JPH06324021A

JPH06324021A - 非破壊検査装置

Info

Publication number: JPH06324021A
Application number: JP4381194A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Otaka; 正廣大高; Sadahito Shimizu; 禎人清水; Kazuo Takaku; 和夫高久; Shinji Sakata; 信二坂田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-03-16
Filing date: 1994-03-15
Publication date: 1994-11-25

Abstract

(57)【要約】【目的】検出ヘッド部の大きさを小さく、かつ微小な損
傷を高精度に検出する非破壊検査装置を提供すること。【構成】ＳＱＵＩＤセンサの励磁マグネット，磁気検出
部のピックアップコイル、及びＳＱＵＩＤを分割構造と
し、検出器に常電導のマグネットあるいはピックアップ
コイルを用いている。ＳＱＵＩＤセンサ全体を磁気シー
ルドで覆う。励磁マグネットを常電導化し、種々の波形
に励磁電流を印加できる供給電源装置を備える。ＳＱＵ
ＩＤセンサを分離し、励磁マグネットを独立した機構で
走査可能にする。励磁マグネットを極性の異なる１組以
上のコイルでキャンセル方式とする。あるいは、励磁マ
グネットのバランスを電気的にフィードバックしてキャ
ンセル方式とする。マグネット，ピックアップコイル、
あるいはＳＱＵＩＤ素子との連結をコネクタにて接続す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＳＱＵＩＤを用いた非
破壊検査装置に係り、特に、検査対象の微小な損傷をも
高精度に検出するのに好適なＳＱＵＩＤを用いた非破壊
検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電プラントでは、定期点検時
に、その配管群，圧力容器等の構造物や、ポンプ等の構
成機器等にき裂等が生じているか否かを非破壊的に検査
し、き裂等の損傷の生じている配管等は損傷が進行する
前に交換する必要がある。この非破壊検査を行う装置と
して、超音波探傷装置の他に、特開平2−78983号公報に
記載されたＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉素子）を用いた
装置がある。

【０００３】図８は、従来のＳＱＵＩＤを用いた非破壊
検査装置の構成図である。検査対象１のき裂等を検査す
る非破壊検査装置は、ＳＱＵＩＤ本体を収納したクライ
オスタット２を備える。このクライオスタット２は、そ
の一部が可撓性管材２ａで伸張され、その先端部２ｂに
ピックアップコイル３が収納される。ピックアップコイ
ル３，クライオスタット２（及び管材２ａ，先端部２
ｂ）内の冷媒例えば液体ヘリウムにより超電導状態にな
っている。先端部２ｂには、常電導の励磁マグネット
（電磁石）４が外され、励磁マグネット４，励磁制御装
置５に接続されている。

【０００４】励磁マグネット４及びピックアップコイル
３（を収納した先端部２ｂ）とが検出ヘッド部を構成
し、この検出ヘッド部は駆動装置６により検査対象１の
表面上を走査される。

【０００５】図９は、検出ヘッド部の構成図である。励
磁マグネット４が直励磁されると、検査対象１内に直流
磁界ｍが通る。この状態で検出ヘッド部を白抜き矢印方
向に走査する。もし、検査対象１にき裂があると、直流
ｍがそのき裂により乱され、これが磁気特性変化してピ
ックアップコイル３に検出される。

【０００６】図１０は、検出ヘッドの別の構造図であ
る。この検出部ヘッド部は、２つの励磁マグネット４
ａ，４ｂ間に馬蹄形のコア８を渡し、各励磁マグネット
４ａ，４ｂを直流励磁することで、検査対象１内に直流
磁界ｍを形成し、この状態で検出ヘット部を白抜き矢印
方向に走査する。

【０００７】走査中に直流磁界ｍがき裂Ｋを横切り磁界
変化が生じると、この磁気変化がピックアップコイル３
で検出され、図示しないＳＱＵＩＤでこの磁界変化が電
気信号に変換される。

【０００８】また、本願発明の技術的背景を構成するも
のとして、本願と発明者を部分的に共通とする１９９１
年９月１１日出願の米国特許出願Serial No.07／757,58
5 が例示される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術は、
励磁マグネットを直流励磁し、直流磁界がき裂を横切っ
たときに生じる磁界変化をピックアップコイルで検出す
る構成のため、微小なき裂まで検出できない。

【００１０】微小なき裂を直流で検出する場合、図１０
のような構成にしてなるべく平行な磁界を検査対象に形
成するのが好ましい。

【００１１】しかし、平行磁界を形成するには励磁マグ
ネット４ａと励磁マグネット４ｂとの距離を長くとりコ
ア８もそれに合わせた形状にする必要があるが、それで
は検出ヘッド部が大型になり、狭い箇所の検査ができな
くなってしまう。

