JP2013231675A - 渦流探傷方法と渦流探傷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レールのきしみ割れのように渦流探傷プローブの分解能以下の短い間隔で密集しているキズを探傷する渦流探傷方法において、キズ毎にキズの深さを評価すること。
【解決手段】図（ａ）の基準信号を図（ｃ）のように一定の間隔で位置ｎに並べて、各基準信号の振幅を調整して合成した基準信号の合成信号が実キズの合成渦流探傷信号と一致するように各基準信号の振幅を調整し、基準信号の合成信号と実キズによる合成渦流探傷信号がもっとも一致したときの基準信号の振幅調整値を求め、振幅調整値を用いて実キズを評価する。
【選択図】図２

Description

本発明は、渦流探傷方法と渦流探傷装置に関し、特に密集したキズを個別に評価する渦流探傷方法と渦流探傷装置に関する。

従来被検査体のキズの深さを評価する方法として、被検査体に沿って渦流探傷プローブを走査し、検出された渦流探傷信号の振幅によりキズの深さを評価する方法がとられている（特許文献１）。
図６により従来の渦流探傷方法を説明する。
図６（ａ）は、１個のキズｆ０、３個のｆ１，ｆ２，ｆ３のある被検査体Ｔを探傷する例である。
渦流探傷プローブＰが被検査体Ｔに沿って矢印方向へ移動すると、キズｆ０を通過したとき渦流探傷信号Ｓ０が検出される。またキズｆ１，ｆ２，ｆ３が短い間隔で連続して存在するときは、キズｆ１，ｆ２，ｆ３により発生する渦流探傷信号を個別に検出することは難しく、渦流探傷信号Ｓｃのように、３個のキズの渦流探傷信号により合成された渦流探傷信号（「合成渦流探傷信号」と呼ぶ）として検出される。
鉄道のレールゲージコーナーに発生するきしみ割れは、比較的狭い間隔で多数のキズが連続して発生するが、キズの間隔は、渦流探傷プローブの分解能に比べて狭いため、検出される渦流探傷信号は、合成渦流探傷信号Ｓｃとなる。きしみ割れは、深いキズ、浅いキズが混在するため、キズ毎にその深さを評価する必要があるが、従来の渦流探傷方法は、キズ毎の深さを評価することは困難であった。

特開２００６−１８９３４７号公報

本発明は、レールのきしみ割れのように比較的狭い間隔で多数連続して発生するキズの深さを、キズ毎に評価できる渦流探傷方法と渦流探傷装置を提供することを目的とする。

本発明は、その目的を達成するため、請求項１に記載の渦流探傷方法は、基準信号を連続するキズの最短間隔よりも小さい一定の間隔で複数個並べて、各基準信号の振幅を調整して合成した基準信号の合成信号が連続するキズによる渦流探傷信号と一致するように各基準信号の振幅を調整し、基準信号の合成信号と連続するキズによる渦流探傷信号がもっとも一致するときの基準信号の振幅調整値を求めることを特徴とする。
請求項２に記載の渦流探傷方法は、請求項１に記載の渦流探傷方法において、前記基準信号の振幅調整値により連続するキズの深さを評価することを特徴とする。
請求項３に記載の渦流探傷方法は、請求項１又は請求項２に記載の渦流探傷方法において、前記連続するキズの間隔は、渦流探傷プローブの分解能以下であることを特徴とする。
請求項４に記載の渦流探傷装置は、渦流探傷プローブを用いて渦流探傷信号を取り出しキズの深さを評価する渦流探傷装置において、基準波形を記憶する基準信号記憶部と渦流探傷信号分解部を備え、渦流探傷信号分解部は、基準信号記憶部の基準波形を用いて、基準信号を連続するキズの最短間隔よりも小さい一定の間隔で複数個並べ、各基準信号の振幅を調整して合成した基準信号の合成信号が連続するキズによる渦流探傷信号と一致するように各基準信号の振幅を調整し、基準信号の合成信号と連続するキズによる渦流探傷信号がもっとも一致するときの基準信号の振幅調整値を求めることを特徴とする。

本発明は、レールのきしみ割れのように短い間隔で連続して発生し、その間隔が渦流探傷プローブの分解能以下のキズであっても、各キズの深さを評価することができる。

図１は、本発明の実施例に係る基準信号を説明する図である。 図２は、本発明の実施例に係る渦流探傷方法を説明するための概念図である。 図３は、本発明の実施例に係る渦流探傷装置の構成を示す図である。 図４は、本発明の試験に用いた試験片とその試験片の渦流探傷信号の波形を示す。 図５は、基準信号と図４の渦流探傷信号をキズ別に分離した信号の波形を示す。 図６は、従来の渦流探傷方法を説明する図である。

