KR20180059874A - 와이어 로프 탐상 장치 - Google Patents

Abstract

와이어 로프 탐상 장치에 있어서, 자화기는, 와이어 로프의 길이 방향의 일부에 주 자속을 형성한다. 복수의 서치 코일은, 주 자속이 형성되어 있는 구간에서 와이어 로프의 손상 부분으로부터 발생하는 누설 자속을 검출한다. 제어부는, 복수의 서치 코일에 발생하는 유기 전압을 검출한다. 또한, 제어부는, 서로 인접하는 복수의 서치 코일의 간격과, 자화기에 대한 와이어 로프의 상대적인 이동 속도에 근거하여 계산된 시간만큼, 복수의 서치 코일의 전압 파형을 시프트하여 중첩시키는 것에 의해, 유기 전압의 피크를 증폭한다.

Description

와이어 로프 탐상 장치

본 발명은, 예컨대, 엘리베이터의 카(car)를 매다는 와이어 로프, 또는 크레인에 사용되는 와이어 로프 등의 와이어 로프의 파손 및 소선의 단선, 즉 손상을 검출하는 와이어 로프 탐상 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 엘리베이터 및 크레인 등에 사용되는 와이어 로프에 있어서는, 소선의 단선의 유무가 정기적으로 체크된다. 그리고, 단선되어 있는 소선의 개수가 많아지면, 와이어 로프의 교환이 실시된다. 이와 같은 점검은, 원칙적으로는 육안에 의해 행해지지만, 작업 효율을 향상시키기 위해, 와이어 로프 탐상 장치가 사용되는 경우도 있다.

종래의 와이어 로프 탐상 장치는, 자화기(magnetizer)와, 자기 센서로서의 코일부를 갖고 있다. 자화기는, 서로 간격을 두고 배치되어 있는 제 1 및 제 2 영구자석과, 제 1 및 제 2 영구자석을 연결하는 백 요크(back yoke)를 갖고 있다. 코일부는, 제 1 및 제 2 영구자석 사이에 배치되어 있다.

와이어 로프의 점검 시에는, 제 1 및 제 2 영구자석이 와이어 로프의 길이 방향으로 늘어서도록 자화기를 와이어 로프에 접촉시키고, 자화기에 대하여 와이어 로프를 상대적으로 이동시킨다. 이때, 와이어 로프의 제 1 및 제 2 영구자석 사이의 구간이 자화된다.

와이어 로프에 손상이 있으면, 자화된 구간에 손상 부분이 진입했을 때에, 손상 부분의 주변에 누설 자속이 발생한다. 누설 자속은, 코일부에 의해 검출된다. 이 때문에, 코일부의 출력을 측정하는 것에 의해, 소선의 단선의 유무를 판정할 수 있다. 즉, 손상 부분으로부터의 누설 자속이 코일부에 쇄교할 때, 코일부의 양단에 유기 전압이 발생하므로, 소선의 단선을 검출할 수 있다.

또한, 코일부는, 와이어 로프의 이동 방향으로 서로 간격을 두고 배치되어 있는 제 1 및 제 2 서치 코일을 갖고 있다. 이 때문에, 제 1 및 제 2 서치 코일의 차동 출력을 취하는 것에 의해, 제 1 및 제 2 서치 코일에 동일한 위상으로 중첩되는 노이즈 전압이 상쇄된다. 한편, 단선에 의한 유기 전압은, 각각의 서치 코일에 발생하는 시간이 상이하기 때문에, 상쇄되지 않고 남아, S/N비가 개선된다(예컨대, 특허 문헌 1 참조).

(선행 기술 문헌)

(특허 문헌)

(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 평 9-210968호 공보

상기와 같은 종래의 와이어 로프 탐상 장치에서는, 각각의 서치 코일에 대하여 동일한 위상으로 중첩되는 노이즈에 대해서는 유효하지만, 반대의 위상으로 중첩되는 노이즈가 발생한 경우에는, 노이즈가 강조되어 S/N비가 저하하는 문제가 있다.

예컨대 점검 대상이 되는 와이어 로프의 근처에 다른 와이어 로프가 나란히 배치되어 있는 경우 등, 점검 대상이 되는 와이어 로프의 근방에 강자성체가 존재하는 경우, 자화기의 N극으로부터 나온 자속에는, 점검 대상의 로프로부터 근방의 강자성체를 향해서 누설되고, 다시 점검 대상 로프로 돌아가서, 자화기의 S극에 유입되는 성분이 발생한다. 이때, 제 1 및 제 2 서치 코일에 쇄교하는 자속의 방향은 역방향이 되므로, 제 1 및 제 2 서치 코일에 발생하는 유기 전압의 양극성 및 음극성이 역방향이 된다.

