KR100832839B1 - 초음파 종파와 횡파를 이용한 두께 측정 장치 및 방법 - Google Patents

초음파 종파와 횡파를 이용한 두께 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파를 이용하여 피검사체의 두께를 측정하는 초음파 두께 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 피검사체에 초음파 종파와 횡파를 함께 투사하여 종파와 횡파의 각 초음파 신호가 피검사체 내부에서 왕복 이동하는 시간, 즉 종파와 횡파의 각 전파시간을 측정한 뒤, 상기 측정된 종파와 횡파의 전파시간과, 피검사체 재료의 물성인 기준온도에서의 종파와 횡파의 전파속도, 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수를 이용하는 소정의 연산식으로부터 피검사체의 두께를 계산하는 초음파 종파와 횡파를 이용한 두께 측정 장치와 방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 의하면, 피검사체의 온도 변화 영향을 받지 않는 방식을 이용함으로써, 피검사체 내부에 어떤 형태의 온도 분포가 존재하더라도 정밀한 두께의 측정이 가능하다. 별도의 직접적인 온도 측정 없이, 피검사체 재료의 물성인 기준온도에서의 종파와 횡파의 전파속도 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수를 이용하면서 피검사체에 대한 초음파 종파와 횡파의 전파시간만을 실제 측정하여 두께를 계산하는 바, 내부온도가 불균일한 피검사체에서 온도 변화에 따른 전파속도의 변화에 의한 오차를 자체 보상하여 두께를 좀더 정밀하게 측정할 수 있게 된다.
초음파, 종파, 횡파, 두께 측정, 탐촉자, 펄서/리시버, 신호처리 및 출력장치부

Description

초음파 종파와 횡파를 이용한 두께 측정 장치 및 방법{Thickness measurement instrumentation and method using ultrasonic longitudinal wave and shear wave}
도 1은 본 발명에 따른 두께 측정 장치의 일 실시예를 개략적으로 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 두께 측정 장치에서 피검사체에 대하여 초음파 종파와 횡파를 함께 송수신하였을 때 얻어지는 신호의 개념도,
도 3은 본 발명에 따른 두께 측정 장치의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 피검사체 11 : 탐촉자
12 : 펄서/리시버 13 : 신호처리 및 출력장치부
22 : 펄스 레이저 25 : 레이저 간섭계
27 : 신호처리 및 출력장치부
본 발명은 초음파를 이용하여 피검사체의 두께를 측정하는 초음파 두께 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피검사체에 초음파 종파와 횡파를 함께 투사하여 종파와 횡파의 각 초음파 신호가 피검사체 내부에서 왕복 이동하는 시간, 즉 종파와 횡파의 각 전파시간을 측정한 뒤, 상기 측정된 종파와 횡파의 전파시간과, 피검사체 재료의 물성인 기준온도에서의 종파와 횡파의 전파속도, 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수를 이용하는 소정의 연산식으로부터 피검사체의 두께를 계산하는 초음파 종파와 횡파를 이용한 두께 측정 장치와 방법에 관한 것이다.
일반적으로 비파괴 검사의 일종인 초음파에 의한 두께 측정은 원자력, 화력, 제철 분야 등을 포함한 여러 산업 분야에서 각종 구조물의 품질관리를 위해서는 물론이고 구조물에서의 부식 등에 의한 두께 변화를 측정하여 안전성을 평가하고자 하는 경우 등 다양한 분야에서 다양한 목적을 위해 필요로 하고 있다.
초음파에 의한 두께 측정의 대표적인 종래기술로는 듀얼 탐촉자를 이용한 초음파 두께 측정 방법을 들 수 있다.
이러한 방법에서는 송신용 탐촉자와 수신용 탐촉자를 일체화한 듀얼 탐촉자를 이용하며, 상기 듀얼 탐촉자를 피검사체의 표면에 접촉시키고 송신용 탐촉자에서 발사한 초음파 펄스가 피검사체의 반대 면에서 반사되어 돌아오는 초음파 신호, 즉 에코신호를 수신용 탐촉자로 수신하여 송수신 신호 사이의 시간차를 측정하게 된다.
이 시간차는 피검사체의 두께를 왕복하는데 걸린 시간에 해당하므로 측정된 시간차의 1/2 값에 초음파 전파속도를 곱하여 두께를 측정하게 된다.
