JPWO2002021120A1 - 欠陥検出システム - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、長距離にわたって敷設されるレールやパイプにおける破断等の欠陥を、弾性波を利用して検出する欠陥検出システムに関し、特に、システムの簡素化を図る技術に関する。
〔背景技術〕
例えば鉄道信号の分野では、軌道回路を使用して列車検出を行っているが、この軌道回路は、副次的機能としてレールに破断が生じているか否かを検出するレール欠陥検出機能を備える。
ところで、近年、保全の容易化を目的として無線を用いた列車検出システムが検討されている。無線による列車検出システムを採用する場合、このシステムはレールの破断の検出機能を持たないため、別途、破断等のレール欠陥を検出するための設備を設ける必要が生じる。無線による列車検出システムの利点は信号線の配線が不要になることであり、従って、無線列車検出システムと併用するレール欠陥検出装置は、信号線の配線を必要としないものが望まれる。
このようなレール欠陥検出装置として、超音波を利用したものが公知である(例えば、国際公開WO98/7610や、US Patent 5743495等参照)。
図1に、超音波を利用して長距離に亘ってレール破断を検出するための従来の破断検出システムの例を示す。
図1において、レール1に沿って、多数の端末装置21,22,23,・・・を間隔を設けて設置する。各端末装置21,22,23,・・・は、超音波送受信器31,32,33,・・・と、通信装置41,42,43,・・・を備え、中央処理装置5とそれぞれ通信可能に通信ライン6を介して接続する。
この従来システムでは、端末装置21は次の端末装置22へ超音波を送信し、端末装置22は次の端末装置23へ超音波を送信し、端末装置23は次の端末装置へ超音波を送信する、というように、各端末装置から隣接する端末装置に対して超音波を送信する。各端末装置21,22,23,・・・は、通信装置41,42,43,・・・により中央処理装置5に対して超音波の送受信の有無を定期的に知らせる。
例えば、端末装置21と端末装置22の間でレール破断を生じると、端末装置21から送信された超音波信号は端末装置22で受信されない。端末装置22から中央処理装置5に対して受信ありの通報がなければ、中央処理装置5は、端末装置21と端末装置22の間でレールが破断していると判断する。
また、図1のシステムでレール破断位置を検出する場合、各端末装置は21,22,23,・・・は、反射波を受信すると直ちに中央処理装置5に反射波受信有りを通報する。中央処理装置5は、超音波の送信時刻と反射波受信時刻に基づいて反射の生じている位置、即ち、レール破断位置を算定できる。
ところで、超音波の伝送距離は、超音波伝送媒体の形状及び設置状況に依存する。例えば、パイプの場合、パイプを固定するための付帯設備が超音波の減衰を増大させる。また、レールの場合、枕木とレールの固定により超音波の減衰が増大する。一般的には、超音波の反射を利用するパイプ欠陥検出の場合の検出範囲は数+m程度であり、レール破断検出の場合の検出距離は1〜2kmである。
このため、長距離にわたって敷設されるレールやパイプの破断を検出する場合、図1の従来システムでは、中央処理装置に通信ラインを介して接続する端末装置の数が増えると、各端末装置、通信ライン、中央処理装置で構成されるネットワークの管理が複雑になるという問題がある。
尚、強力な超音波を発生させて長距離伝送を行う方法も報告されているが、超音波発生装置が大掛かりになること及び超音波の伝送媒体自体を損傷させる可能性があることから、パイプやレールの破断検出に利用することは難しい。
本発明はこのような従来の問題点に鑑み、ネットワークの通信ラインに接続する端末数を少なくでき、ネットワークを簡素化できる欠陥検出システムを提供することを目的とする。
〔発明の開示〕
このため、本発明の欠陥検出システムは、検査対象物に沿って検出ユニット、中継ユニット及び終端ユニットを間隔を設けて配置し、前記検査対象物を伝送媒体として、検出ユニットから送信した弾性波を中継ユニットで中継して終端ユニットまで伝送し、該終端ユニットで前記送信弾性波を受信した時に、当該終端ユニットから弾性波を返信し前記中継ユニットで中継して前記検出ユニットに伝送し、該検出ユニットにおける弾性波受信状態に基づいて前記検査対象物の欠陥の有無を判定する構成とした。
かかる構成によれば、検出ユニットにおいて弾性波の受信状態を監視すればよく、長距離にわたって検査対象物の破断等の欠陥を検査する場合でも、検出ユニットだけを通信ラインを介して中央処理装置等に接続するだけでよく、通信ネットワークを簡素化できるようになる。
また、前記中継ユニットが、検出ユニット側の弾性波送受信を行う第1送受信部と、終端ユニット側の弾性波送受信を行う第2送受信部とを備え、前記第1送受信部が検出ユニット側から弾性波を受信した時に前記第2送受信部から終端ユニット側へ弾性波を送信し、前記第2送受信部が終端ユニット側から弾性波を受信した時に前記第1送受信部で検出ユニット側へ弾性波を送信する構成であって、前記中継ユニットが、前記検出ユニット側から弾性波を受信した時に、第1送受信部から検出ユニット側へ弾性波を返信する構成とすれば、検査対象物に欠陥がない場合、中継ユニットと終端ユニットの設置数に対応した数の受信信号を受信するので、中継ユニット及び終端ユニットの動作状態をモニタすることが可能になる。また、欠陥部からの反射弾性波を受信した時に、その直前の受信信号から反射弾性波による受信信号までの時間に基づいて欠陥部位置を特定できるので、中継ユニットにおける受信してから送信するまでのタイミングのずれに伴う欠陥部位置の検出誤差を抑制して精度良く欠陥部位置を特定できるようになる。更に、検出ユニットにおいて、弾性波を送信してから当該弾性波を受信した隣接中継ユニットにより検出ユニット方向に送信される弾性波を受信するまでの時間に基づいて、設置環境等の影響による弾性波伝搬速度の変化を補正することが可能となり、欠陥部位置をより精度良く特定できるようになる。
前記中継ユニット及び終端ユニットの弾性波送信レベルを、これら各ユニット自体の配置位置近傍での弾性波反射レベルと略同等に設定すれば、検出ユニット及び中継ユニットが反射弾性波の受信能力が維持されているか否かのチェックができる。