여기서, 제 1 및 제 2 서치 코일의 극성이 서로 역방향이 되도록 직렬 접속한 경우, 각각의 서치 코일의 유기 전압이 동일한 극성으로 되기 때문에, 노이즈가 강조되어 버린다.

본 발명은, 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이고, S/N비를 보다 확실히 향상시킬 수 있는 와이어 로프 탐상 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명과 관련되는 와이어 로프 탐상 장치는, 와이어 로프의 길이 방향의 일부에 주 자속을 형성하는 자화기, 와이어 로프의 길이 방향으로 서로 간격을 두고 배치되어 있고, 주 자속이 형성되어 있는 구간에서 와이어 로프의 손상 부분으로부터 발생하는 누설 자속을 검출하는 복수의 서치 코일, 및 복수의 서치 코일에 발생하는 유기 전압을 검출하는 제어부를 구비하고, 제어부는, 서로 인접하는 복수의 서치 코일의 간격과, 자화기에 대한 와이어 로프의 상대적인 이동 속도에 근거하여 계산된 시간만큼, 복수의 서치 코일의 전압 파형을 시프트하여 중첩하는 것에 의해, 유기 전압의 피크를 증폭한다.

본 발명의 와이어 로프 탐상 장치는, 서로 인접하는 복수의 서치 코일의 간격과, 자화기에 대한 와이어 로프의 상대적인 이동 속도에 근거하여 계산된 시간만큼, 복수의 서치 코일의 전압 파형을 시프트하여 중첩하는 것에 의해, 유기 전압의 피크를 증폭하므로, S/N비를 보다 확실히 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 의한 와이어 로프 탐상 장치의 프로브를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 프로브의 일부를 분해하여 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 1의 프로브에 의한 탐상 원리를 나타내는 설명도이다.
도 4는 실시의 형태 1의 와이어 로프 탐상 장치의 요부를 나타내는 구성도이다.
도 5는 도 4의 제어부에 의한 파형 처리 방법을 나타내는 설명도이다.
도 6은 본 발명의 실시의 형태 2에 의한 와이어 로프 탐상 장치의 요부를 나타내는 구성도이다.
도 7은 도 5의 제어부에 의한 파형 처리 방법을 나타내는 설명도이다.
도 8은 순방향으로 접속된 제 1 및 제 2 서치 코일을 손상 부분이 통과할 때의 누설 자속의 이동과 검출되는 유기 전압의 파형의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 9는 역방향으로 접속된 제 1 및 제 2 서치 코일을 손상 부분이 통과할 때의 누설 자속의 이동과 검출되는 유기 전압의 파형의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 10은 본 발명의 실시의 형태 3에 의한 와이어 로프 탐상 장치의 요부를 나타내는 구성도이다.
도 11은 도 10의 제어부에 의한 파형 처리 방법을 나타내는 설명도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.

실시의 형태 1.

도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 의한 와이어 로프 탐상 장치의 프로브를 나타내는 사시도, 도 2는 도 1의 프로브의 일부를 분해하여 나타내는 사시도이다. 도면에 있어서, 케이스(1)는, 케이스 본체(2)와, 케이스 본체(2)에 씌워져 프로브 내용물을 보호하는 커버(3)를 갖고 있다. 커버(3)에는, 단면 U자형의 커버 홈부(3a)가 마련되어 있다. 와이어 로프(4)(도 3)는, 커버 홈부(3a)의 안쪽으로 통과되어, 커버(3)에 접촉하면서 프로브에 대하여 상대적으로 이동한다.

케이스 본체(2)에는, 제 1 및 제 2 영구자석(5, 6)과, 백 요크(7)와, 제 1 및 제 2 폴 피스(8, 9)와, 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)이 마련되어 있다. 제 1 및 제 2 영구자석(5, 6)은, 서로 간격을 두고 배치되어 있다. 백 요크(7)는, 제 1 및 제 2 영구자석(5, 6)의 커버 홈부(3a)와는 반대쪽의 단부 사이를 연결하고 있다.

제 1 폴 피스(8)는, 제 1 영구자석(5)의 커버 홈부(3a) 쪽의 단부에 고정되어 있다. 제 2 폴 피스(9)는, 제 2 영구자석(6)의 커버 홈부(3a) 쪽의 단부에 고정되어 있다. 제 1 및 제 2 폴 피스(8, 9)에는, 제 1 및 제 2 영구자석(5, 6)에서 발생하는 자속을 효율적으로 와이어 로프(4)에 흘려 넣기 위해, 커버 홈부(3a)의 외면에 접하는 단면 U자형의 제 1 및 제 2 폴 피스 홈부(8a, 9a)가 각각 형성되어 있다.

자화기(11)는, 제 1 및 제 2 영구자석(5, 6)과, 백 요크(7)와, 제 1 및 제 2 폴 피스(8, 9)와, 커버(3)를 갖고 있다. 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)은, 제 1 및 제 2 영구자석(5, 6)과, 백 요크(7)와, 제 1 및 제 2 폴 피스(8, 9)와, 커버(3)로 이루어지는 자기 회로 내에 배치되어 있다.

