KR101356751B1 - 레일 헤드 내부의 결함을 검출하는 탐상장치 및 ｅｍａｔ와 레일간의 간극을 유지하는 간격제어방법 - Google Patents

레일 헤드 내부의 결함을 검출하는 탐상장치 및 ｅｍａｔ와 레일간의 간극을 유지하는 간격제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철도 레일 헤드부의 비파괴 탐상장치에 관한 것으로, 비접촉으로 레일 내부 결함을 검출할 수 있으므로 레일의 상측 혹은 어느 일측에 접촉하는 탐촉자 또는 탐상 시스템이 마모되거나 파손될 가능성이 매우 낮아지고, 레일 표면의 영향에 의한 탐상 신호의 변형이 거의 없으며, 레일내부에서 발생할 수 있는 초음파 전파 각도의 변화 가능성이 없으며, 초음파신호로 탐상속도를 고속화하여 검사시간을 줄이는 효과가 있도록 철도나 트램 또는 전철 등을 운행하는 레일의 내부에서 발생하는 결함을 검출하기 위하여 레일을 따라 이동하면서 검침하는 레일검사차량의 하부에 레일과 비접촉으로 검사할 수 있도록 초음파를 발생시키고 측정할 수 있는 전자기 음향 변환기(EMAT)에 의하여 초음파 탐촉자와 레일이 물리적으로 접촉하지 않는 상태에서 레일 내부의 결함을 검출하는 탐상장치 및 EMAT와 레일간의 간극을 유지하는 간격제어방법이다.

Description

레일 헤드 내부의 결함을 검출하는 탐상장치 및 ＥＭＡＴ와 레일간의 간극을 유지하는 간격제어방법{NONCONTACT INSPECTION EQUIPMENT FOR INTERNAL FLAW OF RAIL}
본 발명은 레일의 내부결함에 대한 비접촉 탐상장치에 관한 것으로, 구체적으로는 철도나 트램 또는 전철의 레일 내부, 특히 레일의 두부(head) 및 복부(web)에 발생한 결함을 레일을 따라 이동하면서 레일 내부의 결함을 검출하기 위해 비접촉으로 초음파를 발생시키고 측정할 수 있는 전자기 음향 변환기(EMAT, ElectroMagnetic Acoustic Transducer)에 기반하여 초음파 탐촉자와 레일이 물리적으로 접촉하지 않는 상태에서 레일 헤드 내부의 결함을 검출하는 탐상장치 및 EMAT와 레일간의 간극을 유지하는 간격제어방법에 관한 것이다.
일반적인 철도레일은 상부에는 철도바퀴와 접촉되어 철도차량이 주행할 수 있는 바퀴접촉부인 헤드가 형성되어 있고, 하단에는 철도레일 자체를 지면에 고정 하는 받침대가 형성되어 있으며, 바퀴접촉부와 받침대 사이에는 이를 서로 연결하는 연결체가 수직으로 하여 일체로 형성되어 대략 'I' 형상으로 형성되어 있다.
이러한 철도레일은 생산 시 대략 20m 내지 30m의 단위 길이를 가지도록 절단되고, 단위 길이로 절단된 철도레일은 철도차량이 주행할 수 있도록 서로 연속적으로 연결되는데, 이때 단위길이의 철도레일이 연결될 때 기후변화에 따라 철도레일이 수축되거나 팽창되는 것을 감안하여 필수적으로 철도레일과 철도레일이 마주하는 각각의 연결단은 일정간격을 유지하도록 되어 있다.
공개특허 10-2007-118605호 상기 특허문헌은 레일헤드 내의 결함을 검출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 레일헤드 내의 결함을 검출하기 위한 방법으로서, 그 레일헤드(1)에는 상측부(T), 하측부(B), 및 상측부(T)와 하측부(B) 간에 연장된 세로부(S)가 제공되고, 적어도 하나의 초음파 제1 신호(10)가 상기 헤드 상측부(T)를 통하여 레일헤드(1) 내로 발신되며, 그 신호(10)는, 레일헤드 세로부(S)에 의하여는 반사되지 않되 레일헤드 하측부(B)에 의하여는 일 회만 반사되고, 적어도 하나의 실질적인 중앙의 레일헤드 부분(C)에 도달하며, 헤드 상측부(T)를 거쳐서 레일헤드(1)를 이탈할 수 있도록, 전달경로(9)를 횡단하고, 상기 헤드 상측부(T)를 이탈하는 초음파 제1 신호는 검출되며, 적어도 제1 신호(10)의 전달경로(9)는 가상의 전달평면에서 연장되고, 그 전달평면은 레일의 길이방향(L)에 대해 실질적으로 횡방향으로 연장된, 레일헤드내의 결함을 검출하기 위한 방법에 관한 것이다. 그러나 상기한 특허문헌에서의 레일헤드내의 결함 검출방법은, 첫째, 결함의 양상에 따라 반사파의 크기가 달라지므로 결함이 검출되지 않는 경우가 있다. 둘째, 결함의 진행 방향은 초음파의 진행 방향과 거의 일치하므로 반사되는 초음파의 크기가 작으며 이에 따라 검출될 확률이 줄어든다. 