2019 Fiscal Year Research-status Report
金属管内電磁波伝搬を用いた高精度金属配管欠陥検出法
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19K04919
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
本島 邦行 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (30272256)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 金属管欠陥探傷 / 電磁波伝搬 / 電磁波位相特性 / 群速度遅延 / 遠隔計測 / 熱交換器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究テーマは、金属管を電磁波伝搬用の”円形導波管”に見立て、その内部に電磁波を放射して管内を伝搬させ、その伝送特性から金属管内の様子を容易に計測する独自の計測法である。
そこで本年度は、湾曲部を多数持つ金属管内の電磁波伝搬特性を把握するため、ベクトルネットワークアナライザ（以下、VNA）から送出された高周波信号を、同軸導波管変換器→矩形円形導波管変換器→多数の湾曲部を持つ被測定金属管→矩形円形導波管変換器→同軸導波管変換器→VNA（計測）として、測定系全体の伝送特性を調べた。実測実験の結果、多数の湾曲部を有する円形金属管であっても直線円形金属管と変わりない伝送特性を持つことが明らかとなった。この結果は、熱交換器に代表される多数の湾曲部を持つ金属管が被測定対象であった場合でも本計測手法が有効であることを示しており、本研究テーマにおける計測手法の基礎に問題がないことが確認できたといえる。なお、実験では湾曲部を最大3カ所まで設けた円形金属管を用いたが、湾曲部の多寡による計測上の障害が無いことを確認した。
一方、湾曲部の多寡に関わらず金属管長が長くなるほど、金属管内を伝搬する電磁波の減衰が増加していた。これは、内面に銀を塗布した正式な導波管とは異なり、被測定対象である金属管材料は銀より導電性の劣る鉄を主とした材料であることによる。しかし、本研究テーマの電磁波計測手法では、電磁波の伝搬における減衰量の影響を受けづらい伝搬位相特性（群速度遅延特性）を用いているため、減衰量が増大する管長が長い金属管が対象であっても計測精度にほとんど影響を受けない。この点は、本研究テーマで提案している電磁波伝搬位相特性を用いた計測法の特長であり、本方法の優位性が立証できたといえる。
この研究成果は、2019年度第10回電気学会栃木・群馬支所合同研究発表会にて報告した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究テーマの申請書では、１．金属管内電磁波放射用プローブの開発、２．多数の湾曲部を有する金属管内電磁波伝搬特性の解明、３．金属管内の欠陥（異物の存在、管の変形、き裂）検出と計測感度の向上、を計画していた。
しかし、本研究テーマでは計測対象が鋼鉄製の金属管であるため、本来の円形導波管のように内面に銀を塗布して金属管内面の電気抵抗を下げて低損失化したものでないため、金属管内を伝搬する電磁波の損失が大きく問題となる可能性があった。そこで、申請書に記載された研究の実施順を変更し、２の多数の湾曲部を有する金属管内電磁波伝搬特性の解明を優先しておこない、その中で電磁波の金属管内伝搬損失の影響を評価した。その結果は、研究実績の概要で記載した通り、被計測金属管が鋼鉄製であるために生じる電磁波伝搬損失があっても、本計測法では位相特性（群遅延特性）を対象として計測しているため、伝搬損失の影響をあまり受けないことが明らかとなった。この進捗状況は、令和2年度に実施するはずであった研究内容を順番を入れ替えて令和元年度におこなったことになる。また、ここまでの研究成果は2020年3月に予定されていた2019年度第10回電気学会栃木・群馬支所合同研究発表会で報告している。
一方、金属配管に分岐部が存在する場合、そこからの反射によって計測精度が乱される可能性がある。今年度はそのための計測準備も進めていたが、まだ計測するまで準備ができていないため次年度の研究実施内容とする。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までの進捗状況で述べたように、本研究テーマの申請書記載の研究実施順とは異なった順番で研究を実施している。そこで、今後は順番が入れ替わったためにまだ実施できていない研究内容を進めてゆく予定である。
また、申請書には言及されていなかったが、金属配管に分岐部が存在する場合、その分岐部で電磁波の反射が生じるため、本計測法の測定精度に影響を与える可能性がある。そこで今後の研究方針としては、その点も研究実施内容に加えて、複数の分岐部を有する金属配管を被計測対象とした場合における本計測方法の測定精度の評価も行う予定である。
また、申請書に記載された予定では、広帯域電磁波を扱える電磁波プローブの開発を行う予定であった。しかし、研究実績の概要で述べたように、VNA→同軸導波管変換器→矩形円形導波管変換器→多数の湾曲部を持つ被測定金属管→矩形円形導波管変換器→同軸導波管変換器→VNA、の実験系でも十分な計測精度が得られている。
そのため、今年度行った実験系でこのまま研究を遂行するのか、あるいは高精度な電磁波プローブを開発し計測環境を変更した方が良いのかの判断を下して、どちらかの方法で研究を遂行する予定である。
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| Causes of Carryover |
今年度は、被計測対象とした湾曲部を持つ円形金属管が市販されていなかったため、特注により製造してくれる業者を探すのに時間がかかった。そのために予算執行時期が遅れ、さらに別の研究テーマでも同様の湾曲部を持つ円形金属管が必要であったため、そちらの予算を優先して執行することで研究をすすめた。そのため、今年度予算が予定通りに使われなかったことにより「次年度使用額」が「0」以上となった。
次年度は、本研究テーマの主題である高感度計測を達成するために、高精度な電磁波プローブを開発しなければならない。そのために、今年度繰り越した予算を充当して研究をすすめる予定である。もし、電磁波プローブを使用するのではなく、今年度開発したVNA→同軸導波管変換器→矩形円形導波管変換器→多数の湾曲部を持つ被測定金属管→矩形円形導波管変換器→同軸導波管変換器→VNA、の実験系の方が高精度計測上有用であることが判明し、この計測システムを用いることになるならば、さらに同軸導波管変換器や矩形円形導波管変換器を追加購入して多数の分岐を持つ金属配管の評価を行う実験システムを構築することに予算を充当する予定である。
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