각 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)은, 타원형으로 감긴 코일을 U자형으로 성형한 것이다. 또한, 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)은, 제 1 및 제 2 폴 피스(8, 9)의 간격의 중심에 대하여 대칭인 위치 관계가 되도록 배치되어 있다.

도 3은 도 1의 프로브에 의한 탐상 원리를 나타내는 설명도이다. 와이어 로프(4)의 점검 시에는, 와이어 로프(4)를 커버 홈부(3a)의 안쪽에 삽입하도록 프로브를 배치한다. 이것에 의해, 제 1 및 제 2 영구자석(5, 6)은, 와이어 로프(4)의 길이 방향으로 서로 간격을 두고 배치되고, 와이어 로프(4)의 제 1 영구자석(5)에 대향하는 부분과 제 2 영구자석(6)에 대향하는 부분의 사이의 구간이 자화된다. 즉, 자화기(11)는, 와이어 로프(4)의 길이 방향의 일부에, 와이어 로프(4)의 길이 방향을 따라서 주 자속(12)을 형성한다. 이 상태에서, 프로브에 대하여 와이어 로프(4)를 상대적으로 이동시킨다.

와이어 로프(4)에 손상이 있으면, 자화된 구간에 손상 부분(4a)이 진입했을 때에, 손상 부분(4a)의 주변에 누설 자속(13)이 발생한다. 누설 자속(13)은, 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)에 의해 검출된다. 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)은, 와이어 로프(4)의 길이 방향으로 간격을 두고 배치되어 있기 때문에, 누설 자속(13)의 검출에는 시간차가 생긴다.

도 4는 실시의 형태 1의 와이어 로프 탐상 장치의 요부를 나타내는 구성도이다. 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)은, 검출 처리부인 제어부(21)에 전기적으로 접속되어 있다. 제어부(21)는, 제 1 서치 코일(10-1)의 양단에 발생하는 유기 전압 V1과, 제 2 서치 코일(10-2)의 양단에 발생하는 유기 전압 V2를 검출한다. 또한, 제어부(21)는, 유기 전압 V1 및 유기 전압 V2의 파형을 처리하여, 와이어 로프(4)의 손상의 유무를 판정한다.

도 5는 도 4의 제어부(21)에 의한 파형 처리 방법을 나타내는 설명도이고, 와이어 로프(4)의 손상 부분(4a)이 프로브를 일정한 이동 속도 ν로 통과한 경우를 나타내고 있다. 여기서, 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)의 중심 사이의 거리를 P(도 4)로 한다. 또한, 제 1 서치 코일(10-1)이 와이어 로프(4)의 이동 방향의 상류측에 위치하고, 제 2 서치 코일(10-2)이 와이어 로프(4)의 이동 방향의 하류측에 위치하고 있는 것으로 한다.

손상 부분(4a)이 제 1 및 제 2 폴 피스(8, 9) 사이에 진입했을 때, 손상 부분(4a)의 근방에는 누설 자속(13)(도 3)이 발생한다. 이 누설 자속(13)은, 제 1 서치 코일(10-1)에 쇄교하고, 그 후 제 2 서치 코일(10-2)에 쇄교한다. 이 때문에, 유기 전압 V1, V2의 피크가 발생하는 시각은, 거리 P를 이동 속도 ν로 나눈 값으로 나타내어지는 시간 τ(=P/ν)만큼 시프트된다.

제어부(21)는, 유기 전압 V1, V2의 파형 데이터를 일시적으로 기억하는 기억부를 갖고 있다. 본 실시의 형태에서는, 디지털 샘플링을 행하고, 기억부인 FIFO(First In, First Out) 버퍼에 파형 데이터를 저장한다. 또한, 제어부(21)는, 유기 전압 V2에 대하여 선행하는 유기 전압 V1의 파형(도 5의 좌상단의 파형)을 시간 τ만큼 늦춘 파형(도 5의 좌중단의 파형)을, 유기 전압 V2의 파형(도 5의 좌하단)에 중첩시킨다(도 5의 오른쪽의 파형). 이것에 의해, 손상 부분(4a)에 의한 유기 전압의 피크를 증폭할 수 있다.

그런데, 상기의 중첩에 의해, 노이즈도 증폭될 가능성이 있다. 노이즈가 가장 증폭되는 상태는, 노이즈의 주기가 Tn이고, 상기의 지연 시간 τ가 Tn의 정수배일 때이다. 이때, 노이즈의 피크끼리 중첩하여, 진폭이 약 2배가 되지만, 신호도 마찬가지로 진폭이 약 2배가 되고 있기 때문에, S/N비는 변화하지 않는다. 상기의 주기 이외의 주기를 갖는 노이즈는, 진폭이 2배 이하가 되기 때문에, 신호의 증폭률보다 노이즈의 증폭률이 낮아진다. 이 때문에, 종합적으로는 S/N비는 향상되게 된다. 즉, 각각의 서치 코일(10-1, 10-2)에 쇄교하는 자속의 방향과 관계없이, S/N비를 보다 확실히 향상시킬 수 있다.