셋째, 결함의 방향에 따라 초음파의 반사 방향이 달라지므로 초음파 트랜스듀서로 수신되지 않는 경우가 발생한다. 예를 들어 횡방향으로 전개되는 수직 결함을 검출하기 위해 초음파를 발생시켜 레일 하단(B(1))을 반사한 뒤 결함(6)에 의해 초음파가 투과되지 못하여 상측부(T) 상부의 제1 검출기(32)로 수신되지 않을 수 있다. 넷째, 레일의 기하학적 형상에 따른 반사파가 발생하여 결함 신호로 오인하거나 결함에서의 반사파와 혼재되어 결함 신호를 검출하지 못할 수 있다. 예를 들어 결함이 없는 레일에서도 레일 상단에서 하단으로 초음파를 발생시킬 경우 헤드부와 웹(web)부가 이어지는 기하학적 불연속부에서 초음파가 반사될 수 있는 문제점이 있었다. 출원특허 10-2011-0113765호 상기 특허문헌은 철도 레일의 헤드의 내부에 존재하는 종방향 및 횡방향 결함을 검출하기 위하여 상기 헤드의 일 측면부에 구비되어 초음파를 조사하는 초음파 트랜스듀서; 상기 초음파 트랜스듀서로부터 조사되는 초음파가 상기 헤드를 투과하여 수신되는 트랜스듀서; 상기 초음파 트랜스듀서를 통하여 수신되는 신호를 수신하는 수신부 및 상기 수신부의 신호를 출력하는 출력부를 포함하는 철도 레일 헤드부의 비파괴 탐상장치에 관한 것이다. 그러나 상기한 특허문헌에서의 레일헤드내의 결함 검출방법은, 첫째, 압전 초음파 탐촉자 자체 또는 상기 압전 초음파 소자가 포함되어 있는 탐상 유닛이 탐상 시에 레일과 지속적으로 접촉해야 하는데, 이로 인해 탐촉자 또는 탐상 유닛이 지속적으로 마모되어 주기적으로 교체해야하며, 파손 시 추가적인 교체 비용이 소요되었다. 둘째, 외부에 노출되어 있는 레일 표면에 얼음이나 부엽토 등이 쌓여 있는 경우 탐촉 유닛과 레일이 접촉하면서 탐상하므로 레일 표면의 상태에 따라 탐상 결과가 변화할 수 있었다. 셋째, 압전 소자에 의해 발생된 초음파가 탐촉자 유닛과 레일의 경계면에서 스넬의 법칙(Snell's law)에 의해 레일 내부의 결함 탐상을 위하여 특정 각도로 회절되는 현상을 이용하는데, 탐촉자 유닛은 이동 중 레일과 지속적으로 접촉하므로 여러 요인에 의해 미세한 회전이나 흔들림 등이 발생할 수 있는데 이 경우 레일 내부에서의 회절 각도가 변화하여 결함 탐상이 어려워진다. 넷째, 탐촉자 내지는 탐상 시스템의 손상 가능성 및 접촉을 지속적으로 유지해야 하므로 고속 탐상이 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 구체적으로는 철도나 트램 또는 전철 등을 운행하는 레일의 내부에서 발생하는 결함을 검출하기 위하여 레일을 따라 이동하면서 검침하는 레일검사차량의 하부에 레일과 비접촉으로 검사할 수 있도록 초음파를 발생시키고 측정할 수 있는 전자기 음향 변환기(EMAT)에 의하여 초음파 탐촉자와 레일이 물리적으로 접촉하지 않는 상태에서 레일 내부의 결함을 검출하는 탐상장치 및 EMAT와 레일간의 간극을 유지하는 간격제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 상기 레일을 검사하기 위한 레일상에 운행하는 레일검사차량;과 상기 레일검사차량의 하부에 장착되어 양측의 레일과 각각 동일한 방향으로 형성된 일정한 길이의 트롤리;와 상기 트롤리의 하부에 장착되어 양측 레일의 상단과 일정한 간극을 유지하며, 철도 레일의 내부에 존재하는 결함을 검출하기 위하여 초음파를 발생시키고, 검출하는 EMAT부;와 상기 트롤리의 하부에 장착되어 EMAT부와 양측 레일의 상단간의 일정한 간극을 유지하도록 하는 EMAT위치제어부; 및 상기 레일검사차량의 내부에 설치되어 상기 EMAT부로부터 검출된 데이터를 저장하고, 레일의 내부의 결함여부를 판별 및 분석하는 데이터처리부;로 이루어진 레일의 내부결함에 대한 비접촉 탐상장치이고,
또한 상기 EMAT위치제어부는 레일과 EMAT 유닛 간 간격을 검출하기 위한 두 개의 간극센서;와 상기 레일검사차량의 이동속도를 측정하기 위한 레이저속도계;와 트롤리에 일측면에 연결되고, 반대측은 EMAT부를 지지하며, 레일과의 간극을 조절하는 액츄에이터; 및 상기 간극센서 및 레이저 속도계의 측정값을 입력받아 정해진 알고리즘에 의해 EMAT 유닛의 간극을 유지하도록 액츄에이터를 움직이는 간극제어기;로 이루어지며,