レールのきしみ割れにより検出される渦流探傷信号は、複数のキズにより発生する渦流探傷信号の合成渦流探傷信号となるが、きしみ割れの各キズの形状は概ね相似し、間隔や深さが異なっているから、合成渦流探傷信号を生成する各キズの渦流探傷信号は、周波数（周波数成分）が概ね同じで大きさ（振幅）の異なる信号とみなすことができる。したがってきしみ割れの合成渦流探傷信号は、周波数が概ね同じで大きさの異なる複数の渦流探傷信号により合成された信号とみなすことができる。なお各キズの渦流探傷信号の大きさは、キズの深さに対応している。
またキズの間隔は、種々異なるが、従来の調査結果等から最小の間隔は、２ｍｍ程度であることが分かっている。

そこで本発明は、きしみ割れは同じ形状のキズが一定の間隔で並んでいると仮定し、1個のキズにより発生する渦流探傷信号（「基準信号」と呼ぶ）を一定間隔（「基準間隔」と呼ぶ）で複数個並べて（一定間隔の基準信号を用いて）、各基準信号の大きさ（振幅）を調整して合成した基準信号の合成信号が実キズの合成渦流探傷信号と一致するように各基準信号の大きさを調整している。そのとき基準信号の大きさを調整した値（「基準信号の振幅調整値」と呼ぶ）は、実キズの大きさを表しているから、基準信号の合成信号と実キズの合成渦流探傷信号が一致したときの各基準信号の振幅調整値を求めれば、実キズの深さを評価することができる。
基準間隔は、実際のキズの発生位置とのずれを最小にするため、レールのきしみ割れの場合、最小の間隔２ｍｍより小さい間隔、例えば１ｍｍ、０．５ｍｍ等に設定すればよい。

基準信号を基準間隔で並べた場合、１個の基準信号の波形は、基準間隔離れた隣接する位置にも広がるから、基準間隔毎に各基準信号の振幅を調整し、その振幅を調整した基準信号を位置毎に足し（加算し）、その加算した信号の振幅（大きさ）が実キズの合成渦流探傷信号と一致するように、基準信号を調整することになる。したがって基準信号を並べた位置（基準間隔毎の位置）の振幅調整値は、その位置において重なる基準信号の夫々の振幅調整値を加算した値になる。
本実施の形態においては、レールのきしみ割れを例に説明したが、本発明は、きしみ割れに限らず連続しているキズの間隔が渦流探傷プローブの分解能以下のキズの探傷に有効である。

図１により本発明の渦流探傷信号の合成について説明する。
図１（ａ）は、基準信号の波形を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）の基準信号を用いて合成した基準信号の合成信号の波形を示す。
図１（ａ）は、同じ基準信号Ｓｓ１, Ｓｓ２を基準間隔ずらして並べた状態を示す。基準信号Ｓｓ１の波形は、渦流探傷プローブと基準信号を発生するキズにより決まるから、実際の渦流探傷に用いる渦流探傷プローブを用いて、事前に基準信号（基準波形）を生成して保存しておく。
図１（ｂ）は、基準信号Ｓｓ１，Ｓｓ２を用いて合成した基準信号の合成信号Ｓｓｃと、合成信号Ｓｓｃを生成する２個の信号Ｓｓａ，Ｓｓｂを示す。信号Ｓｓａは、基準信号Ｓｓ１の大きさを１倍した信号に相当し、信号Ｓｓｂは、基準信号Ｓｓ２の大きさを０．５倍した信号に相当することを示す。
合成信号Ｓｓｃは、２個の信号Ｓｓａ，Ｓｓｂに分解することができ、逆に合成信号Ｓｓｃは、信号Ｓｓａ，Ｓｓｂにより合成することができる。したがって実キズを探傷して検出した合成渦流探傷信号が基準信号の合成信号Ｓｓｃに一致するときは、実キズの合成渦流探傷信号は、基準信号Ｓｓ１を１倍した信号と基準信号Ｓｓ２を０．５倍した信号とを足した（加算した）信号になる。このときの1倍、０．５倍は、基準信号の振幅調整値になる。
なお並べる基準信号の波形を正規化して最大値が１になるようにすれば、振幅調整値は、信号Ｓａ，Ｓｂの振幅となる。

図１（ｂ）の信号Ｓｓａ，Ｓｓｂは、基準信号Ｓｓ１、Ｓｓ２を１倍、０．５倍した信号であることが分かっている例であるが、未知の実キズを探傷する場合、信号Ｓｓａ，Ｓｓｂは、基準信号Ｓｓ１，Ｓｓ２を何倍した信号に相当するか、その倍数は、未知数であるから、その倍数は後述する連立方程式により求める。

