KR101068306B1 - 변환밴드 및 이를 이용한 자왜변환기 - Google Patents

변환밴드 및 이를 이용한 자왜변환기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원거리초음파검사분야에서 널리 사용되는 기존의 자왜스트립 도파변환기를 위한 자왜스트립 대신에 반복적으로 재사용될 수 있는 두 종류의 변환밴드들을 제공한다. 한 종류의 밴드는 테플론과 같이 우수한 비점착성(non-stickiness), 양호한 횡파전달특성, 그리고 전기절연성을 갖는 물질로 코팅된 자왜스트립이고, 다른 한 종류의 밴드는 테플론과 같은 물질로 코팅된 비강자성금속스트립과 이 비강자성금속스트립에 접착된 자왜스트립을 포함한다. 에폭시와 같은 접착재의 사용에 의해 시험체와 결합될 때, 상기 접촉층의 비점착성이 각 변환밴드의 손쉬운 탈착과 반복적인 재사용을 가능하게 한다. 또한, 원형 단면을 갖는 실린더형 구조물에의 적용을 위해, 상기 비강자성금속스트립의 양단에 설치되는 부가적인 볼트 조임 수단은 변환밴드와 시험체 사이의 건식결합(dry coupling)을 가능하게 한다.

Description

변환밴드 및 이를 이용한 자왜변환기{Transduction Band and Magnetostrictive Transducers thereof}
본 발명은 변환밴드 및 이를 이용한 자왜변환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산업구조물 등의 원거리 초음파비파괴검사를 위해 사용되는 변환밴드 및 이를 이용한 자왜도파변환기(magnetostrictive guided-wave transducer)에 관한 것이다.
판, 쉘, 봉, 로프, 튜브, 파이프 등과 같은 구조물요소들의 비용효율적인 검사(즉 원거리초음파검사)를 위해, 각 구조물 경계에 의해 안내되어 멀리 전파될 수 있는 탄성도파(elastic guided wave)를 사용하여 왔다. 해석이 용이한 에코구조를 얻기 위해, 전파속도가 주파수에 따라 변하지 않는 특성(비분산성)과 구조물 두께 내에서 균일한 변위를 갖는 단일 모드 도파를 주로 이용하였다. 평판이나 곡률을 갖는 판형 구조물에 대해서는 S0, A0, SH0 모드들 중 하나를, 실린더형 구조물에 대해서는 그 축 방향으로 전파하는 L(0,1), L(0,2), T(0,1) 모드들 중 하나를 주로 이용하였다. 구조물 내면 혹은 외면에 존재할 수도 있는 유체에 둔감할 뿐 아니라 결함과의 상호작용에서 모드변환의 발생 가능성이 낮아, 보다 단순한 에코구조를 허용하는 SH0 모드와 T(0,1) 모드가 특히 유용하였다. 관련된 기술에서 이들 도파의 발생과 탐지를 위해, 압전어레이(piezoelectric array)변환기와, 두 종류의 EMAT(electromagnetic acoustic transducer), 즉 PPM(periodically polarized magnet) EMAT와 자왜변환기를 사용하여 왔다. 다른 두 변환기에 비해 자왜변환기는 단순하다는 장점을 가진 것으로 알려져 왔다.
