JP4527238B2 - Ultrasonic rail flaw detector - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用して、レールの底部腐食または腹部横裂を検出することができる超音波レール探傷装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、鉄道レール等のレールの内部に存在する傷等の欠陥を超音波を利用して探傷する装置は、鉄道の保線現場で広く使用されている。レールの頂面である踏面からレール内に超音波を入射させて、内部の傷等からの反射エコーを検知することによって傷の存在を知ることができる。従来のレールの超音波探傷においては、図6に示すように、複数の超音波探触子を用いて様々な角度でレール1内に超音波を入射させて、レール1各部に発生する傷からの反射エコーを受信して、探傷している。代表的には、垂直探触子40による超音波の屈折角が0°の縦波超音波、斜角探触子42,42による35°〜45°の横波超音波、斜角探触子44,44による70°の横波超音波が利用されている。
【0003】
図7に示すように、レール底部に発生する横裂1Aについては、探触子からレール内へ入射した超音波が、コーナーで反射を繰り返して、結果として入射した方向に戻ってくることができるため、斜角探触子42による35°〜45°の横波超音波を利用して感度良く検知することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レール底部に発生する底部腐食については、必ずしも従来の探触子で十分な検知ができていない。これは、図8に示すように、レール底部の腐食1Bの場合、腐食1Bによる面の角度が寝ているために、探触子と異なる方向に反射してしまうこと、反射面が腐食1Bによる不規則な面のために散乱反射してしまい、受信信号が弱くなることなどから、十分な受信信号レベルが得られないことが理由として挙げられる。
【0005】
また、垂直探触子40による0°の縦波超音波を使用して、Bスコープを描く方法で底部腐食1Bを検知する方法も考えられるが、底面エコーのレベルが大きく、底部腐食1Bからの散乱反射が低いレベルであるため、受信増幅度を上げて画像を描かせ、さらに数mm程度のレール高さの違いを読み取らなければならず、装置が複雑になるという問題がある。
【0006】
また、レール溶接部の腹部に発生する溶け込み不足の横裂のような欠陥1C(図9参照)については、面が平滑なために、入射させた超音波のほとんどの成分がレール底面方向に正反射してしまい、探触子の方向に戻ってくる成分が少ないので、ほとんど検知できないという問題がある。そのため、図9のように、2つの探触子(送信探触子46と受信探触子48)を利用して、手動で探触子を走査するタンデム探傷法が提案されて実施されている。しかしながら、この方法ではレールの頭部から底部までの全域を探傷するために、各探触子のレール前後方向の相対位置を移動させて、走査しなければならないので、レール上を走行しながら探傷する用途では、移動速度の制限がある等の問題がある。
【0007】
また、探触子を走査しないで全域を探傷する方法として、広い開口面の探触子を使用する方法もあるが、探触子が大型化するため、コストが高くなるという問題がある。
【0008】
本発明はかかる従来のレール探傷の持っている課題に鑑みなされたもので、第1の目的は、底部腐食を感度良く検出することができる超音波レール探傷装置を提供することである。
【0009】
また、第2の目的は、タンデム探傷法を用いた超音波探傷装置において、送受信用振動子と受信用振動子との間の前後方向相対位置の調整の手間を低減することができる超音波レール探傷装置を提供することである。
【0010】
また、第3の目的は、底部腐食と腹部横裂の両方を検出することができる超音波レール探傷装置を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項1記載の発明は、超音波を利用してレールを探傷しレール底部の腐食を検出する超音波レール探傷装置であって、レールの頂面に当接される送受信用振動子を備え、該送受信用振動子から屈折角10°〜25°の範囲にある縦波超音波をレール内へ入射し、レール底部の腐食で散乱した超音波の一部を該送受信用振動子で受信することを特徴とする。送受信用振動子からの縦波超音波の屈折角を10°〜25°の範囲にすることにより、底面エコーの影響を受けずに、レール底部の腐食で散乱された超音波を比較的良い感度で受信することができ、腐食の存在を知ることができる。
【0014】