また、少なくとも前記中継ユニットは、前記検出ユニット側及び終端ユニット側の双方向に弾性波の送受信を行う送受信部を備える構成としてもよい。
かかる構成では、検査対象物に対する送受信部の取付けが容易となる。
この場合、中継ユニットは、弾性波を受信してから予め設定した遅延時間経過後に弾性波を送信する構成であり、前記遅延時間が、初回の信号受信時と2回目以降の信号受信時とで異なるようにすれば、各中継ユニットの送信タイミングを互いにずらすことができ、弾性波の受信の干渉を回避できるようになる。
また、前記中継ユニットが、終端ユニットの信号を受信した時に、終端ユニットの返信信号と同一の信号を送信し、送信した後は信号の中継動作を停止する構成とするとよい。
かかる構成では、無駄な弾性波送信動作を行わないようにできる。
また、前記中継ユニットが、前記検査対象物の欠陥部からの反射弾性波を受信した時、検出ユニットの送信信号及び終端ユニットの返信信号のいずれとも異なる反射弾性波受信を示す信号を送信するようにしてもよい。
また、前記検出ユニット、中継ユニット及び終端ユニットの各送受信部を、互いに音響的に分離された少なくとも一対の検査対象物にそれぞれ取付け、前記検出ユニットからの送信信号を前記中継ユニットで前記一対の検査対象物に交互に送信して終端ユニットまで中継し、終端ユニットからの返信弾性波を中継ユニットで前記一対の検査対象物に交互に送信して検出ユニットに返信すると共に、検出ユニットから前記一対の検査対象物に対して交互に信号を送信する構成とするとよい。
かかる構成では、一対の検査対象物に交互に弾性波を伝搬させることで、破断部を迂回させて弾性波を伝搬させることができ、破断部の存在位置に拘わらず必ず破断部からの反射弾性波を受信できるようになるので、ユニット間隔を信号伝達可能な最大距離にして各ユニットを配置した場合でも破断位置を特定できるようになる。
〔発明を実施するための最良の形態〕
以下に、本発明に係る欠陥検出システムの好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。
図2は、本発明の第1実施形態を示し、鉄道レールの破断検出への適用例を示す。
図2において、検査対象物であるレール11の破断検査区間に沿って、検査区間の始端側に検出ユニット20を配置し、終端側に終端ユニット40を配置する。また、前記検出ユニット20と終端ユニット40との間の検査区間中間部に、検査区間の長さに応じて適当数の中継ユニット30A、30B(本実施形態では2つ設けた例を示す)を間隔を設けて配置する。尚、中継ユニット数は2つに限らないことは言うまでもない。
検出ユニット20は、中継ユニット30A方向へ弾性波としての超音波を送信し中継ユニット30A方向からの超音波を受信可能なように伝送媒体であるレール11に当接させた超音波振動子21を備える。また、前記超音波振動子21と接続する送受信回路の送受信情報に基づいて後述するように、破断の有無を判定したり破断位置の特定等を行い、その結果等の情報を図示しない中央処理装置等に通信ラインを介して伝送する。
終端ユニット40は、中継ユニット30B方向へ超音波を送信し中継ユニット30B方向からの超音波を受信可能なようにレール11に当接させた超音波振動子41を備える。超音波振動子41は図示しない内部の送受信回路に接続している。そして、中継ユニット30Bの送信した超音波を受信すると中継ユニット30Bに超音波を返信する構成である。
中継ユニット30A、30Bは、検出ユニット20方向への超音波送信と検出ユニット20方向からの超音波受信が可能なようにレール11に当接させた第1送受信部である超音波振動子31aと、中継ユニット30B方向(終端ユニット方向)への超音波送信と中継ユニット30B方向(終端ユニット方向)からの超音波受信が可能なようにレール11に当接させた第2送受信部である超音波振動子31bを備える。そして、中継ユニット30Aは、検出ユニット20の送信した超音波を超音波振動子31aで受信すると中継ユニット30Bへ超音波振動子31bにより超音波を送信し、中継ユニット30Bの送信した超音波を超音波振動子31bで受信すると検出ユニット20に超音波振動子31aにより超音波を送信する構成である。中継ユニット30Bも同様に構成され、中継ユニット30Aの送信した超音波を超音波振動子31aで受信すると終端ユニット40Bへ超音波振動子31bにより超音波を送信し、終端ユニット40の送信した超音波を超音波振動子31bで受信すると中継ユニット30Aに超音波振動子31aにより超音波を送信する。
図3に、前記中継ユニット30Aの構成例を示す。尚、中継ユニット30Bも同様の構成であり、説明は省略する。
図3において、中継ユニット30Aは、超音波振動子31aに切換スイッチ32を介して選択的に接続可能な受信回路33A及び送信回路33Bと、超音波振動子31bに切換スイッチ34を介して選択的に接続可能な受信回路35A及び送信回路35Bと、各受信回路35A,33Aからの各受信有りの情報により前記切換スイッチ32,34をそれぞれ切換制御する制御回路36、37を備える。
次に、図4及び図5のタイムチャートを参照して第1実施形態の動作を説明する。図4はレール11が正常な場合のタイムチャートを、図5は中継ユニット30Aと中継ユニット30Bの間に破断を生じた場合のタイムチャートを示す。
まず、レール11に破断が存在しない正常状態時の動作を説明する。
検出ユニット20は、所定の周期で中継ユニット30A方向に超音波を送信する。検出ユニット20から送信される信号S1は、中継ユニット30Aの超音波振動子31aで受信され受信信号R1が発生する。中継ユニット30Aは、受信回路33Aが信号R1を受信すると制御回路37に受信有りの情報を出力する。制御回路37は、前記受信有りの情報により切換スイッチ34を送信回路35B側に切換え動作する。これにより、超音波振動子31bを介して中継ユニット30Bへ超音波を送信する。従って、検出ユニット20の送信信号S1は、中継ユニット30Aで信号S2として中継されて中継ユニット30B方向に伝送される。同様にして、中継ユニット30Aの送信信号S2は、中継ユニット30Bの超音波振動子31aで受信され受信信号R2が発生し、中継ユニット30Bで送信信号S3として中継されて終端ユニット40に伝送される。終端ユニット40は、信号S3を受信して受信信号R3の発生により送信信号S4を発生して中継ユニット30B方向に返信する。送信信号S4は、中継ユニット30Bで受信され受信信号R4の発生により送信信号S5として中継される。信号S5は中継ユニット30Aで受信され受信信号R5の発生により送信信号S6として中継される。信号S6は、検出ユニット20で受信され受信信号R6が発生する。