탄성도파의 송신을 위해, 자왜변환기는 강자성(ferromagnetic) 물질의 표면 아래 가까운 부분에서 바이어스 정자기장과 동자기장의 중첩에 의한 물질의 변형을 이용한다. 정자기장은 영구자석이나 전자석에 의해, 동자기장은 라디오주파수 대역의 교류전류펄스가 흐르는 코일, 소위 말하는 RF코일에 의해 물질에 제공된다. 이 동자기장의 스킨효과(skin effect) 때문에 파원(wave source)은 물질 표면 근처로 제한된다. 구조물을 따라 전파하는 도파 모드는 두 자기장의 상대적인 방향에 주로 의존한다: S0, A0, L(0,1), 그리고 L(0,2) 모드들은 서로 나란한 두 자기장에 의해, SH0와 T(0,1) 모드들은 서로 수직한 두 자기장에 의해 발생된다. 수신과정에서 RF코일은 초음파에 의해 물질 내에 야기되는 자속(magnetic flux)변화를 탐지하는 역할을 담당한다. 시험물체가 강자성물질로 만들어진 경우, 이 물체를 변환기의 한 요소로 사용함으로써, 다른 두 요소(코일과 자석)와 물체 사이의 직접적인 접촉 없이, 도파를 물체 내에 발생시키고 탐지할 수 있다. 이 같은 비접촉자왜변환기는 고온검사를 가능하게 한다. 저주파수의 도파를 위해서는 늘어진-나선형(elongated- spiral)코일 변환기를, 고주파수의 도파를 위해서는 미앤더라인(meanderline)코일 변환기나 다중나선형(multi-spiral)코일 변환기를 주로 사용하여 왔다. 이들 자왜변환기는 각 RF 코일의 다리방향과 나란하거나 수직한 정자기장을 발생시키는 영구자석이나 전자석을 포함한다.
비강자성(non-ferromagnetic) 시험물체에서 도파의 송수신은 그 표면에 일시적으로 혹은 영구적으로 접착된 자왜스트립(혹은 자왜패치)를 포함하는 도파변환기의 사용에 의해 이루어질 수 있다. 이 자왜스트립 도파변환기는 보다 효율적인 도파송수신을 위해 강자성 시험물체에 적용되기도 하였고 SH0 와 T(0,1) 모드들의 송수신에 특히 유용하였다. 관련된 기술에서는 에폭시와 같은 점착성 물질을 사용하여 구조물에 접착된 자왜스트립을 따라 U-형 영구자석을 이동시킴으로써 얻어지는 스트립길이방향으로의 잔류자화가 바이어스 정자기장으로 이용되었다. 이 변환기는 스트립폭방향으로 진행하는 낮은 주파수(보통 100 kHz 이하)의 이 도파를 효율적으로 송신 혹은 수신할 수 있었다. 그러나 이러한 변환기는 시험물체로부터 스트립을 떼어내는 과정에서 혹은 사용된 스트립에 견고하게 붙어 있는 에폭시를 제거하는 과정에서 스트립의 손상이 쉽게 발생될 수 있기 때문에, 사용된 스트립의 반복적인 재사용이 어렵다는 단점을 갖는 것으로 알려져 왔다.
본 발명은, 자왜스트립 도파변환기의 개선을 위해 시험체의 표면으로부터 반복적인 탈착과 반복적인 재사용이 가능한 변환밴드 및 이를 이용한 자왜변환기를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 도파의 송신 또는 수신을 위한 전자기음향변환이 발생되는 자왜스트립, 및 상기 자왜스트립의 하면에 코팅되되, 시험체의 표면으로부터 변환밴드의 반복적인 탈착과 재사용이 가능하도록 비점착성 재질을 갖는 접촉층을 포함하는 A형 변환밴드를 제공한다.
또한, 본 발명은, 도파의 송신 또는 수신을 위한 전자기음향변환이 발생되는 자왜스트립과, 상기 자왜스트립의 하면에 음향학적으로 결합되도록 배치되어, 변환밴드의 형태를 유지시키고 상기 자왜스트립이 손상되는 것을 방지하는 비강자성금속스트립, 및 상기 비강자성금속스트립의 하면에 코팅되되, 시험체의 표면으로부터 변환밴드의 반복적인 탈착과 반복적인 재사용이 가능하도록 비점착성 재질을 갖는 접촉층을 포함하는 B형 변환밴드를 제공한다.
여기서, 상기 A형 변환밴드와 B형 변환밴드에 사용된 상기 접촉층은, 우수한 횡파전달특성과 전기절연성을 갖는 재질로 형성될 수 있다.
