KR100258747B1 - 고체재료의 두께 및 초음파 속도를 동시에 측정하는 장치 및 방법 - Google Patents

고체재료의 두께 및 초음파 속도를 동시에 측정하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대비 시험편에 의한 교정없이 검사 대상 재료에서 직접 초음파의 진행시간을 측정하므로써 피측정 대상물의 두께, 초음파의 속도 및 재료의 종탄성 계수를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 초음파를 발진시켜 이를 피측정 대상물에 발신하는 송파용 초음파 발생수단과, 상기 피측정 대상물로 부터 반사되는 초음파를 수신하는 초음파 수신수단과, 송파용 초음파가 발생된 기준시간에 카운터를 시작하고 수파용 초음파가 수신되는 순간에 카운터를 중단하므로써 합산 클럭수를 결정하는 계수수단과, 상기 계수수단에서 측정된 클럭수로 부터 각 초음파의 진행시간을 결정하고, 초음파의 송신지점을 기준점으로 하여 초음파가 수신되는 복수개의 수신지점과의 거리를 산출하므로써 피측정 대상물의 두께를 연산하는 연산제어장치 및 상기 연산제어장치에 의해 연산된 정보를 외부에 출력하는 출력장치를 포함한다.
따라서, 본 발명은 대비시험편에 의한 교정없이 검사대상 재료에서 직접 초음파의 진행시간을 측정하여 재료의 두께와 초음파 속도 그리고 탄성계수를 동시에 정확하게 측정할 수 있다.

Description

고체재료의 두께 및 초음파 속도를 동시에 측정하는 장치 및 방법
본 발명은 피측정 대상물에 초음파를 입사하여 재료의 두께를 측정하는 비파괴 측정장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 대비시험편에 의한 교정없이 검사 대상 재료에서 직접 초음파의 진행시간을 측정하므로써 피측정 대상물의 두께, 초음파의 속도 및 재료의 종 탄성계수를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 석유화학 플랜트 또는 강구조물 등은 가혹한 복합 부식 환경하에서 운전되거나 노출되어 있어 설비들의 부식과 침식 및 열화가 진행됨에 따라 설비재료의 실두께와 파괴인성이 감소된다. 이러한 재료의 두께 및 파괴인성의 감소는 설비의 안전을 저하시키기 때문에 두께 및 열화의 정도를 측정하는 것은 설비의 안정성 평가를 위해 대단히 중요한 일이다.
특히, 화학 플랜트 설비, 압력 용기, 배관 등과 같은 설비는 고압의 환경하에서 가동 운전되기 때문에 부식 또는 침식으로 인해 실두께의 감소가 일어난 부위가 응력집중에 의해 파괴가 일어날 가능성이 높아지므로 이러한 설비에서의 재료의 실제 두께 측정은 매우 중요하다.
이와같은 부식이나 침식에 의해 두께 변화를 검사하는 방법으로서는 재료의 일부분을 절단하여 파단후 실측정을 하는 파괴적인 방법과 비파괴적으로 측정하는 방법이 있다. 이중 파괴적인 방법의 적용은 시설물의 계속 사용을 불가능하게 하므로 시설물의 계속 사용을 위해서는 비파괴적인 방법을 적용해야만 한다.
현재 비파괴적인 방법에 의해 재료의 부식 및 침식에 의한 두께 변화를 측정하는 방법으로서는 X레이를 이용하는 방법, 와전류를 이용하는 부식부 탐상법 및 초음파 두께 측정법이 보고되고 있다.
이중 X레이를 이용하는 방법은 넓은 영역을 일시에 검사할 수 있다는 장점이 있지만 입사선 산란 등에 의한 두께의 변화에 대한 분해능이 매우 낮다는 단점이 있고, 와전류를 이용하는 방법은 와전류 침투깊이의 제한 때문에 강자성체에 적용하기 곤란하다는 문제점이 있어 최근에는 초음파를 이용한 두께 측정법이 가장 주목받고 있다.
이러한 초음파에 의한 두께 측정법으로서 대한민국의 KS B 0533, KS B 0536과 일본의 JIS Z 2353, JIS Z 2355 등이 규격화 되어 있다. 이러한 규격의 측정법은 초음파의 펄스 반사법을 응용한 것으로 재료의 초음파 속도를 구하려면 재료의 두께값을 주어야하며, 또한 재료의 두께를 구하려면 초음파 속도값이 주어져야만 한다.