여기서, 피검사체에 대한 초음파 전파속도는 이미 알고 있어야 하며, 특히 이때 초음파 전파속도를 피검사체에 대해 온도에 무관한 일정한 값으로 설정한 후 초음파 신호가 피검사체의 두께를 왕복하는 시간을 측정하여 두께를 측정하고 있다.
그런데, 초음파 전파속도는 온도에 따라 변화하고, 피검사체의 내부온도가 불균일하여 전파속도가 일정하지 않은 경우에는 큰 오차를 가져오게 된다.
또한 모든 고체재료는 온도 변화에 의한 열팽창이 일어나 두께와 밀도가 변화하고, 아울러 탄성계수도 변화하며, 고체재료의 초음파 전파속도는 탄성계수의 제곱근에 비례하고 재료의 밀도의 제곱근에 반비례하기 때문에, 종래의 초음파 두께 측정 방법은 온도 변화에 의한 열팽창과 탄성계수의 변화에 따른 초음파 전파속도의 변화를 고려하지 않은 관계로 고온 환경에서 운전되고 있는 설비재료의 두께 측정값은 실제 두께보다 크게 평가될 수밖에 없다.
따라서, 온도에 따른 초음파 전파속도의 변화를 보정해줄 필요가 있다.
이를 위해 공개특허 제2006-10940호(2006.2.3)에서는 피검사체의 표면온도를 온도센서로 측정하여 실시간으로 온도 보정을 수행하는 초음파 두께 측정 방법이 제안된 바 있다.
여기서는 피검사체의 온도를 측정하는 온도센서의 신호를 입력으로 하여 측 정된 온도에서의 초음파 전파속도를 연산하고, 이 연산된 초음파 전파속도를 이용하여 피검사체의 두께를 연산하게 된다.
그러나, 이 방법은 피검사체의 표면온도만을 측정하기 때문에 피검사체의 내부온도의 영향을 반영할 수 없는 한계가 있다.
특히, 고온 유체가 흐르는 배관의 경우 내, 외부 온도차가 존재하고, 따라서 초음파의 전파속도도 두께방향으로 분포를 가지는 바, 이러한 경우 표면온도만으로 정확한 보정을 하기는 곤란하다.
이와 같이 표면온도의 측정치만을 이용하여 초음파 전파속도를 보상하므로, 상기한 실시간 온도 보상 측정 방법의 경우도 정확하고 정밀한 측정값을 얻어내는 데는 한계가 있는 것이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 피검사체에 초음파 종파와 횡파를 함께 투사하여 종파와 횡파의 각 초음파 신호가 피검사체 내부에서 왕복 이동하는 시간, 즉 종파와 횡파의 각 전파시간을 측정한 뒤, 상기 측정된 종파와 횡파의 전파시간과, 피검사체 재료의 물성인 기준온도에서의 종파와 횡파의 전파속도, 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수를 이용하는 소정의 연산식으로부터 피검사체의 두께를 계산함으로써, 내부온도가 불균일한 피검사체에서 온도 변화에 따른 전파속도의 변화에 의한 오차를 자체 보상하여 두께를 좀더 정밀하게 측정할 수 있고, 피검사체 내부에 어떤 형태의 온도 분포가 존재하더 라도 정밀한 두께의 측정이 가능한 초음파 종파와 횡파를 이용한 두께 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 초음파를 이용하여 피검사체의 두께를 측정하는 초음파 두께 측정 장치에 있어서, 피검사체에 접촉한 상태에서 초음파 종파와 횡파를 발생시켜 각각 피검사체 내부로 투사하고 피검사체에서 반사되어 오는 종파와 횡파의 각 에코신호를 수신하는 탐촉자와; 상기 탐촉자에 전기적인 펄스신호를 인가하여 상기 탐촉자로 하여금 초음파 종파와 횡파를 생성할 수 있도록 함과 동시에 피검사체에서 반사되어 오는 종파와 횡파의 각 에코신호를 상기 탐촉자를 통해 수신받게 되는 펄서/리시버와; 상기 펄서/리시버에 의해 수신되는 종파와 횡파의 각 에코신호를 입력받아 모니터링하고 입력된 에코신호로부터 초음파 종파와 횡파의 전파시간을 각각 측정한 후 그로부터 피검사체의 두께를 연산 및 그 연산된 결과를 기록, 표시하는 신호처리 및 출력장치부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 종파와 횡파를 이용한 초음파 종파와 횡파를 이용한 두께 측정 장치를 제공한다.