상기 간극제어기에서의 레일과 EMAT부의 간극을 유지하기 위한 제어방법은
상기 액츄에이터 및 간극제어기를 초기화하는 초기화단계;와 탐상을 시작하기 전에 2개의 간극센서 중 진행방향을 기준으로 후측인 후측간극센서와 레일간의 간격을 기설정값을 만족하도록 액츄에이터를 조작하는 후측간극설정단계;와 탐상을 시작하기 전에 2개의 간극센서 중 진행방향을 기준으로 전측인 전측간극센서와 레일간의 간격을 측정한 초기값을 간극제어기에 저장하는 초기값저장단계;와 탐상을 진행하기 위해 레일검사차량이 이동하면서 상기 전측간극센서 및 레이저속도계로부터 간극과 속도를 측정하는 간극및속도측정단계;와 설정된 주기의 시간마다 상기 전측간극센서의 측정값과 간극제어기에 저장된 초기값의 차이를 산출하는 전측간극차이단계;와 상기 레이저속도계에서 측정된 레일검사차량의 속도와 2개의 간극센서간의 거리로부터 상기 후측간극센서가 전측간극센서에 도달할 시간을 산출하는 도달시간산출단계; 및 상기 산출된 시간 후에 상기 후측간극센서와 레일간의 간극이 현재 상기 후측간극센서와 레일간의 간극에서 상기 전측간극차이단계에서 산출한 값을 뺀 값이 되도록 상기 액츄에이터를 조절하는 간극조절단계;로 이루어진 레일과 EMAT부의 간극을 유지하기 위한 제어방법이다.
본 발명의 레일의 내부결함에 대한 비접촉 탐상장치에 의하면, 비접촉으로 레일 내부 결함을 검출할 수 있으므로 레일의 결함을 검출하기 위하여 레일의 상측 혹은 어느 일측에 접촉하는 탐촉자 또는 탐상 시스템이 마모되거나 파손될 가능성이 매우 낮아지고, 레일 표면의 영향에 의한 탐상 신호의 변형이 거의 없으며, 레일내부에서 발생할 수 있는 초음파 전파 각도의 변화 가능성이 없어 측정하는 EMAT에서 안정적으로 신호를 발생시켜 측정이 가능해지고, 종래의 물과 같은 접촉 매질의 필요성이 없어 이와 관련된 장치가 필요 없다.
또한 레일의 검침함에 있어 철도 운행시간 외에만 수행해야 하는데 안정적인 초음파신호로 탐상속도를 고속화하여 검사시간을 줄이는 효과가 있고, 종래의 결함의 측정 각도 범위의 제한을 극복하고 다양한 각도의 결함에 의한 반사파를 모두 측정할 수 있어 탐상할 수 있는 결함의 범위가 넓어지는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 EMAT의 기본 구조도,
도 2는 본 발명에 따른 EMAT의 신호 발생 원리의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 EMAT에 의한 초음파 조사 모형도,
도 4는 본 발명에 따른 레일검사차량의 운영도,
도 5는 본 발명에 따른 레일의 내부결함에 대한 비접촉 탐상장치의 구조도,
도 6은 본 발명에 따른 비접촉 탐상장치의 EMAT부 구조도,
도 7은 본 발명에 따른 초음파발생EMAT와 상기 초음파검출EMAT의 구조도,
도 8은 도 6의 EMAT부의 초음파검출EMAT간 간격표시도,
도 9는 본 발명에 따른 비접촉 탐상장치의 EMAT위치제어부 구조도,
도 10은 본 발명에 따른 비접촉 탐상장치의 데이터처리부 구조도,
도 11은 본 발명에 따른 레일과 EMAT부의 간극을 유지하기 위한 제어 순서도.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명의 레일 헤드 내부의 결함을 검출하는 탐상장치 및 EMAT와 레일간의 간극을 유지하는 간격제어방법을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 EMAT의 기본 구조도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, EMAT은 자기장과 전기장의 상호 작용에 의해 전기 전도체에 비접촉으로 초음파를 발생시키고, 반사된 초음파를 측정할 수 있는 변환기로서, 영구자석 또는 전자석으로 이루어진 자기장 발생 부분인 자석(10)과 교류가 흐르는 코일(20)로 이루어진다.
EMAT은 발생시키고자 하는 초음파의 모드와 측정 대상에 따라 다양하게 구성할 수 있으나, 본 발명에서와 같이 레일 내부로 전파하는 초음파를 발생시키고 측정하고자 할 경우에는 자기장이 모든 부분에서 같은 방향으로 향하도록 상기 자석(10)을 구성하고, 상기 코일(20)은 미앤더(meander) 코일 등을 사용하여 인접한 코일마다 교류의 방향이 반대가 되도록 구성한다.