따라서, 배관 파이프, 압력용기와 같이 재료의 두께를 직접 측정하지 못하는 경우 어쩔수 없이 비슷한 재료로 제작된 대비 시험편에서의 초음파 속도를 측정하여 이 값으로 부터 검사 대상체의 두께를 예측하였다. 그러나 실제 설비는 여러 가지 재질로 제작되어 있어 이들 재질을 정확히 알아내어 부합하는 대비 시험편을 제작하기가 힘들 뿐만 아니라 금속재료는 사용시간이 증가하면서 크리프(Creep), 수소침식 등에 의해 탄성계수의 변화가 일어나 대비 시험편과 음속이 일치하지 않아 항상 측정오차를 내포한다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 초음파 속도와 두께를 모르는 피측정 대상물에 있어서 대비시험편을 제작하지 않고 피측정 대상물에 직접 초음파를 입사하고 그 반사펄스로 부터 초음파의 속도, 재료의 두께 및 탄성계수를 구할 수 있는 두께 측정장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 두께 측정장치는 초음파를 발진시켜 이를 피측정 대상물에 발신하는 송파용 초음파 발생수단과, 상기 피측정 대상물로부터 반사되는 초음파를 수신하는 초음파 수신수단과, 송파용 초음파가 발생된 기준시간에 카운터를 시작하고 수파용 초음파가 수신되는 순간에 카운터를 중단하므로써 합산 클럭수를 결정하는 계수수단과, 상기 계수수단에서 합산된 클럭수로 부터 각 초음파의 진행시간을 결정하고, 초음파의 송신지점을 기준점으로 하여 초음파가 수신되는 복수개의 수신지점과의 거리를 산출하므로써 초음파의 속도와 피측정 대상물의 두께를 연산하는 연산제어장치 및 상기 연산제어장치에 의해 연산된 정보를 외부에 출력하는 출력장치를 포함한다.
또한, 본 발명의 두께 측정방법은 송신자에 의해 발생한 초음파를 피측정 대상물에 발신하는 초음파 송신단계와, 상기 송신자에서 가장 가까운 거리에 위치하고 있는 제1 수신자가 피측정 대상물로 부터의 초음파 반사펄스를 수신하는 제1 수신단계와, 상기 송신자에게 가장 먼 거리에 위치하고 있는 제2 수신자가 피측정 대상물로 부터의 초음파 반사펄스를 수신하는 제2 수신단계와, 초음파가 송신지점을 출발하여 수신지점에 도달하는데 걸리는 시간을 결정하는 초음파 진행시간 결정단계와, 상기 송신자로 부터 상기 제1 및 제2 수신자에 이르는 거리(L1, L2)를 대응하는 초음파 진행시간(T1, T2)에 대해 선형최소 자승법으로 피팅하므로써 초음파의 속도를 연산하는 제1 연산단계와, 상기 제 1 연산단계에서 연산된 초음파 속도(V)로 부터 피측정 대상물의 두께(d)를 연산하는 제2 연산단계 및 상기 제1 및 제2 연산단계에서 연산된 정보를 외부에 출력하는 출력단계를 포함한다.
제1도는 본 발명에 따른 고체재료 두께 측정장치의 구성을 도시한 것이다.
제2도는 상기 제1도에 적용된 송신측 송신자로 부터 발신된 초음파가 재질내를 진행하여 수신측 수신자에 도달하는 양상을 도시한 것이다.
제3도는 본 발명에 적용되는 연산제어장치의 연산 알고리즘을 나타내는 플로우 챠트를 도시한 것이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 피측정 대상물 2 : 송신자
3 : 제1 수신자 4 : 제2 수신자
5 : 펄스 발생기 6 : 클럭 발생기
7 : 디지탈 카운터 8 : 펄스 수신기
9 : 연산제어장치 10 : 출력장치
본 발명자들은 대비시험편에 의한 교정없이 초음파를 측정하고자 하는 재료의 내부에 직접 입사하여 수신되는 시간까지의 진행시간을 측정하여 이를 연산장치에 입력하므로써 피측정 대상물의 두께와 초음파의 속도 및 재료의 종탄성계수를 측정할 수 있는 새로운 두께측정장치를 개발하였다. 이하에서 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하도록 하겠다.
도 1에 도시된 실시예는 피측정 대상물(1)에서 반사된 초음파를 수신하는 수신측 수신자(3, 4)가 두 개인 경우를 나타내는 것으로서 본 발명이 반드시 이에 한정되지 않음은 물론이다.
도 1에 도시된 본 실시예의 두께 측정장치는 초음파를 발신하는 송신부와, 피측정 대상물(1)에서 반사되는 초음파를 수신하는 수신부와, 송신부에서 초음파를 발신한후 수신부에서 수신하는 순간까지의 클럭(clock)수를 합산하는 계수부와, 피측정 대상물(1)의 두께 등을 연산하는 연산제어장치 및 연산제어장치에서 연산된 결과를 외부에 출력하는 출력장치로 구성된다.