여기서, 상기 탐촉자는 초음파 종파와 횡파를 별도로 송수신하는 탐촉자의 조합 또는 초음파 종파와 횡파를 동시에 송수신할 수 있는 탐촉자인 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 탐촉자는 초음파 종파와 횡파에 대하여 각각 송신용 탐촉자와 수신용 탐촉자가 일체화되어 이루어진 듀얼 탐촉자인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 탐촉자는 압전소자 트랜스듀서 또는 전자음향 트랜스듀서(EMAT)인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 신호처리 및 출력장치부는, 상기 측정된 초음파 종파와 횡파의 전파시간과, 피검사체 재료의 물성으로서 미리 입력된 기준온도에서의 종파와 횡파의 전파속도, 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수로부터 소정의 연산식을 이용하여 피검사체의 두께를 연산하도록 된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 신호처리 및 출력장치부는 상기 연산식으로서 하기 식 E를 이용하여 피검사체의 두께(L)를 연산하도록 된 것을 특징으로 한다.
식 E:
Figure 112006060931920-pat00001
여기서,
Figure 112006060931920-pat00002
과
Figure 112006060931920-pat00003
는 각각 측정된 초음파 종파와 횡파의 전파시간이고,
Figure 112006060931920-pat00004
와
Figure 112006060931920-pat00005
는 각각 기준온도
Figure 112006060931920-pat00006
에서 초음파 종파와 횡파의 전파속도이며,
Figure 112006060931920-pat00007
과
Figure 112006060931920-pat00008
는 각각 초음파 종파와 횡파의 전파속도의 온도상수임.
그리고, 본 발명은, 초음파를 이용하여 피검사체의 두께를 측정하는 초음파 두께 측정 장치에 있어서, 레이저를 이용하여 초음파 종파와 횡파를 동시에 발생시켜 각각 피검사체 내부로 투사하는 초음파 여기용 펄스 레이저와; 피검사체에서 반 사되어 오는 종파와 횡파의 각 에코신호를 레이저 간섭에 의해 수신하게 되는 레이저 간섭계와; 상기 펄스 레이저의 트리거(Trigger) 신호와 상기 레이저 간섭계에 의해 수신되는 종파와 횡파의 각 에코신호를 입력받아 모니터링하고 입력된 에코신호와 트리거 신호로부터 초음파 종파와 횡파의 전파시간을 각각 측정한 후 그로부터 피검사체의 두께를 연산 및 그 연산된 결과를 기록, 표시하는 신호처리 및 출력장치부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 종파와 횡파를 이용한 두께 측정 장치를 제공한다.
여기서, 상기 신호처리 및 출력장치부는, 상기 측정된 초음파 종파와 횡파의 전파시간과, 피검사체 재료의 물성으로서 미리 입력된 기준온도에서의 종파와 횡파의 전파속도, 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수로부터 소정의 연산식을 이용하여 피검사체의 두께를 연산하도록 된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 신호처리 및 출력장치부는 상기 연산식으로서 하기 식 E를 이용하여 피검사체의 두께(L)를 연산하도록 된 것을 특징으로 한다.
식 E:
Figure 112006060931920-pat00009
여기서,
Figure 112006060931920-pat00010
과
Figure 112006060931920-pat00011
는 각각 측정된 초음파 종파와 횡파의 전파시간이고,
Figure 112006060931920-pat00012
와
Figure 112006060931920-pat00013
는 각각 기준온도
Figure 112006060931920-pat00014
에서 초음파 종파와 횡파의 전파속도이며,
Figure 112006060931920-pat00015
과
Figure 112006060931920-pat00016
는 각각 초음파 종파와 횡파의 전파속도의 온도상수임.
한편, 본 발명은, 초음파를 이용하여 피검사체의 두께를 측정하는 초음파 두께 측정 방법에 있어서, 피검사체에 접촉한 상태의 탐촉자 및 상기 탐촉자에 전기적인 펄스신호를 인가하여 탐촉자가 초음파 종파와 횡파를 생성하도록 하는 펄서/리시버를 이용하여 피검사체 내부로 초음파 종파와 횡파를 투사하고 피검사체에서 반사되어 오는 종파와 횡파의 각 에코신호를 수신하는 단계와; 신호처리 및 출력장치부가 상기 탐촉자 및 펄서/리시버를 통해 수신되는 종파와 횡파의 각 에코신호를 입력받아 모니터링하고 입력된 에코신호로부터 초음파 종파와 횡파의 전파시간을 각각 측정한 후 그로부터 피검사체의 두께를 연산 및 그 연산된 결과를 기록, 표시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 종파와 횡파를 이용한 초음파 종파와 횡파를 이용한 두께 측정 방법을 제공한다.