상기 B형 변환밴드는, 시험체의 표면에 밀착된 상태로 시험체를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 예로서, 상기 시험체는 원형 단면을 갖는 실린더형 구조체일 때, 상기 B형 변환밴드는 상기 시험체의 표면을 따라 접촉되어 양단이 서로 마주보는 링(ring)형상의 단면을 가질 수 있다. 여기서, 상기 비강자성금속스트립은 상기 자왜스트립에 비해 긴 길이를 갖도록 함으로써, 상기 비강자성금속스트립이 상기 자왜스트립의 하면에 접착되어 결합되면 상기 비강자성금속스트립의 양 끝단 부분이 외부로 노출되도록 할 수 있다. 여기서, 상기 접촉층은, 상기 시험체의 표면과 상기 비강자성금속스트립의 하면 사이에 배치될 수 있다. 이때, 상기 변환밴드는, 상기 비강자성금속스트립의 노출된 양 끝단 부분을 서로 결합시키는 조임수단(clamping means)을 더 구비할 수 있다. 또한, 여기서, 상기 비강자성금속스트립의 노출된 양 끝단 부분은 각각 절곡되어 한 쌍의 마주보는 고리부를 형성하고, 상기 조임수단은, 볼트 체결을 위한 관통구멍이 형성되고 상기 한 쌍의 고리부에 각각 삽입되는 한 쌍의 금속실린더, 및 상기 관통구멍을 통해 상기 한 쌍의 금속실린더를 서로 긴밀히 결합시키는 볼팅수단을 포함할 수 있다. 이때, 상기 접촉층은, 상기 시험체와 상기 비강자성금속스트립 사이의 음향학적 결합을 용이하게 하도록, 쉽게 변형될 수 있고 유연한 금속 또는 플라스틱 재질로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기의 변환밴드와, 상기 변환밴드 상에 배치되어 상기 자왜스트립의 폭방향으로 동자기장을 형성시키거나 상기 자왜스트립에서의 자속변화를 감지하는 RF코일을 포함하는 자왜변환기를 제공한다.
본 발명에 따른 변환밴드에 따르면, 변환밴드가 시험체와 결합되어 사용될 때 손상 없는 탈착을 손쉽게 유도함으로써 반복적으로 재사용될 수 있는 자왜도파 변환기의 구성을 허용한다. 이는 보다 견고하고 높은 신뢰성을 갖는 자왜도파변환기의 사용을 가능하게 할 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변환밴드를 나타내는 단면도이다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변환밴드를 나타내는 단면도이다. 이러한 두 종류의 변환밴드들은, 원거리초음파검사분야에서 널리 사용되는 기존의 자왜스트립 도파변환기를 위한 자왜스트립 대신에 반복적으로 재사용될 수 있도록 한다. 그리고, 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 링(ring)형 변환밴드를 나타내는 설치 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 이용한 자왜변환기는 크게 두 부분인 변환밴드(100,200,400)와 RF코일(미도시)을 포함한다. 상기 변환밴드(100,200,400)는 시험체(10,30)의 표면 상에 배치되어 시험체(10,30)의 표면과 음향학적으로 결합되며 전자기음향변환이 발생되는 부분이다. 이러한 변환밴드(100,200,400)는 에폭시 등의 점착성 물질의 사용에 의해 시험체(10,30)의 표면에 음향학적으로 결합 가능하다. 물론, 상대적으로 점착성이 약하고 시간이나 온도에 의존하는 결합강도를 제공하는 조청이나 꿀과 같은 횡파 전달특성이 우수한 액체가 에폭시 재료를 대체하여 사용될 수 있다. 그리고, 상기 RF코일(미도시)은 상기 변환밴드(100,200,400) 상에 배치되어 도파의 송신을 위해 자왜스트립(110,210,410)에 동자기장을 발생시키거나 자왜스트립(110,210,410)으로 들어온 도파에 의해 야기되는 자속(magnetic flux) 변화를 탐지하는 부분이다.
도 1 및 도 2는 두 가지 타입(A형, B형)의 변환밴드(100,200)를 나타내며, 평평한 시험체(10)에 접착된 변환밴드(100,200)의 단면을 보여준다. 물론, 각각의 변환밴드(100,200)는 평평한 시험체(10)에 대해서만 한정적으로 사용되는 것은 아니며, 시험체가 파이프형 등과 같이 굴곡면을 형성한 경우에는 시험체의 표면에 밀착된 상태로 시험체를 둘러싸도록 배치되어 사용 가능하다. 또한, 이 각각의 변환밴드(100,200)와 시험체(10) 사이의 음향학적 결합을 위해, 횡파전달특성이 우수한 전파매개물질(coupling material;20)을 사용한다.
