(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-05
(45)【発行日】2022-12-13
(54)【発明の名称】超音波センサシステム
(51)【国際特許分類】
G01N 29/12 20060101AFI20221206BHJP
G01N 29/07 20060101ALI20221206BHJP
G01B 17/02 20060101ALI20221206BHJP
【ＦＩ】
G01N29/12
G01N29/07
G01B17/02 B
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2019090707
(22)【出願日】2019-05-13
(65)【公開番号】P2020186965
(43)【公開日】2020-11-19
【審査請求日】2021-11-22
(73)【特許権者】
【識別番号】507250427
【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001829
【氏名又は名称】弁理士法人開知
(72)【発明者】
【氏名】古市 肇
【審査官】小澤 瞬
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１２－０８３２２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０９６８５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－２０５２２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－２９２４４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－２６１８０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭５８－０８６５２４（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開昭５１－１４４２８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６２－１５６５５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０２９８０９４２（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ａ６１Ｂ ８／００ － Ａ６１Ｂ ８／１５
Ｇ０１Ｂ １７／００ － Ｇ０１Ｂ １７／０８
Ｇ０１Ｎ ２９／００ － Ｇ０１Ｎ ２９／５２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
被検体の表面に固定されて互いに離間された複数の超音波センサと、
前記被検体の表面に固定されて互いに重ねられ、前記複数の超音波センサに１対１の関係で接続された複数のセンサコイルと、
電磁誘導によって前記複数のセンサコイルとの間で信号の送信及び受信が可能な送信コイル及び受信コイルを有するセンサプローブと、
前記送信コイル及び前記センサコイルを介し前記超音波センサへパルス信号を出力して超音波を発生させ、前記被検体で反射された超音波が前記超音波センサで受信されて変換された波形信号を前記センサコイル及び前記受信コイルを介し入力する制御装置とを備えた超音波センサシステムにおいて、
前記複数の超音波センサは、共振周波数が異なり、
前記制御装置は、前記複数の超音波センサの共振周波数に切り換わるように前記パルス信号の周波数を可変制御し、前記パルス信号に対応する前記波形信号が前記複数の超音波センサのうちのいずれのものであるかを識別しており、
前記複数のセンサコイルは、対応する前記超音波センサの共振周波数をパラメータとしたインピーダンスが同じとなるように、巻き数が異なることを特徴とする超音波センサシステム。
【請求項2】
請求項１に記載の超音波センサシステムにおいて、前記センサプローブは、複数であって、前記制御装置に対し選択的に接続されるように構成され、且つ、前記送信コイル及び前記受信コイルの巻き数が異なっており、
前記複数のセンサコイルは、対応する前記超音波センサの共振周波数並びに対応する前記センサプローブの前記送信コイル及び前記受信コイルの巻き数をパラメータとしたインピーダンスが同じとなるように、巻き数が異なることを特徴とする超音波センサシステム。
【請求項3】
請求項１に記載の超音波センサシステムにおいて、前記制御装置は、前記波形信号又はこれに基づいて演算した前記被検体の厚さを、対応する前記超音波センサの位置情報又は識別情報と共に、表示器に表示させることを特徴とする超音波センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、被検体の厚さを計測する超音波センサシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
