波超音波を発生・検出し、厚み共振型周波数の比を測定する金属薄板の材質測定法が提案されている。
即ち、鋼矢板の継手部などの表面及び裏面の少なくとも一方の面のうち少なくとも一部が曲面で形成される被検体の肉厚をこれら特許文献1に示す金属薄板の材質測定法や特許文献2に示す電磁超音波探触子で測定する場合、肉厚の測定の精度が低いという問題があった。この理由は、電磁超音波センサから送信された超音波が当該曲面に当たった際に、当該曲面から反射した超音波が超音波を送信した電磁超音波センサに円滑に戻らず、超音波伝播時間の算出などに支障をきたすからである。
従って、本発明はこの従来の問題点を解決するものであり、その目的は、表面及び裏面の少なくとも一方の面のうち少なくとも一部が曲面で形成される金属製の被検体の表面と裏面との間の肉厚を精度良く測定することができる被検体の肉厚測定装置及び肉厚測定方法を提供することにある。
また、本発明の別の態様に係る被検体の肉厚測定方法は、前述の肉厚測定装置を用いて被検体の表面と裏面との間の肉厚を測定することを要旨とする。
また、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
被検体20(図2参照)の表面20a及び裏面20bが平坦である場合には、1つの電磁超音波センサ10を用いて被検体20の表面20aと裏面20bとの間の肉厚を測定することができる。この理由について図6を参照して説明する。図6には、1つの電磁超音波センサを用いて被検体の平坦部を測定した際の信号出力を説明するためのグラフが示されている。
ここで、複数の電磁超音波センサ101~10nを、被検体としての鋼矢板30の継手部31の表面31aに沿って配置する際には、各電磁超音波センサ101~10nのサイズや配置角度、配置間隔は特に限定されないが、被検体としての継手部31へ超音波23を漏れなく送受信できるように、各電磁超音波センサ101~10nのサイズや配置角度、配置間隔を決定する必要がある。
また、各電磁超音波センサ101~10nは、継手部31の表面31aに対して垂直に接触させる必要がある。
複数の電磁超音波センサ101~10nのうちの特定の送信側の電磁超音波センサ10kから超音波23が送信され、超音波23が板厚方向に伝播する。このとき、送信側の電磁超音波センサ10kは継手部31の表面31aに対して垂直に配置されており、超音波23は継手部31の表面31aに対して垂直に送信される。
そして、継手部31の表面31aに対して垂直に送信された超音波23は、継手部31の裏面31bで反射し、その反射した超音波23が送信側の電磁超音波センサ10kを含む複数(n個)の電磁超音波センサ101~10nのうちのいずれかの受信側の電磁超音波センサ(図5に示す例では送信側の電磁超音波センサ10kに隣接する電磁超音波センサ10k+1)で受信される。
また、超音波23の送信位置P1と超音波23の受信位置P3との間の距離をα1とし、その距離α1の垂直方向成分の距離をα2、距離α1の水平方向成分の距離をα3とする。また、線分α1と線分d1との間のなす角度をθとする。
ここで、S=d1+d2 ・・・(1)
なお、音速は、被検体としての継手部31の鋼成分や温度によって変化するが、その変化する音速のデータが肉厚算出部12の記憶部に記憶されており、距離Sの算出に際し、測定する継手部31の鋼成分や温度に応じて適切な値が読み出される。
θ=90-θ’=90-cos-1(α3/α1) ・・・(2)
また、肉厚算出部12は、余弦定理より、反射位置P2から受信位置P3に至るまでの距離d2を、送信位置P1と反射位置P2との間の肉厚d1、送信位置P1と受信位置P3との間の距離α1、及び線分d1と線分α1とが成す角度θを用いて次の(3)式で算出することができる。
d22=d12+α12-2d1×α1×cosθ ・・・(3)
d1=(S2-α12)/2{S-α1×sin(cos-1(α3/α1))}
・・・(4)
肉厚算出部12は、(4)式による肉厚d1の算出を、1番目の送信側の電磁超音波センサ101から超音波23が送信された場合からn番目の送信側の電磁超音波センサ10nから超音波23が送信された場合までn回行う。
また、肉厚測定装置1は、図4に示すように、肉厚算出部12に接続され、肉厚算出部12の算出結果を出力する出力部13を備えている。出力部13は、例えば、プリンターなどで構成され、肉厚算出部12の算出結果であるn個の送信位置P1及び反射位置P2と肉厚d1の値を出力する。
先ず、押付装置11により各電磁超音波センサ101~10nが配置される継手部31の表面31aに各電磁超音波センサ101~10nを所定の押付け力で押し付ける。これにより、複数の電磁超音波センサ101~10nの各々が所定の押付け力で押し付けられた状態で継手部31の表面31aに沿って継手部31の表面31aの全体に亘って配置される。この状態では、各電磁超音波センサ101~10nは、継手部31の表面31aに対して垂直に接触される。