請求項2記載の発明は、前記送受信用振動子に対してレール前後方向に整列されレールに当接される受信用振動子をさらに備え、受信用振動子が前記送受信用振動子から放射され欠陥及びレール底面を反射してきた超音波を受信することを特徴とする。送受信用振動子から屈折角10°〜25°の縦波超音波が放射され、レール底部の腐食で散乱され戻ってきた縦波超音波を送受信用振動子で受信することにより、レール底部の腐食を検出することができる。また、レール内に欠陥があった場合に、送受信用振動子から放射された屈折角10°〜25°の縦波超音波が、レール内の欠陥で反射し、さらにレール底面で反射したものを受信用振動子で受信する、所謂タンデム探傷法を使用することにより、レール内部の欠陥を検出することができる。こうして、1つの送受信用振動子を共通に用いて、レール底部の腐食と、レール内部の横裂のような欠陥の両方を検出することができる。送受信用振動子から放射される縦波超音波の屈折角を10°〜25°の範囲にして、従来の横波超音波を使用した場合の屈折角よりも小さく設定することにより、送受信用振動子を大型化することなく、送受信用振動子から放射される超音波のレールの高さ方向の範囲を広げることができ、従って、送受信用振動子と受信用振動子との前後方向の相対位置の調整の手間を少なくして、レール内の欠陥の検出を行うことができる。
【0015】
特に、請求項3記載の発明のように、レールの高さをhとし、送受信用振動子からの縦波超音波の屈折角をθとしたときに、前記送受信用振動子のレールの幅方向と垂直な方向の大きさをh×sinθとすることにより、送受信用振動子と受信用振動子との前後方向の相対位置を動かすことなく、送受信用振動子から送信される縦波超音波でレールの高さ方向全体のどこかにある欠陥を検出することができる。
【0016】
また、請求項4記載の発明は、前記送受信用振動子と受信用振動子とは、それぞれ切換スイッチを介して同じ受信部に接続されることを特徴とする。切換スイッチを介して切り換えることで、同じ受信部を用いて、レール底部の腐食検出と、レール内部の欠陥検出とを切り換えることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の超音波レール探傷装置の実施形態を表す構成説明図、図2はレール探傷を行うときの状態を表す斜視図である。
【0018】
この超音波レール探傷装置は、超音波パルスをレール1内に送信し、レール1の主に底部腐食1Bから反射されてくる反射エコーを受信する送受信用振動子12と、送受信用振動子12から送信された超音波パルスが主に腹部の欠陥1Cで反射して、レール底部で反射して戻ってくる反射エコーを受信する受信用振動子14を有する超音波探触子10を有している。この送受信用振動子12と受信用振動子14とは分割膜16によって音響的に遮断されている。また、送受信用振動子12の前面には、振動子12で発生する超音波パルスを規定の入射角でレール1に入射させるための樹脂製シュー18が設けられ、受信用振動子14の前面には、レール1から入射された超音波を受信用振動子14へと送るシュー19が設けられる。超音波探触子10には、送受信用振動子12から超音波パルスを送出するための電気パルスを発生する送信部20と、送受信用振動子12で受信される信号を受信して増幅する受信部22と、受信用振動子14で受信される信号を受信して増幅する受信部24と、が接続されている。また、受信部22及び受信部24には、それぞれ検知表示部26,28が接続されている。検知表示部26,28は、受信部22,24で所定閾値よりも大きな受信信号を受信した場合に、受信エコーがあったことを示すために表示するもので、ランプ等によって構成され、ランプの点灯により受信エコーがあったことが表示される。
【0019】
送受信用振動子12から発射された超音波パルスはシュー18を経由してレール1に対して規定の角度を持って入射する。この規定の角度は、スネルの法則に従ってレール1内で10°〜25°の範囲内の屈折角θの縦波超音波、好ましくは15°〜20°の屈折角θの縦波超音波が発生するように選択される。
【0020】
図1に示すように、送受信用振動子12の略前後方向の大きさL、即ち、レールの幅方向と垂直な方向の大きさLは、レールの高さをhとしたときに、
【0021】
【数1】
L=h×sinθ (1)
を満足するように設定されている。また、送受信用振動子12と受信用振動子14の間の間隔Pは、概ね、
【0022】
【数2】
P=h×tanθ (2)
を満足するように設定されている。但し、送受信用振動子12と受信用振動子14との間隔Pは、これに限るものではなく、送受信用振動子12から発射されレール1の腹部の欠陥で反射して、レール底部で反射して戻ってくる超音波を受信することができるような範囲に受信用振動子14を配置する。
【0023】
以上のように構成される超音波レール探傷装置において、送受信用振動子12から発射された超音波パルスは、屈折角θでレール1内へと入射される。レール1底部に腐食1Bや溶け込み不足による欠陥1Cがない場合には、超音波パルスはレール1底面で反射して、前方へ反射してしまい送受信用振動子12に戻ってくることはない。
【0024】