このように、レール11に破断が存在しなければ、検出ユニット20から送信された信号S1は、中継ユニット30Aと30Bを中継して終端ユニット40まで伝送され、終端ユニット40からの信号受信を示す情報として返信される超音波信号が、中継ユニット30A、30Bを経由して検出ユニット20に伝送され受信信号R6が検出ユニット20で発生する。そして、超音波信号がレール11を介して検出ユニット20と終端ユニット40間を往復する時間は予め計算できるので、レール11正常時の検出ユニット20における受信信号R6の発生時刻を予め設定できる。従って、検出ユニット20において予想される発生時刻を基準に予め時間範囲を設定しその設定時間範囲内に受信信号R6が発生したか否か監視することで破断の有無を監視でき、設定時間範囲内に信号R6が発生すればレール11は正常であると判定できる。
次に、図5のタイムチャートによりレール11に破断を生じている場合を説明する。
中継ユニット30Aと30B間のレール11に破断が存在する場合、検出ユニット20の送信信号S1に基づく中継ユニット30Aの送信信号S2は破断部で反射する。このため、中継ユニット30Aは、破断部での反射波を超音波振動子31bで受信して図5のように反射受信信号aが発生する。信号aが発生すると受信回路35A、制御回路36、切換スイッチ32の動作により超音波振動子31aを介して信号bを検出ユニット20に送信する。検出ユニット20では、信号bを受信して受信信号cが発生する。破断部の反射に基づく受信信号cは、正常時に発生する受信信号R6(図5中破線で示す)の発生時刻より早く、前記設定時間範囲外となり、受信信号cは破断からの反射波によるものと判定できる。
破断による受信信号であると判断した場合、検出ユニット20では、信号S1の送信から信号cの受信までの時間Tと超音波の伝搬速度Cから、レール破断位置Xを、X=C・T/2から算定でき、破断位置を特定することができる。そして、前記正常判定や破断位置の情報は、図示しないが検出ユニット20と通信ラインで接続される中央処理装置へ伝送する。
以上のように、第1実施形態では、終端ユニット40からの返信信号による受信信号R6が発生したか否かを監視し、信号R6が発生すればレール11は正常と判断し、受信信号cが発生すれば破断有りと判定する。また、検出ユニット20で信号が受信されなければ、超音波の伝送系に何らかの異常が発生したことになる。
レール11の検査区間中間部に継ぎ目が存在する場合は、図6に示すように、中継ユニット30の2つの超音波振動子を継ぎ目11aを跨いでレール11に取付ければよい。検査区間内に継ぎ目11aがある場合、継ぎ目11aでの反射波が存在するが、終端ユニット40の送信に基づく受信信号R6が発生すればレール11は正常と判断できる。
また、対になっている2本のレール11の破断を同時に監視する場合は、図7に示すように、レール11の検査区間の一端側に、一方のレール側に検出ユニット20を配置し他方のレール側に終端ユニット40を配置すると共に、検査区間の他端側に中継ユニット30を配置し、2つの超音波振動子を両レールに跨るように取付ければよい。
尚、図6及び図7のように構成した場合も、超音波信号の伝送動作は図2の場合と同様であるので、説明は省略する。
上述した第1実施形態の場合、中継ユニット30の数が増大すると各中継ユニット30の受信から送信までの時間遅れの積算時間が大きくなるため、破断部からの反射信号cの受信時刻の誤差が大きくなり、破断部の位置検出精度が低下する虞れがある。
次に、中継ユニット数に関係なく破断部位置を精度よく検出できる本発明の第2実施形態について説明する。
本実施形態の各中継ユニットは、検出ユニット方向から信号を受信した時、終端ユニット方向に中継して伝送すると共に、超音波振動子31aから検出ユニット方向にも送り返す構成である。この場合、各中継ユニットは、図3に点線で示すように受信回路33Aからの受信有りの情報を制御回路36にも出力する構成とすればよい。検出ユニット及び終端ユニットの構成は、第1実施形態と同様である。
次に、図8及び図9の動作タイムチャートを参照して第2実施形態の動作を説明する。尚、以下では、検出ユニット、中継ユニット及び終端ユニットは、図2に示す第1実施形態と同様に配置されているものとして説明する。図中、図4及び図5と同様のものは同一符号を付す。
図8は、レール11に破断がない正常な場合の動作タイムチャートである。図8において、中継ユニット30Aは、信号S1を受信して受信信号R1が発生すると、第1実施形態と同様に信号S2として中継ユニット30Bに超音波を送信すると同時に、図に示すように信号S1’として検出ユニット20にも送信する。中継ユニット30Bでは、信号S2を受信して受信信号R2が発生すると、信号S3として終端ユニット40に超音波を送信すると同時に、図に示すように信号S1”として中継ユニット30Aに送信する。中継ユニット30Aは、信号S1”を受信して信号R1”が発生すると信号S2”として検出ユニット20に送信する。レール11が正常な場合、検出ユニット20では、図に示すように各中継ユニット30A、30Bの送信信号S1’、S1”に基づいた受信信号R1’、R2”と、第1実施形態と同様に終端ユニット40の送信信号S4による受信信号R6が発生する。従って、検出ユニット20は、受信信号R6が設定時間範囲内に発生すればレール11は正常と判断できる。
次に、図9のタイムチャートによりレール11に破断を生じている場合を説明する。