図２により本発明の渦流探傷方法の実施例を説明する。
なお図２は、本発明の渦流探傷方法を分かり易く説明するための概念図である。
図２（ａ）は、基準信号の波形を示し、図２（ｂ）は、被検査体Ｔの位置ｎ（ｎ＝０，１・・４）にキズがある例を示し、図２（ｃ）は、基準信号を位置ｎ（ｎ＝０，１・・４）に並べた例を示す。
まず図２（ａ）の基準信号について説明する。図２（ａ）の基準信号は、分かり易くするため三角波で表してある。
図２（ａ）の基準信号の振幅は、位置ｎ＝２において最大の１、ｎ＝１，３において０．５、ｎ＝０，４において０になる。基準信号の振幅は位置ｎにより異なるから、各位置における振幅の大きさ（１，０．５）を「基準信号の振幅変化値」と呼ぶ。その振幅変化値は、最大になる位置を０として正規化し、ａｍ（ｍ＝−１，０，１）で表す。
振幅変化値は、図２（ａ）の場合、ｎ＝１，３において０．５、ｎ＝０，４において０になるが、使用する渦流探傷プローブや基準信号を発生するキズによりｎ＝１，３において０．５以外の値にあることもあるし、同様にｎ＝０，４において０にならないこともある。基準信号の波形は、使用する渦流探傷プローブにより異なるから、事前に実際の探傷に使用する渦流探傷プローブにより基準信号の波形と振幅変化値を調べて保存しておく。なお振幅変化値は、基準信号の波形により決まる。

次に図２（ｃ）について説明する。
図２（ｃ）は、位置ｎ＝０，１・・４に図２（ａ）の基準信号を並べてあり、ｎ＝０の基準信号をＳｎ０、ｎ＝１の基準信号をＳｎ１、ｎ＝２の基準信号をＳｎ２、ｎ＝３の基準信号をＳｎ３、ｎ＝４の基準信号をＳｎ４で表してある。図２（ｃ）の場合、キズのない位置ｎ＝３にも基準信号を配置してある。即ちキズの有無に関係なく一定間隔で配置してある。
位置ｎにおいて重なる基準信号の振幅についてみると、例えば位置がｎ＝２の場合、Ｓｎ２の振幅変化値は１、Ｓｎ１，３の振幅変化値は０．５、Ｓｎ０，４の振幅変化値は０であるから、位置ｎ＝２の振幅変化値は、各基準信号の振幅変化値を加算した値になる。しかし図２（ｃ）は、同じ大きさの基準信号を並べてあるから、位置ｎ＝２における基準信号の合成信号は、各位置における実キズの合成渦流探傷信号の大きさを反映していない。したがって各位置ｎにおける基準信号の合成信号は、各位置の基準信号の振幅調整値により調整する必要がある。
ここで位置ｎにおけるその振幅調整値をｘｎ（ｎ＝０，１・・４）、振幅をｙｎ（ｎ＝０，１・・４）で表すと、位置ｎ＝２における振幅ｙ２は、ｙ２＝０．５×ｘ１＋１×ｘ２＋０．５×ｘ３となる。
振幅ｙ２は、位置ｎ＝２における実キズの合成渦流探傷信号の振幅に相当するから、既知の値である。

図２（ｃ）において、振幅ｙｎ（ｎ＝０，１・・４）を、振幅調整値ｘｎ（ｎ＝０，１・・４）、振幅変化値ａｍ（ｍ＝−１，０，１）で表すと次式になる。

・・・・・（１）
式（１）を行列式で表すと次式になる。

・・・・・（２）

式（２）において、振幅ｙｎは、実キズの合成渦流探傷信号によって決まる既知の値であり、振幅変化値ａｍは、使用する渦流探傷プローブにより決まる既知の値であるから、キズの深さを表す基準信号の振幅調整値ｘｎは、式（２）をｘｎについて解くことにより求めることができる。
なお図２（ｂ）の被検査体Ｔのキズの位置は、基準信号を並べる位置と一致しているが、実際にはこのように一致させることはできずにずれが生じる。このずれの影響を小さくするために，基準信号を並べる間隔は，実際のキズ発生間隔よりも狭くとるのがよい。また図２（ｃ）は、基準信号を５個並べた（用いた）例であるが、５個に限らない。基準信号の個数は、渦流探傷プローブの分解能を考慮し、合成渦流探傷信号を生成するキズの個数（渦流探傷プローブが一度に感応するキズの個数）を考慮して決める。

