JP2013036824A - 超音波レール探傷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる検出範囲に対応する複数のチャネルを有し、該複数のチャネルに対応して設けられた複数の超音波探触子から超音波パルスをレールに送信し、その反射エコーからレールの傷を検出する超音波レール探傷装置において、搭載される車両の検査中の走行速度を速くして、検査時間を短縮することを可能にする。
【解決手段】複数の超音波探触子１２ａ〜１２ｇは、その検出範囲に対応する受信時間に応じて、第１間隔で超音波パルスを送信する１つ以上の超音波探触子１２ａ、１２ｂ、１２ｅ、１２ｆと、第１間隔よりも大きい第２間隔で超音波パルスを送信する１つ以上の超音波探触子１２ｃ、１２ｄ、１２ｇとの少なくとも２グループに分けられており、それぞれ対応する間隔で超音波パルスを送信する。
【選択図】図３

Description

本発明は、鉄道レール等のレール上を走行する車両に搭載され、異なる検出範囲に対応する複数のチャネルを有し、該複数のチャネルに対応して設けられた複数の超音波探触子から超音波パルスをレールに送信し、その反射エコーからレールの傷を検出する超音波レール探傷装置に関する。

従来、この種の超音波レール探傷装置としては、例えば、特許文献１または２に記載された装置が知られている。

特許文献１または２に記載された探傷装置は、異なる検出範囲に対応する複数のチャネルが設定され、複数のチャネルに対応して複数の超音波探触子を備えている。

このような従来の探傷装置は超音波レール探傷車に搭載されており、超音波レール探傷車がレール上を走行するのと共に、各超音波探触子は一定間隔で対応する検出範囲に向けて超音波パルスをレールに一斉に入射して、検出範囲に傷等の反射源が存在していた場合にその反射エコーを受信しており、反射エコーの受信強度、回数等から傷を評価するようになっている。

超音波レール探傷車の走行速度は、各超音波探触子が、対応する検出範囲での探傷を行うための超音波パルスの送受信を行うことができるように、その最大速度が設定されている。

特開平１０−２８８７号公報 特許第３６３８１７４号公報

ところで、近年、検査時間を短縮したいという要求が高まっており、そのため超音波レール探傷車の最大速度をより速くすることが望まれている。

本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、搭載される車両の検査中の走行速度を速くして、検査時間を短縮することを可能にする超音波レール探傷装置を提供することをその目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、レール上を走行する車両に搭載され、異なる検出範囲に対応する複数のチャネルを有し、該複数のチャネルに対応して設けられレールを摺動する複数の超音波探触子を備えており、前記車両の移動と共に各超音波探触子が超音波パルスをレールに送信し、各超音波探触子からの受信信号からレールの傷を検出する超音波レール探傷装置において、
前記複数の超音波探触子はその検出範囲に対応する受信時間に応じて、第１間隔で超音波パルスを送信する１つ以上の超音波探触子と、第１間隔よりも大きい第２間隔で超音波パルスを送信する１つ以上の超音波探触子との少なくとも２グループに分けられており、それぞれ対応する間隔で超音波パルスを送信することを特徴とする。

また、前記第１間隔で超音波パルスの送信を行う超音波探触子の検出範囲よりも、前記第２間隔で超音波パルスの送信を行う超音波探触子の検出範囲の方が広いことを特徴とする。

また、一つのグループに属する超音波探触子からの受信信号から、別のグループに属する超音波探触子から超音波パルスが送信される時間帯における受信信号を除去する除去手段をさらに備えることを特徴とする。

また、前記第１間隔で超音波パルスの送信を行うグループに属する超音波探触子に対して第１間隔で送信パルス信号を出力すると共に、該グループに属する超音波探触子からの受信信号を受ける第１送受信部と、前記第２間隔で超音波パルスの送信を行うグループに属する超音波探触子に対して第２間隔で送信パルス信号を出力すると共に、該グループに属する超音波探触子からの受信信号を受ける第２送受信部と、を備え、前記第１送受信部と前記第２送受信部とを電気的に分離されて配置することを特徴とする。

