KR100649760B1 - 초음파 탐상검사용 다중 사각 탐촉자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 탐촉자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조물의 비파괴 검사를 수행하기 위해 서로 다른 사각을 가진 초음파 진동자를 복수 개 구비한 초음파 탐촉자에 관한 것이다.

본 발명에 따른 초음파 탐상검사용 다중 사각 탐촉자는, 기둥 형상이고, 기둥의 길이방향으로 형성된 일정한 길이의 복수의 홈이 기둥의 둘레에 일정한 간격으로 배치된 프레임과, 상기 프레임의 복수의 홈에 각각 삽입되고 내부에 초음파 진동자가 설치된 복수의 센서유닛을 포함하고, 상기 복수의 센서유닛은 각각 서로 다른 사각의 초음파를 송신하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 다중 사각 탐촉자는 하나의 탐촉자가 복수의 진동자를 구비하고 있으므로 초음파 탐상검사 결과의 정확성을 높이고 검사에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다.

초음파, 탐상, 탐촉자, 트랜스듀서, 프로브, 진동자, 사각.

Description

초음파 탐상검사용 다중 사각 탐촉자{TRANSDUCER HAVING MULTIPLE ANGLE OF BEAM FOR ULTRASONIC FLAW DETECTION}

도 1은 본 발명에 따른 다중 사각 탐촉자의 일실시예를 도시한 분해사시도

도 2는 도 1의 실시예의 결합사시도

도 3은 도 1의 실시예의 센서유닛의 사시도

도 4는 도 3의 A-A 선에서 바라본 단면도

도 5는 도 3의 B-B 선에서 바라본 단면도

도 6은 도 1의 실시예의 사용상태를 도시한 설명도

도 7은 종래 기술에 따른 초음파 탐촉자의 사시도

도 8은 도 7의 C-C 선에서 바라본 단면도

도 9는 도 7의 D-D 선에서 바라본 단면도

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

100 다중 사각 초음파 탐촉자 110 상부 프레임편

120 하부 프레임편 150 센서유닛

200 지지봉 300 스터드 볼트

본 발명은 초음파 탐상검사용 탐촉자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조물의 비파괴 검사를 수행하기 위해 서로 다른 사각을 가진 초음파 진동자를 복수 개 구비한 다중 사각 탐촉자에 관한 것이다.

검사 대상인 피검체의 내부 및 외부결함을 검출하는 검사방법으로 널리 적용되는 비파괴 검사방법에는 방사선 투과검사(Radiograph Test)와 초음파 탐상검사(Ultrasonic Flaw Detection)가 있다. 이 중 초음파 탐상검사는 피검체의 두께가 두꺼워도 쉽게 검사가 가능하며, 불연속의 위치 및 크기를 즉시 알 수 있고, 방사선과 같이 인체에 유해하지 않으며, 균열(Crack)과 같은 면상(Plane)의 결함검출능력이 탁월한 장점이 있다.

특히 원자로에 사용되는 스터드 볼트(Stud Bolt)의 결함을 초음파로 검사하기 위해서는 볼트의 중심에 형성된 홀 속에 중공의 원기둥형의 탐촉자(Transducer 혹은 Probe)를 삽입하고, 탐촉자에는 지지봉을 결합하여 홀 속을 이동하며 탐상하는 방법을 사용한다. 탐촉자의 내부에는 초음파 진동자가 설치되어 있는데, 초음파를 피검체에 경사지게 입사시키기 위해 진동자를 경사지게 배치한 것을 특히 사각 탐촉자(Angle Beam Transducer)라 한다.

도 7은 종래 기술에 따른 초음파 탐촉자의 사시도이고, 도 8은 도 7의 C-C 선에서 바라본 단면도이며, 도 9는 도 7의 D-D 선에서 바라본 단면도이다.

