JPH05288706A

JPH05288706A - 金属部材の欠陥監視システム

Info

Publication number: JPH05288706A
Application number: JP8411992A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Soma; 正幸相馬
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-04-06
Filing date: 1992-04-06
Publication date: 1993-11-02

Abstract

(57)【要約】【目的】金属部材の亀裂発生及び温度上昇を共に高精
度で検出できる欠陥監視システムを提供する。【構成】金属部材１の点Ｐ₀に高周波電源２から周波
数を少なくとも２通りに替えて電圧を供給し、位相差測
定器３３において複数の測定点Ｐ_i（ｉ＝１、２、…）
における電圧と電流の位相差を測定し、振幅比測定器３
４において点Ｐ_iにおける電圧振幅と電流振幅との振幅
比を測定する。位相差測定器３３からの位相差に基づ
き、亀裂判定器３５において点Ｐ₀、Ｐ_i間の亀裂の有無
及びその大きさを判定する。温度判定器３６において
は、位相差測定器からの周波数毎の位相差に基づき、点
Ｐ₀、Ｐ_i間の亀裂によるＲ成分を決定し、振幅比測定器
からの振幅比に基づき、点Ｐ₀、Ｐ_i間の実測Ｒ成分と亀
裂依存Ｒ成分との差を求めて温度依存Ｒ成分を決定し、
それに基づいて点Ｐ₀、Ｐ_i間の温度を判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属部材の異常を監視
する非破壊欠陥検出システムに関し、特に、転炉等の炉
体における金属部材の疲労による亀裂発生及び温度上昇
の異常を監視するための欠陥検出システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】亀裂を非破壊で検出する装置として、被
験体（金属部材、又は非導電性被膜をコーティングした
金属部材）に電流を供給し、それによって生じる電位差
を検出する事によって亀裂を検出する、いわゆる４端子
法が提案されている（特開平２ー２９３６５７号公報、
同２ー２１２７５３号公報参照）。この方法において
は、亀裂の発生により被験体の電気抵抗が変化する事に
基づいて、亀裂検出を行うよう構成されている。

【０００３】また、金属部材の温度を検出装置として
は、金属部材に電流を供給して電位差を検出する４端子
法により温度を検出するもの（特開昭５６ー１２５４２
号公報参照）、金属部材に巻回されたコイルのインピー
ダンス変化を測定して温度を検出するもの（特開昭５１
ー７８３７７号公報、同５４ー８８２９３号参照）が提
案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術はいず
れも、亀裂検出又は温度検出のいずれか一方のみが検出
できるものであって、これら双方が検出できるものでは
ない。また、亀裂検出においては、検出時の温度が大き
な誤差要因となって亀裂の定量化を阻害する要因となっ
ており、他方、温度検出においては、金属部材に亀裂等
が存在するとそれによってもインピーダンス成分が変化
してしまうため、亀裂等の表面状態によって検出温度に
誤差が生じてしまうという問題点があった。

【０００５】したがって、金属部材の亀裂検出及び温度
検出の両方が同一のシステムで可能であり、しかも、そ
れぞれの検出誤差を排除して高精度の検出結果を得る事
ができるシステムの出現が待たれていた。

【０００６】よって本発明の目的は、金属部材の亀裂発
生及び温度上昇が共に高精度で検出可能な欠陥検出シス
テムを提供する事である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明の欠陥監視システムにおいては、（ａ）金
属部材に周波数を複数通りに切り替えて電圧を供給する
高周波電源と、（ｂ）電源の周波数を複数通りに切り替
えた場合のそれぞれにおいて、金属部材の複数の測定点
における電圧位相と電流の位相とを比較してその位相差
を測定する位相差測定手段と、（ｃ）金属部材の複数の
測定点における電圧振幅と電流の振幅とを比較して、そ
れらの比の値である振幅比を測定する振幅比測定手段
と、（ｄ）位相差測定手段で得られた位相差に基づき、
電源供給点とそれぞれの測定点との間の亀裂の有無及び
その大きさを判定する亀裂判定手段と、（ｅ）位相差測
定手段で得られた位相差に基づき、電源供給点と各測定
点との間のＬ及びＣ成分を決定すると共に、振幅比測定
手段で得られた振幅比に基づき、上記間の総合Ｒ成分を
決定し、更に、あらかじめ記憶された亀裂パターンテー
ブルを参照して、得られたＬ及びＣ成分に基づいて亀裂
依存Ｒ成分を判定し、総合Ｒ成分と亀裂依存Ｒ成分との
差を演算して温度依存Ｒ成分を判定し、それに基づいて
電源供給点とそれぞれの測定点との間の温度を判定する
温度判定手段とから構成され、金属部材の亀裂及びその
大きさ、並びに温度がそれぞれ高精度で検出できるよう
にした事を特徴としている。

