JP2012037251A

JP2012037251A - 渦電流探傷方法と渦電流探傷装置

Info

Publication number: JP2012037251A
Application number: JP2010174913A
Authority: JP
Inventors: Mitsunobu Takigawa; 光伸瀧川; Jun Kobayashi; 潤小林; Masanobu Koseki; 昌信小関; Naoki Saito; 直樹斎藤
Original assignee: Marktec Corp; East Japan Railway Co
Current assignee: Marktec Corp; East Japan Railway Co
Priority date: 2010-08-03
Filing date: 2010-08-03
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2030-08-03
Also published as: JP5615618B2

Abstract

【課題】、人工キズの深さ・キズ信号の位相のデータと実キズの位相を比較して、実キズの深さを推定する渦電流探傷方法において、キズの形状等に起因するキズ信号の位相の変化量を求めて実キズの位相を補正すること。
【解決手段】
図１（ａ）において、基準として使用する補正用実キズよりも飽和深さが浅くなる試験周波数により人工キズの被検査体を探傷して得られたキズ信号のキズの深さ・位相のデータ（グラフａ）を取得する。次に補正用実キズの被検査体を同じ試験周波数により探傷して補正用実キズのキズ信号の位相ＰＴを取得する。飽和深さＤＳｓにおける飽和位相ＰＳｓと補正用実キズの位相ＰＴとの位相差をキズの形状等に起因して発生するキズ信号の位相の補正値を求めるために使用する。
【選択図】図１

Description

本願発明は、被検査体を所定の試験周波数によって探傷し、得られたキズ信号の位相に基づいて被検査体のキズの深さを推定する渦電流探傷方法と渦電流探傷装置に関する。

従来キズ信号の位相に基づいてキズの深さを推定する方法として次の方法が提案されている。
まず深さの分かるキズを有する被検査体を所定の試験周波数によって探傷し、得られたキズ信号のキズの深さ・位相のデータを取得する。次に同じ試験周波数を用いて、実際にキズの深さを推定したい被検査体を探傷して、キズ信号の位相を取得する。取得した実キズのキズ信号の位相を人工キズの深さ・キズ信号の位相のデータと比較してキズの深さを推定する（例えば特許文献１参照）。
ここで本願は、上記キズの深さ・位相のデータを取得するために使用する深さの分かるキズを，一般的に人工キズで得ることから，「人工キズ」と呼び、補正値を求める際に使用する実キズを「補正用実キズ」，実際に深さを推定するキズを「深さ推定用実キズ」と呼ぶ。なお補正用と深さ推定用として同一の実キズが使用される場合もある。また人工キズのキズ信号の位相、補正用実キズのキズ信号の位相および深さ推定用実キズのキズ信号の位相は、夫々「人工キズの位相」、「補正用実キズの位相」、「深さ推定用実キズの位相」と呼ぶ。さらに渦電流探傷プローブの励磁コイルに供給する所定周波数の励磁電流を「試験周波数」と呼び、検出コイルにより得られた信号を同期検波して得られる信号を「キズ信号」と呼ぶ。

図５（ａ）は、人工キズを形成した被検査体を所定の試験周波数により探傷して、得られた人工キズの深さ・キズ信号の位相のデータに基づいて作成したグラフの一例を示す。横軸は、キズの深さＤ（ｍｍ）、縦軸は、キズ信号の位相Ｐ（度）を示す。
このグラフを用いて実キズの深さを推定するときは、実キズを探傷して得られたキズ信号の位相を、図５（ａ）のグラフと比較して実キズの深さを推定する。
なおキズ信号の位相は、キズの深さが深くなるほど大きくなるが、ある深さＤt以上ではあまり位相が変化しなくなり（本願では便宜上これを飽和したと表現することとする）、そのときの位相はＰｔとなる。したがってキズ信号の位相は、キズがＤｔよりも深くなるとあまり変化せずにほぼ一定の値Ｐｔとなる。またキズ信号の位相が飽和するキズの深さＤｔは、試験周波数によって異なり、その周波数が低くなるほど深くなる。即ち試験周波数が低くなると、深いキズの深さを推定することが可能となる。
ここで本願は、キズ信号の位相が飽和するときのキズの深さＤｔを飽和深さと呼び、飽和深さＤｔのときのキズ信号の位相を飽和位相と呼ぶ。