A형 변환밴드(100)는, 자왜스트립(110)과 접촉층(contact layer;120)을 포함한다. B형 변환밴드(200)는 자왜스트립(210), 비강자성금속스트립(230), 접촉층(contact layer;220), 접착층(240)을 포함한다.
상기 자왜스트립(110,210)은 도파의 송신 또는 수신을 위한 전자기음향변환이 발생되는 부분이다. 이때, RF코일(미도시)은, 자왜스트립(110,210)의 폭방향(도 1과 도 2의 자왜스트립(110,210)의 평면 상에서 A 또는 A' 방향과 수직되는 방향 즉, 자왜스트립(110,210)의 단면에 수직으로 들어가거나 나오는 방향인 전후 또는 후전 방향)으로 동자기장을 형성시키거나 자왜스트립(110,210)에서의 자속변화를 감지한다.
A형 변환밴드(100)의 경우 자왜스트립(110)의 하면에, B형 변환밴드(200)의 경우 비강자성(non-ferromagnetic)금속스트립(230)의 하면에 코팅되는 상기 접촉층(120,220)은, 시험체(10)의 표면으로부터 상기 변환밴드(100,200)의 반복적이고 손쉬운 탈착과 반복적인 재사용이 가능하도록 비점착성(non-stickiness) 재질로 형 성된다. 예를 들어, 에폭시와 같은 접착제를 전파매개물질(20)로 사용하는 경우, 상기 접촉층(120,220)은 A형 변환밴드(100)의 경우 자왜스트립(110)의 하면에, B형 변환밴드(200)의 경우 비강자성금속스트립(230)의 하면에, 테플론(Teflon)과 같이, 우수한 비점착성, 양호한 횡파전달특성, 그리고 전기절연성을 갖는 물질을 수십 마이크로미터 정도의 두께로 얇고 견고하게 코팅함으로써 형성 가능하다. 이에 따르면, 각 변환밴드(100,200)와 시험체(10) 사이의 음향학적 결합이 에폭시의 사용에 의해 이루어지는 경우일지라도, 접촉층(120,220)의 비점착성 특성에 따라, 시험체(10)의 표면으로부터 각 변환밴드(100,200)의 손상 없는 탈착을 손쉽게 유도함으로써, 변환밴드(100,200)의 반복적인 재사용이 가능한 것이다. 또한, 상기 접촉층(120,220)의 전기절연성은 자왜스트립(110) 혹은 비강자성금속스트립(230)과 시험물체 사이의 전기적 결합에 기인한 균일하지 못한 와전류의 발생을 방지하는 역할을 한다.
와전류의 발생을 억제하기 위해, 각 변환밴드(100,200)에서는 그 위에 놓여지는 RF코일(들)에 의해 발생되는 동자기장의 침투깊이보다 얇은 두께를 갖는 자왜스트립(110,210)의 사용이 바람직하다. 각 변환밴드(100,200) 내에서 도파의 변형을 최소화하기 위해서는, 변환밴드(100,200)의 두께가 도파의 파장에 비해 훨씬 얇아야 한다. 그래서 도파의 주파수가 증가함에 따라, 보다 얇은 변환밴드의 사용이 요구된다. 대부분의 금속구조물에서 유용한 도파의 전파속도는 수천 m/s 정도이다. 원거리 초음파검사 분야에서 주로 사용되는 주파수범위(20 - 200 kHz)에서, 이 도파의 파장은 수십 - 수백 mm 정도이다. 이는 위의 두 타입의 변환밴드들(100,200) 이 용이하게 제작될 수 있음을 암시한다.
이하에서는, 각 변환밴드(100,200)들의 특징에 관하여 알아보기로 한다. 상기 A형 변환밴드(100)의 경우, 자왜스트립(110)에 테플론과 같은 접촉층(120)이 코팅된 구조로서, 임의의 곡률을 갖는 시험체에 대해 사용될 수 있을 정도로 유연한 특성을 갖는다. 반면에 B형 변환밴드(200)의 경우, 주어진 시험물체의 표면에 맞추어진 기하를 갖고 탄성 한계 내에서만 변형될 수 있다. 이 탄성한계는 비강자성금속스트립(230)과 접착층(240)의 성분과 두께에 의존한다.