여기서, 상기 신호처리 및 출력장치부는, 상기 측정된 초음파 종파와 횡파의 전파시간과, 피검사체 재료의 물성으로서 미리 입력된 기준온도에서의 종파와 횡파의 전파속도, 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수로부터 소정의 연산식을 이용하여 피검사체의 두께를 연산하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 신호처리 및 출력장치부는 상기 연산식으로서 하기 식 E를 이용하여 피검사체의 두께(L)를 연산하는 것을 특징으로 한다.
식 E:
Figure 112006060931920-pat00017
여기서,
Figure 112006060931920-pat00018
과
Figure 112006060931920-pat00019
는 각각 측정된 초음파 종파와 횡파의 전파시간이고,
Figure 112006060931920-pat00020
와
Figure 112006060931920-pat00021
는 각각 기준온도
Figure 112006060931920-pat00022
에서 초음파 종파와 횡파의 전파속도이며,
Figure 112006060931920-pat00023
과
Figure 112006060931920-pat00024
는 각각 초음파 종파와 횡파의 전파속도의 온도상수임.
그리고, 본 발명은, 초음파를 이용하여 피검사체의 두께를 측정하는 초음파 두께 측정 방법에 있어서, 초음파 여기용 펄스 레이저를 이용하여 피검사체 내부로 초음파 종파와 횡파를 투사하고 레이저 간섭계를 이용하여 피검사체에서 반사되어 오는 종파와 횡파의 각 에코신호를 수신하는 단계와; 신호처리 및 출력장치부가 상기 펄스 레이저의 트리거 신호와 상기 레이저 간섭계를 통해 수신되는 종파와 횡파의 각 에코신호를 입력받아 모니터링하고 입력된 에코신호와 트리거 신호로부터 초음파 종파와 횡파의 전파시간을 각각 측정한 후 그로부터 피검사체의 두께를 연산 및 그 연산된 결과를 기록, 표시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 종파와 횡파를 이용한 초음파 종파와 횡파를 이용한 두께 측정 방법을 제공한다.
여기서, 상기 신호처리 및 출력장치부는, 상기 측정된 초음파 종파와 횡파의 전파시간과, 피검사체 재료의 물성으로서 미리 입력된 기준온도에서의 종파와 횡파의 전파속도, 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수로부터 소정의 연산식을 이용하여 피검사체의 두께를 연산하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 신호처리 및 출력장치부는 상기 연산식으로서 하기 식 E를 이용하여 피검사체의 두께(L)를 연산하는 것을 특징으로 한다.
식 E:
Figure 112006060931920-pat00025
여기서,
Figure 112006060931920-pat00026
과
Figure 112006060931920-pat00027
는 각각 측정된 초음파 종파와 횡파의 전파시간이고,
Figure 112006060931920-pat00028
와
Figure 112006060931920-pat00029
는 각각 기준온도
Figure 112006060931920-pat00030
에서 초음파 종파와 횡파의 전파속도이며,
Figure 112006060931920-pat00031
과
Figure 112006060931920-pat00032
는 각각 초음파 종파와 횡파의 전파속도의 온도상수임.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 두께 측정 장치의 일 실시예를 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 두께 측정 장치에서 피검사체에 대하여 초음파 종파와 횡파를 함께 송수신하였을 때 얻어지는 신호의 개념도이다.
본 발명은, 초음파를 이용하여 피검사체의 두께를 측정하는 초음파 두께 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 종래기술에서와 같이 두께 측정의 대상이 되는 피검사체의 온도를 실시간으로 측정하여 측정된 온도에 따라 초음파 전파속도의 변화를 보정하는 과정 없이, 초음파 종파(longitudinal wave)와 횡파(shear wave)를 함께 이용하여 두께를 측정할 수 있는 새로운 방식의 정밀 두께 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 피검사체에 초음파 종파와 횡파를 함께 투사하여 종파와 횡파의 각 초음파 신호가 피검사체 내부에서 왕복 이동하는 시간, 즉 종파와 횡파의 각 전파시간을 측정한 뒤, 상기 측정된 종파와 횡파의 전파시간과, 피검사체 재료의 물성인 종파와 횡파의 전파속도, 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수를 이용하는 소정의 연산식으로부터 피검사체의 두께를 계산하는 것에 주된 특징이 있는 것 이다.