특히, 노이즈에, 특정한 지배적인 주기 성분이 존재하는 경우, 상기의 지연 시간을, 그 노이즈의 주기의 반에 상당하는 시간과 동일하게 하거나, 또는 그 홀수배와 동일하게 하는 것에 의해, 신호를 증폭하면서, 노이즈의 지배적인 주기 성분을 상쇄할 수 있다.

또한, 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)을 이용했으므로, 코일 개수를 최소한으로 하고, 비용을 억제할 수 있다.

또, 실시의 형태 1에서는, 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)을 이용했지만, 3개 이상의 서치 코일을 와이어 로프(4)의 길이 방향으로 등간격으로 배치하더라도 좋다.

즉, 서치 코일의 수를 2 이상의 정수인 m으로 하고, 서치 코일의 설치 간격을 P로 하고, 자화기에 대한 와이어 로프의 상대적인 이동 속도를 ν로 하고, 각 서치 코일에 발생하는 유기 전압을, 와이어 로프의 이동 방향의 상류측으로부터 차례로 V₁(t), …, V_m(t)로 할 때, 제어부는, 손상 부분의 유무의 평가 지표 S(t)로서 다음 식을 사용하는 회로 또는 처리 알고리즘을 갖고 있으면 된다. 또한, 제어부는, 상기와 같은 처리를 행하는 회로 또는 컴퓨터에 의해 구성할 수 있다.

[수학식 1]

이와 같이, 파형의 중첩에 의해, 원리상으로는 신호의 피크값이, 서치 코일의 수와 동일한 정수배가 된다. 한편, 노이즈는, 중첩을 위한 유지 시간으로 정해지는 주기에서 노이즈의 피크끼리 겹친다고는 할 수 없기 때문에, 일반적으로 신호의 증분보다는 적은 증분에 머문다. 만약, 노이즈에 일정한 지배적인 주기가 존재한다면, 서치 코일의 설치 피치를, 노이즈 주기의 정수분의 1의 배수가 되도록 설정하고, 각각의 서치 코일에 중첩되는 노이즈의 위상에 맞추어, 노이즈끼리 상쇄되고, 또한 신호가 중첩되는 코일의 설치 피치와 설치 수를 선택할 수도 있다.

실시의 형태 2.

다음으로, 도 6은 본 발명의 실시의 형태 2에 의한 와이어 로프 탐상 장치의 요부를 나타내는 구성도이다. 와이어 로프(4)를 자화하기 위한 프로브의 구성 부품, 즉 제 1 및 제 2 영구자석(5, 6)과, 백 요크(7)와, 제 1 및 제 2 폴 피스(8, 9)의 사양은, 실시의 형태 1과 동일하다.

실시의 형태 1과 상이한 점은, 신호 처리 방법이다. 본 실시의 형태에서는, 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)이 서로 직렬로 접속되어 있다. 그리고, 제 1 서치 코일(10-1)의 일단과 제 2 서치 코일(10-2)의 일단의 전위차가, 2개의 서치 코일(10-1, 10-2)의 합성된 출력으로서, 후단에서 A/D 변환 후, 제어부(21)의 FIFO 버퍼에 저장된다.

도 7은 도 5의 제어부(21)에 의한 파형 처리 방법을 나타내는 설명도이다. 실시의 형태 1과 마찬가지로, 손상 부분(4a)이 제 1 및 제 2 폴 피스(8, 9) 사이를 통과하면, 누설 자속(13)(도 3)에 의한 유기 전압 V의 피크가 2개소 관측된다. 본 실시의 형태의 제어부(21)는, 관측된 파형에 관하여, 현재 시각에 있어서의 전압과, 시간 τ만큼 과거에 있어서의 전압을 중첩한다. 이것에 의해, 도 7의 오른쪽의 파형에 나타내는 바와 같이, 손상 부분(4a)의 통과 시각 근방에 3개소의 유기 전압의 피크가 출현하고, 그들 중 2번째의 피크의 높이가 중첩의 효과에 의해 증폭된다.