本発明によれば、複数の超音波探触子を、その検出範囲に対応する受信時間に応じて、第１間隔で超音波パルスを送信する１つ以上の超音波探触子と、第１間隔よりも大きい第２間隔で超音波パルスを送信する１つ以上の超音波探触子との少なくとも２グループに分けることで、それぞれの受信時間に適した間隔で送信を行うようにする。これによって、車両の走行速度を速くしたとしても、受信時間の長い及び／または検出範囲の広いものについては超音波パルスを送信する間隔を大きくして、受信時間を確保する。一方、受信時間の短い及び／または検出範囲の狭いものについては、超音波パルスを送信する間隔を小さくして、探傷の精度を高める。

こうして、少なくとも２種類の異なる間隔を設定することで、超音波レール探傷車の速度を速くしても、複数のチャネルに対応する検出範囲の探傷を確実に行うことができるので、検査時間を短縮することができる。

また、少なくとも２種類の異なる間隔を設定することで、異なるグループのチャネル同士が互いに干渉することが考えられるが、そのような場合に、除去手段または個別の送受信部を設けることで、互いの干渉を防ぐことができる。

本発明の第１実施形態による超音波レール探傷装置の概略図である。 複数のチャネルに対応した超音波探触子の構成例を表す説明図である。 本発明の第１実施形態による超音波レール探傷装置のブロック図である。 本発明の第２実施形態による超音波レール探傷装置のブロック図である。 一方のグループに属する一つのチャネルの送受信タイミングと、他方のグループに属する一つのチャネルの送受信タイミングとを表すタイムチャートである。 第２実施形態による一方のグループに属する一つのチャネルの送受信タイミングと、他方のグループに属する一つのチャネルの送受信タイミングとの一例を表すタイムチャートである。 第２実施形態による一方のグループに属する一つのチャネルの送受信タイミングと、他方のグループに属する一つのチャネルの送受信タイミングとの他の例を表すタイムチャートである。 本発明の第３実施形態による超音波レール探傷装置のブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１に示すように、超音波レール探傷装置１０は、超音波レール探傷車等の車両に搭載されるもので、レール１の異なる検出範囲に対応する複数のチャネルを有し、複数のチャネルに対応した複数の超音波探触子１２ａ〜１２ｇと、超音波探触子１２ａ〜１２ｇに接続される信号処理装置１４と、移動距離センサ１６と、を備える。

複数の超音波探触子１２ａ〜１２ｇは、超音波レール探傷車の走行によって、レールの頭頂面を摺動するものであり、レールの様々な部位における傷等の反射源を検出するよう、異なる検出範囲を持つように設定される。図２は、複数の超音波探触子１２ａ〜１２ｇの一つの構成例を表している。超音波探触子１２ａ、１２ｂは、それぞれ車両移動方向の前方及び後方の±７０°の方向でレールに超音波パルスを入射させる斜角探触子であり、レール頭部の横裂傷を主として検出する。超音波探触子１２ｃ、１２ｄは、それぞれ車両移動方向の前方及び後方の±４５°の方向でレールに超音波パルスを入射させる斜角探触子であり、レールの腹底部横裂傷、ボルト穴傷を主として検出する。超音波探触子１２ｅは、ほぼ０°の方向でレールに超音波パルスを入射させる垂直探触子であり、水平裂傷を主として検出する。超音波探触子１２ｆは、ほぼ０°の方向でレールに超音波パルスを入射させる垂直探触子であり、レール表層部のシェリング傷を主として検出する。超音波探触子１２ｇは、例えば４５°の方向でレールに超音波パルスを入射させて、傷及び底面で反射した反射エコーを受信する送信用探触子と受信用探触子から構成されるタンデム探触子であり、溶接傷を主として検出する。