종래 기술에 따른 사각 탐촉자는 센서부(50)와 지지프레임(60)으로 분할되어 있으며, 센서부(50)와 지지프레임(60)이 합쳐서 전체적으로 중공의 원기둥 형상을 이룬다. 센서부(50)에는 압전소자로 된 진동자(53)가 기울어지게 배치되어 있는데, 상기 진동자(53)는 초음파를 발생시키고, 피검체에서 되돌아온 초음파를 수신하는 기능도 수행한다. 이 때 진동자(53)가 상기 센서부와 지지프레임이 형성하는 중공의 원기둥의 길이방향에 대해 이루는 각도(θ)에 따라 초음파의 사각(Angle of Beam)이 결정된다.

센서부(50)에 진동자(53)를 설치하는 방법을 간단히 살펴보면, 먼저 아크릴 수지(51)로 센서부의 형상을 성형한 뒤, 진동자(53)가 설치될 부위를 깎아내어 사면을 형성하고, 상기 사면에 진동자(53)를 부착한 다음, 깎여나간 나머지 공간을 흡음재료(52)로 다시 채우는 과정을 거친다.

그러나 종래 기술에 따른 사각 탐촉자는 하나의 진동자만을 구비하고 있으므로 피검체의 결함 부위를 다양한 각도에서 탐상하기 위해서는 서로 다른 사각을 가진 탐촉자를 복수 개 준비하였다가 필요에 따라 교체하여 사용하여야 한다. 탐촉자는 지지봉에 연결되어 피검체의 홀 내부로 삽입되는 것이므로 탐촉자의 교체에는 피검체에서 탐촉자를 꺼낸 뒤 지지봉과의 연결을 해체하고 새로운 탐촉자를 연결한 뒤 다시 피검체의 홀 내부로 삽입하는 등의 절차가 수반된다. 뿐만 아니라, 검사 하고자하는 피검체의 특정 지점의 위치와 초음파의 진행 방향에 따라 초음파가 미치지 않아서 검사를 수행할 수 없는 불감대 영역이 존재하게 되는데, 이러한 경우에는 같은 사각을 가졌으나 반대 방향으로 초음파를 송신할 수 있는 다른 탐촉자를 이용하여 불감대 영역을 재검사해야 하는 문제가 있다.

만일 사각이 서로 다른 복수의 진동자를 하나의 탐촉자 내부에 설치하려고 한다면, 상기한 바와 같이 아크릴 수지를 깎아내는 공정에서 복수의 진동자가 설치될 복수의 사면의 각도를 매우 정밀하게 가공하여야 한다. 진동자가 설치될 사면의 각도가 정밀하게 가공되지 않으면 필연적으로 초음파 탐상검사의 결과가 부정확해지기 때문이다. 탐촉자의 직경이 수 cm 이내이므로 정확한 치수와 각도를 가진 사면을 가공하는 과정은 많은 비용과 시간이 소요되며 불량율도 높아진다.