본 실시의 형태에 있어서도, 파형 중첩 시의 지연 시간이 노이즈의 주기의 정수배가 되었을 때, 노이즈도 2배로 증폭되어 버린다. 그러나, 신호도 동시에 2배로 증폭되고 있는 것과, 그 외의 주기의 노이즈는 2배 이하의 증폭률이 되기 때문에, 종합적으로는 S/N비가 향상된다. 즉, 각각의 서치 코일(10-1, 10-2)에 쇄교하는 자속의 방향과 관계없이, S/N비를 보다 확실히 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시의 형태에 의하면, 제조 비용을 억제할 수 있음과 아울러, 수치 계산 처리의 부하를 억제할 수 있다. 왜냐하면, 실시의 형태 1에서는, 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)의 출력을 개별적으로 A/D 변환하고 있었지만, 본 실시의 형태에서는, 직렬 접속에 의해 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)의 출력을 1개로 통합하기 때문에, 프로브 1개마다의 A/D 변환의 채널 수가 1개이면 충분하기 때문이다.

또한, 실시의 형태 1에서는, 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2) 중, 어느 쪽의 출력을 늦추는지를 결정하기 위해, 손상 부분(4a)이 제 1 서치 코일(10-1)로부터 제 2 서치 코일(10-2)로 향해서 통과하는지, 또는 제 2 서치 코일(10-2)로부터 제 1 서치 코일(10-1)로 향해서 통과하는지를 구별할 필요가 있다. 이 때문에, 어떠한 장치에 의해 이동 방향을 수동으로 인풋하거나, 또는 이동 방향을 자동적으로 검출하기 위한 인코더 등 위치 검출 장치를 구비하는 것이 필요하게 된다.

그러나, 본 실시의 형태에서는, 중첩해야 할 파형이, 동일한 파형의 일정 시간 늦춘 파형이기 때문에, 와이어 로프(4)의 이동 방향을 알 필요가 없고, 그것을 인풋하는 장치를 구비할 필요가 없다.

여기서, 도 8은 도 6의 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)을 손상 부분(4a)이 통과할 때의 누설 자속(13)의 이동과 검출되는 유기 전압의 파형의 관계를 나타내는 설명도이고, 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)이 동일한 극성을 갖도록 직렬 접속되었을 때, 즉 순방향으로 직렬 접속되었을 때의 파형을 나타내고 있다.

또한, 도 8에서는, 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)의 감김(winding) 방향이, 와이어 로프(4)로 향해서 오른나사의 방향으로 통일되어 있을 때, 제 1 서치 코일(10-1)의 감김 끝 쪽의 단말과 제 2 서치 코일(10-2)의 감김 시작 쪽의 단말을 직렬 접속하고, 제 1 서치 코일(10-1)의 감김 시작 쪽의 단말과, 제 2 서치 코일(10-2)의 감김 끝 쪽의 단말의 사이의 전압을 출력으로서 계측한 경우의 예를 나타내고 있다.

와이어 로프(4)가 도 8과 같은 방향으로 자화되고 있을 때, 손상 부분(4a)이 제 1 서치 코일(10-1)로부터 제 2 서치 코일(10-2)로 향해서 통과했다고 하면, 우선 제 1 서치 코일(10-1)에 누설 자속(13)이 도 8과 같은 방향으로 쇄교하고, 유기 전압이 발생한다. 다음으로, 시간 τ만큼 늦게 제 2 서치 코일(10-2)에 제 1 서치 코일(10-1)과 마찬가지의 유기 전압이 발생한다.

이 때문에, 상기의 접속의 방향일 때, 손상 부분(4a)의 통과 시의 유기 전압의 피크의 극성은, 도 8과 같이 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2) 모두 동일하게 된다. 그래서, 현재 시각의 전압과, 시간 τ 전의 전압을 중첩시킬 때에는, 서로의 부호는 바꾸지 않고 합을 취하는 것에 의해, 신호를 강조할 수 있다.

만약, 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)의 감김 방향이 서로 역방향으로 되어 있는 경우는, 직렬 접속하는 단말을 감김 시작끼리 또는 감김 끝끼리로 하는 것에 의해, 유기 전압의 발생의 방향을 상기와 마찬가지로 할 수 있다.

한편, 노이즈의 원인이 되는 외란 자속이, 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)에 쇄교하는 타이밍과 쇄교 방향의 관계에 의해, 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)이 반대의 극성을 갖도록 접속하는 것이 유리한 경우가 존재한다. 이 경우의 코일끼리의 접속은, 상기의 동일한 극성의 경우와 역방향이다.

즉, 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)의 감김 방향이 동일한 경우는, 제 1 서치 코일(10-1)의 감김 끝 단말과 제 2 서치 코일(10-2)의 감김 끝 단말을 접속하면 되고, 감김 방향이 반대인 경우에는, 제 1 서치 코일(10-1)의 감김 끝 단말과 제 2 서치 코일(10-2)의 감김 시작 단말을 접속하면 된다.

이때, 현재 시각의 전압과, 시간 τ 전의 전압을 중첩시킬 때에는, 도 9에 나타내는 바와 같이, 서로의 부호를 반대로 하고 합을 취하는 것에 의해, 신호를 강조할 수 있다.