【００１２】本発明の目的は、上記問題を解決すること
にある。

【００１３】すなわち、検出ヘッド部の大きさを小さ
く、かつ、微小なき裂等の微小な損傷を高精度に検出す
ることができるＳＱＵＩＤを用いた非破壊検査装置を提
供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、検査対象に
磁界を印加する常電導の励磁マグネットと、磁界印加時
における該検査対象の磁気特性変化をピックアップする
ピックアップコイルと、ピックアップされた磁気特性変
化を電気信号に変換するＳＱＵＩＤとを備える非破壊検
査装置において、前記励磁マグネットを極性の異なる複
数のコイルを組合せたキャンセル型コイルで構成とする
ことで、達成される。

【００１５】

【作用】励磁マグネットをキャンセル型コイルとし、検
査対象の欠陥に基づく磁気特性変化のみをピックアップ
コイルでピックアップする構成としたため、検出ヘッド
部を小型化できる。また、キャンセル型コイルのため、
直流励磁ばかりでなく交流励磁も可能となり、様々な励
磁方法による欠陥損傷検出が可能となる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の位置実施例を図面を参照して
説明する。

【００１７】図２は、多関節ロボットを用いた非破壊検
査装置の外観図である。

【００１８】移動台車１０を備える多関節ロボット１１
は、その手先１２の主軸近傍のノイズの少ない位置に検
出ヘッド部１３が取り付けられている。

【００１９】この検出ヘッド部１３は、詳細は後述する
キャンセル型コイルでなる励磁マグネットと、ピックア
ップコイルで構成される。

【００２０】多関節ロボット１１の移動台車１０上には
クライオスタット１４が搭載されており、このクライオ
スタット１４内に冷媒例えば液体ヘリウムによる動作温
度まで冷却された図示しないＳＱＵＩＤ本体が収納され
ている。

【００２１】制御装置１５は、多関節ロボット１１を制
御し、目的位置に移動台車１０を移動させると共に、手
先１２を走査して検出ヘッド部１３を検査対象表面で走
査する。

【００２２】また、制御装置１５は、ＳＱＵＩＤセンサ
及び励磁マグネットの励磁を制御し、ピックアップコイ
ルで検出されＳＱＵＩＤ本体で電気信号に変換された検
査対象の磁気特性変化を表示装置１６に表示する。

【００２３】図１は、図２に示す検出ヘッド部とクライ
オスタット１４との接続構成図である。

【００２４】耐ノイズ性を高めるために磁気シールドが
施されたクライオスタット１４内には、液体ヘリウム１
７が入れられており、この液体ヘリウム１７中に、SQUI
D 本体が設置されている。

【００２５】クライオスタット１４には、ＳＱＵＩＤ本
体１８に接続されたコネクタ１９が取り付けられ、ＳＱ
ＵＩＤ本体１８は制御装置１５の検出部制御装置２０が
接続されている。

【００２６】クライオスタット１４の材質は非磁性で絶
縁材料とし、外部からの磁界が通過しやすいものにする
必要がある。

【００２７】例えば、ファイバ強化プラスチックが適当
である。

【００２８】ＳＱＵＩＤ素子としては、例えば、液体ヘ
リウム温度で動作するＮｂＴｉ材の低温ＳＱＵＩＤ或い
はＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏの高温ＳＱＵＩＤでもピックアッ
プコイル及び交流励磁コイルが常電導材料であるため、
使用可能である。

【００２９】また、ピックアップコイル及び交流励磁コ
イルを超電導材料とすることもできる。

【００３０】この場合は、これらを冷却する冷却システ
ムを備えなければならない。

【００３１】ＳＱＵＩＤ１８が検出する信号は、ピック
アップコイル２１から検出信号に限定することがＳ／Ｎ
比を向上させることになる。

【００３２】このため、ピックアップコイル２１以外か
らのノイズを遮蔽するため、 SQUID18 の外側、或い
はクライオスタット１４の外側に磁気シールド５００，
５１０を設けることで性能を達成できる。

【００３３】磁気シールド５００，５１０については、
高透磁率で低効率の材料を組合せることで電磁シールド
を達成できる。

【００３４】また、磁気シールド５００は、冷媒１７中
で使用できるため、超電導材料で電磁シールドを達成で
きる。

【００３５】液体ヘリウムであれば、例えば、Ｎｂ−Ｔ
ｉ材、また、液体窒素であれば、例えば、Ｙ−Ｂａ−Ｃ
ｕ−Ｏ材が使用できる。

【００３６】ロボットの手先に取り付けられる検出ヘッ
ド部１３は、常電導のピックアップコイル２１と、キャ
ンセル型コイルでなる励磁マグネット２２と、ピックア
ップコイル２１に接続されたコネクタ２３と、励磁マグ
ネット２２に接続されたコネクタ２４とからなる。