キズの深さとキズ信号の位相の関係を示すグラフは、渦電流探傷プローブの種類によって、図５（ｂ）のように図５（ａ）の特性と逆になる場合がある。即ち図５（ｂ）は、キズの深さが深くなるほどキズ信号の位相が小さくなる。実キズの深さは、図５（ｂ）のグラフを用いて推定できるが、図５（ｂ）の位相に「−１」をかけて補正すると、図５（ａ）のグラフに変換できるから、図５（ａ）の特性に統一した方がキズの深さの推定に便利である。

特開２００２−３５０４０６号公報

従来の実キズの位相を人工キズの深さ・キズ信号の位相のデータと比較して実キズの深さを推定する方法は、人工キズと実キズの形状（例えばキズの長さ）、リフトオフ等の条件が同じ場合には、両者を単純に比較できるが、キズの形状等が異なる場合には、その形状等によりキズ信号の位相が変化する。即ち人工キズと実キズの深さが同じであっても、実キズの形状等が人工キズと異なる場合には、検出された実キズの位相は、人工キズの位相と異なることがある。
本願発明は、上記キズの形状等の影響に鑑み、人工キズと実キズの形状等の相違に起因して生じるキズ信号の位相差を求める方法を提供するとともに、その位相差によりキズ信号の位相を補正し、その補正した位相を人工キズの深さ・キズ信号の位相のデータ（例えば図５（ａ））と比較して実キズの深さを推定する渦電流探傷方法と渦電流探傷装置を提供することを目的とする。

本願発明は、その目的を達成するため、請求項１に記載の渦電流探傷方法は、人工キズの被検査体を所定の試験周波数で探傷して得られたキズ信号のキズの深さ・位相のデータと、深さ推定用実キズの被検査体を前記の試験周波数で探傷して得られたキズ信号の位相を補正値により補正した位相と比較して実キズの深さを推定する渦電流探傷方法において、補正用実キズの深さにおいて位相が飽和する試験周波数により，飽和深さ以上の深さを有する人工キズと補正用実キズを探傷して得られた両キズ信号の位相差を求め、その位相差を使用して補正値を求めることを特徴とする。
請求項２に記載の渦電流探傷方法は、請求項１に記載の渦電流探傷方法において、前記補正値を求める試験周波数と前記深さ推定用実キズの位相を求める試験周波数は、同じであることを特徴とする。
請求項３に記載の渦電流探傷方法は、請求項１に記載の渦電流探傷方法において、前記深さ推定用実キズのキズ信号の位相を求める試験周波数（Ｆｌ）は、前記補正値を求める試験周波数（Ｆｈ）より低く、前記深さ推定用実キズの補正した位相は、人工キズの被検査体を前記低い試験周波数（Ｆｌ）で探傷して得られたキズ信号のキズの深さ・位相のデータと比較することを特徴とする。
請求項４に記載の渦電流探傷装置は、人工キズにより得られたキズ信号のキズの深さ・位相のデータを記憶する人工キズのデータ記憶部、被検査体を補正用および深さ推定用の試験周波数で探傷する探傷部、補正用および深さ推定用実キズ信号の位相を求める位相算出部、補正用実キズの被検査体を探傷して得られたキズ信号の位相を記憶する補正用実キズの位相記憶部、深さ推定用実キズの被検査体を探傷して得られたキズ信号の位相を記憶する深さ推定用実キズの位相記憶部、人工キズと補正用実キズを探傷して得られた両キズ信号の位相差を算出する位相差算出部およびその位相差を記憶する位相差記憶部、位相差記憶部の位相差を補正して補正値を求める位相差補正部、深さ推定用実キズのキズ信号の位相を前記補正値で補正した位相を前記データと比較して深さ推定用実キズの深さを推定するキズの深さ推定部を備えていることを特徴とする。