例えば使用中の被検体の厚さを計測するために、被検体の表面に超音波センサを固定したいものの、何らかの理由により、超音波センサと制御装置の間のケーブルの接続が困難な場合がある。特許文献１は、このような課題を解決するための超音波センサシステムを開示している。
【0003】
特許文献１の超音波センサシステムは、被検体の表面に固定された超音波センサ（超音波変換器）と、被検体の表面に固定され、ケーブルを介し超音波センサに接続されたセンサコイル（変換器コイル）と、電磁誘導によってセンサコイルとの間で信号の送信及び受信が可能な送信コイル及び受信コイルを有するセンサプローブと、ケーブルを介しセンサプローブに接続された制御装置とを備えている。このシステムでは、センサコイルとセンサプローブの間のケーブルを不要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、国内の原子力プラントにおける配管肉厚検査方法は、日本機械学会が定める発電用設備規格に準拠することが求められている。本設備規格では、配管の周方向及び軸方向に１００ｍｍ以下の間隔で格子状に複数の計測点を設け、各計測点で超音波による肉厚の計測を行うことが規定されている。配管の肉厚を計測するため、特許文献１に記載の技術を採用した場合を想定すれば、次のような課題が生じる。
【0006】
特許文献１の各センサコイルは、円形状をなし、各超音波センサを取り囲むように配置される。そのため、複数のセンサコイルは、複数の超音波センサと共に、配管の周方向及び軸方向に１００ｍｍ以下の間隔で格子状に設ける必要がある。そして、センサコイルと送信コイル又は受信コイルの間で電磁誘導を発生させるため、センサコイルの真上に送信コイル又は受信コイルを配置する必要がある。すなわち、センサプローブを配管の周方向及び軸方向に移動させ、センサコイルに対して位置合わせを行う必要がある。そのため、作業時間が増大する。
【0007】
一方、特許文献２の超音波センサシステムでは、例えば配管の周方向に離間された複数の超音波センサに対し、１つのセンサコイルを接続している。これにより、センサプローブを配管の周方向に移動させる必要がなくなり、作業時間の短縮を図ることができる。しかし、特許文献２の超音波センサシステムでは、複数の超音波センサの範囲における配管の厚みの減少量（最大値）を計測するものの、複数の超音波センサのそれぞれの位置における配管の厚みを計測することができない。
【0008】
本発明は、上記事柄に鑑みてなされたものであり、その目的は、作業時間の短縮を図りつつ、複数の超音波センサのそれぞれの位置における被検体の厚みを計測することができる超音波センサシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するために、本発明は、被検体の表面に固定されて互いに離間された複数の超音波センサと、前記被検体の表面に固定されて互いに重ねられ、前記複数の超音波センサに１対１の関係で接続された複数のセンサコイルと、電磁誘導によって前記複数のセンサコイルとの間で信号の送信及び受信が可能な送信コイル及び受信コイルを有するセンサプローブと、前記送信コイル及び前記センサコイルを介し前記超音波センサへパルス信号を出力して超音波を発生させ、前記被検体で反射された超音波が前記超音波センサで受信されて変換された波形信号を前記センサコイル及び前記受信コイルを介し入力する制御装置とを備えた超音波センサシステムにおいて、前記複数の超音波センサは、共振周波数が異なり、前記制御装置は、前記複数の超音波センサの共振周波数に切り換わるように前記パルス信号の周波数を可変制御し、前記パルス信号に対応する前記波形信号が前記複数の超音波センサのうちのいずれのものであるかを識別しており、前記複数のセンサコイルは、対応する前記超音波センサの共振周波数をパラメータとしたインピーダンスが同じとなるように、巻き数が異なる。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、作業時間の短縮を図りつつ、複数の超音波センサのそれぞれの位置における被検体の厚みを計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の第１の実施形態における超音波センサシステムの構成を表すブロック図である。
【図2】本発明の第１の実施形態における超音波センサ、センサコイル、送信コイル、及び受信コイルの配置を表す図である。
【図3】本発明の第１の実施形態における複数の超音波センサの特性を表す図である。
【図4】本発明の第２の実施形態における超音波センサシステムの構成を表すブロック図である。
