超音波探傷式流動計測と機械学習による複雑流路欠陥のスマートセンシング

使用超声波流量测量和机器学习智能传感复杂流路缺陷

基本信息

批准号：
20J15257
负责人：
荘司成熙
金额：
$ 1.47万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

原子力発電所等における工業配管内流動及び欠陥から早期破断リスク評価を行うための超音波探傷式流動計測システムの開発を目的とし，令和3年度においては前年度に構築した超音波計測ハードウェアの改良，信号処理法の高度化，並びにこれらシステムの統合化を図った．計測ハードウェアにおいては三次元流速ベクトル分布計測に向け多素子，複トランスデューサを同時制御可能な電子回路を新たに設計及び実装し，本ハードウェア及びトランスデューサアレイを用いた三次元流速ベクトル分布計測システムを構築した．本システムの精度検証のため，流速分布を解析的に得られる剛体回転流れを計測し，約15％程度の誤差で流速ベクトルが得られた．またエコー信号の信号対雑音比（SN比）を改善するパルス圧縮法を適用するため，送信パルスとして周波数変調波形の送信をハードウェア的に可能とし，参照波形との相互相関処理を行うことでSN比が向上した．これにより，低SN比信号においても前年度構築した流速ダイナミックレンジ拡張信号処理法を用いた流速計測が可能となることを明らかにした．加えて，金属配管への適用性向上のため，配管内を伝搬する超音波信号と流体中を伝搬する超音波信号を分離する信号処理法を新たに開発し，これにより流速分布計測精度が向上することを確認した．また，超音波流速分布計測と探傷の同時計測による欠陥検出に向け，基礎検討として流速分布計測及び探傷をそれぞれ行うトランスデューサを用い，これらが一体となるホルダを試作した．本システムを用い，種々の配管内模擬亀裂深さにおいて計測することで，エコーピーク位置に加え，流速分布形状，乱流強度値が欠陥検出およびその形状分類における特徴量となる可能性があることを明らかにした．これら研究成果により，配管壁内欠陥と配管内流速分布を同時計測可能な超音波探傷式流速分布計測システムの実現可能性を示すことができた．

为了开发一个超声波检测类型流量测量系统，以早日评估核电厂的工业管道等裂缝风险以及2021财年的工业管道的缺陷，其目的是改善上一年建造的超声测量硬件，改善信号处理方法并集成这些系统。在测量硬件中，新设计和实现了可以同时控制多个元素的电子电路和三维流速度矢量分布测量的双传感器，并且已经构建了三维流量矢量分布测量系统，并使用此硬件和transducer阵列构建了三维流量矢量分布测量系统。为了验证该系统的准确性，测量了可以通过分析流速分布来获得的刚体旋转流，并测量了流速矢量，误差约为15％。此外，由于将脉冲压缩方法应用于提高回声信号的信噪比（SN比），因此可以将频率调节波形传输为硬件中的频率脉冲，并通过与参考波形进行互相关，因此SN比率得到了提高。这表明即使对于低SN信号，也可以使用去年构建的流速动态范围扩展信号处理方法来测量流速速度。此外，为了提高其对金属管道的适用性，已经开发了一种新的信号处理方法，以分离管道内传播的超声信号和通过流体传播的超声信号传播，以确认这提高了测量流速分布的准确性。此外，为了通过同时测量超声流速度分布和缺陷检测来检测缺陷检测，我们使用了执行流速分布和缺陷检测的传感器作为基本研究，并创建了将它们结合在一起的原型持有人。使用该系统，我们透露，除了回声峰的位置外，流速分布形状和湍流强度值可以是通过测量管道中的各种模拟裂纹深度来进行缺陷检测和形状分类的特征值。这些研究结果表明，超声波检测类型流速度分布测量系统的可行性可以同时测量管道壁中的缺陷和管道中的流速分布。