도 2는 본 발명에 따른 EMAT의 신호 발생 원리의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 각 코일(10)에서는 자기장과 전류가 직교하는데 이 경우 다음의 공식과 같은 로렌츠 힘 원리에 의해 상기 코일(10) 아래 부분의 전기 전도체 입자에는 자기장과 전류 모두에 직교하는 방향으로 변형력이 발생한다.
F = i × B (F: 변형력, i: 전류, B: 자기장)
결국, EMAT은 전기장과 자기장의 상호 작용을 통해 비접촉으로 전기 전도체 입자에 변형력을 발생시켜 초음파를 만들고, 그 역 현상을 통해 비접촉으로 초음파를 측정한다.
인접한 상기 코일(10)간에는 교류의 방향이 반대이므로 변위 또한 반대로 발생하여 파장 λ의 초음파를 발생한다. 이 초음파의 파장(λ)과 코일 간 간격(d) 사이에는 관계가 성립한다.
도 3은 본 발명에 따른 EMAT에 의한 초음파 조사 모형도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, EMAT를 도 1과 같이 구성할 경우에는 수직 방향에 대해 각도 로 수직 전단 초음파(Vertically polarized shear wave: SV wave) 또는 종파(Longitude Wave)가 대칭으로 발생되어 레일 내부로 조사하게 된다. 이때 초음파의 발생 각도 는 다음의 공식에 의해 결정된다.
Figure 112012081030368-pat00001
여기에서 는 코일에 흐르는 교류의 주파수로서, 코일 간격(d)과 교류 신호의 주파수()를 조절하면 발생 각도를 조절할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 레일검사차량의 운영도이고, 도 5는 본 발명에 따른 레일의 내부결함에 대한 비접촉 탐상장치의 구조도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 레일 헤드 내부의 결함을 검출하는 탐상장치는 레일상에 운행하는 레일검사차량(100)과 상기 레일검사차량(100)의 하부에 설치된 트롤리(200)와 양측 레일의 내부에 존재하는 결함을 검출하기 위하여 초음파를 발생시키고, 검출하는 EMAT부(300)와 EMAT부와 양측 레일의 상단간의 일정한 간극을 유지하도록 하는 EMAT위치제어부(400) 및 상기 EMAT부(300)로부터 검출된 데이터를 저장하고, 레일의 내부의 결함여부를 판별 및 분석하는 데이터처리부(500)로 이루어진다.
상기 레일검사차량(100)은 열차가 운행되지 않는 시간에 레일 상에서 운행되면서 상기 레일의 결함여부를 검사한다. 따라서 레일상에서 운행할 수 있도록 바퀴를 갖추고 있다.
상기 트롤리(200)는 양측의 레일을 검사할 수 있도록 상기 레일검사차량(100)의 하부에 장착되어 양측의 레일과 각각 동일한 방향으로 상기 레일검사차량(100)의 길이에 비례하여 형성한다.
도 6은 본 발명에 따른 비접촉 탐상장치의 EMAT부 구조도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 EMAT부(300)는 초음파발생EMAT(310)와 펄스발생기(320)와 초음파검출EMAT(330)와 리시버(340) 및 전자석전류공급기(350)로 이루어진다.
도 7은 본 발명에 따른 초음파발생EMAT와 상기 초음파검출EMAT의 구조도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 초음파발생EMAT(310)와 상기 초음파검출EMAT(330)는 초음파를 발생시키고 검출하기 위하여 자기장을 발생하는 영구자석이나 전자석과 상기 영구자석 또는 전자석의 하단에 교류전류에 의해 초음파를 발생시키는 복수의 코일로 구성된 코일단으로 이루어진다.
도 7(a)에 도시된 영구자석을 이용한 초음파발생EMAT(310) 및 초음파검출EMAT(330)는 EMAT의 외형을 형성하되 하부는 하단으로 초음파가 조사되도록 코일단(312)이 외부에 노출될 수 있는 케이스(311)와 상기 케이스의 하단에 전류의 흐름방향이 서로 반대가 되도록 외부 교류전원과 연결된 복수의 코일로 형성된 코일단(312)과 상기 코일단(312) 상측에 상기 케이스(311)에 부착되어 자기장을 발생시키는 영구자석(313)으로 이루어진다.
도 7(b)에 도시된 영구자석을 이용한 초음파발생EMAT(310) 및 초음파검출EMAT(330)는 상기 케이스(311)의 내부에 상기 케이스(311)와 상기 영구자석(313)사이에 계자의 자로를 형성하는 철로 만든 계자계철(314)을 부가하여 이루어진다.
도 7(c)에 도시된 영구자석을 이용한 초음파발생EMAT(310) 및 초음파검출EMAT(330)는 상기 케이스(311)의 하단에 상기 코일단(312)을 2개 인접하여 형성하고, 상기 인접한 2개의 코일단(312) 상측에 자기장을 발생시키는 두 개의 코일길이에 해당하는 하나의 영구자석(313)과 상기 영구자석(313)과 상기 케이스(311)사이에 상기 계자계철(314)을 형성하여 이루어진다.