【０００８】

【実施例】図１は、本発明を転炉の欠陥監視に適用した
場合の一実施例のブロック図であり、図において、１は
転炉の鉄皮である被験体、２は信号発信側であり、被験
体１の点Ｐ₀に電源の一端を供給する可変高周波電源、
３は信号受信側であり、被験体１の測定点Ｐ_i（ｉ＝
１、２、 …、ｎ）を順次切り換えて電源の他端を接続
し、その際の信号に基づいて、亀裂検出及び温度検出を
実行する亀裂／温度検出部、４は転炉の寿命を推定する
転炉寿命推定部、５は警報発生部である。

【０００９】亀裂／温度検出部３は、被験体１の各測定
点にＰ_iに接続されたケーブルの間のインピーダンスマ
ッチングを行うためのケーブル補償器３１、ノイズ除去
用の波形整形器３２、供給電源の電圧と電流との位相差
を測定する位相差測定器３３、供給電源の電圧振幅比を
測定する振幅比測定器３４、測定器３３からの情報に基
づいて亀裂の有無及び大きさ（長さ、幅、深さ）を判定
する亀裂判定器３５、測定器３３及び３４からの情報に
基づいて温度を判定する温度判定器３６で構成されてい
る。

【００１０】上記実施例の動作を詳細に説明する前に、
図２及び図３に基づいて本発明の原理を説明する。

【００１１】金属部材である被験体１が健常時（例え
ば、新規時）に、図２（ａ）に示すように被験体表面の
点Ｐ₀に高周波電源供給共通点を（周波数ｆ₀、電圧
Ｖ₀、位相ψ₀）を接続し各測定点Ｐ₁〜Ｐ₄に他端を順次
切り換えて電流を流し、測定点Ｐ₁〜Ｐ₄でそれぞれ検出
された健常時の電圧、位相を、（Ｖ₁、ψ₁）〜（Ｖ₄、
ψ₄）とする。

【００１２】被験体１の使用期間が長くなってくると、
局部的に高温が発生したり亀裂が生じてしまう場合があ
るが、例えば、図２（ｂ）に示されるような位置に亀裂
Ｑ及び高温部Ｈが生じたものとする。このような状態
で、点Ｐ₀に上記と同様に高周波電源（ｆ₀、Ｖ₀、ψ₀）
を供給して、各測定点Ｐ₁〜Ｐ₄における電圧、位相を検
出する。検出結果をそれぞれ、健常時のものに（ ’）
を付けて表すものとする。

【００１３】被験体１が高温になった場合は、電気伝導
率σが小さくなる［特に、所定温度以上では σ∝１／
Ｔ⁴ （Ｔは温度）の関係がある］ので電気抵抗が小さ
くなる。図２（ｂ）の場合は、高温部Ｈは電源供給点Ｐ
₀と測定点Ｐ₂との間に挟まれているので、測定点Ｐ₂に
おける電圧Ｖ₂’が健常時の電圧Ｖ₂よりも小さくなり、
電圧振幅比Ｖ₂’／Ｖ₂は温度の関数と見なす事ができ
る。

【００１４】一方、材料が高温になったとしても、リア
クタンス成分であるＬ成分及びＣ成分には殆ど影響がな
く、位相ψは殆ど変化しない。したがって測定点Ｐ₂の
信号においては、ψ₂＝ψ₂’となる。

【００１５】以上から明らかなように、各測定点におけ
る電圧振幅Ｖを監視すれば、発信側すなわち高周波電源
供給点と受信側すなわちそれぞれの測定点との間の温度
を知る事ができる。

【００１６】亀裂が入った場合は、一般的にはインピー
ダンス成分のＲ、Ｌ、Ｃ成分が共に大きく変化するが、
中でもＣ成分が特に大きく変化するので、位相ψの変化
が大きくなる。図２（ｂ）の場合は、亀裂Ｑは電源供給
点Ｐ₀と測定点Ｐ₁との間に挟まれているので、測定点Ｐ
₁における信号の位相ψ₁’が、健常時の位相ψ₁から大
きく変化する。