상기 B형 변환밴드(200)에서 비강자성금속스트립(230)은 자왜스트립(210)의 하면에 에폭시 등의 접착층(240)을 통해 접착되어, 상기 B형 변환밴드(200)의 형태를 유지시키고 상기 자왜스트립(210)이 손상되는 것을 방지한다.
도 1 및 도 2의 A형 변환밴드(100)와 B형 변환밴드(200)의 경우, 각 자왜스트립(110,210) 내에 그 길이방향(도 1과 도 2의 단면도에서 A 또는 A'방향)으로 바이어스자기장을 형성시키기 위한 수단(ex, 영구자석 등)이 별도로 함께 사용되어야 한다. 물론, 전류자화가 바이어스자기장으로 이용될 수도 있다.
파이프와 같이 원형 단면을 갖는 실린더형 구조물에서, 그 축방향으로 진행하는 도파를 송수신하는 접촉자왜변환기를 위한 B형 변환밴드는 링(ring) 모양을 가질 수 있다. 도 3은, 상기 B형 변환밴드(300)의 구조를 원형의 구조체(30)에 적용한 또 다른 실시예에 따른 변환밴드(400)의 예를 나타낸다. 즉, 이때 상기 시험체(30)는 원형 단면을 갖는 실린더형 구조체이다. 또한, 이 변환밴드(400)는 조임수단(clamping means; 450)의 사용에 의해 시험체(30)의 표면에 음향학적으로 결합 되고, 시험체(30)의 표면을 따라 접촉되어 그 양단이 서로 마주보는 링(ring)형상의 단면을 갖는다.
도 3은, 상기 변환밴드(400)의 길이방향이 상기 시험체(30)의 원주방향으로 감겨진 형태이다. 이때, 자왜스트립(410)의 길이방향 또한 시험체(30)의 원주방향으로 감겨진 형태를 갖는다. 따라서, 자왜스트립(410)의 길이방향으로 형성되는 바이어스자기장은 상기 자왜스트립(410) 내에서 상기 시험체(30)의 원주방향과 대응되는 방향으로 형성된다. 또한, 상기 자왜스트립(410)의 폭방향으로 형성되는 동자기장은 상기 자왜스트립(410) 내에서 상기 시험체(30)의 축방향에 대응되는 방향으로 형성되게 된다.
이러한 변환밴드(400)는 물론, 자왜스트립(410)과 비강자성금속스트립(430), 그리고 시험체(30)의 표면 상에 직접 접촉되는 접촉층(420)을 구비한다. 물론, 비강자성금속스트립(430)과 자왜스트립(410) 사이에는 에폭시 등의 접착층(440)이 구비된다. 상기 접촉층(420)은, 시험체(30)의 표면과 비강자성금속스트립(430)의 하면 사이에 배치되는 부분으로서, 시험체(30)와 비강자성금속스트립(430) 사이의 음향학적 결합을 용이하게 하도록, 쉽게 변형될 수 있고 유연한 금속 또는 플라스틱 재질로 형성 가능하다. 그 예로서, 접촉층(420)은 알루미늄이나 황동과 같은 금속으로 만들어진 심(shim)을 사용함으로써 밴드와 파이프 사이의 음향학적 결합을 보다 쉽게 달성할 수 있다.