本願発明は、人工キズの被検査体の探傷により得られた位相と実キズの被検査体の探傷により得られたキズ信号の位相差を、飽和位相の差で求めることから、位相差を求めるために使用する人工キズと補正用実キズの深さが正確に同じでなくてもよい。このため，深さ推定用実キズの位相を補正する値を簡単に求めて、実キズのキズ信号位相を人工キズでの対応する位相に補正することができる。また本願発明は、被検査体が鉄道のレールのようにキズの形状等が類似している被検査体の場合には、一度補正値を求めれば、他の被検査体の探傷にその補正値を用いることができるから、探傷作業毎に補正値を取得する必要がない。また本願発明を使用すれば探傷しながらその都度補正値を取得することができるため，キズの形状等が類似でない場合でもキズ深さを精度よく推定することが可能である。

図１は、本願発明の実施例に係る渦電流探傷方法を説明する図である。図２は、図１の渦電流探傷方法を用いて鉄道のレールに発生したきしみ割れの深さを推定した実験例を説明する図である。図３は、図１の渦電流探傷方法を用いて鉄道のレールに発生したきしみ割れの深さを、リフトオフを変えて推定した実験例を説明する図である。図４は、本願発明の実施例に用いる渦電流探傷装置のブロック図である。図５は、従来知られている、被検査体のキズの深さとキズ信号の位相の関係を示す図である。

キズ信号の位相は、キズの深さのみでなくキズの形状等の影響も受けるから、人工キズと実キズを同じ試験周波数で探傷した場合、両キズのキズ信号は、同じ深さのキズを探傷しても位相の異なる場合がある。その場合両キズ信号の位相は、同じ深さにおいて上下に移動する。例えば図１（ａ）の場合、飽和深さＤＳｓの位置は変わらずに、実キズの位相が人工キズの対応する深さの位相に対して上下（縦軸方向）に移動するだけである。したがって実キズの形状等がキズ信号の位相に与える影響は、両キズ信号の位相差により求めることができる。
そこで、本願発明は、上記位相差を求めるために使用する補正用実キズの深さにおいて位相が飽和する試験周波数を用いて、人工キズと実キズを探傷し、両キズのキズ信号の位相差（飽和位相の差）を求め、その位相差を位相の補正値を求めるのに用いる。深さをもとめようとする実キズの深さは、得られた深さ推定用実キズの位相を補正値により補正し、その補正した位相を人工キズの深さ・キズ信号の位相のデータと比較して推定する。
飽和深さより浅いところでは，深さの変化に対して位相の変化が急激であるため補正値を求めるために補正用実キズの深さを正確に求めた上で対応する人工キズによる位相と比較する必要があるが，本願発明のように飽和深さを使用すれば実キズの深さが飽和深さよりも深いことがわかればよいので正確な深さを測定する必要がない。

図１（ａ）により本願発明の実施例１に係る渦電流探傷方法を説明する。
図１（ａ）は、人工キズを形成した被検査体を所定の試験周波数で探傷したときに得られたキズ信号のキズの深さ・位相のデータをグラフａにしたものである。図１（ａ）において、横軸は、キズの深さを示し、縦軸は、キズ信号の位相を示す。
ＤＳｓは、飽和深さ、ＰＳｓは、飽和位相である。
試験周波数は、補正用実キズの深さが飽和深さＤＳｓ以上となる周波数を選定する。即ち試験周波数は、その試験周波数においてそれ以上キズが深くなっても位相がほとんど変化しなくなる深さよりも補正用実キズの深さが深くなるような試験周波数を選定する。飽和深さＤＳｓより深いキズのキズ信号の位相は、飽和位相ＰＳｓになる。即ちキズが飽和深さＤＳｓより深い場合には、キズ信号の位相は、飽和位相ＰＳｓになり、ほぼ一定になる。