【００１７】したがって、各測定点における位相の変化
を監視すれば、亀裂が発生したか否かを知る事ができ
る。

【００１８】ところで亀裂が発生した場合、上記したよ
うにその部分の抵抗成分も大きく変化してしまうので、
測定点での検出電圧も変化してしまう。すなわち、測定
点での電圧変化は、温度に依存するものと亀裂発生に依
存するものとの和であり、したがって、単に電圧を監視
するだけでは温度判定に誤差が生じてしまう。

【００１９】そこで本発明においては、温度検出に関し
て供給電源の周波数ｆ₀を変え、それぞれの周波数に関
して測定点で得られた情報から実測Ｒ、Ｌ、Ｃ成分を決
定し、得られたＬ及びＣ成分から、亀裂パターンテーブ
ルを参照して、亀裂のみに依存する亀裂依存Ｒ成分を検
出し、該亀裂依存Ｒ成分と実測Ｒ成分とに基づいて温度
を検出するようにしている。

【００２０】すなわち、Ｌ成分及びＣ成分が得られる
と、種種の亀裂パターン（亀裂の種類、深さ、長さ、
幅）に基づいてあらかじめ設定記憶された亀裂パターン
テーブル（図３参照）により、亀裂依存Ｒ成分が決定さ
れ、このＲ成分と測定点での測定結果から得られた実測
Ｒ成分との差を演算する事により、亀裂に無関係で温度
にのみ依存する温度依存Ｒ成分が得られる事になる。こ
の温度依存Ｒ成分に基づいて、温度を判定するものであ
る。

【００２１】これにより、亀裂発生と温度上昇とが同時
に誤差なく検出できる。

【００２２】図１に戻って、本発明の実施例の動作を説
明する。

【００２３】高周波電源２から所定の周波数ｆ₀、電圧
Ｖ₀、位相ψ₀が被験体１の点Ｐ₀に対して供給され、該
点Ｐ₀から各測定点Ｐ_i（ｉ＝１、２、…、ｎ）に対して
電流が流れる。各測定点からの信号は、ケーブル補償器
３１、波形整形器３２を介して位相差測定器３３及び振
幅比測定器３４に供給される。

【００２４】高周波電源２はまた、測定器３３、３４に
も接続されており、複数通りに電源周波数を変えた場合
のそれぞれにおいて、位相差測定器３３により各測定点
毎の信号の位相ψ_i’が検出され、その結果が亀裂判定
器３５及び温度判定器３６に供給される。また、振幅比
測定器３４においても、各周波数毎の検出電圧Ｖ_i’と
検出電流Ａ_i’が測定され、その結果が温度判定器３６
に入力される。

【００２５】亀裂判定器３５においては、入力された位
相差（ψ_i−ψ₀）に基づき、電源供給点Ｐ₀とそれぞれ
測定点Ｐ_iとの間に亀裂が生じたか否かが検出され、更
には、生じた亀裂の大きさ（長さ、幅、深さ）の推定が
行われる。この場合、健常時の位相を考慮して推定が実
行される。この判定器３５からの亀裂情報は、炉寿命推
定器４に供給される。

【００２６】温度判定器３６においては、位相差測定器
３３から入力された位相差（複数の電源周波数毎の）に
基づいて、電源供給点Ｐ₀と各測定点Ｐ_iとの間のリアク
タンス成分、すなわちＬ及びＣ成分を決定すると共に、
振幅比測定器３４からの振幅比（Ｖ_i’／Ｖ₀）に基づい
て抵抗成分、すなわち実測Ｒ成分を決定する。そして、
亀裂パターンテーブルを参照して、得られたＬ及びＣ成
分から亀裂依存Ｒ成分を決定する。その後判定器３６
は、実測Ｒ成分から亀裂依存Ｒ成分を差し引いて温度依
存Ｒ成分を決定し、それに基づき、電源供給点Ｐ₀と各
測定点Ｐ_iとの間の温度推定を実行する。この温度情報
は、炉寿命推定器４に供給される。

【００２７】炉寿命推定器４では、判定器３５及び３６
からの亀裂情報及び温度情報を基に、転炉の寿命を推定
し、許容できないレベルの亀裂又は温度上昇があると判
断した場合は、警報器５により警報を発生する。