도 7(d)에 도시된 전자석을 이용한 초음파발생EMAT(310) 및 초음파검출EMAT(330)는 EMAT의 외형을 형성하되 하부는 하단으로 초음파가 조사되도록 코일이 외부에 노출될 수 있는 케이스(311)와 상기 케이스(311)의 하단에 전류의 흐름방향이 서로 반대가 되도록 외부 교류전원과 연결된 복수의 코일로 형성된 코일단(312)과 상기 코일단(313) 상측에 수직방향의 자속을 형성하는 전자석(315)으로 이루어진다.
상기 초음파발생EMAT(310)와 상기 초음파검출EMAT(330)는 초음파의 발생과 검출을 위해 상기 초음파발생EMAT(310)을 중앙에 두고, 양측으로 상기 초음파검출EMAT(330)를 구성한다.
상기 펄스발생기(320)는 상기 초음파발생EMAT(310)에 설정된 주파수와 내부타이머에 의해 설정된 시간간격으로 교류펄스를 초음파발생EMAT(310)에 공급하여 레일의 내부에 도 3에 도시된 바와 같이 레일의 결함 검사를 위하여 요구되는 각도로 초음파를 발생시켜 조사한다.
도 7(d)에 도시된 전자석을 이용한 초음파발생EMAT(310) 및 초음파검출EMAT(330)가 구동되는 경우에는 상기 펄스발생기(320) 내부의 타이머 대신에 상기 펄스발생기(320)에 정해진 시간간격으로 트리거신호를 제공하여 교류펄스를 발생시키고, 상기 전자석(315)으로 이루어진 상기 초음파발생EMAT(310)에 상기 정해진 시간간격과 동일하게 전자석 구동을 위한 전류를 공급하는 전자석전류공급기(350)를 부가하는 것이 바람직하다.
도 8은 도 6의 EMAT부의 초음파검출EMAT간 간격표시도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 초음파검출EMAT(330)는 상기 펄스발생기(320)에서 레일의 내부에 조사한 초음파가 반사되어 오는 다양한 각도의 초음파를 수신하도록 기정해진 간격으로 복수 개를 설치하는데 있어 코일마다의 총 턴수를 N이라 할 때, 코일 하나의 폭은 (2N-1) * d가 되고, 인접한 코일 간 간격을 d라 설정하면 인접한 EMAT의 중심 간 간격은 (2N-1)d + d = 2Nd가 되도록 설정한다.
상기 리시버(340)는 상기 복수의 초음파검출EMAT(330)로부터 검출한 초음파를 측정하기 위해 상기 초음파검출EMAT(330)의 개수에 해당하는 신호측정채널을 구비하여 수신된 데이터를 채널별로 분리하여 상기 데이터처리부(500)에 전송한다.
도 9는 본 발명에 따른 비접촉 탐상장치의 EMAT위치제어부 구조도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 EMAT위치제어부(400)는 레일과 EMAT부(200)간의 간격을 검출하기 위한 두 개의 간극센서(410)와 상기 레일검사차량(100)의 이동속도를 측정하기 위한 레이저속도계(420)와 상기 EMAT부(300)를 지지하며, 레일과의 간극을 조절하는 액츄에이터(430) 및 정해진 알고리즘에 의해 EMAT의 간극을 유지하도록 액츄에이터를 제어하는 간극제어기(440)로 이루어진다.
상기 간극센서(410)는 상기 트롤리(200)의 하부에 장착되어 상기 EMAT부(300)와 양측 레일의 상부와 EMAT부 사이의 간격을 검출한다.
상기 간극센서(410)는 레일검사차량(100)의 진행방향을 기준으로 앞에 위치한 전측간극센서(410a)와 뒤에 위치한 후측간극센서(410b)를 구비하며, 간극센서(410)의 센서끝은 상기 EMAT부(300)의 하단면과 같은 높이로 형성한다.
상기 레이저속도계(420)는 상기 레일검사차량(100)의 이동속도를 측정하고, 상기 측정된 레일검사차량의 속도와 기설정된 2개의 간극센서간의 거리로부터 상기 후측간극센서가 전측간극센서에 도달할 시간을 산출한다.
상기 액츄에이터(430)는 트롤리에 일측면에 연결되고, 반대측은 EMAT부를 지지하며, 상기 간극제어기(440)의 제어에 의해 EMAT부와 레일간의 간극을 조절한다.
상기 간극제어기(440)는 상기 간극센서(410) 및 레이저속도계(420)의 측정값을 입력받아 정해진 알고리즘에 의해 EMAT부의 간극을 유지하도록 액츄에이터를 제어한다.
도 10은 본 발명에 따른 비접촉 탐상장치의 데이터처리부 구조도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상기 데이터처리부(500)는 상기 EMAT부(300)로부터 검출된 데이터를 저장하고, 레일의 내부의 결함여부를 판별 및 분석하도록 상기 리시버(340)로부터 수신된 데이터를 저장하는 데이터저장기(510)와 상기 저장된 데이터를 레일 내부의 결함여부를 판별하는 결함식별기(520)와 결함의 위치 및 결함의 위험도를 분석하는 결함처리기(530)로 이루어진다.