여기서, 전압의 중첩의 구체적 수법의 일례를 나타낸다. 본 실시의 형태에서는, 제 1 및 제 2 서치 코일(10-1, 10-2)을 직렬 접속한 출력을, A/D 변환기에서 샘플링한 후, FIR(finite impulse response) 필터를 응용하여 중첩을 실현한다. 즉, FIR 필터의 필터 계수로서, 서로의 간격이 τ에 상당하는 점의 수만큼 떨어진 2점의 합을 취하는 계수를 설정한다.

구체적으로는, 필터 계수 h[n]은 이하의 수식으로 나타내어진다. 단, n은 정수, N은 탭의 수이고, 여기서는 4 이상의 2의 거듭제곱으로 한다. 또한, Δt는 A/D 변환기의 샘플링 간격이다. 또한, τ/2Δt를 세로의 이중선으로 사이에 두고 있는 것은, τ/2Δt를 사사오입하여 정수로 하는 것을 의미하고 있다.

[수학식 2]

상기 필터 계수 h[n]을 FIR 필터에 적용했을 때의 기능을 구체적으로 고찰한다. A/D 변환된 서치 코일의 출력 전압을 ε[k]로 하면, 임의 시각에 있어서 FIR 필터의 버퍼에 저장되어 있는 수열은 다음의 식으로 나타내어진다.

[수학식 3]

상기 수열에 필터 계수 h[n]={0, …, 0, 1, 0, …, 0, 1, 0, …, 0}을 곱하면, 이 시각에 있어서의 필터 출력 y[k]는 다음 식으로 나타내어진다.

[수학식 4]

우변 제 1 항과 제 2 항의 간격은, 이하의 수치로 되어 있다.

[수학식 5]

이것은, 와이어 로프(4)가 서치 코일(10-1, 10-2)의 간격을 통과하는 시간 τ에 상당하는 간격이다. 이것으로부터, FIR 필터의 필터 계수 h[n]에 의해, 임의 시각의 출력과, 그것보다 시간 τ 전의 출력의 합을 작성할 수 있는 것을 알 수 있다.

여기서, h[n]의 주파수 특성을 생각한다. h[n]의 이산 푸리에 변환을 H(k)로 하고, 이하의 식 2-1 및 식 3-1로 하면, 식 4가 얻어진다.

[수학식 6]

[수학식 7]

[수학식 8]

위의 식에서, ｜H(k)｜는, 식 5일 때 0이 되고, 식 6일 때 최대치 2가 된다. 단, γ는 정수(0, 1, 2, …)이다.

[수학식 9]

[수학식 10]

그런데, 이산 푸리에 변환의 주파수축에 있어서의 스테핑 폭(stepping width)을 Δf로 하면, 일반적으로 다음의 관계가 있다.

[수학식 11]

식 3-1, 식 7을 식 5, 식 6에 대입하여 변형하면, 식 5 및 식 6은 다음과 같이 나타내어진다.

[수학식 12]

[수학식 13]

식 8 및 식 9의 좌변은, 각각 ｜H(k)｜가 최소치 0 및 최대치 2가 될 때의 주파수를 나타낸다. 이들 식에 의하면, ｜H(k)｜는, 와이어 로프가 코일 피치 P를 통과하는 시간 τ의 역수 1/τ의 1/2의 주파수 및 그것에 1/τ의 정수배를 더한 주파수에 대하여 최소치 0을 취하고, 1/τ의 정수배의 주파수에 대하여 최대치 2를 취한다. 이것으로부터, 손상 부분(4a)이 서치 코일(10-1, 10-2)을 일정 속도로 통과할 때에, 직렬 접속에 의해 시간 τ만큼 떨어져 출현하는 2개의 피크 파형이 강조되는 것을 알 수 있다.

또한, 어느 지배적인 주기 성분을 포함하는 노이즈가 서치 코일 출력에 중첩되어 있을 때, 상기 ｜H(k)｜가 0이 되는 포인트가 그 주파수의 근방에 맞도록 코일 피치 P=τν를 설정하는 것에 의해, 더욱 S/N비를 향상시킬 수 있다.

예컨대, 상정할 수 있는 주기적인 노이즈 성분으로서, 와이어 로프(4)의 스트랜드(strand)의 요철의 피치에 상당하는 주파수가 생각된다. 지금, 그 요철의 피치를 Ps로 하면, 이 요철에 기인하여 서치 코일 출력에 주기 Ps/ν의 노이즈가 발생한다고 상정된다. 따라서, 상기 ｜H(k)｜가 0이 되는 포인트를, 이 노이즈의 주파수 ν/Ps에 맞추면, 코일 피치는, 예컨대, 다음과 같이 설정될 수 있다.