그리고 상기 비강자성금속스트립(430)은 상기 자왜스트립(410)에 비해 긴 길이를 가짐에 따라, 상기 비강자성금속스트립(430)이 상기 자왜스트립(410)의 하면 에 접착되어 결합되면 상기 비강자성금속스트립(430)의 양 끝단(431,432) 부분이 외부로 노출된다. 비강자성금속스트립(430)은 기계적 강도가 큰 재질을 사용하고, 이 비강자성금속스트립(430)의 양끝 부위에는 조임수단(450)이 장착된다. 이러한 조임수단(450)은 상기 비강자성금속스트립(430)의 노출된 양 끝단(431,432) 부분을 서로 결합시킴에 따라 상기 변환밴드(400)와 상기 시험체(30) 사이의 건식결합(dry coupling)을 가능하게 하는 역할을 한다. 보다 구체적으로는, 상기한 건식 결합을 위해, 비강자성금속스트립(430)의 노출된 양 끝단(431,432) 부분은 각각 절곡되어 한 쌍의 마주보는 고리부(433,434)를 형성한다. 이때, 조임수단(450)은 한 쌍의 금속실린더(451)와 볼팅수단(453)을 포함한다. 상기 한 쌍의 금속실린더(451)는 볼트 체결을 위한 관통구멍(452)이 형성되고 상기 한 쌍의 고리부(433,434)에 각각 삽입되며, 상기 볼팅수단(453)은 상기 관통구멍(452)을 통해 상기 한 쌍의 금속실린더(451)를 서로 긴밀히 결합시키며 너트(454)가 보조로 사용된다. 즉, 두 금속실린더(451)의 중앙에 형성된 관통구멍(452)을 통한 볼팅수단(453)과 너트(454)의 조임은 변환밴드(400)와 시험체(30) 사이의 효과적이고 용이한 건식 결합을 유도한다. 비강자성금속스트립(430)의 끝부분인 각각의 고리부(433,434)가 금속실린더(451)를 감도록 체결하고, 강한 조임이 얻어질 수 있도록, 서로 맞닿은 비강자성금속스트립 부분의 면들(431,432 바로 윗면들)을 서로 용접한다.
이하에서는 본 발명의 유효성을 검증하기 위한 실험 데이터를 도 4 및 도 5를 참조로 하여 소개하기로 한다. 도 4는 파이프 시험체(80)에서 T(0,1)모드 도파를 송수신하는 실험장치의 개략도이다. 이때, 도 2의 B형 변환밴드(200)가 실험 대 상으로 이용되었다.
상기한 유효성을 검증하기 위해, 외경이 110 mm, 두께가 5 mm, 그리고 길이가 3 m인 탄소강 파이프를 시험체(80)로 사용하고, 이 시험체(80)에서 T(0,1)모드를 송수신할 수 있는 B형 변환밴드를 포함한 자왜변환기를 제작하였다. 도 4는 실험장치를 도식적으로 보여준다. 이 자왜변환기는, 파이프 길이의 1/3위치에서 파이프(80)의 원주방향을 따라 파이프(80)의 표면에 접착되는 변환밴드(transduction band;빗금영역)와, 이 변환밴드 위에 겹쳐져 놓이는 송신 RF코일 어레이(T-Coils)와 수신 RF 코일 어레이(R-Coils)로 구성되었다.
상기 B형 변환밴드(200)의 구성을 위해 사용된 자왜스트립(210)은 미국의 카펜터 테크놀로지(Carpenter Technology) 사로부터 공급된 철-코발트합금(Hyperco50HS)스트립(폭 56 mm x 길이 310 mm x 두께 0.1 mm)이었다. 이 자왜스트립은 바이어스자기장으로 이용될 수 있을 정도로 큰 잔류자화(14 kG)와 보자력(25 Oe)을 갖는 것으로 알려져 왔다. 이 변환밴드에서의 접촉층(220)은 테플론으로 만들어졌으며 그 두께는 약 20 마이크로미터이었고, 비강자성금속스트립(230)은 알루미늄 스트립(폭 60 mm x 길이 316 mm x 두께 0.2 mm)이었다.
송신코일 어레이(T-Coils)와 수신코일 어레이(R-Coils)는 각각, 한 코일의 한 다리가 상대방 코일의 두 다리 사이의 중앙에 놓이도록 배열된, 동일한 두 늘어진-나선형(elongated-spiral) 코일들로 구성되었다. 송신코일은 직사각형(폭 1.3 mm x 두께 0.20 mm) 에나멜 동선으로 만들어졌고 그 감은수는 10 이었다. 수신코일은 직경이 0.12 mm인 에나멜 동선으로 만들어졌고 그 감은수는 110 이었다. 모든 나선형코일의 다리의 폭과 길이 그리고 두 다리 사이의 간격은 각각 14 mm, 500 mm, 28 mm이었다. 이 폭과 간격은 자왜스트립에서 T(0,1)모드의 전파속도(2880 m/s)를 고려하여 50 kHz에서 1/4파장 및 1/2파장과 거의 같도록 선택되었다. 그래서 각 코일 어레이의 전체 폭과 자왜스트립의 폭은 한 파장과 같은 56 mm 이었다.