超音波探触子１２ａ、１２ｂはレール頭部の傷を検出するために、その検出範囲は超音波探触子から近傍の範囲であり、超音波パルスのビーム路程の短い範囲となっている。超音波探触子１２ｆもレールの表層部のシェリング傷を検出するために、その検出範囲は超音波探触子から近傍の範囲であり、超音波パルスのビーム路程の短い範囲となっている。同様に、超音波探触子１２ｅの検出範囲も、レールの高さ方向となっているため、超音波パルスのビーム路程の短い範囲となっている。

これに対して、超音波探触子１２ｃ、１２ｄ、１２ｇの検出範囲は、レールの斜め方向の範囲となっているため、超音波パルスのビーム路程の長い範囲となっている。

移動距離センサ１６は、超音波レール探傷車の車輪等の回転数等を検出して、超音波レール探傷車の移動距離を検出するものであり、この移動距離信号は信号処理装置１４へと送られる。

図３に示すように、信号処理装置１４は、各超音波探触子１２ａ〜１２ｇに接続される送受信ユニット２０と、送受信ユニット２０に接続される信号処理ユニット２２と、を備える。

送受信ユニット２０は、各チャネルに対応した送受信回路２０ａ〜２０ｇを備えており、送受信回路２０ａ〜２０ｇは、信号処理ユニット２２からのトリガ信号を受けて、各超音波探触子１２ａ〜１２ｇに対して送信パルス信号を送出し、また、超音波探触子１２ａ〜１２ｇからの受信信号を増幅して、信号処理ユニット２２へと送出する。

信号処理ユニット２２は、トリガ信号生成手段３０と、受信ゲート手段３２と、比較手段３４と、評価手段３６と、記録部３８と、表示部４０と、を備える。

トリガ信号生成手段３０は、移動距離センサ１６からの移動距離信号に基づき少なくとも２種類のトリガ信号をそれぞれ生成する。即ち、複数のチャネルの検出範囲には、上述のようにビーム路程の短いものと長いものがある。さらに、超音波の縦波、横波のいずれを使用するかに応じて、その伝搬速度が異なるため、検出範囲に対応する受信時間が異なる。この様々な受信時間を少なくとも２種類のグループに分けて、受信時間の短いチャネルの超音波探触子１２ａ、１２ｂ、１２ｅ、１２ｆに対応する送受信回路２０ａ、２０ｂ、２０ｅ、２０ｆに対しては、第１間隔でトリガ信号を出力し、受信時間の長いチャネルの超音波探触子１２ｃ、１２ｄ、１２ｇに対応する送受信回路２０ｃ、２０ｄ、２０ｇに対しては、第１間隔よりも長い第２間隔でトリガ信号を出力する。

この第１間隔と第２間隔との比率は、各グループを構成するチャネルの受信時間の長短に応じて適宜、設定することが可能である。一例としては、超音波レール探傷車の時速が４０ｋｍよりも速い速度の条件で、第１間隔を２ｍｍ、第２間隔を４ｍｍとすることができる。

そして、送受信回路２０ａ〜２０ｇは、そのトリガ信号によって対応する周波数（２Ｍ〜５ＭＨｚ程度）の送信パルス信号をそれぞれの超音波探触子１２ａ〜１２ｇに出力する。また、超音波探触子１２ａ〜１２ｇからの受信信号を増幅して、信号処理ユニット２２へと出力する。

信号処理ユニット２２の受信ゲート手段３２は、チャネル毎に予め決められた受信時間に相当する受信ゲートと受信信号との積をとり、比較手段３４は、受信信号と予め決められた閾値との比較を行い、閾値よりも受信強度の高い反射エコーのみを抽出する。

そして、評価手段３６は、受信ゲート内に存在する受信信号で且つ閾値を超えた反射エコーに対して傷の評価を行う。傷の評価としては、反射エコーの高さで評価したり、または、Ｂスコープ画像における反射源の長さで評価したりすることができる。