상기 데이터저장기(510)는 상기 레일검사차량(100)의 내부에 설치되어 상기 EMAT부(300)로부터 검출된 데이터를 저장하고, 레일의 내부의 결함여부를 판별 및 분석하도록 상기 리시버(340)로부터 수신된 데이터를 저장한다.
상기 결함식별기(520)는 상기 데이터저장기(510)에 저장된 데이터를 로드하여 레일 내부의 결함여부를 판별한다.
상기 결함처리기(530)는 상기 결함식별기(520)에서 레일의 결함으로 판단된 경우, 상기 결함의 위치 및 결함의 위험도를 분석한다.
도 11은 본 발명에 따른 레일과 EMAT부의 간극을 유지하기 위한 제어 순서도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 상기 간극제어기에서의 레일과 EMAT부의 간극을 유지하기 위한 제어방법은 상기 액츄에이터(430) 및 간극제어기(440)를 초기화하는 초기화단계(S100)와 후측간극센서와 레일간의 간격을 기설정값을 만족하도록 액츄에이터를 제어하는 후측간극설정단계(S200)와 전측간극센서와 레일간의 간격을 측정한 초기값을 간극제어기에 저장하는 초기값저장단계(S300)와 상기 전측간극센서 및 레이저속도계로부터 간극과 속도를 측정하는 간극및속도측정단계(S400)와 상기 전측간극센서의 측정값과 간극제어기에 저장된 초기값의 차이를 산출하는 전측간극차이단계(S500)와 레일검사차량의 속도와 2개의 간극센서간의 거리로부터 상기 후측간극센서가 전측간극센서에 도달할 시간을 산출하는 도달시간산출단계(S600) 및 상기 산출된 시간 후에 상기 후측간극센서와 레일간의 간극이 현재 상기 후측간극센서와 레일간의 간극에서 상기 전측간극차이단계(S500)에서 산출한 값을 뺀 값이 되도록 상기 액츄에이터(430)를 조절하는 간극조절단계(S700)로 이루어진다.
상기 초기화단계(S100)는 상기 간극을 조절하는 액츄에이터 및 간극제어기에 종래 설정된 값으로 인한 오류를 방지하기 위하여 내부결함을 검지하기 전에 액츄에이터 및 간극제어기를 초기화한다.
상기 후측간극설정단계(S200)는 레일검사차량을 이용하여 레일의 내부결함을 검사하기 전에 2개의 간극센서(410) 중 진행방향을 기준으로 후측인 후측간극센서(410b)와 레일간의 간격을 미리 정해진 값을 만족하도록 액츄에이터(430)를 수동으로 간극제어기를 조작한다.
상기 초기값저장단계(S300)는 레일의 내부결함을 검사하기 전에 2개의 간극센서(410) 중 진행방향을 기준으로 전측인 전측간극센서(410a)와 레일간의 간격을 측정한 초기값을 간극제어기(440)에 저장한다.
상기 간극및속도측정단계(S400)는 레일의 내부결함을을 검사하기 위하여 레일검사차량이 진행하면서 상기 전측간극센서(410a) 및 레이저속도계(420)로부터 간극과 속도를 측정한다.
상기 전측간극차이단계(S500)는 설정된 주기마다 상기 전측간극센서(410a)의 측정값과 상기 초기값저장단계(S300)에서 간극제어기(440)에 저장된 초기값과의 차이를 산출한다.
상기 도달시간산출단계(S600)는 상기 레이저속도계(420)에서 측정된 레일검사차량(100)의 속도와 2개의 간극센서(410)간의 거리로부터 상기 후측간극센서(410b)가 전측간극센서(410a)에 도달할 시간을 산출한다.
상기 간극조절단계(S700)는 상기 산출된 시간 후에 상기 후측간극센서(410b)와 레일간의 간극이 현재 상기 후측간극센서(410b)와 레일간의 간극에서 상기 전측간극차이단계(S500)에서 산출한 값을 뺀 값이 되도록 상기 액츄에이터(430)를 제어한다.