次に実キズのある被検査体Ｓ１を人工キズの探傷時と同じ試験周波数で探傷し、得られたキズ信号の位相をＰＴとすると、実キズの位相ＰＴは、人工キズの飽和深さＤＳｓにおいても上下に移動しただけであるから、両キズの位相差（ＰＳｓ−ＰＴ）は、キズの形状等に起因する位相差になる。即ち位相差（ＰＳｓ−ＰＴ）は、キズ信号の位相の補正値となる。
次に深さ推定用実キズの深さが飽和深さＤＳｓよりも浅く、キズの形状等の条件が被検査体Ｓ１と略同じ他の被検査体Ｓ２は、上記補正値を用いて人工キズの深さ・キズ信号の位相のデータ（図１（ａ））と比較することにより、実キズの深さを推定することができる。キズの形状等の条件が略同じ被検査体には、例えば、きしみ割れの発生している鉄道のレール等がある。レールの場合には、探傷条件が同じで同じ種類のキズを対象とするのであれば一度位相の補正値を求めれば、他のレールの探傷にその補正値を使うことができる。

また前記被検査体Ｓ２を探傷する場合、前記試験周波数より低い試験周波数を用いて探傷することもできる。その場合得られたキズ信号の位相は、前記補正値を用いて補正できるが、その際前記補正値は、人工キズの試験周波数と実キズの試験周波数比（後述する）に基づいて補正した補正値を用いる。なお試験周波数は、周波数が低くなるほど飽和深さは深くなる。

図１（ｂ）は、周波数が異なる２種類の試験周波数を用いて実キズの深さを推定する例である。
試験周波数は、周波数Ｆｈと周波数Ｆｈよりも低い周波数Ｆｌを用い、同一の実キズを補正用と深さ推定用として兼用する。
まず人工キズを形成した被検査体を周波数Ｆｈ，Ｆｌで周波数以外の条件を同じにして探傷する。得られた人工キズの深さ・キズ信号の位相のデータは、グラフｂｈ、ｂｌとなる。グラフｂｈは、周波数Ｆｈに対応し、グラフｂｌは、周波数Ｆｌに対応している。周波数Ｆｈの飽和深さは、ＤＳｓｈ、飽和位相は、ＰＳｓｈであり、周波数Ｆｌの飽和深さは、ＤＳｓｌである（キズの深さは、ＤＳｓｈ＜ＤＳｓｌとなる）。
周波数Ｆｈは、深さ推定用実キズで深さを推定しようとする最小の深さ以上のキズに対してキズ信号の位相がほとんど変化しなくなる（飽和する）周波数に選定する。即ち周波数Ｆｈは、深さ推定用実キズの最小の深さ以上のキズに対して飽和深さＤＳｓｈとなるように、また周波数Ｆｌは、深さ推定用実キズの最小の深さで飽和しないように、即ち飽和深さＤＳｓｈよりも深いキズで飽和するように選定する。

次に実キズのある被検査体を同条件（同リフトオフ）で周波数Ｆｈ，Ｆｌを使用して探傷する。同条件で探傷を行うには，同じリフトオフとなるようにして複数回走査してもよいし，一つのプローブに同時または時分割で複数の試験周波数の励磁をおこなってもよい。そのとき周波数Ｆｈの試験周波数によって得られたキズ信号の位相は、ＰＴｈである。
キズ信号の位相の補正値は、周波数Ｆｈの試験周波数により得られたキズ信号の位相差（ＰＳｓｈ−ＰＴｈ）により求める。実キズの深さの推定は、周波数Ｆｌの試験周波数により得られたキズ信号の位相を、人工キズの周波数Ｆｌのキズの深さ・キズ信号の位相データ（グラフｂｌ）と比較して行うが、補正値は、前記位相差（ＰＳｓｈ−ＰＴｈ）を用いる。その際補正値は、周波数Ｆｈ，Ｆｌの周波数比の平方根を用い、（ＰＳｓｈ−ＰＴｈ）×１／（Ｆｌ／Ｆｈ）^1/2に補正したものを用いる。なおこの補正方法は、浸透深さを求める式１／（πｆｕρ）^1/2（ｆは試験周波数、ｕは透磁率、ρは導電率）を考慮したものである。また補正値の補正は、周波数Ｆｈ，Ｆｌの差が小さい場合には、行わなくてもよい。