본 발명은 복수의 진동자를 구비하여 서로 다른 사각을 가진 복수의 초음파 빔을 송수신할 수 있는 탐촉자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명은 복수의 진동자를 구비하면서도 가공 정밀도를 향상시킬 수 있는 탐촉자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 초음파 탐상검사용 다중 사각 탐촉자는, 기둥 형상이고, 기둥의 길이방향으로 형성된 일정한 길이의 복수의 홈이 기둥의 둘레에 일정한 간격으로 배치된 프레임과, 상기 프레임의 복수의 홈에 각각 삽입되고 내부에 초음파 진동자가 설치된 복수의 센서유닛을 포함하고, 상기 복수의 센서유닛은 각각 서로 다른 사각의 초음파를 송신하는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 따른 초음파 탐상검사용 다중 사각 탐촉자는, 상기 프레임은 중공의 원기둥이 길이방향을 따라 절단된 형상이고, 곡면인 외주면에 원주방향을 따라 일정한 간격으로 복수의 홈이 형성된 상부 프레임편과, 중공의 원기둥이 길이방향 따라 절단된 형상이고, 상기 상부 프레임편과 합쳐져 온전한 중공의 원기 둥 형상을 이루는 하부 프레임편과, 상기 상부 프레임편과 하부 프레임편이 서로 멀어지도록 탄력지지하는 탄성수단과, 상기 상부 프레임편과 하부 프레임편이 일정 간격 이상 멀어지지 않도록 구속하는 구속수단을 포함한다. 여기서 상기 탄성수단은 상기 상부 프레임편과 하부 프레임편 사이에 개재된 압축 스프링이고, 상기 구속수단은 상기 상부 프레임편과 하부 프레임편 중 어느 하나를 슬라이드 가능하게 관통하고 다른 하나에 나사결합된 일정 길이의 볼트인 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 초음파 탐상검사용 다중 사각 탐촉자는, 상기 복수의 센서유닛의 초음파 진동자 각각과 전기적으로 접속되며, 상기 복수의 초음파 진동자를 선택적으로 작동시키기 위한 스위치 박스를 더 포함할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 초음파 탐상용 다중 사각 탐촉자의 바람직한 실시예를 첨부의 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 다중 사각 탐촉자의 일실시예를 도시한 분해사시도이고, 도 2는 도 1의 실시예의 결합사시도이며, 도 3은 도 1의 실시예의 센서유닛의 사시도이고, 도 4는 도 3의 A-A 선에서 바라본 단면도이며, 도 5는 도 3의 B-B 선에서 바라본 단면도이다.

본 실시예의 다중 사각 탐촉자(100)는 상부 프레임편(110)과 하부 프레임편(120)을 포함한다.

상부 프레임편(110)은 중공의 원기둥이 길이방향을 따라 절단된 형상으로서, 곡면인 외주면에 원주방향을 따라 일정한 간격으로 복수의 홈(111)이 형성되어 있다. 상기 홈(111)은 중공의 원기둥의 길이방향을 따라 연장된다.

상기 복수의 홈(111)에는 각각 센서유닛(150)이 삽입된다. 즉, 각 센서유닛(150)은 상부 프레임편(110)의 외주면에서 원주 방향을 따라 일정한 간격으로 배치된다. 센서유닛(150)은 도 3에 도시한 바와 같이 상부 프레임편(110)의 홈(111)에 형합하는 형상을 가지며, 도 4및 도 5의 단면도에서 보는 바와 같이 각각 내부에 진동자(153)가 설치되어 있다. 하나의 상부 프레임편(110)에 삽입될 복수의 센서유닛(150)은 설치된 진동자의 각도가 서로 다른 것이 바람직하다. 상기 진동자(153)가 센서유닛(150)의 길이방향에 대해 이루는 각도(α)에 의해 초음파의 사각이 결정되기 때문이다. 또한 센서유닛(150)의 일측으로는 신호 전달을 위한 케이블(160)이 연결된다.

본 실시예의 센서유닛 또한 앞서 설명한 종래 기술에 따른 센서부에서와 같이, 아크릴 수지(151)로 전체적인 형상을 성형한 뒤, 일측을 깎아내어 사면을 형성하고, 형성된 사면에 진동자(153)를 부착한 다음, 깎여나간 부분을 흡음 재료(152)로 다시 채우는 과정을 거쳐 제조될 수 있다.

하부 프레임편(120) 또한 중공의 원기둥이 길이방향을 따라 절단된 형상으로서, 상부 프레임편(110)과 합쳐져 온전한 중공의 원기둥 형상을 이루게 된다. 본 실시예는 피검체의 홀, 예컨대 스터드 볼트의 홀 내부에 삽입하여 결함을 검사하기 위한 것인 바, 스터드 볼트의 홀이 일반적으로 원기둥 형상이므로 본 실시예 또한 중공의 원기둥형인 것이 바람직하지만, 검사 대상의 형태에 따라 각기둥 형상일 수도 있다. 상부 프레임편(110)과 하부 프레임편(120)은 내구성과 치수정밀도를 고려하여 모두 금속재질로 된 것이 바람직하다.