【００３７】この検出ヘッド部１３を用いて非破壊検査
を行う場合、多関節ロボット１１の手先１２に検出ヘッ
ド部１３を取り付け、配線２５の一方のコネクタ２６を
クライオスタット１４のコネクタ１９に接続し、他方の
コネクタ２７を検出ヘッド部１３のコネクタ２３に接続
する。

【００３８】そして、制御装置１５の励磁制御装置３０
に接続された配線２８のコネクタ２９を、検出ヘッド部
１３のコネクタ２４に接続する。このように、コネクタ
を用いて接続する構成のため、要素装置例えば検出ヘッ
ド部１３のみを交換したりすることが容易となり、装置
のメンテナンス性が向上する。

【００３９】図３は、Ｙ軸キャンセル型コイルによる励
磁マグネットの構成図である。

【００４０】本実施例の励磁マグネットは、極性が逆の
２角コイル４０，４１を同一平面上に近接して配置して
ある。

【００４１】直流励磁したとき、コイル４０の中心磁界
の向きが図３で上向きの場合、コイル４１の中心磁界の
向きが下向きとなるようにしてある。

【００４２】このため、両コイル４０，４１の間の磁界
はキャンセルされ、図３の磁界キャンセル軸の領域では
磁界が零となる。

【００４３】この磁界零となる領域にピックアップコイ
ル２１を配置する。コイル４０，４１としては直径数mm
程度のものが使用でき、検出ヘッド部１３は小型にな
る。図４は、同心平板が他キャンセルコイルによる励磁
マグネットの構成図である。

【００４４】本実施例の励磁マグネットは、大径のコイ
ル４２と，このコイル内に同心に配置される小径のコイ
ル４３からなり、直流励磁したときに各コイルの中心軸
上の磁界が逆方向となり、互いにキャンセルし合う配線
接続とする。

【００４５】そして、合成磁界が零となる領域にピック
アップコイル２１を配置する。

【００４６】図３，図４は、２角逆極性のコイルで励磁
マグネットを構成したが、コイル数は２つに限らず、３
つ以上でもよいことはいうまでもない。

【００４７】図５は、３つのコイル４４，４５，４６を
並列に同一平面上に配置し、中心に配置したコイル４５
の中心軸上にピックアップコイル２１を配置する。

【００４８】そして、例えば各コイルに同一電流を流し
たとき、各コイルで発生する磁界がコイル４５の中心軸
上でキャンセルされて零となるように、各コイル４４，
４５，４６の極性（巻線方向）と巻線数を決める。

【００４９】図６は、３つのコイル４７，４８，４９を
同心に配置して構成したキャンセル型コイルであり、ピ
ックアップコイル２１を配置した中心軸上での合成磁界
が零となるように、各コイルの極性，巻線数を決める。

【００５０】上述した構成の非破壊検査装置を用い、例
えば原子力発電所の配管群等を探傷する場合、多関節ロ
ボット１１を探傷対象となる配管位置まで移動させ、手
先１２位置を制御し、検出ヘッド部１３が配管表面に沿
うように走査する。

【００５１】図７Ａに示すように、交流励磁されるキャ
ンセル型コイル４０，４１により発生した交流磁界が検
査対象１内に形成され、その磁界部分が磁化される。検
出ヘッド部１３の走査に伴ってこの交流磁界が矢印Ｂ方
法に移動し、き裂Ｋを横切ると、横切る前，後で、検査
対象１の磁化された部分の磁気特性が反転する。

【００５２】交流磁界は常にピックアップコイル２１の
配置領域で零にバランスされているが、この磁気特性の
反転により発生した磁界は、微分型等のピックアップコ
イル２１で検出され、これが、ＳＱＵＩＤ本体で電気信
号に変換され、表示装置１６（図２）に表示される。

【００５３】この走査を検査対象１表面上で二次元的に
行うことで得られる信号波形を、例えば図７Ｂに示すよ
うに三次元表示することも可能である。

【００５４】また、図７Ｂの信号波形は、磁気特性が反
転する微分波形そのものを三次元的に示したものである
が、この信号波形から実際のき裂の形状を求め、この形
状を画面に表示することでもよい。