図1（ｂ）の場合、実キズの位相の推定は、人工キズのグラフｂｌを用いて行い、キズ信号の位相の補正値は、人工キズのグラフｂｈを用いて求めるが、渦流探傷試験で検出できるキズの深さには限界があるためそれを考慮した適切な周波数Ｆｈを選択していれば検出される信号は，周波数Ｆｈの飽和深さＤＳｓｈよりも深いキズとなる。したがって実キズの被検査体を破壊する等して、飽和深さＤＳｓｈを確認しなくても周波数Ｆｈの試験周波数によって実キズの被検査体を探傷することにより飽和深さＤＳｓｈに対応する位相の補正値を求めることができる。
図1（ｂ）の場合、周波数Ｆｈ，Ｆｌの試験周波数による探傷は、同条件で行うから、リフトオフの影響も補正される。

図２は、実施例１の渦電流探傷方法により、鉄道のレールのきしみ割れと呼ばれるキズの深さを推定した例である。きしみ割れは、レールの表面から内部に向い、多数密集して発生するキズである。
図２（ａ）は、人工キズを形成した被検査体を試験周波数２００ｋＨｚにより、リフトオフ０．５ｍｍで探傷して得たキズ信号のキズの深さ・位相のデータに基づいて作成したグラフである。
キズ信号の位相は、理想的には、キズが深くなる程大きくなり、ある深さにおいてピークに達し、以降一定になるが、本実験では、深さが１ｍｍ付近でピークに達し、以降減衰する傾向になった。そこでその点を勘案して、飽和深さは、０．６ｍｍとした。飽和深さが０．６ｍｍのときの飽和位相は、約３０度である。
次にレールＡについて、試験周波数２００ｋＨｚにより、リフトオフ０．５ｍｍで探傷した結果、キズ信号の位相は、約２５度であった。したがってレールＡの場合、キズ信号の位相の補正値は、５度（３０度−２５度）となる。
なおレールＡは、探傷後破壊して側定した結果、キズの深さは、１ｍｍ以上のキズが複数存在することが確認できており、得られたキズ信号の位相は飽和位相であると考えられる。

図２（ｂ）は、レールＢについて長さ４２０ｍｍの範囲を２０区分に分割し、試験周波数２００ｋＨｚにより、リフトオフ０．５ｍｍで探傷して、区分毎にキズの深さを推定した結果を示す。
キズの深さの推定結果は、第４区分において０．６ｍｍ以上、他の区分において０．６ｍｍ以下である。
なおレールＡは、探傷後破壊して側定した結果、キズの深さは、０．４ｍｍ程度であった。

図３は、被検査体をリフトオフ０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍで探傷してキズの深さを推定した結果を示す。被検査体は、図２と同じレールＡを用いた。また探傷範囲は、図２と同じ２０区分に分割した。
図３（ａ）は、レールＡについて、試験周波数２５ｋＨｚにより区分毎にキズの深さを推定した結果を示す。
キズ信号の位相の補正値は、図２で求めた補正値５度を、試験周波数の周波数比を用いて、５×１／（２５ｋＨｚ／２００ｋＨｚ）^1/2に補正した補正値を用いた。
キズの深さは、リフトオフが大きくなるほど深めに推定される結果となっている。

図３（ｂ）は、レールＡについて、実施例２の渦電流探傷方法により区分毎にキズの深さを推定した結果を示す。試験周波数は、実施例２の試験周波数Ｆｈが２００ｋＨｚ、試験周波数Ｆｌが２５ｋＨｚの場合である。
図３（ｂ）の場合には、リフトオフ毎の深さのバラツキが小さくなる。