도 4에 도시된 송신 및 수신 전자장치는 ㈜디지털초음파가 공급한 GWR320시스템이었다. 이 시스템은 두 송신코일과 두 수신코일이 위상배열(phased array)이론에 따라 운영되게 함으로써 송신도파의 진행방향과 수신도파의 탐지방향을 조종할 수 있게 한다. 본 실험에서 펄스부(40)는 동일한 출력파형(50 kHz, 2 사이클, 그리고 11 V 진폭의 사각펄스)을 갖고 위상이 180o 다른 두 구동전압신호가 각 송신코일의 두 터미널에 가해지도록 조정되었고 수신코일 양단에 유도된 RF신호는 수신부(50) 측의 대역폭통과필터와 A/D변환부(60)를 거친 후 비디오신호로 변환되어 컴퓨터(70)에 저장되었다.
실험절차는 다음과 같았다. 1) 5분 에폭시를 사용하여 변환밴드를 파이프(80) 시편에 접착한다. 2) 영구자석을 이용하여 자왜스트립의 길이방향으로 잔류자화를 유도한다. 3) 송신코일어레이(T-coils)와 수신코일어레이(R-coils)를 변환밴드 위에 위치시킨 후, 도 4의 송수신전자장치에 연결한다. 4) 변환기의 좌/우 두 방향으로 동시에 진행하는 도파들이 발생되고 파이프(80) 양끝에서 반사된 에코들이 탐지되도록 송수신전자장치를 조종한다. 5) 탐지된 신호데이터를 컴퓨터(70)에 저장한다. 6) 변환기의 우측 방향으로 진행하는 도파가 발생되고 파이프(80) 우측 끝에서 반사된 에코가 탐지되도록 송수신전자장치를 조종한 후, 과정 5)를 반복한다. 7) 변환기의 좌측 방향으로 진행하는 도파가 발생되고 파이프(80) 좌측 끝에서 반사된 에코가 탐지되도록 송수신전자장치를 조종한 후, 과정 5)를 반복한다.
도 5는 얻어진 신호들을 보여준다. 위쪽, 중간, 아래쪽 신호는 각각 실험과정 4), 6), 7)에서 얻어진 것들이다. 송신코일의 구동신호가 수신코일에 곧바로 탐지되어 가장 먼저 나타나는 메인뱅(main bang)에코를 제외하면, 각 신호는 세 개의 에코들로 구성된다. 1 m 위치의 에코 1과 2 m 위치의 에코 2는 각각 변환밴드 우측방향으로 진행한 도파의 파이프 우측 끝으로부터의 반사와 변환밴드 좌측방향으로 진행한 도파의 파이프 좌측 끝으로부터의 반사를 나타낸다. 3 m 위치의 에코 3은 양방향으로 진행한 두 도파가 파이프를 한번 왕복한 후 중첩되어 탐지된 것이다. 송수신과정에서 도파의 방향을 컨트롤할 때, 대응하는 에코는 증강되고 나머지 두 에코들을 약화됨을 볼 수 있다. 에코 1과 에코 2의 진폭비로부터 평가된 이 시스템의 도파방향 조정능력은 약 92 % 이었다. 또한, 방향 컨트롤된 도파에 대한 에코 1과 에코 2의 S/N(signal-to-noise-ratio)은 약 47 dB 이었다. 그리고 실험 후 파이프로부터 변환밴드의 탈착은 매우 쉽게 이루어질 수 있었고 그 밴드의 테플론 코팅층인 상기 접촉층(220)에는 어떤 에폭시도 붙어 있지 않았다. 이들은 본 발명이 제공하는 변환밴드들이 원거리초음파검사를 위해 반복적으로 재사용될 수 있을 뿐 아니라 충분히 우수한 성능을 제공한다는 것을 의미한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균 등한 다른 실시예가 가능한 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자왜변환기를 위한 변환밴드를 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자왜변환기를 위한 변환밴드를 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자왜변환기를 위한 변환밴드를 나타내는 단면도,
도 4는 파이프 시험체에서 T(0,1)모드 도파를 송수신하는 실험장치의 개략도,