[수학식 14]

즉, 코일 피치를 스트랜드 요철의 피치의 반으로 하면 된다. 실제로는, 스트랜드 요철의 피치는, 와이어 로프(4)의 제조 편차, 및 와이어 로프(4)의 신축 등에 의해 다소 변동되지만, ｜H(k)｜의 0 포인트로부터, 주파수 ±ν/4P의 범위의 주파수에 노이즈의 주파수가 위치하고 있으면, 해당 구간은 ｜H(k)｜의 차단 주파수 영역이기 때문에, 일반적으로는 노이즈 저감의 효과가 얻어진다.

상기의 구체적인 예에서는, 서치 코일(10-1, 10-2)이 순방향으로 접속되어 있는 경우의 중첩 방법을 나타냈지만, 역방향으로 접속되어 있는 경우, 필터 계수 h[n]은 다음과 같이 된다.

[수학식 15]

이때, 출력 y[k]는 다음의 식으로 나타내어진다.

[수학식 16]

또한, h[n]의 주파수 특성은 다음과 같이 나타내어진다.

[수학식 17]

위의 식에서, ｜H(k)｜는, 이하의 식 14일 때 0이 되고, 식 15일 때 최대치 2가 된다. 단, γ는 정수(0, 1, 2, …)이다.

[수학식 18]

[수학식 19]

즉, ｜H(k)｜는, 와이어 로프(4)가 코일 피치를 통과하는 시간 τ의 역수 1/τ의 정수배의 주파수에 대하여 0이 되고, 1/2의 주파수 및 그것에 1/τ의 정수배를 더한 주파수에 대하여 최대치 2를 취한다. 이것으로부터, 직렬 접속에 의해 시간 τ만큼 떨어져 서로 반대의 상에서 발생하는 2개의 피크 파형이 강조되는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 역방향으로 서치 코일(10-1, 10-2)이 접속되어 있는 경우에도, 어느 지배적인 주기 성분을 포함하는 노이즈가 서치 코일 출력에 중첩되어 있을 때, 상기 ｜H(k)｜가 0이 되는 포인트가 그 주파수의 근방에 맞도록 코일 피치 P를 설정하는 것에 의해, S/N비를 더 향상시킬 수 있다.

또한, 순방향의 경우와 마찬가지로, 상정할 수 있는 주기적인 노이즈 성분으로서, 와이어 로프(4)의 스트랜드의 요철의 피치에 상당하는 주파수가 생각된다. 그 요철의 피치를 Ps로 하면, 이 요철에 기인하여 서치 코일 출력에 주기 Ps/ν의 노이즈가 발생한다고 상정된다. 따라서, 상기 ｜H(k)｜가 0이 되는 포인트를, 이 노이즈의 주파수 ν/Ps에 맞추면, 코일 피치는, 예컨대, 다음과 같이 설정될 수 있다.

[수학식 20]

즉, 코일 피치를 스트랜드 요철의 피치와 동일하게 하면 된다. 실제로는 스트랜드 요철의 피치는 와이어 로프(4)의 제조 편차, 및 와이어 로프(4)의 신축 등에 의해 다소 변동되지만, ｜H(k)｜의 0 포인트로부터, 주파수 ±ν/4P의 범위의 주파수에 노이즈의 주파수가 위치하고 있으면, 해당 구간은 ｜H(k)｜의 차단 주파수 영역이기 때문에, 일반적으로는 노이즈 저감의 효과가 얻어진다.

실시의 형태 3.

다음으로, 도 10은 본 발명의 실시의 형태 3에 의한 와이어 로프 탐상 장치의 요부를 나타내는 구성도, 도 11은 도 10의 제어부(21)에 의한 파형 처리 방법을 나타내는 설명도이다. 본 실시의 형태는, 실시의 형태 2에서 나타내어진 신호의 중첩을 일반화하고, 서치 코일의 개수를 m개(m은 3 이상의 정수)로 한 것이다. 즉, 프로브에는, 제 1 내지 제 m 서치 코일(10-1~10-m)이 등간격 P로 배치되어 있다.

이들 서치 코일(10-1~10-m)은 직렬 접속되어 있고, 1개의 손상 부분(4a)이 프로브를 통과할 때, m회의 피크 파형이 발생한다. 이들 피크를, 시간 τ만큼 시프트하면서, m-1회 중첩하는 것에 의해, 피크가 강조된다. 지금, 모든 서치 코일(10-1~10-m)이 동일한 방향으로 감겨 있고, 동일한 상의 방향으로 접속되어 있다고 하면, 실시의 형태 2와 마찬가지의 고찰을 거쳐, ｜H(k)｜가 0이 되는 주파수는 이하의 kΔf가 되고, 주파수 1/τ의 1/m의 주파수와, 그것에 1/τ의 정수배를 더한 주파수인 것을 알 수 있다.

[수학식 21]

이러한 성질을 이용하여, 특정한 노이즈 주파수를 선택적으로 감쇠시키면서, 신호를 높일 수 있다.