이상에서 설명된 본 발명의 철도 레일 헤드부의 비파괴 탐상장치의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 자석 20 : 코일
100 : 레일검사차량 200 : 트롤리
300 : EMAT부 310 : 초음파발생EMAT
311 : 케이스 312 : 코일단
313 : 영구자석 314 : 계자계철
315 : 전자석 320 : 펄스발생기
330 : 초음파검출EMAT 340 ; 리시버
350 : 전자석전류공급기 400 : EMAT위치제어부
410 : 간극센서 410a : 전측간극센서
410b : 후측간극센서 420 : 레이저속도계
430 : 액츄에이터 440 : 간극제어기
500 : 데이터처리부 510 : 데이터저장기
520 : 결함식별기 530 : 결함처리기
S100 : 초기화단계 S200 : 후측간극설정단계
S300 : 초기값저장단계 S400 : 간극및속도측정단계
S500 : 전측간극차이단계 S600 : 도달시간산출단계
S700 : 간극조절단계

Claims (13)

  1. 레일 헤드 내부의 결함을 검출하는 탐상장치에 있어서,
    상기 레일을 검사하기 위한 레일상에 운행하는 레일검사차량;
    상기 레일검사차량의 하부에 장착되어 양측의 레일과 각각 동일한 방향으로 형성된 일정한 길이의 트롤리;
    상기 트롤리의 하부에 장착되어 양측 레일의 상단과 일정한 간극을 유지하며, 철도 레일의 내부에 존재하는 결함을 검출하기 위하여 초음파를 발생시키고, 검출하는 EMAT부;
    상기 트롤리의 하부에 장착되어 EMAT부와 양측 레일의 상단간의 일정한 간극을 유지하도록 하는 EMAT위치제어부; 및
    상기 레일검사차량의 내부에 설치되어 상기 EMAT부로부터 검출된 데이터를 저장하고, 레일의 내부의 결함여부를 판별 및 분석하는 데이터처리부;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레일의 내부결함에 대한 비접촉 탐상장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 EMAT부는,
    초음파 발생을 위하여 자기장을 발생하는 자석과 교류가 흐르는 코일로 구성된 초음파발생EMAT;
    상기 초음파발생EMAT에 설정된 주파수와 내부타이머에 의해 설정된 시간간격으로 교류펄스를 공급하여 초음파를 발생시키는 펄스발생기;
    상기 펄스발생기에서 레일의 내부에 조사한 초음파가 반사되어 다양한 각도로 반사되는 초음파를 수신하도록 트롤리의 하측에 기정해진 간격으로 복수개가 설치된 초음파검출EMAT; 및
    상기 복수의 초음파검출EMAT가 검출한 초음파를 측정하기 위해 초음파검출EMAT의 개수에 해당하는 신호측정채널을 구비한 리시버;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레일의 내부결함에 대한 비접촉 탐상장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 초음파발생EMAT 및 초음파검출EMAT은 EMAT의 외형을 형성하되 하부는 하단으로 초음파가 조사되도록 코일이 외부에 노출될 수 있는 케이스;와 상기 케이스의 내부에 계자의 자로를 형성하는 철로 만든 계자계철;과 상기 케이스의 하단에 전류의 흐름방향이 서로 반대가 되도록 외부 교류전원과 연결된 복수의 코일로 형성된 2개의 코일단;과 상기 인접한 2개의 코일단 상측에 자기장을 발생시키는 두 개의 코일길이에 해당하며 상기 계자계철에 부착된 하나의 영구자석;으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레일의 내부결함에 대한 비접촉 탐상장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 초음파발생EMAT 및 초음파검출EMAT은 EMAT의 외형을 형성하되 하부는 하단으로 초음파가 조사되도록 코일이 외부에 노출될 수 있는 케이스;와 상기 케이스의 하단에 전류의 흐름방향이 서로 반대가 되도록 외부 교류전원과 연결된 복수의 코일로 형성된 코일단;과 상기 코일단 상측에 수직방향의 자속을 형성하는 전자석;으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레일의 내부결함에 대한 비접촉 탐상장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    펄스발생기 내부의 타이머 대신에 상기 펄스발생기에 정해진 시간간격으로 트리거신호를 제공하여 교류펄스를 발생시키고, 전자석으로 이루어진 상기 초음파발생EMAT에 상기 정해진 시간간격과 동일하게 전자석 구동을 위한 전류를 공급하는 전자석전류공급기;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레일의 내부결함에 대한 비접촉 탐상장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 EMAT위치제어부는 레일과 EMAT 유닛 간 간격을 검출하기 위한 두 개의 간극센서;
    상기 레일검사차량의 이동속도를 측정하기 위한 레이저속도계;
    트롤리에 일측면에 연결되고, 반대측은 EMAT부를 지지하며, 레일과의 간극을 조절하는 액츄에이터; 및
    상기 간극센서 및 레이저 속도계의 측정값을 입력받아 정해진 알고리즘에 의해 EMAT 유닛의 간극을 유지하도록 액츄에이터를 제어하는 간극제어기;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레일의 내부결함에 대한 비접촉 탐상장치.
  7. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 EMAT위치제어부는 레일과 EMAT 유닛 간 간격을 검출하기 위한 두 개의 간극센서;
    상기 레일검사차량의 이동속도를 측정하기 위한 레이저속도계;
    트롤리에 일측면에 연결되고, 반대측은 EMAT부를 지지하며, 레일과의 간극을 조절하는 액츄에이터; 및
    상기 간극센서 및 레이저 속도계의 측정값을 입력받아 정해진 알고리즘에 의해 EMAT 유닛의 간극을 유지하도록 액츄에이터를 움직이는 간극 제어기;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레일의 내부결함에 대한 비접촉 탐상장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 EMAT위치제어부는 레일과 EMAT 유닛 간 간격을 검출하기 위한 두 개의 간극센서;
    상기 레일검사차량의 이동속도를 측정하기 위한 레이저속도계;
    트롤리에 일측면에 연결되고, 반대측은 EMAT부를 지지하며, 레일과의 간극을 조절하는 액츄에이터; 및
    상기 간극센서 및 레이저 속도계의 측정값을 입력받아 정해진 알고리즘에 의해 EMAT 유닛의 간극을 유지하도록 액츄에이터를 움직이는 간극 제어기;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레일의 내부결함에 대한 비접촉 탐상장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 데이터처리부는,
    상기 복수의 초음파검출EMAT에서 검출되고 상기 리시버를 통해 수신된 신호측정채널별 각 데이터를 저장하는 데이터저장기;
    상기 저장된 데이터를 로드하여 레일 내부의 결함여부를 판별하는 결함식별기; 및
    상기 결함식별기에서 결함으로 판단된 경우, 상기 결함의 위치 및 결함의 위험도를 분석하는 결함처리기;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레일의 내부결함에 대한 비접촉 탐상장치.