Ｂスコープ画像を各チャネルに対して生成した場合に、第２間隔で超音波パルスを送信しているチャネルに関しては、第１間隔で超音波パルスを送信しているチャネルよりも、データ数は少なくなるものの、超音波パルスにはビーム幅があり、第２間隔（第１間隔）がビーム幅以下となるように設定することで、レールを隈なく探傷することができる。

以上のように構成される超音波レール探傷装置１０においては、受信時間の長い及び／または検出範囲の広いものについては超音波パルスを送信する間隔を大きくして、その間隔を車両が移動する間に受信時間が収まるようにして、受信時間を確保する。一方、受信時間の短い及び／または検出範囲の狭いものについては、超音波パルスを送信する間隔を小さくして、探傷の精度を高める。

こうして、少なくとも２種類の異なる間隔を設定することで、超音波レール探傷車の速度を速くしても、複数チャネルに対応する検出範囲の探傷を確実に行うことができるので、検査時間を短縮することができる。

尚、以上の例では、複数のチャネルに対応する超音波探触子を２種類のグループに分けていたが、これに限るものではなく、３種類以上のグループに分けて３種類以上の間隔を設定し、超音波探触子がそれぞれ対応する間隔で超音波パルスを送信するようにしてもよい。
（第２実施形態）
次に、図４〜図７を用いて、本発明の第２実施形態について説明する。

この実施形態では、第１実施形態に加えて、信号処理ユニット２２において、除去手段としてのマスク設定手段４２が設けられている。

本発明によれば、第１間隔で超音波パルスを送信する１つ以上の超音波探触子のグループと、第２間隔で超音波パルスを送信する１つ以上の超音波探触子のグループとが、混在しており、全送受信回路２０ａ〜２０ｇでの送信パルス信号の発生タイミングが完全一致していないので、一方のグループの送信パルス信号の発生タイミングが他方のグループの受信時間内になることがある。

この状況を第２間隔が第１間隔の２倍となっている場合を例にとって説明すると、図５（ａ)、（ｂ）に示すように、第１間隔による超音波パルスの送信タイミングが、１回置きに第２間隔の中間になり、送受信ユニット２０において、第１間隔のグループの送受信回路で発生する送信パルス信号が、第２間隔のグループの送受信回路に漏れて、受信信号に混在する（図５（ｃ））。信号処理ユニット２２の受信ゲート手段３２による受信ゲート（図５（ｄ））ではこの漏れを分離できないので、反射エコーと誤検出されてしまうおそれがある（図５（ｅ）の点線で囲んだ部分）。

このような干渉を防止するために、マスク設定手段４２は、図６（ｅ）に示すように、一方のグループに対して、他方のグループの送信パルス信号の発生タイミングに合わせてマスクを設定する。受信信号は、ゲート手段３２による受信ゲート（図６（ｄ））と、マスク設定手段４２によるマスク（図６（ｅ））との積がとられる（図６（ｆ））。これによって、他方のグループから超音波パルスが送信される時間帯における受信信号を除去し、他方のグループから漏れた送信パルス信号を反射エコーとして抽出しないようにでき（図６（ｆ）の点線で囲んだ部分）、本来の傷からの信号のみを反射エコーとして抽出することができる。

マスクは、送信パルス信号を除去できることができるように送信パルス信号の幅（２００ｎｓ〜５００ｎｓ程度）に相当する幅とするとよい。

ところで、他方のグループの送信パルス信号の発生タイミングに、一方のグループのあるチャネルにおいて、本当の傷からの反射エコーが到達することもある（図７（ｂ）、（ｃ））。傷からの反射エコーは、送信パルス信号と比較して長い減衰波を持ち、エコーの継続時間が長いために、マスク（図７（ｅ））によってエコーの一部区間が除去されても、残りの部分が受信ゲートを通過することができるため、反射エコーを検出することができる（図７（ｆ））。また、ある送受信時に反射エコーがマスクと重なったとしても、異なる送受信時では、マスクは常に同じタイミングで設定されるのに対して傷と超音波探触子との相対位置は変化しているから、反射エコーがマスクとは異なるタイミングで受信されることになり、時系列的に得られる探傷結果によって傷を検出することが可能である。