즉, 각각의 서치 코일을 와이어 로프의 이동 방향에 관하여 차례로 직렬 접속하는 경우, 와이어 로프의 이동 방향의 양단에 위치하는 서치 코일의 단말 중, 인접한 서치 코일에 접속되어 있지 않은 각각의 단말의 사이에 생기고 있는 전압을 V(t)로 하면, 제어부에는, V(t)를 일정 시간분 기억하는 기능을 갖게 한다. 그리고, 서치 코일의 수를 2 이상의 정수인 m으로 하고, 서치 코일의 설치 간격을 P로 하고, 자화기에 대한 와이어 로프의 상대적인 이동 속도를 ν로 할 때, 제어부는, 손상 부분의 유무의 평가 지표 S(t)로서 다음 식을 사용하는 회로 또는 처리 알고리즘을 갖고 있다.

[수학식 22]

또한, 정수를 α로 하면, 제어부에 있어서의, V(t)를 입력으로 하고 S(t)를 출력으로 하는 파형 처리의 주파수 응답의 진폭 응답은, 다음 식으로 나타내어지는 주파수의 범위 내에 극소점을 갖는다.

[수학식 23]

또, 상기의 예에서는, 영구자석(5, 6)을 갖는 자화기(11)를 나타냈지만, 영구자석(5, 6) 대신에 전자석을 이용하더라도 좋다.

Claims (5)

1. 와이어 로프의 길이 방향의 일부에 주 자속을 형성하는 자화기와,
   상기 와이어 로프의 길이 방향으로 서로 간격을 두고 배치되어 있고, 상기 주 자속이 형성되어 있는 구간에서 상기 와이어 로프의 손상 부분으로부터 발생하는 누설 자속을 검출하는 복수의 서치 코일과,
   상기 복수의 서치 코일에 발생하는 유기 전압을 검출하는 제어부
   를 구비하고,
   상기 제어부는, 서로 인접하는 상기 복수의 서치 코일의 간격과, 상기 자화기에 대한 상기 와이어 로프의 상대적인 이동 속도에 근거하여 계산된 시간만큼, 상기 복수의 서치 코일의 전압 파형을 시프트하여 중첩시키는 것에 의해, 상기 유기 전압의 피크를 증폭하는
   와이어 로프 탐상 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 서치 코일의 수를 2 이상의 정수인 m으로 하고, 상기 복수의 서치 코일의 설치 간격을 P로 하고, 상기 자화기에 대한 상기 와이어 로프의 상대적인 이동 속도를 ν로 하고, 각 상기 서치 코일에 발생하는 유기 전압을, 상기 와이어 로프의 이동 방향의 상류측으로부터 차례로 V₁(t), …, V_m(t)로 할 때, 상기 제어부는, 상기 손상 부분의 유무의 평가 지표 S(t)로서
   [수학식 24]
   

   

   
   를 사용하는 와이어 로프 탐상 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   각각의 상기 서치 코일이 상기 와이어 로프의 이동 방향에 관하여 차례로 직렬 접속되어 있고,
   상기 와이어 로프의 이동 방향의 양단에 위치하는 상기 서치 코일의 단말 중, 인접한 서치 코일에 접속되어 있지 않은 각각의 단말의 사이에 생기고 있는 전압을 V(t)로 하고, 상기 서치 코일의 수를 2 이상의 정수인 m으로 하고, 상기 복수의 서치 코일의 설치 간격을 P로 하고, 상기 자화기에 대한 상기 와이어 로프의 상대적인 이동 속도를 ν로 할 때, 상기 제어부는, 상기 V(t)를 일정 시간분 기억하고, 상기 손상 부분의 유무의 평가 지표 S(t)로서
   [수학식 25]
   

   

   
   을 사용하는
   와이어 로프 탐상 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   각각의 상기 서치 코일이 상기 와이어 로프의 이동 방향에 관하여 차례로 직렬 접속되어 있고,
   상기 와이어 로프의 이동 방향의 양단에 위치하는 상기 서치 코일의 단말 중, 인접한 서치 코일에 접속되어 있지 않은 각각의 단말의 사이에 생기고 있는 전압을 V(t)로 하고, 상기 서치 코일의 수를 2 이상의 정수인 m으로 하고, 상기 복수의 서치 코일의 설치 간격을 P로 하고, 상기 자화기에 대한 상기 와이어 로프의 상대적인 이동 속도를 ν로 하고, 정수를 α로 하고, 상기 손상 부분의 유무의 평가 지표를 S(t)로 할 때, 상기 제어부에 있어서의, V(t)를 입력으로 하고 S(t)를 출력으로 하는 파형 처리의 주파수 응답의 진폭 응답이,
   [수학식 26]
   

   

   
   로 나타내어지는 주파수의 범위 내에 극소점을 갖는
   와이어 로프 탐상 장치.
   
5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 m=2인 와이어 로프 탐상 장치.

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