도 5는 도 4의 실험에서 얻어지는 신호데이터의 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 >
10,30: 시험체 20: 전파매개물질
100,200,400: 변환밴드 110,210,410: 자왜스트립
120,220,420: 접촉층 230,330: 비강자성금속스트립
240,440: 접착층 431,432: 양 끝단
433,434: 고리부 450: 조임수단
451: 실린더 452: 관통구멍
453: 볼팅수단 454: 너트

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 검사 대상이 되는 시험체 상에 배치되어, 도파의 송수신을 이용한 원거리 초음파비파괴검사에 사용되는 변환밴드에 관한 것으로서,
    상기 도파의 송신 또는 수신을 위한 전자기음향변환이 발생되는 자왜스트립;
    상기 자왜스트립의 하면에 음향학적으로 결합되도록 배치되어, 상기 변환밴드의 형태를 유지시키고 상기 자왜스트립이 손상되는 것을 방지하는 비강자성금속스트립; 및
    상기 비강자성금속스트립의 하면에 코팅되되, 상기 시험체의 표면으로부터 상기 변환밴드의 탈착이 가능하도록 비점착성 재질을 갖는 접촉층을 포함하고,
    상단에 상기 자왜스트립의 폭방향으로 동자기장을 형성시키거나 상기 자왜스트립에서의 자속변화를 감지하는 RF코일이 배치되며,
    상기 접촉층은 횡파 전달이 가능하며, 전기 절연 재료로 형성된 변환밴드.
  3. 삭제
  4. 검사 대상이 되는 시험체 상에 배치되어, 도파의 송수신을 이용한 원거리 초음파비파괴검사에 사용되는 변환밴드에 관한 것으로서,
    상기 도파의 송신 또는 수신을 위한 전자기음향변환이 발생되는 자왜스트립;
    상기 자왜스트립의 하면에 음향학적으로 결합되도록 배치되어, 상기 변환밴드의 형태를 유지시키고 상기 자왜스트립이 손상되는 것을 방지하는 비강자성금속스트립; 및
    상기 비강자성금속스트립의 하면에 코팅되되, 상기 시험체의 표면으로부터 상기 변환밴드의 탈착이 가능하도록 비점착성 재질을 갖는 접촉층을 포함하고,
    상기 시험체는 원형 단면을 갖는 실린더형 구조체이고, 상기 변환밴드는 상기 시험체의 표면을 따라 접촉되어 양단이 서로 마주보는 링(ring)형상의 단면을 가지며,
    상기 비강자성금속스트립은 상기 자왜스트립에 비해 긴 길이를 가짐에 따라, 상기 비강자성금속스트립이 상기 자왜스트립의 하면에 접착되어 결합되면 상기 비강자성금속스트립의 양 끝단 부분이 외부로 노출되고,
    상기 접촉층은,
    상기 시험체의 표면과 상기 비강자성금속스트립의 하면 사이에 배치되고,
    상기 변환밴드는,
    상기 비강자성금속스트립의 노출된 양 끝단 부분을 서로 결합시키는 조임수단을 더 구비하는 변환밴드.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 비강자성금속스트립의 노출된 양 끝단 부분은 각각 절곡되어 한 쌍의 마주보는 고리부를 형성하고,
    상기 조임수단은,
    볼트 체결을 위한 관통구멍이 형성되고 상기 한 쌍의 고리부에 각각 삽입되는 한 쌍의 금속실린더, 및 상기 관통구멍을 통해 상기 한 쌍의 금속실린더를 서로 긴밀히 결합시키는 볼팅수단을 포함하는 변환밴드.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 접촉층은,
    상기 시험체와 상기 비강자성금속스트립 사이의 음향학적 결합을 용이하게 하도록, 플렉서블한 금속 또는 플라스틱 재질로 형성된 변환밴드.
  7. 삭제
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