【図5】本発明の第２の実施形態における超音波センサ、センサコイル、送信コイル、及び受信コイルの配置を表す図である。
【図6】本発明の一変形例における超音波センサシステムの構成を表すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明の第１の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
【0013】
図１は、本実施形態における超音波センサシステムの構成を表すブロック図である。図２は、本実施形態における超音波センサ、センサコイル、送信コイル、及び受信コイルの配置を表す図である。なお、図１においては、便宜上、超音波センサ１Ａ～１Ｃ，１Ｇを図示し、超音波センサ１Ｄ～１Ｆを図示していない。
【0014】
本実施形態の被検体である配管２０は、例えば炭素鋼製もしくはステンレス鋼製であって、プラントの運転中に液体もしくは気体が流れて高温となる。そのため、例えばケイ酸カルシウム製、ロックウール製、グラスウール製、無定形水練製、もしくは硬質ウレタンフォーム製の保温材２１で覆われている。
【0015】
本実施形態の超音波センサシステムは、配管２０の表面（外面）に固定された複数（本実施形態では７つ）の超音波センサ１Ａ～１Ｇ及び１つのセンサコイル２と、保温材２１の表面（外面）に配置され（言い換えれば、超音波センサ１Ａ～１Ｇ及びセンサコイル２に対して配管２０の径方向外側に配置され）、送信コイル３及び受信コイル４を有するセンサプローブ５と、ケーブルを介しセンサプローブ５に接続された制御装置６と、制御装置６に接続された表示器７（ディスプレイ）とを備えている。
【0016】
超音波センサ１Ａ～１Ｇは、配管２０における複数の計測点にそれぞれ対応し、例えば配管２０の周方向に互いに離間されて配置されている。各超音波センサは、例えば圧電素子で構成されており、チタン酸ジルコン酸鉛などの圧電セラミックス製である。センサコイル２は、例えば配管２０の検査領域外（言い換えれば、配管２０の軸方向にて超音波センサ１Ａ～１Ｇとは異なる位置）に配置され、ケーブルを介し超音波センサ１Ａ～１Ｇに接続されている。なお、図２で示すように、超音波センサ１Ａ～１Ｇとセンサコイル２の組み合わせを、複数設けてもよい。
【0017】
センサプローブ５は、検査員又は移動装置（図示せず）によって配管２０の軸方向（図２の左右方向）に移動可能とし、センサコイル２に対向するようになっている。センサプローブ５の送信コイル３及び受信コイル４は、対向したセンサコイル２との間で電磁誘導によって信号の送信及び受信を可能としている。なお、センサコイル２と配管２０の間には電磁波遮断シート８が設けられており、センサコイル２と配管２０の間の電磁誘導を防ぐようになっている。
【0018】
制御装置６は、信号発生器（パルサ）１１、変調器１２、信号受信器（レシーバ）１３、及び信号処理器１４を有している。変調器１２は、センサプローブ５の送信コイル３に接続され、信号受信器１３は、センサプローブ５の受信コイル４に接続されている。信号処理器１４は、プログラムに従って処理を実行するプロセッサ等で構成されている。なお、制御装置６は、メモリ等を更に有し、超音波センサ１Ａ～１Ｇの位置情報を予め記憶すると共に、後述の波形信号を記憶するようになっている。
【0019】
制御装置６の変調器１２は、信号発生器１１で発生されたパルス信号の周波数を可変制御すると共に（詳細は後述）、その制御情報を信号処理器１４へ出力する。センサプローブ５の送信コイル３は、変調器１２からのパルス信号（電気信号）を磁束に変換し、センサコイル２は、前述した磁束をパルス信号に変換し、ケーブルを介し超音波センサ１Ａ～１Ｇへパルス信号を出力する。
【0020】
超音波センサ１Ａ～１Ｇは、センサコイル２からのパルス信号によって振動して、超音波を発生する。ここで、超音波センサ１Ａ～１Ｇは、共振周波数が異なっている。制御装置６の変調器１２は、超音波センサ１Ａ～１Ｇの共振周波数に順次又はランダムに切り換わるように、パルス信号の周波数を可変制御する。これにより、超音波センサ１Ａ～１Ｇが順次又はランダムに超音波を発生させるようになっている。
【0021】
