JP2007010543A - 酸化膜厚さ測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物の表面に付着した酸化膜の厚さを超音波共鳴によって簡単かつ高精度に測定することを可能にする。
【解決手段】被測定物１０の表面に付着した酸化膜１２の厚さを超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて測定するに際し、被測定物１０の厚さ方向における超音波共鳴周波数を２以上の共鳴次数で測定し、ｎ（任意整数）次共鳴周波数とｎ＋１次共鳴周波数の差の逆数にｎ次共鳴周波数を乗じる演算式により見かけの共鳴次数ｎｘを算出する。この見かけの共鳴次数ｎｘと整数の共鳴次数ｎとのずれを等価位相ψとし、この等価位相ψの周波数に対する傾きｋをあらかじめ用意した検量データと照合させることにより酸化膜の厚さｈを決定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属の表面に付着した酸化物の厚さをその被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて測定する酸化膜厚さ測定方法および装置に関する。

たとえば、高温や酸化環境下で使用される発電所等のボイラー管、薬品腐食環境下で使用される化学プラント等における配管、石油プラント等におけるタンク、橋梁等の海洋構造物等においては、表面に酸化物等の腐食生成物の被膜ができる。この腐食生成物の被膜をここでは包括的に「酸化膜」と呼ぶが、この酸化膜には「錆」または「スケール」と呼ばれるものも含む。

被測定物の厚さを非破壊で簡便に測定する方法としては、超音波を利用した方法いわゆる超音波肉厚測定法が知られている。この超音波肉厚測定法には、超音波の反射時間を測定する反射方式と、超音波の共鳴周波数を測定する共鳴方式とがある。

前者の方式では、被測定物の厚さ方向に短い超音波パルスを入射して、反射波が戻ってくるまでの時間を測定し、この反射時間に音速を乗じて被測定物の肉厚を求める。後者の方式では、被測定物の肉厚の２倍が超音波の波長の整数倍となる周波数で被測定物が共鳴するという現象を利用し、その被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数に基づいて被測定物の肉厚を求める。

超音波肉厚測定では、被測定物に超音波を入射させる超音波源、あるいは被測定物に超音波振動を起こさせる励振源（加振装置）が必要である。この超音波源または励振源としては圧電式のもの（ＰＺＴ）が使用できる。また、上記測定の用途では、被測定物を非接触で超音波駆動（励振）することができる電磁超音波変換器（ＥＭＡＴ：electromagnetic acoustic transducer）も好適に使える。このＥＭＡＴを用いた酸化膜厚さ測定方法は、たとえば特許文献１に開示されている。

特許文献１では、金属の表面に付着した酸化物の厚さをその被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて測定する技術が開示されている。

特許文献１の開示技術では、表面に酸化膜が付着した被測定物の材料全体の厚さを共鳴法によって測定した場合に、超音波の音速が周波数によって変化することを利用して被測定物の酸化膜の厚さを求める。このため、被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数を２以上の共鳴次数で測定することにより周波数と音速の関係を求め、この関係に基づいて酸化膜の厚さを導き出すようにしていた。つまり、周波数による音速の変化から酸化膜の厚さを決定するようにしていた。

特開２００２−３７２４１２

しかしなが、上述した従来技術には次のような課題があった。すなわち、被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数ｆｏは、音速をＣ、被測定物の厚さをｄとした場合に、ｆｏ＝Ｃ／２ｄとなる。また、ｎ次共鳴周波数ｆｎは、ｆｎ＝ｎＣ／２ｄとなる。したがって、共鳴周波数ｆｏ，ｆｎを測定すれば被測定物の厚さｄを求めることができる。しかし、ここで求めることができる厚さｄは、酸化膜を含んだ被測定物の全厚さ（被測定物の材料全体の厚さ）であって、酸化膜だけの厚さではない。