次に図３により、本発明の実施例に係る渦流探傷装置を説明する。
渦流探傷プローブＰは、キズＦのある被検査体Ｔ上を走査し、検出した信号を同期検波器１２で同期検波し、ローパスフィルタ１３で合成渦流探傷信号を取り出し、位相調整部１４で位相調整して時間位置変換部１５へ供給する。時間位置変換部１５は、エンコーダ１１の出力により、渦流探傷プローブＰの走査時間との関係で表されている合成渦流探傷信号を、渦流探傷プローブＰの走査位置との関係で表される合成渦流探傷信号に変換する。
渦流探傷信号分解部１６は、基準波形記憶部１７に記憶されている基準波形（基準信号、基準信号の振幅変化値）と渦流探傷プローブＰにより検出された合成渦流探傷信号を用いて被検査体Ｔの各キズの深さを表す基準信号の振幅調整値を算出する。
なおエンコーダ１１は、合成渦流探傷信号を渦流探傷プローブＰの走査位置との関係で表す必要があるときに使用するから、必要に応じて設ける。

次に図４と図５により本発明の渦流探傷方法と渦流探傷装置により、人工キズを形成した試験片について行ったキズの探傷結果を説明する。
試験片は、キズの間隔が２ｍｍで、深さが１ｍｍの試験片（図４（ａ１））、キズの間隔が６ｍｍで、深さが３ｍｍの試験片（図４（ａ２））、キズの間隔が２ｍｍで、深さが１ｍｍと３ｍｍのキズが混在する試験片（図４（ａ３））を用いた。渦流探傷プローブは、相互誘導自己比較方式のものを用い、試験周波数は、８００ｋＨｚに設定した。また基準信号の間隔（基準間隔）は、０．５ｍｍに設定した。
各試験片を渦流探傷プローブで走査して検出した合成渦流探傷信号は、図４（ｂ）の通りである。
図４（ｂ）において、ａ１は、図４（ａ１）の試験片の合成渦流探傷信号を、ａ２は、図４（ａ２）の試験片の合成渦流探傷信号を、ａ３は、図４（ａ３）の試験片の合成渦流探傷信号を示す。

図５は、試験に用いた基準信号と合成渦流探傷信号を分解して算出した渦流探傷信号の波形を示す。
図５において、図５（ａ）は、基準信号の波形を、図５（ｂ１）は、図４（ａ１）の試験片の基準信号の振幅調整値（図は電圧で表示してある）を、図５（ｂ２）は、図４（ａ２）の試験片の基準信号の振幅調整値を、図５（ｂ３）は、図４（ａ３）の試験片の基準信号の振幅調整値を示す。
図５（ｂ１）〜（ｂ３）の振幅調整値は、図４（ａ１）〜（ａ３）の試験片のキズの深さを反映していることが分かる。またキズの深さ３ｍｍの試験片（図４（ａ２））と深さ１ｍｍと３ｍｍのキズが混在する試験片（図４（ａ３））の振幅調整値（図５（ｂ２）と（ｂ３））の最大値は、０．１９と０．１８となるのに対して、深さ１ｍｍのキズのみの試験片（図４（ａ１））の振幅調整値（図５（ｂ１）の最大値は、０．１２であるから、本発明は、密集するキズを適切に評価できることが分かる。

１１ エンコーダ
１２ 同期検波器
１３ ローパスフィルタ
１４ 位相調整部
１５ 時間位置変換部
１６ 渦流探傷信号分解部
１７ 基準信号記憶部

Claims (4)

1. 基準信号を連続するキズの最短間隔よりも小さい一定の間隔で複数個並べて、各基準信号の振幅を調整して合成した基準信号の合成信号が連続するキズによる渦流探傷信号と一致するように各基準信号の振幅を調整し、基準信号の合成信号と連続するキズによる渦流探傷信号がもっとも一致するときの基準信号の振幅調整値を求めることを特徴とする渦流探傷方法。
2. 請求項１に記載の渦流探傷方法において、前記基準信号の振幅調整値により連続するキズの深さを評価することを特徴とする渦流探傷方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の渦流探傷方法において、前記連続するキズの間隔は、渦流探傷プローブの分解能以下であることを特徴とする渦流探傷方法。
4. 渦流探傷プローブを用いて渦流探傷信号を取り出しキズの深さを評価する渦流探傷装置において、基準波形を記憶する基準信号記憶部と渦流探傷信号分解部を備え、
   渦流探傷信号分解部は、基準信号記憶部の基準波形を用いて、基準信号を連続するキズの最短間隔よりも小さい一定の間隔で複数個並べ、各基準信号の振幅を調整して合成した基準信号の合成信号が連続するキズによる渦流探傷信号と一致するように各基準信号の振幅を調整し、基準信号の合成信号と連続するキズによる渦流探傷信号がもっとも一致するときの基準信号の振幅調整値を求めることを特徴とする渦流探傷装置。

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