次に図４により実施例１，２の渦電流探傷方法に用いる渦電流探傷装置の一例について説明する。
人工キズのデータ記憶部２１において、人工キズにより得られたキズ信号のキズの深さ・位相のデータが記憶される。探傷部１１において補正用および深さ推定用の試験周波数で実キズの被検査体１２を探傷してキズ信号を取得する。取得されたキズ信号の位相は位相算出部２４により算出され、適切に補正用実キズの位相記憶部２２や深さ推定用実キズの位相記憶部２３に記憶される。位相差算出部３１は、人工キズのデータ記憶部２１の飽和深さにおける飽和位相と補正用実キズの位相記憶部２２の飽和深さにおける飽和位相から位相差を算出し必要に応じて位相差記憶部３２に記憶する。位相差補正部３３は、位相差算出部３１で求めた位相差を必要に応じて周波数比で補正し、必要に応じて記憶する。キズの深さ推定部３４は、人工キズのデータ記憶部２１の人工キズの深さ・キズ信号の位相のデータと、位相差補正部３３で求めた補正値と深さ推定用実キズ位相記憶部２３で記憶した位相から実キズの深さを推定する。推定したキズの深さは、キズの深さ記憶部４１に記憶し、必要に応じて表示装置４２に表示する。なお人工キズのデータ記憶部２１の人工キズの深さ・キズ信号の位相のデータは、事前に別の探傷装置で取得してもよいし、位相算出部２４により算出してもよい。またそのデータは、グラフ等の形式で表示装置４２に表示することもできる。その場合には、表示装置４２のグラフ等を用いて実キズの深さを推定することもできる。

ａ，ｂｈ，ｂｌ人工キズに対するキズ信号のキズの深さ・位相の特性
ＤＳｓ，ＤＳｓｈ，ＤＳｓｌ飽和深さ
ＰＳｓ，ＰＳｓｈ飽和位相
ＰＴ実キズの位相

Claims

人工キズの被検査体を所定の試験周波数で探傷して得られたキズ信号のキズの深さ・位相のデータと、深さ推定用実キズの被検査体を前記の試験周波数で探傷して得られたキズ信号の位相を補正値により補正した位相と比較して実キズの深さを推定する渦電流探傷方法において、補正用実キズの深さにおいて位相が飽和する試験周波数により，飽和深さ以上の深さを有する人工キズと補正用実キズを探傷して得られた両キズ信号の位相差を求め、その位相差を使用して補正値を求めることを特徴とする渦電流探傷方法。
請求項１に記載の渦電流探傷方法において、前記補正値を求める試験周波数と前記深さ推定用実キズの位相を求める試験周波数が同じであることを特徴とする渦電流探傷方法。
請求項１に記載の渦電流探傷方法において、前記深さ推定用実キズのキズ信号の位相を求める試験周波数（Ｆｌ）は、前記補正値を求める試験周波数（Ｆｈ）より低く、前記深さ推定用実キズの補正した位相は、人工キズの被検査体を前記低い試験周波数（Ｆｌ）で探傷して得られたキズ信号のキズの深さ・位相のデータと比較することを特徴とする渦電流探傷方法。
人工キズにより得られたキズ信号のキズの深さ・位相のデータを記憶する人工キズのデータ記憶部、被検査体を補正用および深さ推定用の試験周波数で探傷する探傷部、補正用および深さ推定用実キズ信号の位相を求める位相算出部、補正用実キズの被検査体を探傷して得られたキズ信号の位相を記憶する補正用実キズの位相記憶部、深さ推定用実キズの被検査体を探傷して得られたキズ信号の位相を記憶する深さ推定用実キズの位相記憶部、人工キズと補正用実キズを探傷して得られた両キズ信号の位相差を算出する位相差算出部およびその位相差を記憶する位相差記憶部、位相差記憶部の位相差を補正して補正値を求める位相差補正部、深さ推定用実キズのキズ信号の位相を前記補正値で補正した位相を前記データと比較して深さ推定用実キズの深さを推定するキズの深さ推定部を備えていることを特徴とする渦電流探傷装置。