そこで、上記特許文献１では、周波数による音速の変化から酸化膜の厚さを決定するようにしてあるが、酸化膜の厚さによる音速の変化は非常に小さく、この小さな変化をパラメータにして酸化膜だけの厚さを高精度に測定することは困難であることが判明した。つまり、周波数によって変化する音速をパラメータとしたのでは、酸化膜だけを簡単かつ高精度に測定することができない。

本発明は以上のような問題を鑑みてなされたもので、その目的は、被測定物の表面に付着した酸化膜の厚さを超音波共鳴によって簡単かつ高精度に測定することを可能にした酸化膜厚さ測定方法および装置を提供することにある。

本発明は上記課題の解決手段として次の手段を提供する。
第１の解決手段は、被測定物の表面に付着した酸化膜の厚さを、その被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて測定する酸化膜厚さ測定方法であって、次の処理工程を特徴とする酸化膜厚さ測定方法である。
（１）被測定物の表面に付着した酸化膜の厚さを、その被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて測定する酸化膜厚さ測定方法であって、次の処理工程を特徴とする酸化膜厚さ測定方法。
（１）被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数を２以上の共鳴次数で測定する。
（２）ｎ（任意整数）次共鳴周波数とｎ＋１次共鳴周波数の差の逆数にｎ次共鳴周波数を乗じる演算式により見かけの共鳴次数ｎｘを算出し、この見かけの共鳴次数ｎｘと整数の共鳴次数ｎとのずれを等価位相ψとする。
（３）上記等価位相ψの周波数に対する傾きｋを算出する。
（４）上記傾きｋとあらかじめ用意した検量データとの照合により酸化膜の厚さｈを決定する。

第２の解決手段は、被測定物の表面に付着した酸化膜の厚さを、その被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて測定する酸化膜厚さ測定装置であって、次の手段を備えたことを特徴とする酸化膜厚さ測定装置である。
（１）被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数を２以上の共鳴次数で測定する第１の手段。
（２）ｎ（任意整数）次共鳴周波数とｎ＋１次共鳴周波数の差の逆数にｎ次共鳴周波数を乗じる演算式により見かけの共鳴次数ｎｘを算出し、この見かけの共鳴次数ｎｘと整数の共鳴次数ｎとのずれを等価位相ψとする第２の手段。
（３）上記等価位相ψの周波数に対する傾きｋを算出する第３の手段。
（４）上記傾きｋとあらかじめ用意した検量データとの照合により酸化膜の厚さｈを決定する第４の手段。
（５）上記第４の手段によって決定された厚さｈの出力手段。

被測定物の表面に付着した酸化膜の厚さを超音波共鳴によって簡単かつ高精度に測定することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態をなす酸化膜厚さ測定装置の要部となる構成を抽象化したブロック図で示す。同図に示す装置は、被測定物１０の表面に付着した酸化膜（酸化スケール）１２の厚さｈを、その被測定物１０の厚さ方向における超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて測定するものであって、超音波送受信ユニット２１、第１〜第４の処理手段３１〜３４、検量データベース３５、および出力装置３６を備える。

被測定物１０はボイラー管などであって、管を形成する材質部１１は金属製である。この金属製材質部１１の表面には腐蝕等による酸化膜１２が生じる。
超音波送受信ユニット２１は、被測定物を超音波励振する加振装置と、この励振によって音響（超音波）振動させられた被測定物の振動を検出するセンサとを含んでいる。加振装置とセンサは、圧電素子を用いた圧電方式のもの、電磁誘導を利用した電磁超音波方式（ＥＭＡＴ）など、種々の方式が可能である。この場合、たとえば、励振にはＥＭＡＴを使用し、センサには圧電方式を使用するといった複合方式が好適である。このような超音波送受信ユニット２１を用いて、被測定物１０を厚さ方向で超音波共鳴駆動（励振）すると共に、その振動を広帯域で検出する。