中継ユニット30Aと30B間のレール11に破断が存在する場合、中継ユニット30Aでは、受信信号R1の発生により送信信号S2、S1’が図8と同様正常に発生し、検出ユニット20で受信信号R1’が発生する。中継ユニット30Aの送信信号S2は破断部で反射し、反射受信信号aに基づいて中継ユニット30Aから信号bが検出ユニット20に送信され、検出ユニット20では、正常時の受信信号R2”の発生時点より早く反射波による受信信号cが発生する。本実施形態では、この場合、受信信号R1’の発生時点を基準として信号cの受信時間Tを計測し、この時間Tと伝搬速度Cからレール破断位置を算定する。これにより、各中継ユニット30における受信と送信間の遅れ時間の影響を排除でき、第1実施形態と比較して、より精度よく破断位置を特定できる。
また、第2実施形態では、中継ユニット30Aの送信信号S1’により、超音波の伝搬速度Cの補正ができる。
即ち、検出ユニット20と中継ユニット30A間の距離がLとすれば、検出ユニット20が信号S1を発生してから受信信号R1’が発生するまでの時間toは、to=2L/C+txで表せる。ここに、txは中継ユニット30Aが超音波を受信して送信するまでの時間遅れであり、設計上定まり固定値である。上記式により時間toを計測すればその時の伝搬速度Cを算出できる。これにより、リアルタイムで超音波信号の伝搬速度Cを補正できるので、破断位置の検出に、補正した伝搬速度Cを用いれば、より一層、破断位置を高精度に特定できる。
更には、第2実施形態の場合、図8で示すタイムチャートから明らかなように、検出ユニット20では、検出ユニット−終端ユニット間に介在する中継ユニット数に相当する数の受信信号が発生するので、発生した受信信号数を計数することにより、設置されている中継ユニット数を検出ユニット20側で逐次モニタでき、検出ユニット20側で、受信すべき信号個数とその受信時刻をチェックすることによって、各中継ユニット30と終端ユニット40の動作状況のモニタができる。
また、第2実施形態の構成では、レール11に破断があれば、破断部から先の中継ユニット及び終端ユニットの送信信号は、検出ユニットで受信されないので、検出ユニット20の受信信号数を監視することで、破断の有無及びおおよその破断位置を検出することが可能である。
尚、最終の中継ユニットと終端ユニットとの間に破断部が存在する場合には、受信信号数からは破断の有無を検出できず、この場合には、最終の受信信号の発生時間に基づいて当該受信信号が破断部での反射波によるものか、終端ユニットからの返信信号によるものかを判断すればよい。
また、本発明の構成において、各中継ユニット30と終端ユニット40の検出ユニット方向の超音波送信レベルを適切に設定することにより、検出ユニット20及び各中継ユニット30における破断部からの反射波受信機能が正常か否かを監視することができる。
かかる監視機能に関して、検出ユニット20と中継ユニット30A間の送受信動作を例にして、図10により説明する。
検出ユニット20と中継ユニット30Aとの距離をLxとする。検出ユニット20の送信信号は、距離Lx離れた中継ユニット30Aの設置位置に到達するまでに減衰し、到達後、更に距離Lx伝搬して減衰し検出ユニット20で受信される。このため、検出ユニット20の受信能力は、最大距離Lx、即ち、中継ユニット30Aの設置位置で生じる反射波を検出できるように設定される。検出ユニット20が中継ユニット30Aの設置位置で生じる反射波を受信する能力があるか否かをチェックするには、図10に示すように、中継ユニット30Aから検出ユニット20側に送信するレベルを、検出ユニット20の検出ユニット20方向の送信レベルより十分小さく、即ち、中継ユニット30Aの設置位置における反射波と略同等レベルに設定すればよい。尚、他の中継ユニットの反射波受信機能のチェックも、隣接する中継ユニット及び終端ユニットにおける検出ユニット方向の送信レベルを同様に設定すればよい。
これにより、破断の検出動作と同時に検出ユニット20及び中継ユニット30における反射波受信機能の正常か否かを監視でき、欠陥検出システムの信頼性が向上する。
上記各実施形態は、検出ユニット側から終端ユニット側へ、逆に、終端ユニット側から検出ユニット側へ、弾性波が伝送媒体に対してそれぞれ一方向に伝搬して中継する構成例を示した。以下では、弾性波が伝送媒体に対して双方向に伝搬する場合の構成例について述べる。
図11は、弾性波が伝送媒体に対して双方向伝搬する本発明の第3実施形態を示す。
図11において、伝送媒体であるレール11の破断検査区間に沿って配設された各検出ユニット50、中継ユニット60A、60B及び終端ユニット70は、それぞれ送受信部として1つの超音波振動子51,61,71を有する。各ユニット50,60,70の各超音波振動子51,61,71は、その超音波送受面を伝送媒体であるレール11の伝搬方向に対して略直角となるよう取付ける。これにより、各超音波振動子51,61,71から送信される弾性波としての超音波は、レール11の図中左右双方向へ伝搬するようになる。
検出ユニット50は、検出ユニット20と同様の構成であり、超音波の送受信情報に基づいて破断の有無を判定したり破断位置の特定等を行い、その結果等の情報を図示しない中央処理装置等に通信ラインを介して伝送する。
終端ユニット70は、中継ユニット60Bの送信信号を受信すると検出ユニット50の送信信号と区別するため検出ユニット50の送信信号と異なる超音波信号を送信する構成である。異なる信号とは、例えばパルス数を異ならせて信号発生時間を異ならせた信号等である。また、送信後は中継動作を停止する。即ち、信号を受信したら送信するという動作を行わない。
中継ユニット60A,60Bは、同じ構成であり、図12に示すように、超音波振動子61に切換スイッチ62を介して選択的に接続可能な受信回路63及び送信回路64と、受信回路63の受信有り及び受信信号形態の各情報により前記切換スイッチ62を切換制御すると共に送信回路64の送信形態を制御する制御回路65を備える。
即ち、中継ユニット60A,60Bは、信号を受信すると制御回路65により切換えスイッチ62が送信回路64側に切換わり信号を送信し、送信後は切換えスイッチ62を受信回路63側に戻す。そして、受信した信号が検出ユニット50の信号の時は検出ユニット50と同一の信号を、終端ユニット70の信号の時は終端ユニット70と同一の信号を送信し、終端ユニット70と同一の信号の送信後は中継動作を停止し信号を受信しても送信動作を行わない。