상기 상부 프레임편(110)의 절단된 평면과 하부 프레임편(120)의 절단된 평면 사이에는 압축스프링(130)이 구비된다. 즉, 상기 압축스프링(130)은 하부 프레임편(120)에 대해 상부 프레임편(110)을 탄력 지지한다. 본 실시예는 스터드 볼트의 홀에 삽입되어 홀의 길이방향을 따라 이동할 수 있어야 한다. 또한 검사 정확성을 위해서는 초음파가 손실없이 피검체로 전달될 수 있도록 본 실시예가 피검체의 홀 내주면에 밀착되는 것이 바람직하다. 따라서 본 실시예의 외경이 탄력적으로 가변될 수 있는 것이 바람직한데, 상기한 압축스프링(130)이 상부 프레임편(110)과 하부 프레임편(120)이 서로 멀어지도록 탄력 지지하여 본 실시예의 외경이 가변되도록 하는 기능을 수행한다. 압축스프링(130)의 위치결정이 용이하도록 하고 각 프레임으로부터 이탈하는 것을 방지하기 위해 상부 프레임편(110)과 하부 프레임편(120)의 압축스프링과 접하는 각 절단면에 홈 형상의 압축스프링자리(113, 122)를 구비하는 것이 바람직하다.

상부 프레임편(110)과 하부 프레임편(120) 분해되는 것을 방지하기 위해서는 구속볼트(140)를 결합한다. 상기 구속볼트(140)는 하부 프레임편(120)에 형성된 구멍(121)을 슬라이드 가능하게 관통하여 상부 프레임편(110)에 형성된 나사구멍(112)에 나사결합된다. 상부 프레임편(110)에 형성된 나사구멍(112)은 하부 프레임편의 구멍(121)과 연통되는 지점에 위치한다. 구속볼트(140)는 상부 프레임편(110)에만 나사 결합되며 하부 프레임편은 단순히 관통하여 볼트머리만 구멍(121)에 걸리게 되므로, 하부 프레임편(120)은 구속볼트(140)에 대해 일정 정도 움직일 수 있다.

각 센서유닛(150)으로부터의 케이블(160)들은 상부 프레임편(110)과 하부 프레임편(120)이 형성하는 원기둥의 중공을 통해 일측으로 인출된다. 케이블(160)을 외부로 연결하기 위해서 반드시 중공이 형성되어 있어야 하는 것은 아니며 케이블(160)이 연결된 부분의 상부 프레임편 또는 하부 프레임편의 외경면에 케이블 인출을 위한 홈을 형성한 실시예도 가능하다. 상기 케이블(160)들은 스위치 박스(170)에 연결된다. 스위치 박스(170)는 복수의 센서유닛(150) 중 필요한 센서유닛을 선택적으로 작동시키기 위한 전기적 스위치의 집합체이며 그 구체적인 구성은 공지의 기술에 속하므로 상세한 설명은 생략한다.

한편, 도 1 내지 도 5에 도시된 실시예는 센서유닛(150)을 두 개 구비하고 있으나 셋 이상의 센서유닛을 구비한 실시예도 가능하며, 특히 상부 프레임편(110)의 복수의 홈(111)중 어느 하나에 길이방향을 따라 복수의 센서유닛을 설치할 수도 있다.

도 6은 본 발명에 따른 다중 사각 탐촉자의 사용 상태를 도시한 설명도이다.