이러한 본 발명의 두께 측정 장치 및 방법은 온도의 영향을 받지 않는 두께 측정 장치 및 방법으로서, 피검사체의 내부에 어떠한 형태의 온도분포가 존재하더라도 정밀한 두께의 측정이 가능하도록 개선된 새로운 방식의 정밀 두께 측정 장치 및 방법이다.
잘 알려진 바와 같이, 초음파 종파는 파를 전달하는 입자가 파의 진행방향에 대해 평행하게 진동하는 것이고(진동방향과 전파방향이 같음), 횡파는 입자가 파의 진행방향에 대해 수직으로 진동하는 것이며(진동방향과 전파방향이 수직임), 횡파는 동일 재질에 대해 종파보다 전파속도가 늦기 때문에 동일 주파수에서 상대적으로 짧은 파장을 갖게 된다.
이하, 본 발명의 구성에 대해 상술하기로 한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 두께 측정 장치는 두께 측정 대상인 피검사체(1)에 접촉한 상태에서 초음파 종파와 횡파를 발생시켜 각각 피검사체(1) 내부로 투사하고 피검사체(1)에서 반사되어 오는 종파와 횡파의 각 에코신호를 수신하는 탐촉자(11)와, 상기 탐촉자(11)에 전기적인 펄스신호를 인가하여 상기 탐촉자(11)로 하여금 초음파 종파와 횡파를 생성할 수 있도록 함과 동시에 피검사체(1)에서 반사되어 오는 종파와 횡파의 각 에코신호를 상기 탐촉자(11)를 통해 수신받게 되는 펄서/리시버(Pulser/Receiver)(12)와, 상기 펄서/리시버(12)에 의해 수신되는 종파와 횡파의 각 에코신호를 입력받아 모니터링하고 입력된 에코신호로부터 초음파 종파와 횡파의 전파시간을 각각 측정한 후 그로부터 피검사체(1)의 두께(L) 를 연산 및 출력하는 신호처리 및 출력장치부(13)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 탐촉자(11)는 피검사체(1) 표면에 접촉하여 종파와 횡파의 초음파 신호를 송수신하는 구성부로서, 종파와 횡파의 초음파 신호를 발생시켜 각각 피검사체(1) 재료 내부에 투사하고 반대 면에서 반사되어 돌아오는 종파와 횡파의 각 초음파 신호, 즉 에코신호를 수신하는 구성부이다.
상기 초음파 종파와 횡파를 송신하는 탐촉자(11)는 펄서/리시버(12)가 전기적인 펄스를 가해주게 되면 초음파를 방사할 수 있도록 구성되며, 또한 피검사체(1)에서 반사되어 돌아오는 종파와 횡파의 각 초음파 신호를 수신하게 된다.
상기 탐촉자(11)는 종파와 횡파를 별도로 송수신하는 탐촉자의 조합이 될 수 있으며, 또는 종파와 횡파를 동시에 송수신할 수 있는 탐촉자가 될 수도 있다.
그리고, 상기 탐촉자(11)는 종파와 횡파에 대해 각각 초음파를 발생시켜 송신하는 송신용 탐촉자와 반사되어 오는 종파와 횡파의 초음파 신호를 수신하는 수신용 탐촉자의 별도 구성도 가능하다.
그리고, 상기 탐촉자는 1mm까지의 얇은 두께를 측정할 수 있도록 송신용 탐촉자와 수신용 탐촉자가 일체화되어 이루어진 듀얼 탐촉자의 사용이 가능하며, 또한 상기 탐촉자(11)로서 펄서/리시버(12)의 여기에 의해 피검사체(1) 내부에 초음파의 종파와 횡파를 송신하고 수신하는 작용을 할 수 있는 압전소자 트랜스듀서 또는 전자음향 트랜스듀서(EMAT)의 사용이 가능하다.
본 발명에서 초음파 종파 및 횡파를 각각 생성시켜 방사하는 탐촉자의 세부적인 구성에 대해서는, 초음파 종파와 횡파를 방사할 수 있는 탐촉자가 이미 상용 화되어 있고 그 구성 등이 공지이므로, 상세한 설명을 생략하기로 한다.
한편, 상기 펄서/리시버(12)는 탐촉자(11)가 초음파를 생성시켜 방사할 수 있도록 전기적인 펄스를 가해주는 구성부이면서, 탐촉자(11)를 통해 수신되는 에코신호에 대해 증폭과 잡음 제거를 수행하는 구성부이다.