第１の処理手段３１は、上記超音波送受信ユニット２１の検出信号に基づき、被測定物１０の厚さ方向における超音波共鳴周波数を２以上の共鳴次数で測定する。上記超音波送受信ユニット２１の検出信号をスペクトル解析処理することにより、図２に示すように、被測定物１０の振動強度レベルがほぼ一定の周波数間隔ごとに特異的に増大する周波数スペクトルを得ることができる。この周波数スペクトルにて振動強度レベルのピーク点が現れるところが、共鳴周波数である。この共鳴周波数は、被測定物１０の厚さをｄ、超音波の音速をＣとすれば、Ｃ／２ｄの整数倍となる。したがって、ｎ次の共鳴周波数ｆｎは、式（Ａ）で現すことができる。
ｆｎ＝ｎＣ／２ｄ ・・・（Ａ）

上記第１の処理手段３１は、連続する複数の共鳴次数の共鳴周波数をそれぞれ測定する。つまり、複数次の高調波共鳴周波数を測定する。

第２の処理手段３２は、ｎ（任意整数）次共鳴周波数ｆｎとｎ＋１次共鳴周波数ｆｎ＋１の差の逆数にｎ次共鳴周波数ｆｎを乗じる演算式により見かけの共鳴次数ｎｘを算出し、この見かけの共鳴次数ｎｘと整数の共鳴次数ｎとのずれを等価位相ψとする処理を実行する。

ｎ次の共鳴周波数ｆｎとｎ＋１次の共鳴周波数ｆｎ＋１は式（Ｂ）で現すことができる。
ｆｎ＝ｎＣ／２ｄ， ｆｎ＋１＝（ｎ＋１）Ｃ／２ｄ ・・・（Ｂ）
式（Ｂ）において、Ｃは超音波の音速、ｄは被測定管１０の材質部１１と酸化膜１２を含む全体厚さである。

式（Ｂ）から式（Ｃ）を導くことができる。
ｆｎ＋１−ｆｎ＝Ｃ／２ｄ ・・・（Ｃ）
この式（Ｃ）によれば（ｆｎ＋１−ｆｎ）の逆数１／（ｆｎ＋１−ｆｎ）は、（２ｄ／Ｃ）と等価である。この（２ｄ／Ｃ）にｆｎを乗じると、見かけの共鳴次数ｎｘを算出することができる。この見かけの共鳴次数ｎｘは、音速Ｃが周波数に対して不変ならば、整数の共鳴次数ｎと一致する。しかし、共鳴周波数ｆｎとｆｎ＋１とで音速に微妙な変化がある場合、見かけの共鳴次数ｎｘは整数の共鳴次数ｎとはならず、半端な実数となる。

この見かけの共鳴次数ｎｘと整数の共鳴次数ｎとの差（ずれ）を等価的な位相差ψとして求める。つまり、共鳴周波数の周波数によるずれを共鳴次数ごとに等価位相ψに変換する。

第３の処理手段３３は、等価位相ψの周波数に対する傾きｋを算出する。酸化膜１２が生成していない材質部１１だけの被測定物１０では、周波数による超音波音速の変化がないため、上記等価位相ψは周波数に対して一定となる。つまり、周波数に対する傾きがゼロとなる。

一方、被測定物１０の材質部１１の表面に酸化膜１２が生成していた場合には、図３に示すように、上記等価位相ψは周波数に応じ一定の率で変化する。つまり、周波数に対して一定の傾きｋを呈する。この傾きｋを求めるのであるが、この傾きｋは、上述したように、共鳴周波数ｆｎ，ｆｎ＋１の測定データに基づいて算出することができる。

第４の処理手段３４は、上記傾きｋとあらかじめ用意した検量データとの照合により酸化膜の厚さｈを決定する。上記傾きｋは共鳴周波数ｆｎ，ｆｎ＋１の測定データに基づいて算出されるが、この傾きｋは、酸化膜１２の厚さを非常に再現性良く高精度に反映する指標であることが、本発明者らによって知得および確認された。