これに対してレール1に底部腐食1Bがある場合には、図3に示すように、超音波は腐食部1Bで散乱反射して、一部の超音波が送受信用振動子12に戻ってくる。この反射エコーは、送受信用振動子12で電気信号に変換され、受信部22で増幅され、検知表示部26で表示が行われる。この表示からレール1に底部腐食1Bが存在することを知ることができる。屈折角θが10°〜25°、好ましくは15°〜20°となっており、比較的小さい角度となっているため、底部腐食1Bに対して散乱反射が送受信用振動子12に戻ってきやすい構成となっている。その一方で、垂直探触子の場合と異なり、屈折角θが0°より大きいため、底面エコーの影響を大幅に低減することができる。
【0025】
図10及び図11は、屈折角θと底部腐食検出性能との関係を求めた実験例である。複数の屈折角を実現するために、アクリル製のシュー18を製作し、送受信用振動子と組み合わせて、底部腐食の検知性能を評価した。評価は、複数の屈折角について、底部腐食からのエコーレベルと、底部腐食のない健全レールの底面からのエコーレベルを測定し、SN比を比較することにより行った。実験に用いた部品を、次表に示す。
【0026】
【表1】
測定方法は、まず図10(a)に示すように、φ5の横穴のエコーレベルにより基準化を行い、図10(b)の健全レールの底部のエコーレベル測定を行い、図10(c)の腐食レールのエコーレベル測定を行い、それぞれの屈折角におけるSN比を比較した。その測定結果を次表及び図11に示す。
【0027】
【表2】
上記測定結果から分かるように、屈折角10°〜25°の角度でSN比が良く、特に15°では感度も良い。このような屈折角の範囲となるように、送受信用振動子12の屈折角を設定すると効果的である。
【0028】
次に、図4に示すように、レール1の溶接部等に発生する可能性の高い溶け込み不足のような垂直な平面の横裂1Cがある場合、送受信用振動子12から送出された超音波パルスは、この横裂1Cで反射して、さらにレール1底面で反射し、受信用振動子14で受信される。この信号は受信部24で増幅され、検知表示部28で表示が行われる。この表示からレール1の腹部に横裂が存在することを検知することができる。送受信用振動子12が(1)式を満足することにより、横裂1Cがレール1の高さのどの位置にあったとしても、送受信用振動子12から放射される超音波は、レール1高さ全体をカバーし、必ず、超音波パルスはその横裂1Cで反射される。受信用振動子14が(2)式を満足することにより、反射された超音波パルスは底面で反射し、確実に受信用振動子14で受信される。この横裂1Cを検出する場合、屈折角θは、必ずしも10°〜25°となっている必要がなく、それ以外の角度であっても検出することができるが、あまり屈折角が大きいとLが大きくなり、超音波探触子10が大型化する。しかしながら、上記角度範囲の屈折角とすることにより、超音波探触子10の大型化を回避することができる。
【0029】
図5は、本発明の第2の実施形態を表す図である。図において、第1実施形態と同一の部材は同一の符号を付して、その詳細説明を省略する。
【0030】
この実施形態では、第1実施形態の受信部24及び検知表示部28を省略し、その代わりに、切換スイッチ30が受信部22と、送受信用振動子12及び受信用振動子14との間に設けられている点で異なっており、受信部22が選択的に送受信用振動子12または受信用振動子14と接続できるようになっている。
【0031】
切換スイッチ30を切り換えることで、同じ受信部22及び検知表示部26を用いて、目的に応じて底部腐食1B検知と、横裂1C検知とを切り換えることができる。
【0032】
以上の各実施形態では、1つの送受信用振動子12で底部腐食1B検知と横裂1C検知とを行っているため、振動子の数を低減でき、探傷車両等の床下スペースが少なくてすむようになる。
【0033】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1記載の発明によれば、送受信用振動子からの縦波超音波の屈折角を10°〜25°の範囲にすることにより、底面エコーの影響を受けずに、レール底部の腐食で散乱された超音波を比較的良い感度で受信することができ、腐食の存在を検出することができる。
【0036】
請求項2記載の発明によれば、1つの送受信用振動子を共通に用いて、レール底部の腐食と、レール内部の横裂のような欠陥の両方を検出することができる。送受信用振動子から放射される縦波超音波の屈折角を10°〜25°の範囲にして、従来の横波超音波を使用した場合の屈折角よりも小さく設定することにより、送受信用振動子を大型化することなく、送受信用振動子から放射される超音波のレールの高さ方向の範囲を広げることができ、従って、送受信用振動子と受信用振動子との前後方向の相対位置を動かすことなく、レール内の欠陥の検出を行うことができる。
【0037】
請求項3記載の発明によれば、送受信用振動子と受信用振動子との前後方向の相対位置を動かすことなく、送受信用振動子から送信される縦波超音波でレールの高さ方向全体のどこかにある欠陥を検出することができる。
【0038】