【００２８】このように構成された別の実施例を用いて
実験した結果について説明する。

【００２９】図４に示すように、鋼板である被験体１
に、４種類の亀裂Ｋ₁〜Ｋ₄を放電加工により人工的に形
成し、被験体表面の点Ｐ₁〜Ｐ₅に、電流源構成の高周波
電源２₁〜２₄を接続すると共に検出部３₁〜３₄を接続し
た。なお、各点間の距離は、１００ｍｍであり、その中
間に亀裂を形成した。実験に用いた亀裂の長さｌ、幅
ｗ、深さｄは、以下の通りである（ｌ×ｗ×ｄで表し、
単位は各々ｍｍ）：ケース１（長さのみを変更）Ｋ₁；５ × ０．１ × ０．５Ｋ₂；１０ × ０．１ × ０．５Ｋ₃；５０ × ０．１ × ０．５Ｋ₄；１００ × ０．１ × ０．５ケース２（幅のみを変更）Ｋ₁；５０ × ０．１ × ０．５Ｋ₂；５０ × ０．２ × ０．５Ｋ₃；５０ × １．０ × ０．５Ｋ₄；５０ × ２．０ × ０．５ケース３（深さのみを変更）Ｋ₁；５０ × ０．１ × ０．５Ｋ₂；５０ × ０．１ × １．０Ｋ₃；５０ × ０．１ × ２．０Ｋ₄；５０ × ０．１ × ５．０また、このような鋼板を下面からバーナで加熱し、温度
が目標値に達してから１０分間保持して各種の測定を行
った。

【００３０】これらの測定結果が図５、図６に示されて
いる。

【００３１】図５は、上記したケース１のＫ₂の亀裂に
対して、電源周波数を変更しかつ温度目標値を２５℃、
１００℃、３００℃として、電圧振幅比を測定した結果
を表している。なお、周波数５０ＫＨｚ、温度２５℃に
おけるｋ／減衰比を「１」とした。

【００３２】図６は、５０ＫＨｚの電流源を用いかつ温
度一定の状態で、上記したケース１〜３のそれぞれにつ
いて、位相差を測定した結果である。

【００３３】図５から、電流源の周波数が５０〜７０Ｋ
Ｈｚの範囲において、温度に依存して振幅比が大きく変
化する事が解る。基本的には、亀裂測定に対しては周波
数が高いほうが高精度となり、温度測定に対しては周波
数が低いほうが高精度となるが、両者ともに高精度とす
るためには上記範囲の電源周波数を用いる事が適当であ
る。ただし、位相差の検出は微妙なため、可能な限り高
い周波数を用いるほうがよいと考えられる。

【００３４】上記したような配置、すなわち電源供給線
と測定線とを別々として同一の端子対にすれば、図１に
示した実施例におけるケーブル補償器３１は不必要とな
る。

【００３５】

【発明の効果】本発明は以上のように構成されているの
で、転炉の鉄皮に限らず、種種の金属体部材における亀
裂発生及びその大きさ、並びに温度検出が、同一のシス
テムで可能であり、しかもそれぞれの相互干渉を排除し
て誤差の少ない検出結果を得ることができる。したがっ
て、熱負荷を受ける金属部材の亀裂発生及び温度上昇に
よる欠陥を高精度で監視する事ができ、異常診断に使用
できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を説明するためのブロック図
である。

【図２】本発明の原理を説明するための模式図である。

【図３】本発明に用いられる亀裂パターンテーブルを示
す説明図である。

【図４】本発明の別の実施例、及び該実施例を用いた実
験を説明するための説明図である。

【図５】図３の実施例を用いて実験した結果得られた、
温度及び電源周波数に関連する振幅比を示すグラであ
る。

【図６】図３の実施例を用いて実験した結果得られた、
亀裂の大きさに関連する位相差を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属部材の異常を検出する欠陥検出シス
テムにおいて、金属部材に周波数を複数通りに切り換えて電流を供給す
る高周波電源と、該供給電源の電圧と電流との位相を測定する位相差測定
手段と、該供給電源の電流と電圧との振幅の大きさを測定する振
幅測定手段と、前記位相差測定手段で得られた位相差よりＬ成分とＣ成
分とを求め、該Ｌ成分とＣ成分とより電源供給点間の前
記金属部材の亀裂の有無を判定し、周波数毎の前記Ｌ成
分とＣ成分との変化量より亀裂の大きさを求める亀裂判
定手段と、前記振幅測定手段で得られた電流値と電圧値とよりＲ成
分を求め、先に求めた亀裂の大きさより前記Ｒ成分を補
正し、前記金属部材の温度を求める温度判定手段と、か
ら構成されることを特徴とする金属部材の欠陥検出監視
システム。
【請求項２】金属部材の異常を検出する欠陥検出シス
テムにおいて、金属部材表面に複数本の測定端を間隔を置いて接続し、
該測定端の組み合わせ対を切り替えるスイッチを介し
て、請求項１記載の測定システムを接続したことを特徴
とする金属部材の欠陥検出監視システム。