상기 송신부는 초음파를 피측정 대상물(1)에 발신하기 위한 부분으로서, 초음파 발생용 송신자(2)와, 송신자 구동용 펄스를 발생시키는 펄스 발생기(5)로 이루어진다. 상기 송신자(2)는 초음파 발생용 진동자로 이루어진다.
상기 수신부는 피측정 대상물(1)의 내부에서 반사되는 초음파를 수신하는 부분으로서, 본 실시예에서는 두 개의 수신자(3, 4)와, 이 수신자로 부터의 펄스신호를 받아들이는 펄스 수신기(8)로 이루어진다.
상기 수신부의 수신자(3, 4)는 측정오차를 줄이고 측정의 정확성을 높이기 위하여 3개 이상 설치하여 서로 다른 위치에 고정시키거나 1개의 수신자를 이동 가능하도록 설치하므로써 여러가지 위치에서 초음파를 수신할수 있도록 변형하여 구성하는 것도 가능하다. 만약 상기 수신자를 이동이 가능하도록 부착 구성하는 경우에는 송신자(2)와 수신자의 거리는 이송나사에 부착된 엔코더로 부터 연산장치의 입력단에 입력되도록 한다.
이와같이 수신자(3, 4)가 송신부의 송신자(2)로 부터 일정한 거리를 두고 각기 설치됨으로서 초음파의 송신지점과 수신지점 사이의 거리가 산출된다. 이는 도 2에 잘 나타나 있는바, 여기서 L1은 송신자(2)에서 가장 가까운 거리에 위치하는 제1 수신자(3)에 이르는 직선거리를 나타내고, L2는 송신자(2)에서 가장 먼 거리에 위치하는 제2 수신자(4)에 이르는 직선거리를 나타낸다.
또한, 상기 계수부는 송신자(2)를 출발한 초음파가 피측정 대상물(1)의 내부를 통해 전해진후 반사되어 각각의 수신자(3, 4)에 도달하는 동안의 초음파 진행시간(T1, T2)을 측정하는 부분으로서, 초음파 진행시간(T1, T2) 측정용 클럭신호를 발생시키는 클럭 발생기(6)와, 송신부의 펄스 발생기(5)로 부터 펄스신호가 인가되면 클럭 발생기(6)로 부터의 클럭수를 카운터하고 수신부의 펄스 수신기(8)로 부터 펄스신호가 도달하면 카운터를 중단하여 그 합산된 결과를 디지탈 데이터로 변환하여 연산제어장치(9)에 전달하는 디지탈 카운터(7)로 구성된다.
상기 연산제어장치(9)는 초음파의 진행시간(T1, T2)을 산출하여 이로부터 피측정 대상물(1)의 두께(d)와 초음파의 속도(V) 및 대상물의 종탄성계수(D)를 연산한후 이를 출력장치에 전달시킨다.
상기 연산제어장치(9)가 수행하는 연산작업에는 초음파 진행시간(T1, T2)의 산출, 초음파의 속도(V), 피측정 대상물(1)의 두께(d) 및 피측정 대상물(1)의 종탄성계수(D)를 계산하는 것이 포함된다.
초음파의 진행시간(T1, T2)은 상기 계수부에서 합산된 클럭수에 클럭의 주기를 산출적으로 곱함으로써 구해진다. 여기서 초음파의 진행시간(T1, T2)이라 함은 송신지점을 출발한 초음파가 수신지점에 도달하는데 걸리는 시간을 나타내는 것으로서 수신지점(3, 4)의 위치가 두개이므로 대응하는 진행시간(T1, T2)도 두 개가 된다. 즉, 송신자(2)에 가까운 쪽에 위치한 수신자를 제1 수신자(3)라 하면 이 제1 수신자(3)에 도달하는데 걸리는 시간이 제1 초음파 진행시간(T1)이 되고 송신자(2)의 먼쪽에 위치한 수신자를 제2 수신자(4)라 하면 이 제2 수신자(4)에 도달하는데 걸리는 시간이 제2 초음파 진행시간(T2)이 된다. 이 제1 및 제2 초음파 진행시간(T1및 T2)은 연산제어장치에서 합산된 클럭수와 클럭의 주기를 산술적으로 곱해서 계산한다.