具体的に説明すると、超音波センサ１Ａの共振周波数Ｆａ、超音波センサ１Ｂの共振周波数Ｆｂ、超音波センサ１Ｃの共振周波数Ｆｃ、超音波センサ１Ｄの共振周波数Ｆｄ、超音波センサ１Ｅの共振周波数Ｆｅ、超音波センサ１Ｆの共振周波数Ｆｆ、及び超音波センサ１Ｇの共振周波数Ｆｇが異なっている。そして、図３で示すように、パルス信号の周波数が共振周波数Ｆａである場合に、超音波センサ１Ａで発生させる超音波の強度が高くなる。また、図３で示すように、パルス信号の周波数が共振周波数Ｆｂである場合に、超音波センサ１Ｂで発生させる超音波の強度が高くなる。また、図３で示すように、パルス信号の周波数が共振周波数Ｆｃである場合に、超音波センサ１Ｃで発生させる超音波の強度が高くなる。また、図示しないものの、パルス信号の周波数が共振周波数Ｆｄである場合に、超音波センサ１Ｄで発生させる超音波の強度が高くなる。また、図示しないものの、パルス信号の周波数が共振周波数Ｆｅである場合に、超音波センサ１Ｅで発生させる超音波の強度が高くなる。また、図３で示すように、パルス信号の周波数が共振周波数Ｆｇである場合に、超音波センサ１Ｇで発生させる超音波の強度が高くなる。制御装置６の変調器１２は、共振周波数Ｆａ～Ｆｇに順次又はランダムに切り換わるようにパルス信号の周波数を可変制御する。これにより、超音波センサ１Ａ～１Ｇが順次又はランダムに超音波を発生させるようになっている。
【0022】
各超音波センサは、配管２０の内面に向けて超音波を送信し、配管２０の内面で反射した超音波を受信し、受信した超音波を波形信号（電気信号）に変換し、ケーブルを介しセンサコイル２へ波形信号を出力する。センサコイル２は、超音波センサからの波形信号を磁束に変換し、センサプローブ５の受信コイル４は、前述した磁束を波形信号に変換して制御装置６の信号受信器１３へ出力する。
【0023】
制御装置６の信号処理器１４は、信号受信器１３を介して得られた波形信号に対し、所定の処理を実行する。詳細には、変調器１２からの制御情報（すなわち、パルス信号の周波数）に基づいて、パルス信号に対応する波形信号が超音波センサ１Ａ～１Ｇのうちのいずれのものであるかを識別する。そして、各超音波センサの波形信号に基づき、各超音波センサの位置における配管２０の厚さを演算し、演算した配管２０の厚さを、対応する超音波センサの位置情報又は識別情報と共に、表示器７に表示させる。配管２０の厚さの演算方法としては、まず、例えばパルス信号の出力タイミングを起点とし、波形信号の振幅が最大となるタイミングを終点として、超音波の伝播時間を演算する。そして、超音波の伝播時間と音速から配管２０の厚さを演算する。
【0024】
以上のように本実施形態では、配管２０の周方向に離間された複数の超音波センサ１Ａ～１Ｇに対し、１つのセンサコイル２を接続している。そのため、センサプローブ５を配管２０の周方向に移動させる必要がない。したがって、センサプローブ５の移動や位置合わせ等の作業負荷を軽減すると共に、作業時間を短縮することができる。
【0025】
また、本実施形態では、制御装置６は、パルス信号の周波数を可変制御することにより、超音波を発生させる超音波センサを切り換えると共に、得られた波形信号が複数の超音波センサ１Ａ～１Ｇのうちのいずれのものであるかを識別する。これにより、複数の超音波センサ１Ａ～１Ｇのそれぞれの位置における配管２０の厚みを計測することができる。
【0026】
また、本実施形態では、センサコイル２は、配管の２０検査領域外に配置されている。そのため、配管２０の検査領域内（言い換えれば、隣り合う超音波センサの間）に配置される場合とは異なり、センサコイル２は、サイズの制約を受けない。これにより、保温材２１が介在するためにセンサコイル２と送信コイル３又は受信コイル４が大きく離れても、センサコイル２の外径を大きくして、センサコイル２と送信コイル３又は受信コイル４の間の電磁誘導を確保することができる。したがって、保温材２１の着脱なしに、配管２０の厚みを計測することができる。
【0027】
なお、第１の実施形態において、制御装置６は、各超音波センサの波形信号に基づき、各超音波センサの位置における配管２０の厚さを演算し、演算した配管２０の厚さを表示器７に表示させる場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で変形が可能である。すなわち、制御装置６は、各超音波センサの波形信号を、対応する超音波センサの位置情報又は識別情報と共に、表示器７に表示させてもよい。そして、検査員は、表示器７で表示された各超音波センサの波形信号に基づき、各超音波センサの位置における配管２０の厚さを演算してもよい。
【0028】
また、第１の実施形態において、１つのセンサコイル２に接続された超音波センサの数は７つである場合を例にとって説明したが、これに限られず、２つ以上６つ以下であってもよいし、若しくは８つ以上であってもよい。また、第１の実施形態において、１つのセンサコイル２に接続された複数の超音波センサは、配管２０の周方向に互いに離間されて配置された場合を例にとって説明したが、これに限られず、配管２０の軸方向に互いに離間されて配置されてもよいし、配管２０の周方向及び軸方向に互いに離間されて配置されてもよい。
【0029】
【0030】
図４は、本実施形態における超音波センサシステムの構成を表すブロック図である。図５は、本実施形態における超音波センサ、センサコイル、送信コイル、及び受信コイルの配置を表す図である。なお、図４においては、便宜上、超音波センサ１Ａ～１Ｃ，１Ｇとセンサコイル２Ａ～２Ｃ，２Ｇを図示し、超音波センサ１Ｄ～１Ｆとセンサコイル２Ｄ～２Ｆを図示していない。