請求項4記載の発明によれば、同じ受信部を用いて、レール底部の腐食検出と、レール内部の欠陥検出とを切り換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の超音波レール探傷装置の実施形態を表す構成図である。
【図2】図1の超音波レール探傷装置の斜視図である。
【図3】図1の超音波レール探傷装置のレール底部の腐食検出の原理を表す説明図である。
【図4】図1の超音波レール探傷装置の腹部横裂検出の原理を表す説明図である。
【図5】本発明の超音波レール探傷装置の第2の実施形態を表すブロック図である。
【図6】従来の超音波レール探傷装置を表す構成図である。
【図7】レール底部に発生する横裂に対する超音波の反射を表す説明図である。
【図8】レール底部の腐食に対する超音波の反射を表す説明図である。
【図9】従来のタンデム探傷法による超音波レール探傷装置の構成図である。
【図10】(a)〜(c)は屈折角と底部腐食検出性能との関係を求めるための実験例を表す説明図である。
【図11】図10の実験結果を表すグラフである。
【符号の説明】
1 レール
1B 底部の腐食
1C 腹部横裂
12 送受信用振動子
14 受信用振動子
22 受信部
30 切換スイッチ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic rail flaw detector capable of detecting rail bottom corrosion or abdominal lateral fissure using ultrasonic waves.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, an apparatus for detecting defects such as scratches existing inside rails such as railroad rails using ultrasonic waves has been widely used in railway track maintenance sites. The presence of a flaw can be known by making an ultrasonic wave enter the rail from the tread, which is the top surface of the rail, and detecting a reflection echo from an internal flaw or the like. In the conventional ultrasonic flaw detection of a rail, as shown in FIG. 6, ultrasonic waves are incident on the
[0003]
As shown in FIG. 7, with respect to the transverse crack 1A generated at the bottom of the rail, the ultrasonic wave incident from the probe into the rail can be repeatedly reflected at the corner, and can return to the incident direction as a result. Therefore, it is possible to detect with high sensitivity using the transverse wave ultrasonic waves of 35 ° to 45 ° by the
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the bottom corrosion that occurs at the bottom of the rail cannot always be sufficiently detected by a conventional probe. As shown in FIG. 8, in the case of the
[0005]
In addition, a method of detecting
[0006]
In addition, for the
[0007]
Further, as a method for flaw detection over the entire area without scanning the probe, there is a method using a probe with a wide opening surface, but there is a problem that the cost increases because the probe becomes large.
