電磁波を用いた非接触遠隔探傷試験法の開発

2014 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 26420382
• Research Institution: Gunma University
• Principal Investigator: 本島 邦行 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (30272256)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 非接触探傷試験 / 電磁波伝達関数 / 偶奇モード / エバネッセント波

Outline of Annual Research Achievements

今年度の研究目的は、金属管内を伝搬する電磁波の伝達関数特性を計測することで金属管変形検出を可能にすることである。このために重要となるのは、金属管内を伝搬する広帯域電磁波をいかにして金属管内に放射するかである。以前の研究では、市販の同軸－矩形導波管変換器を用いて矩形導波管内に電磁波を放射し、その後、自作した矩形－円形導波管変換器を経由することで（円形）金属管内に電磁波を放射していた。しかしこの方法では、複数の変換部分があるため各部における反射波が高精度な計測の妨げとなっていたため、円形金属管内に直接電磁波を放射できる機構が必要であった。そこで本年度は、円形金属管片端の上下対称位置に２つの電磁波放射用プローブを設置し、そこから金属管内に直接広帯域電磁波を放射する機構を開発した。
計測にはベクトルネットワークアナライザ（以下、VNAと略す）を用いるが、VNAの2つのポートを上下対称に配置された2つのプローブに各々接続し、Sパラメータ（電磁波伝達関数）を計測する。そして、両ポートにおける計測結果の和と差から”偶モード”と”奇モード”を算出し、”偶奇モード”の伝達関数を評価することで金属管の変形・き裂の高精度検出を可能とした。なお、VNAの2ポートによる計測で”偶奇モード”を用いることは申請書には盛り込まれていないが、今年度新たに採用したアイディアである。
今年度実施した実験では、金属管の片端に設置したプローブから内径28mmの金属管内に電磁波を放射し、偶奇モードの伝搬伝達関数を求めることで、金属管内の変形を模して置かれた4mmX4mmX2mmの金属片を容易に見つけ出すことができた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

申請書に記載された研究目的及び研究計画は、新たな電磁波を用いた金属配管の変形検・き裂探傷試験法の開発を目的とした研究の実施である。具体的には、金属管の片端側から電磁波を照射して電磁波伝達関数を計測することで容易に金属管全体の変形・き裂を検出する新たな試験方法の開発である。
この研究目的・計画に関しては実際の金属管を用いた実験結果から、金属管の変形検出・き裂探傷試験が可能であることを実証することができた。この実験では、内径28mmの金属管内に、管の変形を模して置かれた4mmX4mmの金属片を容易に見つけ出すことができている。しかし、金属管の片端に配置したプローブの整合特性がまだ十分でなく、このためプローブ自体からの反射波が生じてしまい高精度計測の妨げとなっている。
そのため、総合的に判断した結果、”(２)おおむね順調に進展している。”とした。

Strategy for Future Research Activity

申請書では、次年度(平成27年度)以降は独自の電磁波源位置特定法により、金属管表面に生じたき裂からの漏洩電磁波を遠隔計測することで、離れた位置からき裂位置を特定する研究を実施する予定であった。しかし、今年度の「現在までの達成度」に記載したよう、金属管内に直接電磁波を放射するプローブの整合特性がまだ十分でないため、高精度計測の妨げとなっている。これは、プローブ自体からの反射波が、検出しなければならない微小な金属管変形・き裂からの反射波をマスクしてしまうためである。そこで次年度は、まず初めにプローブの整合特性改善を実施する予定である。これにより、今年度より高精度な金属管変形・き裂探傷試験が可能となる。
また実際の工場プラントで用いられている金属管は、一本の単純な配管ではなく途中に分岐点を持つ配管などもある。本計測手法を実用化する場合には、このような分岐点を有する金属管の計測も考慮しなければならない。そこで、金属管分岐点からの電磁波反射および伝達関数変化も対象として研究を進める予定である。

Causes of Carryover

今年度予算の主な使途は、高性能なプローブを作製して高精度に電磁波伝達関数（Sパラメータ）を計測するための環境として、ベクトルネットワークアナライザ用の校正キット（約50万円）を予定していた。しかし、項目”現在までの達成”と”今後の研究の推進方策　等”に記載したように、プローブの整合特性がまだ十分でないために、当該の校正キットを使用する段階に至っておらず購入もしていなかった。また、それに付随して高精度実験も実施していなかったため、関連消耗品（高周波ケーブル、高周波コネクタ）も購入していなかったため、合わせて生じた「次年度使用額」である。

Expenditure Plan for Carryover Budget

項目”今後の研究の推進方策　等”に記載したとおり、次年度(平成27年度)は初めにプローブの整合特性改善を実施する予定である。これがなされれば、今年度の実験結果より高精度計測が可能となるため、それに伴って計測器も高精度な校正が必要となる。そこで、今年度購入するはずだった”ベクトルネットワークアナライザ用の校正キット”を購入する予定である。また、この実験を実施するための関連消耗品（高周波ケーブル、高周波コネクタ）も購入する予定である。