이와같이 초음파의 진행시간(T1, T2)이 계산되면 다음과 같은 산술 연산식에 의해 초음파의 속도(V), 피측정 대상물(1)의 두께(d) 및 종탄성계수(D)를 연산할 수 있다.
즉, 송신자(2)에서 수신자(3, 4)까지의 초음파 진행경로를 S1, S2라 하고 대응하는 초음파 진행시간을 T1, T2라고 하면 매질에서의 초음파 속도 V는 식(1)과 같은 관계를 갖는다.
Figure kpo00001
또한, 피측정 대상물(1)의 두께를 d라 하고 송신자(2)로 부터 제1 및 제2 수신자(3 및 4)에 이르는 직선거리를 각기 L1, L2라고 하면
Figure kpo00002
이므로
Figure kpo00003
된다.
따라서, 송신자(2)에서 각기 L1, L2떨어진 제1 및 제2 수신자(3 및 4)에 초음파가 도달하는 시간(T1, T2)과 초음파 속도(V) 그리고 재료의 두께(d)와의 관계는 다음과 같은 식 (2), (3)으로 표현된다.
Figure kpo00004
따라서, 상기 연산제어장치(9)는 다음과 같은 산술연산을 수행하므로써 초음파 속도(V)와 피측정 대상물(1)의 두께(d)를 연산한다.
Figure kpo00005
또한, 초음파 속도(V)와 재료의 탄성계수(D)는 아래식 (6)과 같은 관계를 가지므로 상기 연산제어장치(9)는 초음파 속도(V)와 재료의 밀도(ρ)에 대한 데이터로 부터 피측정 대상물(1)의 종탄성계수(D) 역시 구할 수 있다.
D=ρV2……………………………………………………………(6)
또한, 도 3에는 본 발명의 두께(d) 측정장치에 적용되는 연산제어장치의 연산 알고리즘에 관한 플로우 챠트가 도시되어 있는바, 입력장치(도면에 미도시)를 통해 송신자(2)와 각 수신자(여기서는 최소 2개 이상이 있는 경우를 가정하였다.)와의 직선거리(Li) 및 재료의 밀도(ρ)가 연산제어장치(9)에 입력되고, 계수부를 통해 합산된 클럭수가 입력되면 연산제어장치(9)는 초음파의 진행시간(Ti)을 계산한다.
초음파의 진행시간(Ti)이 계산되면 상기 연산제어장치(9)는 선형최소자승법을 이용하여 Li 2에 대한 Ti 2의 커브를 피팅(fitting)한후 이로부터 초음파의 속도(V)를 연산한다. 이렇게 구해진 초음파 속도로 부터 측정의 정확성을 높이기 위해 계산된 초음파 진행시간(Ti)을 보정한다.
상술한 연산과정을 통해 계산된 초음파의 속도(V), 피측정 대상물(1)의 두께(d) 및 재료의 종탄성계수(D)에 관한 정보는 상기 연산제어장치(9)와 인터페이스 되어있는 출력장치(10)를 통해 외부로 출력된다. 상기 출력장치(10)는 LCD(액정표시장치)와 같은 표시장치 또는 프린터와 같은 인자 출력장치를 모두 포함한다.
상술한 구성을 갖는 본 두께(d) 측정장치가 피측정 대상물(1)의 두께(d)를 측정하는 과정을 상세히 살펴보면 다음과 같다.
본 두께(d) 측정장치의 송신자(2)와 제1 및 제2 수신자(3, 4)를 일정한 거리를 두고 측정하고자 하는 재료의 표면에 부착한다. 송신자와 각 수신자의 배치가 완료되면 펄스 발생기(5)는 전기적 펄스신호를 발진시켜 상기 송신자(2)를 구동시킴으로써 송파용 초음파가 피측정 대상물의 내부에 입사된다. 상기 송신자(2)에서 송파용 초음파가 입사되는 순간 송신측 클럭 발생기(6)는 클럭신호를 디지탈 카운터(7)에 인가하고 디지탈 카운터(7)는 클럭의 카운터를 시작한다.
이렇게 입사된 송파용 초음파는 재료의 내부를 투과한후 반사되어 수신측의 제1 및 제2 수신자(3 및 4)에 각기 수신되고 대응하는 펄스신호는 펄스 수신기(8)를 거쳐 디지탈 카운터(7)에 인가됨으로써 디지탈 카운터(7)는 클럭의 카운터를 중단한다.
클럭의 카운터가 중단되면 상기 디지탈 카운터(7)는 합산된 클럭의 수를 디지탈 신호로 변환하여 연산제어장치(9)에 입력한다.