서로 다른 사각을 가진 두 개의 진동자가 구비된 탐촉자(100)를 지지봉(200)에 연결하여 스터드 볼트(300)의 홀(310)에 삽입한다. 이 때 탐촉자의 케이블은 지지봉(200) 내부에 형성된 중공을 통해 외부로 인출되도록 한다. 탐촉자(100)의 외경이 스터드 볼트의 홀(310)의 직경보다 다소 크더라도 압축스프링(130)이 압축되면서 탐촉자(100)는 홀(310)에 밀착된 채 삽입될 수 있다. 지지봉(200)을 조정하여 탐촉자(100)가 홀(310) 내부에서 이동하면서, 어느 한 진동자로부터 생성된 초음파 빔(B1)을 통해 스터드 볼트(300)를 스캔(Scan)한다. 스캔 도중 균열과 같 은 결함부위(F)가 발견되면 다른 한 진동자가 결함 부위(F)를 향해 초음파를 송신할 수 있도록 탐촉자(100)의 홀의 길이방향에 따른 위치를 재조정하고, 원주 방향으로 소정각도 회전시킨 다음 다른 한 진동자로부터 생성된 초음파 빔(B2)을 통해 결함 부위(F)를 다시 스캔한다. 따라서 본 발명에 따른 탐촉자는 홀(310)로부터 꺼내지 않고서도 서로 다른 사각의 초음파 빔(B1, B2)으로 동일 부위를 검사할 수 있고, 짧은 시간 내에 높은 정확도의 검사 결과를 얻을 수 있다. 나아가 두 개의 진동자가 동시에 작동하도록 하여 서로 다른 부위에 대한 검사를 동시에 수행하도록 할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 다중 사각 탐촉자는 하나의 탐촉자가 복수의 진동자를 구비하고 있으므로 초음파 탐상검사 결과의 정확성을 높이고 검사에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다. 또한 서로 다른 사각을 가진 센서유닛을 별도로 제작하여 하나의 탐촉자에 설치하므로 제작 과정이 현저히 용이해진다. 또한 센서유닛만을 먼저 제조하여 초음파의 성능을 검증 한 후 전체 탐촉자의 조립에 착수할 수 있으므로 제조 과정의 효율성이 향상된다. 그리고 같은 사각을 가졌으나 서로 반대방향으로 초음파를 송수신할 수 있는 진동자를 하나의 탐촉자에 설치할 수 있으므로 불감대 영역을 최소화할 수 있다. 또한 상부 프레임편 및 하부 프레임편은 공통으로 사용하면서 센서유닛만 교체할 수 있으므로 다양한 사각의 초음파를 사용하여 검사할 수 있다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는, 본 발명을 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 기둥 형상이고, 기둥의 길이방향으로 형성된 일정한 길이의 복수의 홈이 기둥의 둘레에 일정한 간격으로 배치된 프레임과, 상기 프레임의 복수의 홈에 각각 삽입되고 내부에 초음파 진동자가 설치된 복수의 센서유닛을 포함하고,

   상기 복수의 센서유닛은 각각 서로 다른 사각의 초음파를 송신하는 것을 특징으로 하는 초음파 탐상검사용 다중 사각 탐촉자에 있어서,

   상기 프레임은,

   중공의 원기둥이 길이방향을 따라 절단된 형상이고, 곡면인 외주면에 원주방향을 따라 일정한 간격으로 복수의 홈이 형성된 상부 프레임편과,

   중공의 원기둥이 길이방향 따라 절단된 형상이고, 상기 상부 프레임편과 합쳐져 온전한 중공의 원기둥 형상을 이루는 하부 프레임편과,

   상기 상부 프레임편과 하부 프레임편이 서로 멀어지도록 탄력지지하는 탄성수단과,

   상기 상부 프레임편과 하부 프레임편이 일정 간격 이상 멀어지지 않도록 구속하는 구속수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 탐상검사용 다중 사각 탐촉자.
3. 제2항에 있어서,

   상기 탄성수단은 상기 상부 프레임편과 하부 프레임편 사이에 개재된 압축 스프링이고,

   상기 구속수단은 상기 상부 프레임편과 하부 프레임편 중 어느 하나를 슬라이드 가능하게 관통하고 다른 하나에 나사결합된 일정 길이의 볼트인 것을 특징으로 하는 초음파 탐상검사용 다중 사각 탐촉자.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 복수의 센서유닛의 초음파 진동자 각각과 전기적으로 접속되며, 상기 복수의 초음파 진동자를 선택적으로 작동시키기 위한 스위치 박스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 탐상검사용 다중 사각 탐촉자.

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