第3実施形態の信号中継動作を、図13のタイムチャートを参照して説明する。尚、図中、白四角は検出ユニット50と同一の信号を示し、黒四角は終端ユニット70と同一の信号を示す。
検出ユニット50は、所定の周期で超音波信号S1を送信する。信号S1により中継ユニット60Aで受信信号R1が発生し、中継ユニット60Aは信号S1と同じ信号S2を送信する。信号S2は、レール11を双方向に伝搬するので、図示のように、検出ユニット50と中継ユニット60Bでそれぞれ受信信号R’、R2が発生する。中継ユニット60Bは、受信信号R2の発生により送信信号S3を送信し、中継ユニット60A及び終端ユニット70で受信信号R2’、R3がそれぞれ発生する。中継ユニット60Aでは、受信信号R2’の発生により送信信号S2’を送信するので、検出ユニット50で受信信号R2”が発生し、中継ユニット60Bで受信信号R3’が発生する。また、終端ユニット70は、受信信号R3の発生により検出ユニット50の信号S1と例えばパルス数の異なる信号S4を送信し、この信号S4により中継ユニット60Bで受信信号R4が発生する。中継ユニット60Bは、受信信号R4の発生で信号S5を送信する。中継ユニット60Aは、信号S5による受信信号R5の発生で信号S6を送信し、検出ユニット50で受信信号R6が発生する。
尚、終端ユニット70は、信号S4の送信後は中継動作を停止するので、中継ユニット60Bの信号S5に基づく受信信号R4’が発生しても送信動作は行わない。同様に、中継ユニット60Bも終端ユニット70からの信号S4に基づく信号S5の送信後は中継動作を停止するので、信号S6の受信で受信信号R5’が発生しても送信動作は行わない。
かかる第3実施形態によれば、検出ユニット50は、受信信号R6が所定時間範囲内に発生すればレール11は正常と判断する。レール11に破断が存在する場合には図9で説明したように第2実施形態と同様にして破断を検出できる。また、第2実施形態と同様に、検出ユニット50において検出ユニット−終端ユニット間に介在する中継ユニット数と同数の受信信号が発生するので、発生した受信信号数を計数することで、設置されている中継ユニット数を検出ユニット側で逐次モニタでき、受信信号の個数とその受信時刻をチェックすることによって、各中継ユニット60A,60Bと終端ユニット70の動作状況のモニタができる。そして、伝送媒体の単一方向に超音波を伝搬して中継する構成に比較して、伝送媒体に対する超音波振動子の取付けが容易で、取付けの制約がないという利点がある。
ところで、第3実施形態の場合、図13に示すように、終端ユニット70の信号S4と中継ユニット60Aの信号S2’の送信タイミングが重なり、中継ユニット60Bにおいて受信信号R4とR3’が干渉する虞れがある。
次に、上記の受信信号の干渉問題を回避した本発明の第4実施形態について説明する。
第4実施形態は、中継ユニットの中継動作において、信号受信後の送信動作を遅延させ、且つ、遅延時間を変化させるようにした。具体的には、中継ユニットで信号を受信してから送信するまでの遅延時間を、初回の信号受信時と2回目以降の信号受信時とで異なる構成とした。また、中継ユニットは、破断部からの反射波受信時は終端ユニットと同一の信号を送信する構成である。
第4実施形態の信号伝搬動作を、図14に示す3つの中継ユニット60A,60B,60Cを備える場合について、図15のタイムチャートを参照して説明する。図15中、T2は各中継ユニット60A〜60Cの初回信号受信時の遅延時間を、T3は2回目以降の信号受信時の遅延時間をそれぞれ示す。T1はユニット間の信号伝搬時間である。
図15に示すように、各中継ユニット60A〜60Cは、最初の受信信号に対しては時間T2の経過後に信号を送信し、2回目以降の受信信号に対しては時間T3の経過後に信号を送信する。また、終端ユニット70は、中継ユニット60Cからの信号を受信した時に時間T2の経過後に信号を送信する。送信タイミングを変化させる以外の中継動作は、第3実施形態の場合と同様である。
かかる構成によれば、図15のA、Cで示すように、中継ユニット60Bにおける中継ユニット60Aからの信号と中継ユニット60Cからの信号の受信時、及び、図15のBで示すように、中継ユニット60Cにおける中継ユニット60Bからの信号と終端ユニット70からの信号の受信時に、受信信号の受信タイミングがずれるので、超音波が双方向に伝搬する場合でも受信の干渉を防止できる。
次に、第4実施形態において、中継ユニット60Bと60Cとの間に破断が生じた場合の信号中継動作を図16のタイムチャートに基づいて説明する。
図14の点線で示すように、中継ユニット60Bと60Cとの間のレール11に破断部が存在する場合、中継ユニット60Bの送信信号aは破断部で反射し、反射波による受信信号bが発生する。中継ユニット60Bは、前記受信信号bの発生から時間T3経過後に終端ユニット70と同一の信号cを送信する。この信号cの発生により、中継ユニット60Aを中継して検出ユニット50に反射波に基づく受信信号dが発生する。検出ユニット50では、中継ユニット60Bの送信信号aに基づく返信信号a’が発生した後に信号dが時間(Tr+T3)遅れて発生する。尚、前記時間Trは、中継ユニット60Bの送信信号aの発生後に反射波による受信信号bが発生するまでの時間を示す。
従って、検出ユニット50では、この場合、受信信号a’の発生時点を基準として反射波による信号dの受信時間(Tr+T3)を計測することにより、中継ユニット60Bと60Cとの間で、且つ、中継ユニット60Bの前方の伝搬時間Tr/2に相当する位置に破断が存在していることが検出できる。
第4実施形態では、反射波を受信した時に中継ユニット60A〜60Cが終端ユニット70と同一の信号を送信する構成としたが、検出ユニット50及び終端ユニット70の各送信信号とは異なる別の信号を送信する構成としてもよい。
かかる構成の本発明の第5実施形態の信号中継動作のタイムチャートを図17に示す。破断部は図14と同じ位置とする。尚、第5実施形態は、反射波受信後は直ちに信号を送信する構成である。