図６及び図７の例では、第２間隔で探傷を行うグループに対してのみマスク設定が行われており、第１間隔で探傷を行うグループにはマスクを設定する必要がなかったが、これに限るものではない。第１間隔と第２間隔との関係によっては、第１間隔で探傷を行うグループにおいても、マスクを設定することが可能である。第２間隔が第１間隔のｎ倍（ｎ：２以上の自然数）でない場合、または全グループの送信タイミングが常時ずれている場合には、全てのグループに対してマスクを設定すると好ましい。

(第３実施形態)
次に、図８を用いて本発明の第３実施形態について説明する。

この第３実施形態では、マスク設定手段を設ける代わりに、第１間隔で超音波パルスを送信するグループと、第２間隔で超音波パルスを送信するグループとに対応して、それぞれ個別の第１送受信ユニット２０Ａと、第２送受信ユニット２０Ｂとが設けられており、これらはそれぞれ別体の筐体に収容されて電気的に分離されている。

このように送受信ユニットを電気的に分けることによって、一方の送受信ユニット内の送受信回路から、他方の送受信ユニット内の送受信回路への信号の漏れを防ぎ、干渉を防ぐことができる。

尚、以上の説明においては、第１間隔及び第２間隔は、距離間隔であったが車両が定速度で走行するものである場合には、時間間隔としてもよい。

１ レール
１０ 超音波レール探傷装置
１２ａ〜１２ｇ 超音波探触子
２０Ａ 第１送受信ユニット（第１送受信部）
２０Ｂ 第２送受信ユニット（第２送受信部）
４２ マスク設定手段（除去手段）

Claims (4)

1. レール上を走行する車両に搭載され、異なる検出範囲に対応する複数のチャネルを有し、該複数のチャネルに対応して設けられレールを摺動する複数の超音波探触子を備えており、前記車両の移動と共に各超音波探触子が超音波パルスをレールに送信し、各超音波探触子からの受信信号からレールの傷を検出する超音波レール探傷装置において、
   前記複数の超音波探触子はその検出範囲に対応する受信時間に応じて、第１間隔で超音波パルスを送信する１つ以上の超音波探触子と、第１間隔よりも大きい第２間隔で超音波パルスを送信する１つ以上の超音波探触子との少なくとも２グループに分けられており、それぞれ対応する間隔で超音波パルスを送信することを特徴とする超音波レール探傷装置。
2. 前記第１間隔で超音波パルスの送信を行う超音波探触子の検出範囲よりも、前記第２間隔で超音波パルスの送信を行う超音波探触子の検出範囲の方が広いことを特徴とする請求項１記載の超音波レール探傷装置。
3. 一つのグループに属する超音波探触子からの受信信号から、別のグループに属する超音波探触子から超音波パルスが送信される時間帯における受信信号を除去する除去手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の超音波レール探傷装置。
4. 前記第１間隔で超音波パルスの送信を行うグループに属する超音波探触子に対して第１間隔で送信パルス信号を出力すると共に、該グループに属する超音波探触子からの受信信号を受ける第１送受信部と、
   前記第２間隔で超音波パルスの送信を行うグループに属する超音波探触子に対して第２間隔で送信パルス信号を出力すると共に、該グループに属する超音波探触子からの受信信号を受ける第２送受信部と、
   を備え、
   前記第１送受信部と前記第２送受信部とを電気的に分離されて配置することを特徴とする請求項１または２記載の超音波レール探傷装置。

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