したがって、被測定物１０の種類ごとに酸化物の厚さｈと上記傾きｋの検量データ（関係データ）を予め作成しておけば、この検量データに上記傾きｋを照合させることにより、酸化膜１２の厚さｈを簡単かつ高精度に決定することができる。この照合を行わせるため、第４の処理手段４には、被測定物１０の種類ごとに作成した検量データ（関係データ）を格納する検量データベース３５が付属している。検量データは被測定物の種類ごとに実測により求めるが、いったん求めた検量データは同種の被測定物に対して繰り返し使用できる。

第４の処理に手段３４にて決定された酸化膜の厚さｈは、プリンタ、ディスプレイ、通信装置などの出力装置３６によって外部へ出力する。

図４は、上記検量データを検量線としてグラフ化して示す。上記傾きｋは、複数箇所での共鳴周波数スペクトル測定により、複数求めることが望ましい。求めた複数の傾きｋを検量線上の位置に近似させることにより、酸化膜（スケール）の厚さｈを簡単に求めることができる。具体的には、酸化膜１２の厚さｈを５％以内の精度で求めることができた。

以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、検量データは必ずしも検量線の形式でなくてもよく、たとえばテーブルデータ形式であってもよい。また、第１〜第４の処理手段３１〜３４などの主要構成部は、汎用処理装置であるコンピュータを用いて単一的な構成に統合させることが可能である。

被測定物の表面に付着した酸化膜の厚さを超音波共鳴によって簡単かつ高精度に測定することが可能になる。

本発明の実施形態をなす酸化膜厚さ測定装置の要部となる構成を抽象化して示すブロック図である。 超音波共鳴周波数の測定例を示すスペクトル図である。 等価位相ψの周波数に対する傾き状態を示すグラフである。 等価位相ψの傾きｋから酸化膜の厚さを照合するための検量線の一例を示すグラフである。

符号の説明

１０ 被測定物
１１ 材質部
１２ 酸化膜（酸化スケール）
２１ 超音波送受信ユニット
３１〜３４ 第１〜第４の処理手段
３５ 検量データベース
３６ 出力装置

Claims (2)

1. 被測定物の表面に付着した酸化膜の厚さを、その被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて測定する酸化膜厚さ測定方法であって、次の処理工程を特徴とする酸化膜厚さ測定方法。
   （１）被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数を２以上の共鳴次数で測定する。
   （２）ｎ（任意整数）次共鳴周波数とｎ＋１次共鳴周波数の差の逆数にｎ次共鳴周波数を乗じる演算式により見かけの共鳴次数ｎｘを算出し、この見かけの共鳴次数ｎｘと整数の共鳴次数ｎとのずれを等価位相ψとする。
   （３）上記等価位相ψの周波数に対する傾きｋを算出する。
   （４）上記傾きｋとあらかじめ用意した検量データとの照合により酸化膜の厚さｈを決定する。
2. 被測定物の表面に付着した酸化膜の厚さを、その被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数スペクトルに基づいて測定する酸化膜厚さ測定装置であって、次の手段を備えたことを特徴とする酸化膜厚さ測定装置。
   （１）被測定物の厚さ方向における超音波共鳴周波数を２以上の共鳴次数で測定する第１の手段。
   （２）ｎ（任意整数）次共鳴周波数とｎ＋１次共鳴周波数の差の逆数にｎ次共鳴周波数を乗じる演算式により見かけの共鳴次数ｎｘを算出し、この見かけの共鳴次数ｎｘと整数の共鳴次数ｎとのずれを等価位相ψとする第２の手段。
   （３）上記等価位相ψの周波数に対する傾きｋを算出する第３の手段。
   （４）上記傾きｋとあらかじめ用意した検量データとの照合により酸化膜の厚さｈを決定する第４の手段。
   （５）上記第４の手段によって決定された厚さｈの出力手段。

Images