図17において、中継ユニット60Bは、送信信号aに基づく反射波受信信号bが発生すると、受信してから時間T3経過後に終端ユニット70とは異なる別の種類の信号eを送信する。この送信信号eを受信した中継ユニット60Aは遅延なく直ちに信号fを送信する。従って、検出ユニット50では、中継ユニット60Bの送信信号aに基づく返信信号a’が発生した後に、前記信号fの発生に基づく信号gが時間Tr遅れて発生する。
かかる構成では、検出ユニット50は、受信信号a’の発生時点を基準として反射波による信号gの受信時間Trを計測することにより、破断位置を特定できる。このため、図16の第4実施形態の場合に比較して時間T3を用いる必要がなく、破断位置の特定処理動作が容易になる。
ところで、ユニット間隔を信号伝達可能な最大距離にして各ユニットを配置すれば、中継ユニットの数をできる限り少なくできる。即ち、信号伝達可能な最大距離をLとして、図18のように各ユニットSA、SB、SCを配置する。しかし、超音波がレールの双方向に伝搬する場合、信号(超音波)の反射率を100%と仮定しても各ユニットSA、SB、SCが反射波を受信できる範囲は、ユニット間距離Lの約半分、即ち、ユニット自身の位置からL/2の距離範囲である。従って、例えば図中の破線で示す位置に破断部が存在すると、ユニットSBは破断部からの反射波を受信できず、検出ユニットでは、終端ユニットからの返信信号が受信されないので破断が生じていることは検出できるが、破断位置を特定できない。
図19に、図18のようなユニット配置構成において、破断部の位置に関係なく破断位置を特定できる本発明の第6実施形態を示す。
第6実施形態は、図19に示すように、少なくとも一対の伝送媒体、例えば一対のレール11A,11Bを利用し、弾性波を送信する伝送媒体を交互に切換えることにより、破断部からの反射波が受信可能なユニットに信号を送信して破断部位置を特定できる構成である。
図19において、本実施形態の検出ユニット50、中継ユニット60A〜60C及び終端ユニット70は、それぞれ2つの超音波振動子51A,51Bと61A,61Bと71A,71Bを有する。一方の超音波振動子51A、61A、71Aはレール11A側に取付け、他方の超音波振動子51B、61B、71Bはレール11B側に取付ける。また、本実施形態の中継ユニット60A〜60C及び終端ユニット70は、図3の実線で示す構成と同様である。そして、一方の超音波振動子で信号を受信した時に他方の超音波振動子から超音波を送信する。尚、各ユニットの信号発生形態及び中継動作は、第4実施形態と同様、検出ユニットと終端ユニットの発生する信号は異なり、初回信号受信時は時間T2経過後に送信し、2回目以降の信号受信時は時間T3経過後に送信する。また、中継ユニットは、破断部からの反射波受信時は反射波受信を示す信号を送信するものとする。
図20に基づいて、破断がない場合の本実施形態の信号中継動作を説明する。
第6実施形態では、図20の(A)と(B)の送信動作を交互に実行する。即ち、(A)の検出ユニット50の超音波振動子51Aからの信号送信動作を実行し、次に(B)の超音波振動子51Bからの信号送信動作を実行する。
同図(A)では、超音波振動子51A側からの送信信号が図中の実線矢印A〜Dの順で終端ユニット70まで伝搬した後、点線矢印E〜Hの順で終端ユニット70からの信号が検出ユニット50まで伝搬して返信される。
即ち、超音波振動子51Aからの送信信号が矢印Aのようにレール11Aを伝搬して中継ユニット60Aの超音波振動子61Aで受信され、中継ユニット60Aの超音波振動子61Bから矢印Bのように他方のレール11Bに信号が送信され、中継ユニット60Bの超音波振動子61Bで受信される。次いで、中継ユニット60Bの超音波振動子61Aから矢印Cのようにレール11Aに信号が送信され、中継ユニット60Cの超音波振動子61Aで受信され、中継ユニット60Cの超音波振動子61Bから矢印Dのようにレール11Bに信号が送信され、終端ユニット70の超音波振動子71Bで受信される。終端ユニット70は、信号を受信すると超音波振動子71Bから矢印Eのようにレール11Bに検出ユニット50の信号とは異なる信号を送信し、中継ユニット60Cの超音波振動子61Bで受信され、超音波振動子61Aから矢印Fのようにレール11Aに信号が送信され、中継ユニット60Bの超音波振動子61Aで受信される。次いで、中継ユニット60Bの超音波振動子61Bから矢印Gのようにレール11Bに信号が送信され、中継ユニット60Aの超音波振動子61Bで受信され、中継ユニット60Aの超音波振動子61Aから矢印Hのようにレール11Aに信号が送信され、検出ユニット50の超音波振動子51Aで受信され、終端ユニット70からの信号が検出ユニット50に返信される。図21に、図20(A)の場合における各ユニットの送受信動作の詳細なタイムチャートを示す。
図20(A)の動作が終了すると、同図(B)の信号送信動作を実行する。同図(B)では、検出ユニット50の超音波振動子51B側からの送信信号が図中の実線矢印A’〜D’の順で終端ユニット70まで伝搬した後、点線矢印E’〜H’の順で終端ユニット70からの信号が検出ユニット50に伝搬し返信される。(B)と(A)の送信動作は、各ユニットの互いの超音波振動子の送受信順序が逆になるだけでその他の動作は同様であるので、説明を省略する。図22に、図20(B)の場合における各ユニットの送信動作の詳細なタイムチャートを示す。
次に、例えば中継ユニット60Bと中継ユニット60Cとの間で、レール11A側の中継ユニット60C近傍に破断部が存在する場合の送信動作を、図23〜図25を参照して説明する。
図23(A)は、図20(A)の超音波振動子51Aからの信号送信時の送信動作を示し、図24にこの場合における各ユニットの送受信動作の詳細なタイムチャートを示す。図23(B)は、図20(B)の超音波振動子51Bからの信号送信時の送信動作を示し、図25にこの場合における各ユニットの送受信動作の詳細なタイムチャートを示す。
図23(A)に示す超音波振動子51Aからの信号送信時の送信動作について説明する。