[0008]
The present invention has been made in view of the problems of the conventional rail flaw detection, and a first object thereof is to provide an ultrasonic rail flaw detection apparatus capable of detecting bottom corrosion with high sensitivity.
[0009]
A second object is, ultrasonic waves can be in the ultrasonic flaw detection apparatus using the tandem flaw detection method, reducing the labor for adjustment of the longitudinal relative position between the receiving oscillator and feeding receiving credit vibrator A rail flaw detector is provided.
[0010]
A third object is to provide an ultrasonic rail flaw detector capable of detecting both bottom corrosion and abdominal lateral fissure.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an invention according to
[0014]
According to a second aspect of the invention, further comprising a receiving credit vibrator wherein Ru is in contact with the aligned rails in rail longitudinal direction with respect to the transmitting and receiving transducers, the receiving credit oscillator is radiated from the transmitting and receiving transducers defects And receiving ultrasonic waves reflected from the bottom of the rail. Corrosion at the bottom of the rail is caused by receiving longitudinal wave ultrasonic waves radiated from the transmitting / receiving transducer with a refraction angle of 10 ° to 25 ° and scattered back by corrosion at the bottom of the rail with the transmitting / receiving transducer. Can be detected. In addition, when there is a defect in the rail, longitudinal wave ultrasonic waves with a refraction angle of 10 ° to 25 ° radiated from the transmitting / receiving transducer are reflected by the defect in the rail and further reflected by the rail bottom surface. By using a so-called tandem flaw detection method that is received by a receiving vibrator, it is possible to detect a defect inside the rail. In this way, it is possible to detect both corrosion at the bottom of the rail and defects such as lateral cracks inside the rail by using one transmission / reception vibrator in common. By setting the refraction angle of the longitudinal ultrasonic wave radiated from the transmission / reception vibrator to a range of 10 ° to 25 ° and setting it to be smaller than the refraction angle when the conventional transverse wave ultrasonic wave is used, the transmission / reception vibrator Without increasing the size, the range of the height direction of the rail of the ultrasonic wave radiated from the transmitting / receiving transducer can be expanded, and therefore the relative position in the front-rear direction between the transmitting / receiving transducer and the receiving transducer can be increased. It is possible to detect a defect in the rail with less adjustment work.
[0015]
In particular, as in the invention of claim 3 , when the height of the rail is h and the refraction angle of longitudinal ultrasonic waves from the transmission / reception transducer is θ, the width direction of the rail of the transmission / reception transducer By setting the size in the direction perpendicular to h × sin θ, the longitudinal ultrasonic waves transmitted from the transmitting / receiving transducer can be used without moving the relative position of the transmitting / receiving transducer and the receiving transducer in the front-rear direction. A defect somewhere in the entire height direction of the rail can be detected.
[0016]
The invention according to claim 4 is characterized in that the transmitting / receiving transducer and the receiving transducer are each connected to the same receiving section via a changeover switch. By switching via the changeover switch, it is possible to switch between corrosion detection at the rail bottom and defect detection inside the rail using the same receiver.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a structural explanatory view showing an embodiment of an ultrasonic rail flaw detector of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing a state when rail flaw detection is performed.