  10. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 데이터처리부는 상기 리시버로부터 수신된 데이터를 저장하는 데이터저장기;
    상기 저장된 데이터를 로드하여 레일 내부의 결함여부를 판별하는 결함식별기; 및
    상기 결함식별기에서 결함으로 판단된 경우, 상기 결함의 위치 및 결함의 위험도를 분석하는 결함처리기;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레일의 내부결함에 대한 비접촉 탐상장치.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 데이터처리부는 상기 리시버로부터 수신된 데이터를 저장하는 데이터저장기;
    상기 저장된 데이터를 로드하여 레일 내부의 결함여부를 판별하는 결함식별기; 및
    상기 결함식별기에서 결함으로 판단된 경우, 상기 결함의 위치 및 결함의 위험도를 분석하는 결함처리기;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레일의 내부결함에 대한 비접촉 탐상장치.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 데이터처리부는 상기 리시버로부터 수신된 데이터를 저장하는 데이터저장기;
    상기 저장된 데이터를 로드하여 레일 내부의 결함여부를 판별하는 결함식별기; 및
    상기 결함식별기에서 결함으로 판단된 경우, 상기 결함의 위치 및 결함의 위험도를 분석하는 결함처리기;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레일의 내부결함에 대한 비접촉 탐상장치.
  13. 레일을 검사하기 위한 레일상에 운행하는 레일검사차량;과 레일검사차량의 하부에 장착되어 양측의 레일과 각각 동일한 방향으로 형성된 일정한 길이의 트롤리;와 상기 트롤리의 하부에 장착되어 양측 레일의 상단과 일정한 간극을 유지하며, 철도 레일의 내부에 존재하는 결함을 검출하기 위하여 초음파를 발생시키고, 검출하는 EMAT부;와 상기 트롤리의 하부에 장착되어 EMAT부와 양측 레일의 상단간의 일정한 간극을 유지하도록 하는 EMAT위치제어부; 및 상기 레일검사차량의 내부에 설치되어 상기 EMAT부로부터 검출된 데이터를 저장하고, 레일의 내부의 결함여부를 판별 및 분석하는 데이터처리부;로 이루어지며, 상기 EMAT위치제어부는 레일과 EMAT 유닛 간 간격을 검출하기 위한 두 개의 간극센서;와 상기 레일검사차량의 이동속도를 측정하기 위한 레이저속도계;와 트롤리에 일측면에 연결되고, 반대측은 EMAT부를 지지하며, 레일과의 간극을 조절하는 액츄에이터; 및 상기 간극센서 및 레이저 속도계의 측정값을 입력받아 정해진 알고리즘에 의해 EMAT 유닛의 간극을 유지하도록 액츄에이터를 움직이는 간극제어기;로 이루어진 레일의 내부결함에 대한 비접촉 탐상장치에 있어 상기 간극제어기에서의 레일과 EMAT부의 간극을 유지하기 위한 제어방법에 있어서,
    상기 액츄에이터 및 간극제어기를 초기화하는 초기화단계;
    탐상을 시작하기 전에 2개의 간극센서 중 진행방향을 기준으로 후측인 후측간극센서와 레일간의 간격을 기설정값을 만족하도록 액츄에이터를 조작하는 후측간극설정단계;
    탐상을 시작하기 전에 2개의 간극센서 중 진행방향을 기준으로 전측인 전측간극센서와 레일간의 간격을 측정한 초기값을 간극제어기에 저장하는 초기값저장단계;
    탐상을 진행하기 위해 레일검사차량이 이동하면서 상기 전측간극센서 및 레이저속도계로부터 간극과 속도를 측정하는 간극및속도측정단계
    설정된 주기의 시간마다 상기 전측간극센서의 측정값과 간극제어기에 저장된 초기값의 차이를 산출하는 전측간극차이단계;
    상기 레이저속도계에서 측정된 레일검사차량의 속도와 2개의 간극센서간의 거리로부터 상기 후측간극센서가 전측간극센서에 도달할 시간을 산출하는 도달시간산출단계; 및
    상기 산출된 시간 후에 상기 후측간극센서와 레일간의 간극이 현재 상기 후측간극센서와 레일간의 간극에서 상기 전측간극차이단계에서 산출한 값을 뺀 값이 되도록 상기 액츄에이터를 조절하는 간극조절단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레일과 EMAT부의 간극을 유지하기 위한 제어방법.
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