연산제어장치는 상기 (4), (5), (6)식에 따른 산술연산을 수행하므로써 초음파의 속도(V), 재료의 두께(d) 및 재료의 종탄성계수(D)를 연산한다. 이렇게 연산된 결과는 상기 연산제어장치와 인터페이스된 출력장치(10)를 통해 출력된다.
본 실시예의 두께 측정장치를 통해 측정된 두께 및 음속을 실제 두께 및 음속과 비교한 실험 데이터가 아래의 표 1에 잘 나타나 있다. 여기서, 측정음속 및 측정 두께는 각 시험편을 본 실시예의 두께 측정장치를 통해 직접 측정한 수치이며 실제 두께는 마이크로미터를 사용하여 각 시험편의 실 두께를 측정한 수치이고 실제음속은 KS B 0536을 통해 측정한 수치값이다.
Figure kpo00006
상기 표 1로부터 본 실시예의 측정장치가 실제값과 비교하여 에러율이 거의없는 정확한 측정치를 제공함을 알 수 있다.
상술한 실시예에 본 발명이 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 대비시험편에 의한 교정없이 검사대상 재료에서 직접 초음파의 진행시간을 측정하여 재료의 두께와 초음파 속도 그리고 탄성계수를 동시에 정확하게 측정한다. 또한, 본 발명은 검사의 이력을 기록함으로써 시간의 경과에 따른 시설재의 열화 및 크리프(creep)에 의한 탄성계수의 변화와 부식 및 침식에 의한 재료 두께의 변화를 동시에 파악할 수 있으며 이를 X-Y 스캐닝 장치에 부착하여 검사 대상체의 일정영역을 검사함으로써 검사영역에서의 위치에 따른 두께와 탄성계수의 변화를 동시에 파악할 수 있는 장점을 가진다.

Claims (4)

  1. 초음파 송신자(2)로부터 피측정 대상물(1) 내부에 입사되어 일정한 속도를 갖고 진행하여 상기 송신자(2)와 동일 평면상에 설치된 최소 2개 이상의 수신자에 도달된 초음파를 수신하여 각각의 초음파 진행시간(T1, T2)을 결정하고, 초음파의 송신지점을 기준점으로 하여 초음파가 수신되는 복수개의 수신지점과의 거리(L1, L2)를 산출하므로써 다음의 식(1) 및 (2)에 의해 초음파의 속도(V)와 피측정 대상물의 두께(d)를 연산하는 연산제어장치; 및
    Figure kpo00007
    상기 연산제어장치에 의해 연산된 정보를 외부에 출력하는 출력장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체재료의 두께 및 초음파 속도 동시 측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 송신자(2)로 부터 재질내를 진행하여 온 초음파를 수신하는 상기 수신자(3, 4)가 피측정 대상물(1)의 수신측 표면에 최소한 2개 이상의 배열 형 다(多) 수신자로 구성되는 것을 특징으로 하는 고체재료의 두께 및 초음파 속도 동시 측정장치.
  3. 제1항에 있어서, 측정대상 고체재료의 조건에 따라 송신과 수신을 임의의 위치에서 할 수 있도록 상기 수신자가 이송장치에 의해 거리 이동이 가능하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 고체재료의 두께 및 초음파 속도 동시 측정장치.
  4. 초음파 송신자(2)에 의해 발생한 초음파를 피측정 대상물(1)에 입사하는 초음파 송신단계와; 상기 송신자(2)에서 가장 가까운 거리에 위치하고 있는 제1 수신자(3)가 피측정 대상물(1)로 부터의 초음파 반사펄스를 수신하는 제 1 수신단계와; 상기 송신자(2)에서 가장 먼 거리에 위치하고 있는 제 2 수신자(4)가 피측정 대상물(1)로 부터의 초음파 반사펄스를 수신하는 제 2 수신단계와; 초음파가 송신지점을 출발하여 각 수신지점에 도달하는데 걸리는 시간을 결정하는 초음파 진행시간(Ti) 결정단계와; 상기 송신자(2)로 부터 상기 제1 및 제2 수신자(3 및 4)에 이르는 직선거리(Li)를 대응하는 초음파 진행시간(Ti)에 대해 선형최소 자승법으로 피팅(fitting)하므로써 초음파의 속도(V)를 연산하는 제 1 연산단계와; 상기 제1 연산단계에서 연산된 초음파 속도(V)로 부터 식
    Figure kpo00008
    를 이용하여 피측정 대상물(1)의 두께(d)를 연산하는 제 2 연산단계; 및 상기 제1 및 제2 연산단계에서 연산된 정보를 외부에 출력하는 출력단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체재료의 두께 및 초음파 속도 동시 측정방법.
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