検出ユニット50の超音波振動子51Aからの送信信号は、図23(A)の実線矢印A、Bの順で中継されて中継ユニット60Bの超音波振動子61Bで受信され、中継ユニット60Bの超音波振動子61Aから実線矢印Cのようにレール11Aの双方向に信号が送信されるまでは、図20(A)の場合と同様である。しかし、破断部が存在すると、中継ユニット60Bの超音波振動子61Aから送信された矢印Cの信号は、破断部で反射され中継ユニット60Cまで伝搬しない。このため、図24に示すように、中継ユニット60C及び終端ユニット70は超音波を受信できない。
一方、中継ユニット60Bから図23の左方向に伝搬した矢印Cの信号は、破断部が存在しない場合と同様に、中継ユニット60Aの超音波振動子61Aで受信され、実線矢印Dのように中継ユニット60Aの超音波振動子61Bから再度レール11Bに送信され、検出ユニット50の超音波振動子51B及び中継ユニット60Bの超音波振動子61Bで再度受信される。破断部がない場合には、中継ユニット60Bは、矢印Dの信号の受信後に図21に示すように中継ユニット60Cからの信号を受信するので、この信号の受信後時間T3経過してから信号を送信している。しかし、破断部が存在する場合は中継ユニット60Cからの送信がないため、図24に示すように矢印Dの信号を受信した後時間T3経過すると、図の実線矢印Eのようにレール11Aに信号を送信する。従って、破断部が存在する場合は破断部の存在しない場合に比べて中継ユニット60Bの2回目の送信タイミングが早くなる。矢印Dの送信信号は、中継ユニット60Aで受信され、中継ユニット60Aから実線矢印Fのようにレール11Bに送信されて検出ユニット50で受信される。このため、検出ユニット50において中継ユニット60Bの2回目の送信動作に基づく受信信号の受信タイミングが、破断部の存在しない時に比べて早いので、検出ユニット50は、この早い受信タイミングを検出して破断有りと判断する。
検出ユニット50は、破断有りと判定すると、中継動作停止を中継ユニットに対して通報するための制御信号(図24中の黒四角で示す)を送信する。制御信号は、図23(A)の点線矢印G,H,Iの順で、中継ユニット60A,60Bに伝達される。各中継ユニット60A,60Bは、制御信号を受信すると同様の信号を送信した後、中継動作を停止する。その後に、検出ユニット50は、超音波が終端ユニット70まで伝搬できるか否か中継動作正常確認のため、図23(B)で示す超音波振動子51Bからの送信動作を実行する。
検出ユニット50の超音波振動子51Bからの送信信号は、図23(B)の実線矢印A’〜D’の順で中継ユニット60A、中継ユニット60Bを経由して中継ユニット60Cまで中継され、中継ユニット60Cの超音波振動子61Aから図中の実線矢印D’のようにレール11Aの双方向に信号が送信されるまでは、図20(B)と同様である。
中継ユニット60Cから送信され図中の左方向に伝搬した実線矢印D’の信号は、破断部で反射され反射波が中継ユニット60Cの超音波振動子61Aで受信される。反射波を受信した中継ユニット60Cは、直ちに反射波受信を示す反射波受信信号(図中、符号Aで示す)を超音波振動子61Bから図中の点線矢印F’のようにレール11Bに送信し、これを受信した中継ユニット60Bは、同様の反射波受信信号Aを直ちに超音波振動子61Aから点線矢印G’のように他方のレールAに送信し、これを受信した中継ユニット60Aは、同じく反射波受信信号Aを直ちに超音波振動子61Bから点線矢印H’のようにレールBに送信し、検出ユニット50が受信する。検出ユニット50は、これより前の信号受信時点から反射波受信信号を受信するまでの時間(=T2−T3+2T1+Tr)を計測し、判断部の位置を特定する。
尚、中継ユニット60Cから図中の右方向に伝搬した信号は、終端ユニット70で受信され、終端ユニット70からの送信信号が、図22に示す破断部のない場合と同様の点線矢印E’〜H’の順で検出ユニット50まで伝搬し、検出ユニット50及び各中継ユニット60A〜60Cの中継動作が停止する。また、検出ユニット50は、終端ユニット70からの信号を受信したことで各ユニットの動作は正常と判断する。
以上説明したように、検出ユニットと終端ユニットとの間に中継ユニットを介在させ、欠陥検査対象部を伝送媒体として、検出ユニットから送信した超音波を中継ユニットで中継して終端ユニットに伝送し、終端ユニットからの信号を中継ユニットを介して検出ユニットに返信する構成とすれば、検出ユニットだけを中央処理装置に通信ラインで接続すればよく、欠陥検出システムのネットワークの簡素化を図れる。そして、超音波を双方向に伝搬するよう超音波振動子を取付ける構成では、超音波振動子の超音波送受面を単純に伝送媒体に直角に取付ければよく、取付け環境の制約が緩和され、超音波振動子の取付け作業が容易となる。
また、例えば、基地局を多数設置するワイヤレス通信ネットワークでは、基地局に電源とネットワーク接続のための通信装置が設置されるので、検出ユニットを前記基地局の近くに設置すれば、他の目的のために存在する既存のネットワークを利用できると共に、通信ラインの配線長が短くて済む。従って、前述した無線列車検出システムのネットワークの利用も可能であり、無線列車検出システムとの併用に好適である。
また、図1の従来システムと同様に、図2の構成において中継ユニットと終端ユニット各々をもネットワークに接続した場合、従来システムのようなネットワークを使用した欠陥検出システムと本発明の構成による検査対象物を情報の伝播媒体とする欠陥検出システムの両方で欠陥をモニタすることができる。このようなシステム構成は、物理的に異なる手段を用いた多様性冗長系であり、2つのシステムに生ずる故障に対する安全性が向上する。
尚、本発明の欠陥検出システムの適用は、鉄道レールに限定されるものではなく、パイプライン等の流体移送用のパイプ等長距離にわたって敷設される超音波の伝搬が可能な構造物であれば適用可能である。
〔産業上の利用可能性〕
本発明は、長距離にわたって敷設される鉄道レールやパイプライン等の欠陥検出システムを、簡素な構成とすることができるので、産業上の利用可能性が大である。
【図面の簡単な説明】
図1は、従来の欠陥検出システムの一例を示す構成図である。
図2は、本発明の第1実施形態を示す構成図である。
図3は、中継ユニットの構成例を示す図である。
図4は、第1実施形態の正常動作時の動作タイムチャートである。
図5は、第1実施形態の破断存在時の動作タイムチャートである。