[0018]
This ultrasonic rail flaw detector transmits an ultrasonic pulse into the
[0019]
The ultrasonic pulse emitted from the transmitting / receiving
[0020]
As shown in FIG. 1, the size L in the substantially front-rear direction of the
[0021]
[Expression 1]
L = h × sin θ (1)
Is set to satisfy. The interval P between the transmitting / receiving
[0022]
[Expression 2]
P = h × tan θ (2)
Is set to satisfy. However, the interval P between the transmitting / receiving
[0023]
In the ultrasonic rail flaw detector configured as described above, the ultrasonic pulse emitted from the transmission /
[0024]
On the other hand, when the
[0025]
10 and 11 are experimental examples in which the relationship between the refraction angle θ and the bottom corrosion detection performance is obtained. In order to realize a plurality of refraction angles, an
[0026]
[Table 1]
First, as shown in FIG. 10 (a), the measurement method is standardized by the echo level of the φ5 horizontal hole, and the echo level measurement of the bottom of the healthy rail in FIG. 10 (b) is performed. The echo level measurement of the corrosion rail was performed, and the SN ratio at each refraction angle was compared. The measurement results are shown in the following table and FIG.
[0027]
[Table 2]
As can be seen from the measurement results, the SN ratio is good at an angle of refraction of 10 ° to 25 °, and the sensitivity is particularly good at 15 °. It is effective to set the refraction angle of the
[0028]
Next, as shown in FIG. 4, when there is a vertical plane
[0029]
FIG. 5 is a diagram illustrating a second embodiment of the present invention. In the figure, the same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0030]
In this embodiment, the receiving
[0031]
By switching the
[0032]
In each of the above embodiments, since the
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the refraction angle of the longitudinal ultrasonic wave from the transmitting / receiving transducer is set within the range of 10 ° to 25 °, so that it is not affected by the bottom echo. The ultrasonic waves scattered by corrosion at the bottom of the rail can be received with relatively good sensitivity, and the presence of corrosion can be detected.
[0036]
According to the second aspect of the present invention, it is possible to detect both corrosion at the bottom of the rail and a defect such as a lateral crack inside the rail by using one transmission / reception vibrator in common. By setting the refraction angle of the longitudinal ultrasonic wave radiated from the transmission / reception vibrator to a range of 10 ° to 25 ° and setting it to be smaller than the refraction angle when the conventional transverse wave ultrasonic wave is used, the transmission / reception vibrator Without increasing the size, the range of the height direction of the rail of the ultrasonic wave radiated from the transmitting / receiving transducer can be expanded, and accordingly, the relative position in the front-rear direction between the transmitting / receiving transducer and the receiving transducer can be increased. It is possible to detect a defect in the rail without moving it.
[0037]
According to the third aspect of the present invention, the longitudinal height of the rail is entirely transmitted by the longitudinal ultrasonic wave transmitted from the transmitting / receiving transducer without moving the relative position between the transmitting / receiving transducer and the receiving transducer in the front-rear direction. It is possible to detect a defect somewhere.
[0038]
According to the fourth aspect of the present invention, it is possible to switch between corrosion detection at the rail bottom and defect detection inside the rail using the same receiver.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of an ultrasonic rail flaw detector according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of the ultrasonic rail flaw detector shown in FIG.
3 is an explanatory view showing the principle of corrosion detection at the rail bottom of the ultrasonic rail flaw detector shown in FIG. 1; FIG.
4 is an explanatory diagram showing the principle of abdominal transverse crack detection in the ultrasonic rail flaw detector of FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a block diagram showing a second embodiment of the ultrasonic rail flaw detector according to the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing a conventional ultrasonic rail flaw detector.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing reflection of ultrasonic waves with respect to a lateral crack generated at the bottom of the rail.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing reflection of ultrasonic waves with respect to corrosion at the bottom of the rail.
FIG. 9 is a configuration diagram of an ultrasonic rail flaw detector by a conventional tandem flaw detection method.
FIGS. 10A to 10C are explanatory diagrams showing an experimental example for obtaining the relationship between the refraction angle and the bottom corrosion detection performance. FIGS.
11 is a graph showing the experimental results of FIG.
[Explanation of symbols]
1
Claims (4)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2000119459A JP4527238B2 (en) | 2000-04-20 | 2000-04-20 | Ultrasonic rail flaw detector |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000119459A JP4527238B2 (en) | 2000-04-20 | 2000-04-20 | Ultrasonic rail flaw detector |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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