【0031】
本実施形態の超音波センサシステムは、第１の実施形態のセンサコイル２に代えて、複数のセンサコイル２Ａ～２Ｇを備えている。センサコイル２Ａ～２Ｇは、互いに重ねて配置されると共に、ケーブルを介し超音波センサ１Ａ～１Ｇに１対１の関係で接続されている。このように本実施形態では、センサコイルが複数であるものの、１箇所に集約されて配置されているため、第１の実施形態と同様、センサプローブ５の移動や位置合わせ等の作業負荷を軽減すると共に、作業時間を短縮することができる。したがって、作業時間を短縮しつつ、各超音波センサの位置における配管２０の厚みを計測することができる。
【0032】
また、本実施形態のセンサコイル２Ａ～２Ｇは、対応する超音波センサの共振周波数をパラメータとしたインピーダンスが同じとなるように、巻き数が異なっている。仮に、センサコイル２Ａ～２Ｇの巻き数が同じであれば、パルス信号の周波数に応じてセンサコイルのインピーダンスが変わり、パルス信号の強度や波形信号の強度が変わる。本実施形態では、前述した特徴により、超音波センサ１Ａ～１Ｇの波形信号の強度のバラツキを抑えることができる。したがって、配管２０の厚さの計測精度のバラツキを抑えることができる。
【0033】
なお、第２の実施形態において、互いに重ねられたセンサコイルの数は７つである場合を例にとって説明したが、これに限られず、２つ以上６つ以下であってもよいし、若しくは８つ以上であってもよい。また、第２の実施形態において、互いに重ねられた複数のセンサコイル２Ａ～２Ｇに１対１の関係で接続された複数の超音波センサ１Ａ～１Ｇは、配管２０の周方向に互いに離間されて配置された場合を例にとって説明したが、これに限られず、配管２０の軸方向に互いに離間されて配置されてもよいし、配管２０の周方向及び軸方向に互いに離間されて配置されてもよい。
【0034】
また、第２の実施形態において、センサプローブは、１つである場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で変形が可能である。すなわち、センサプローブは、複数であってもよい。このような変形例を、図６を用いて説明する。なお、本変形例において、第１及び第２の実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。
【0035】
図６は、本変形例における超音波センサシステムの構成を表すブロック図である。
【0036】
本変形例の超音波センサシステムは、第２の実施形態のセンサプローブ５に代えて、複数（本実施形態では２つ）のセンサプローブ５Ａ，５Ｂを備えている。センサプローブ５Ａの送信コイル３Ａの巻き数とセンサプローブ５Ｂの送信コイル３Ｂの巻き数が異なり、センサプローブ５Ａの受信コイル４Ａの巻き数とセンサプローブ５Ｂの受信コイル４Ｂの巻き数が異なっている。
【0037】
センサプローブ５Ａ，５Ｂは、例えばケーブルに着脱可能であって、制御装置６に対し選択的に接続されるように構成されている。そして、センサプローブ５Ａが制御装置６に接続された場合、制御装置６は、例えば超音波センサ１Ａ～１Ｄの共振周波数に順次又はランダムに切り換わるようにパルス信号の周波数を可変制御する。また、センサプローブ５Ｂが制御装置６に接続された場合、制御装置６は、例えば超音波センサ１Ｅ～１Ｇの共振周波数に順次又はランダムに切り換わるようにパルス信号の周波数を可変制御する。
【0038】
本実施形態のセンサコイル２Ａ～２Ｇは、対応する超音波センサの共振周波数並びに対応するセンサプローブの送信コイル及び受信コイルの巻き数をパラメータとしたインピーダンスが同じとなるように、巻き数を異ならせている。これにより、第２の実施形態と同様、超音波センサ１Ａ～１Ｇの波形信号の強度のバラツキを抑えることができる。したがって、配管２０の厚さの計測精度のバラツキを抑えることができる。
【0039】
なお、以上において、配管２０は、保温材２１で覆われている場合を例にとって説明したが、これに限られず、保温材２１で覆われていなくてもよい。また、被検体は、配管２０である場合を例にとって説明したが、これに限られず、例えば容器や平板であってもよい。
【符号の説明】
【0040】
１Ａ～１Ｇ 超音波センサ
２，２Ａ～２Ｇ センサコイル
３，３Ａ，３Ｂ 送信コイル
４，４Ａ，４Ａ 受信コイル
５，５Ａ，５Ｂ センサプローブ
６ 制御装置
７ 表示器
２０ 配管（被検体）
２，２Ａ～２Ｇ センサコイル
３，３Ａ，３Ｂ 送信コイル
４，４Ａ，４Ａ 受信コイル
５，５Ａ，５Ｂ センサプローブ
６ 制御装置
７ 表示器
２０ 配管（被検体）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】