図6は、レールに継ぎ目がある時の各ユニットの設置状態を示す図である。
図7は、2本のレールの破断を同時に検査する時の各ユニットの設置状態を示す図である。
図8は、本発明の第2実施形態の正常動作時の動作タイムチャートである。
図9は、第2実施形態の破断存在時の動作タイムチャートである。
図10は、ユニットの反射波受信機能チェックの原理説明図である。
図11は、本発明の第3実施形態を示し、弾性波が双方向伝搬する場合の構成図である。
図12は、第3実施形態の中継ユニットの構成例を示す図である。
図13は、第3実施形態の正常動作時の動作タイムチャートである。
図14は、本発明の第4実施形態の構成図である。
図15は、第4実施形態の正常動作時の動作タイムチャートである。
図16は、第4実施形態の破断存在時の動作タイムチャートである。
図17は、本発明の第5実施形態の破断存在時の動作タイムチャートである。
図18は、ユニット間隔を信号伝達可能な最大距離にした場合の弾性波伝達距離と反射波受信範囲との関係を説明する図である。
図19は、本発明の第6実施形態の構成図である。
図20(A)、(B)は、第6実施形態の信号伝搬動作の説明図である。
図21は、図20(A)の信号伝搬動作時のタイムチャートである。
図22は、図20(B)の信号伝搬動作時のタイムチャートである。
図23(A)、(B)は、第6実施形態の破断存在時の信号伝搬動作の一例を示す説明図である。
図24は、図23(A)の信号伝搬動作時のタイムチャートである。
図25は、図23(B)の信号伝搬動作時のタイムチャートである。
Claims (19)
- 検査対象物に沿って検出ユニット、中継ユニット及び終端ユニットを間隔を設けて配置し、前記検査対象物を伝送媒体として、検出ユニットから送信した弾性波を中継ユニットで中継して終端ユニットまで伝送し、該終端ユニットで前記送信弾性波を受信した時に、当該終端ユニットから弾性波を返信し前記中継ユニットで中継して前記検出ユニットに伝送し、該検出ユニットにおける弾性波受信状態に基づいて前記検査対象物の欠陥の有無を判定する構成としたことを特徴とする欠陥検出システム。
- 前記検出ユニットは、前記終端ユニットからの前記返信弾性波の受信の有無に基づいて前記検査対象物の欠陥の有無を判定する構成とした請求項1に記載の欠陥検出システム。
- 前記返信弾性波の受信の有無は、弾性波を送信してから所定時間範囲内に前記返信弾性波が受信されたか否かに基づいて判定する構成とした請求項2に記載の欠陥検出システム。
- 前記中継ユニットは、検出ユニット側の弾性波送受信を行う第1送受信部と、終端ユニット側の弾性波送受信を行う第2送受信部とを備え、前記第1送受信部が検出ユニット側から弾性波を受信した時に前記第2送受信部から終端ユニット側へ弾性波を送信し、前記第2送受信部が終端ユニット側から弾性波を受信した時に前記第1送受信部で検出ユニット側へ弾性波を送信する構成である請求項1に記載の欠陥検出システム。
- 前記検出ユニットは、前記検査対象物の欠陥部からの反射弾性波を受信した時、弾性波を送信してから前記反射弾性波を受信するまでの時間に基づいて前記欠陥部の位置を特定する請求項4に記載の欠陥検出システム。
- 前記中継ユニットは、前記検出ユニット側から弾性波を受信した時に、前記第1送受信部から検出ユニット側へ弾性波を返信する構成である請求項4に記載の欠陥検出システム。
- 前記検出ユニットは、弾性波を送信してから隣接する中継ユニットの前記第1送受信部からの返信弾性波を受信するまでの時間に基づいて、弾性波の伝搬速度を補正する構成とした請求項6に記載の欠陥検出システム。
- 前記中継ユニット及び終端ユニットの弾性波送信レベルは、これら各ユニット自体の配置位置近傍での弾性波反射レベルと略同等に設定する請求項4に記載の欠陥検出システム。
- 少なくとも前記中継ユニットは、前記検出ユニット側及び終端ユニット側の双方向に弾性波の送受信を行う送受信部を備える構成である請求項1に記載の欠陥検出システム。
- 中継ユニットは、弾性波を受信してから予め設定した遅延時間経過後に弾性波を送信する構成であり、前記遅延時間が、初回の信号受信時と2回目以降の信号受信時とで異なる請求項9に記載の欠陥検出システム。
- 前記終端ユニットは、検出ユニットの送信信号と異なる信号を返信する構成である請求項9に記載の欠陥検出システム。
- 前記中継ユニットは、受信信号が前記終端ユニットの返信信号である時に、終端ユニットの返信信号と同一の信号を送信する構成である請求項11に記載の欠陥検出システム。
- 前記中継ユニットは、前記終端ユニットの返信信号と同一の信号を送信した後は、信号の中継動作を停止する請求項12に記載の欠陥検出システム。
- 前記中継ユニットは、前記検査対象物の欠陥部からの反射弾性波を受信した時、反射弾性波の受信を示す信号を中継して検出ユニットに通知する請求項9に記載の欠陥検出システム。
- 前記反射弾性波の受信を示す信号を、検出ユニットの送信信号及び終端ユニットの返信信号のいずれとも異なる信号とする請求項14に記載の欠陥検出システム。
- 前記検出ユニット、中継ユニット及び終端ユニットの各送受信部を、互いに音響的に分離された少なくとも一対の検査対象物にそれぞれ取付け、前記検出ユニットからの送信信号を前記中継ユニットで前記一対の検査対象物に交互に送信して終端ユニットまで中継し、終端ユニットからの返信弾性波を中継ユニットで前記一対の検査対象物に交互に送信して検出ユニットに返信すると共に、検出ユニットから前記一対の検査対象物に対して交互に信号を送信する請求項9に記載の欠陥検出システム。
- 前記検出ユニットは、弾性波受信状態に基づいて弾性波伝搬状態が異常と判定した時に中継ユニット及び終端ユニットに対して中継動作の停止を通知するための制御信号を送信する構成である請求項16に記載の欠陥検出システム。
- 前記検出ユニットは、前記制御信号の送信後、中継ユニット及び終端ユニットの中継動作正常確認のための信号伝送を実行する請求項17に記載の欠陥検出システム。
- 前記検査対象物が、鉄道レールである請求項1に記載の欠陥検出システム。
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