そして、複数の電磁超音波センサ101~10nのうちの2番目の送信側の電磁超音波センサ102からn番目の送信側の電磁超音波センサ10nのそれぞれのコイル10bに高周波電流を流して、送信側の電磁超音波センサ102からn番目の送信側の電磁超音波センサ10nのそれぞれから送信される超音波23の送信位置P1と、継手部31の裏面31bにおける超音波23の反射位置P2との間の肉厚d1を(4)式で算出する。
そして、出力部13は、肉厚算出部12の算出結果であるn個の送信位置P1及び反射位置P2と肉厚d1の値を出力する。
また、本実施形態に係る肉厚測定装置1によれば、肉厚測定装置1は、複数の電磁超音波センサ101~10nの各々を、各電磁超音波センサ101~10nが配置される継手部31の表面31aに所定の押付け力で押し付ける押付装置11を備えている。
これにより、押付装置11により、複数の電磁超音波センサ101~10nの各々を、各電磁超音波センサ101~10nが配置される継手部31の表面31aに所定の押付け力で押し付けることで、各電磁超音波センサ101~10nの配置位置が固定され、より精度高く肉厚d1を測定できる。
これにより、送信側の電磁超音波センサ10kの送信信号と受信側の電磁超音波センサ10k+1の受信信号とに基づいて、継手部31の表面31aと裏面31bとの間の肉厚d1を精確かつ確実に算出することができる。
例えば、肉厚が測定される被検体20は、表面20a及び裏面20bの少なくとも一方の面のうち少なくとも一部が曲面で形成される金属製の被検体であればよく、表面31aの少なくとも一部及び裏面31bの少なくとも一部が曲面で形成される鋼矢板30の継手部31である必要はない。例えば、レールの頭部、腹部、及び足部などの肉厚を測定するようにしてもよい。
また、複数の電磁超音波センサ101~10nが配置されるのは、継手部31の表面31aではなくて裏面31bでもよく、複数の電磁超音波センサ101~10nは、被検体20の表面20a又は裏面20bに沿って配置されればよい。
また、各電磁超音波センサ101~10nは、ローレンツ力型電磁超音波センサである必要は必ずしもなく、磁歪効果型電磁超音波センサであってもよい。
10 電磁超音波センサ
10a 磁石
10b コイル
101~10n 電磁超音波センサ
10k 特定の送信側の電磁超音波センサ
10k+1 受信側の電磁超音波センサ
11 押付装置
111~11n 支持部材
12 肉厚算出部
13 出力部
20 被検体
20a 表面
20b 裏面
21 渦電流
22 ローレンツ力
23 超音波
30 鋼矢板
31 継手部(被検体)
31a 表面
31b 裏面
d1 肉厚
Claims (2)
- 表面及び裏面の少なくとも一方の面のうち少なくとも一部が曲面で形成される金属製の被検体の表面と裏面との間の肉厚を測定する被検体の肉厚測定装置であって、
前記被検体に対して静磁場を形成する磁石と、コイルとを有し、前記コイルに高周波電流を流すことにより前記被検体中に渦電流を励起させて超音波の送受信を行う3以上の電磁超音波センサを、前記被検体の表面又は裏面に沿って配置し、
前記3以上の電磁超音波センサのうちの特定の送信側の電磁超音波センサから該送信側の電磁超音波センサが配置された前記被検体の表面又は裏面に対して垂直に送信された超音波が、前記送信側の電磁超音波センサが配置された前記被検体の表面又は裏面の反対側の面で反射し、その反射した超音波を前記3以上の電磁超音波センサのいずれの受信側の電磁超音波センサでも受信可能とし、
前記3以上の電磁超音波センサの各々を、各電磁超音波センサが配置される前記被検体の表面又は裏面に所定の押付け力で押し付ける押付装置を備えており、
前記3以上の電磁超音波センサに接続され、前記送信側の電磁超音波センサの送信信号と前記受信側の電磁超音波センサの受信信号とに基づいて、前記被検体の表面と裏面との間の肉厚を算出する肉厚算出部を備えており、
該肉厚算出部は、被検体の表面と裏面との間の肉厚である送信位置P1と反射位置P2との間の肉厚d1を、送信位置P1から反射位置P2を経て受信位置P3までの距離S、超音波の送信位置P1と超音波の受信位置P3との間の距離α1、距離α1の水平成分の距離α3を用いて下記式により算出することを特徴とする被検体の肉厚測定装置。
d1=(S 2 -α1 2 )/2{S-α1×sin(cos -1 (α3/α1))}
ここで、送信位置P1は、被検体の表面又は裏面における送信側の電磁超音波センサの超音波の送信位置、反射位置P2は、送信側の電磁超音波センサが配置された被検体の表面又は裏面の反対側の面における超音波の反射位置、受信位置P3は、受信側の電磁超音波センサが配置された被検体の表面又は裏面における受信側の電磁超音波センサの超音波の受信位置であり、送信位置P1から反射位置P2を経て受信位置P3までの距離Sは、送信側の電磁超音波センサの送信信号と受信側の電磁超音波センサの受信信号から算出される超音波の伝播時間と音速とを乗算して求められる距離である。 - 請求項1に記載の肉厚測定装置を用いて前記被検体の表面と裏面との間の肉厚を測定することを特徴とする被検体の肉厚測定方法。
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