【００５５】なお、励磁マグネットを交流励磁したが、
直流励磁することでもよいことはいうまでもない。

【００５６】上述した実施例は、常電導のピックアップ
コイル２１を用いたが、超電導のピックアップコイルを
用いることも可能である。

【００５７】しかし、この場合にはピックアップコイル
も冷媒で低温に冷却する必要があるため、前述した特開
平2−78983号公報記載の従来技術（図８）と同様に、ク
ライオスタットの一部を可撓性管材で伸張できるような
構成とし、先端部にピックアップコイルを収納する。

【００５８】そして、キャンセル型コイルで構成した励
磁マグネットと、この励磁マグネットを直流や各種波形
の交流で励磁する励磁制御手段を用いて励磁し、検査を
行う。

【００５９】交流励磁の磁界をキャンセルする別の方法
として、他に電気的にフィードバックをＳＱＵＩＤに入
力することで同様の性能が得られる。

【００６０】図１１は、電気的フィードバック法による
実施例の一つである。

【００６１】２２０は、単極或いは上記のキャンセル型
励磁コイルであり、３００は交流励磁電源である。

【００６２】２１０は、ピックアップコイル２１で検出
した磁界をSQUID18 に結合させる入力コイルである。

【００６３】２００は、ＳＱＵＩＤのコントローラであ
る。

【００６４】交流励磁電源３００の信号及びＳＱＵＩＤ
コントローラ２００の出力はロックインアンプ４００に
入力されている。

【００６５】図１１の実施例の動作を図１２から図１４
に示す。

【００６６】図１２は、初期のアンバランス状態を示
す。

【００６７】損傷が無い場所でも、材料の磁気特性，励
磁コイルやピックアップコイルの不平衡があるため、交
流励磁磁界に対してＳＱＵＩＤ出力のノイズに相当する
ヒステリシスカーブが現れる。

【００６８】そこで、交流励磁電源３００の信号を基準
にＳＱＵＩＤコントローラ２００の出力に対して逆位相
振幅の信号をロックインアンプ４００でフィードバック
コイル４１０に印加し、ＳＱＵＩＤコントローラ２００
の出力を零に調整する。

【００６９】この状態が図１３である。

【００７０】しかる後、測定しようとする部位に移動し
て、信号を得る。

【００７１】この状態が図１４である。

【００７２】このような、方法で得た信号は、測定部位
の磁気特性だけ、また、健全部の磁気特性だけを得るこ
とができるため、高精度の劣化判定が可能である。

【００７３】例えば、図１５に示すような検出信号に対
して、透磁率変化に相当する傾きΔμ，ヒステリシスル
ープ面積Ｓ，最大振幅Ｐ−Ｐ等のパラメータを求め、基
準試験片から求めた図１６のようなマスターカーブで測
定部位に劣化を推定する。この実施例によれば、電気的
に容易に励磁コイルのアンバランス，ＳＱＵＩＤセンサ
系のアンバランスをキャンセルできると共に、任意の交
流励磁コイルに交換しても機能が保存され、多様性が得
られる。

【００７４】

【発明の効果】本発明によれば、キャンセル型コイルで
励磁マグネットを構成するので、検出ヘッド部の小型化
を図ることができると共に、励磁マグネットを交流励磁
することも可能となり、微小欠陥も高精度に検出するこ
とが可能となる。

【００７５】また、複数コイルからなるキャンセル型コ
イルの変わりに単一コイルを使用した場合においても、
不平衡交流磁界に関する信号成分をキャンセルする装置
を備えることによって、微小欠陥の高精度検出が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る非破壊検査装置の要部
構成図である。

【図２】多関節ロボットに図１に非破壊検査装置を搭載
した図である。

【図３】２つのコイルを用いたＹ軸キャンセル型コイル
の説明図である。

【図４】２つのコイルを用いた同心平板型キャンセルコ
イルの説明図である。

【図５】３つのコイルを用いたＹ軸キャンセル型コイル
の説明図である。

【図６】３つのコイルを用いた同心平板型キャンセルコ
イルの説明図である。

【図７】Ａ図は信号検出の一例を示す図であり、Ｂ図は
信号検出の表示例を示す図である。

【図８】従来の非破壊検査装置の構成図である。

【図９】図８に示す検出ヘッド部の構成図である。

【図１０】別の従来の検出ヘッド部の構成図である。

【図１１】電気的フィードバック法による実施例の１つ
である。

【図１２】初期のアンバランス状態を示す。

【図１３】交流励磁電源３００の信号を基準にＳＱＵＩ
Ｄコントローラ２００の出力に対して逆位相振幅の信号
をロックインアンプ４００でフィードバックコイル４１
０に印加し、ＳＱＵＩＤコントローラ２００の出力を零
に調整した状態を示す図である。

【図１４】平衡設定後、測定しようとする部位に移動し
て、信号を得た状態を示す図である。

【図１５】検出信号に対して、透磁率変化に相当する傾
きΔμ，ヒステリシスループ面積Ｓ，最大振幅Ｐ−Ｐ等
のパラメータを求めた例を示す図である。

【図１６】基準試験片から求めたマスターカーブの例を
示す図である。

【符号の説明】

１１…多関節ロボット、１２…手先、１３…検出ヘッド
部、１４…クライオスタット、１５…制御装置、１６…
表示装置、１８…ＳＱＵＩＤ本体、２０…検出制御装
置、２１…ピックアップコイル、２２…キャンセル型コ
イルの励磁マグネット、３０…励磁制御装置、２００…
ＳＱＵＩＤのコントローラ、２１０…ピックアップコイ
ルで検出した磁界をＳＱＵＩＤに結合させる入力コイ
ル、２２０…単極或いは上記のキャンセル型励磁コイ
ル、３００…交流励磁電源、４００…ロックインアン
プ、４１０…フィードバックコイル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坂田信二茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非破壊検査装置が、極性の異なる複数のコイルを組合せたキャンセル型コイ
ルを備え、検査対象に磁界を印加する励磁マグネット；
前記励磁マグネットによる磁界印加時における前記検査
対象の磁気特性変化を検出するピックアップコイル；前
記ピックアップコイルにより検出された磁気特性変化を
電気信号に変換するＳＱＵＩＤとからなる非破壊検査装
置。
【請求項２】請求項１において、非破壊検査装置が、前
記励磁マグネットを交流励磁する励磁制御手段を備える
非破壊検査装置。
【請求項３】請求項１において、前記ピックアップコイ
ルが、前記複数のコイルにより磁界がキャンセルされた
領域に配置される非破壊検査装置。
【請求項４】請求項１において、ピックアップコイルを
超電導コイルとし、該ピックアップコイル及び前記励磁
マグネットを検出ヘッド部として前記ＳＱＵＩＤと別体
にし、該ＳＱＵＩＤを動作温度まで冷却する冷媒を入れ
たクライオスタットの一部を可撓性管材で伸長して先端
部に前記ピックアップコイルを収納したことを特徴とす
る非破壊検査装置。
【請求項５】請求項４において、前記検出ヘッド部を検
査対象に対して走査する検出ヘッド部駆動装置を備える
ことを特徴とする非破壊検査装置。
【請求項６】請求項４において、多関節ロボットの手先
に前記検出ヘッド部を取り付けたことを特徴とする非破
壊検査装置。
【請求項７】非破壊検査装置が、極性の異なる複数のコイルを組合せたキャンセル型コイ
ルを備え、検査対象に磁界を印加する励磁マグネット；
前記励磁マグネットにコネクタを介して接続され、前記
磁界を制御する励磁制御手段；前記励磁マグネットによ
る磁界印加時における前記検査対象の磁気特性変化を検
出する常電導コイルからなるピックアップコイル；前記
ピックアップコイルにコネクタを介して接続され、前記
ピックアップコイルにより検出された磁気特性変化を電
気信号に変換するＳＱＵＩＤ；前記ＳＱＵＩＤを前記Ｓ
ＱＵＩＤの動作温度まで冷却する冷媒；前記冷媒を入れ
たクライオスタット；前記ＳＱＵＩＤ又は前記クライオ
スタットの少なくとも一方を磁気的にシールドするシー
ルド手段；前記励磁制御手段及び前記ＳＱＵＩＤと別体
として設けられ、前記励磁マグネット及び前記ピックア
ップコイルを内蔵する検出ヘッド部とからなる非破壊検
査装置。
【請求項８】非破壊検査装置が、交流電源；前記交流電源に接続され、検査対象に交流磁
界を印加する励磁マグネット；前記励磁マグネットによ
る交流磁界印加時における前記検査対象の磁気特性変化
を検出するピックアップコイル；前記ピックアップコイ
ルにより検出された磁気特性変化を電気信号に変換する
ＳＱＵＩＤ；前記電気信号に含まれる初期不平衡の交流
励磁に関する信号成分をキャンセルするキャンセル手段
とからなる非破壊検査装置。
【請求項９】請求項１に記載の非破壊検査装置におい
て、前記キャンセル手段が、前記交流電源からの信号に
基づいて、逆位相で且つ逆振幅のフィードバックを前記
ピックアップコイルに与え、基準位置でのＳＱＵＩＤ出
力を零に設定できる回路を含む非破壊検査装置。