물론, 상기 펄서/리시버(12)는 탐촉자로서 압전소자 트랜스듀서와 전자음향 트랜스듀서(EMAT)를 이용하는 경우에 있어서 용량이나 구동방식에 차이가 있을 수 있다.
다음으로, 상기 신호처리 및 출력장치부(13)는 펄서/리시버(12)에 의해 수신되는 신호를 입력받아 그로부터 초음파 종파와 횡파의 전파시간을 측정한 후 소정의 연산식에 의해 피검사체(1)의 두께(L)를 연산하여 표시하고 기록하는 기능을 수행한다.
여기서, 초음파 종파와 횡파의 전파시간은 초음파 종파와 횡파가 피검사체(1)의 두께(L)를 왕복 이동하는데 걸린 시간을 의미한다.
상기 신호처리 및 출력장치부(13)가 펄서/리시버(12)를 통해 입력되는 신호로부터 종파와 횡파의 전파시간을 측정함에 있어서, 전파시간의 측정 정밀도를 높이기 위하여 펄스다중반사법이나 버스트(Burst)파를 이용한 위상검출법이 활용될 수 있으며, 이를 위해 펄스다중반사법이나 위상검출법의 적용이 가능한 단일 탐촉자가 사용됨이 마땅하다.
한편, 상기 신호처리 및 출력장치부(13)는 초음파 종파와 횡파의 전파시간을 측정한 뒤, 측정된 전파시간을 이용하여 온도에 의한 전파속도의 변화를 자체 보상 할 수 있는 알고리즘을 이용하여 피검사체(1)의 두께(L)를 계산하게 된다.
이때, 측정된 초음파 종파와 횡파의 전파시간과, 기준온도에서의 종파와 횡파의 전파속도와, 종파와 횡파 전파속도의 온도상수를 이용하여 소정의 연산식으로부터 피검사체(1)의 두께(L)를 계산하게 되는데, 상기 연산식은 하기 식(6)과 같으며, 이러한 연산식이 유도되는 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 초음파 송수신 신호의 개념도인 바, 종파의 전파속도가 횡파보다 빠르기 때문에 종파의 에코신호가 먼저 수신되게 되며, 이때 종파의 전파시간과 횡파의 전파시간이 도 2에 나타낸 바와 같이 송신펄스와 해당 에코신호의 시간차로서 각각 측정된다.
도 2에서
Figure 112006060931920-pat00033
과
Figure 112006060931920-pat00034
는 각각 종파와 횡파의 전파시간을 나타낸다.
우선, 기존 방법의 경우 피검사체의 두께(L)는 다음의 식(1) 및 식(2)와 같이 계산된다.
Figure 112006060931920-pat00035
(1)
Figure 112006060931920-pat00036
(2)
여기서,
Figure 112006060931920-pat00037
과
Figure 112006060931920-pat00038
는 각각 임의의 측정온도 T에서의 초음파 종파와 횡파의 전파속도를 나타내며, 피검사체의 두께는 상기 식(1)과 식(2) 중에 어느 것을 이용하여도 무방하나, 기존 방법에서는 종파만을 이용하여 두께를 측정하였다.
그러나, 여기서는 피검사체의 온도 변화에 의한 전파속도의 변화를 고려하지 않았으며, 따라서 본 발명에서는 온도의 영향 없이 두께를 측정할 수 있는 방법을 제안한다.
그 원리는 다음과 같다.
먼저, 본 발명에서 전파속도는 다음의 식(3)과 같이 온도 변화에 선형적으로 의존한다고 가정한다.
(3)
여기서,
Figure 112006060931920-pat00040
와
Figure 112006060931920-pat00041
는 각각 기준온도
Figure 112006060931920-pat00042
에서 초음파 종파와 횡파의 전파속도를 나타내며,
Figure 112006060931920-pat00043
과
Figure 112006060931920-pat00044
는 각각 초음파 종파와 횡파의 전파속도의 온도상수를,
Figure 112006060931920-pat00045
는 측정온도 T와 기준온도
Figure 112006060931920-pat00046
의 차이다.
상기
Figure 112006060931920-pat00047
와
Figure 112006060931920-pat00048
,
Figure 112006060931920-pat00049
,
Figure 112006060931920-pat00050
는 피검사체의 물성으로서, 이미 알려진 데이터를 활용할 수 있으며, 그렇지 않은 경우에는 피검사체와 동일한 재료의 시편을 이용하여 실험적으로 구하여 이용할 수 있다.
한편, 종파에 의해 구해지는 두께와 횡파에 의해 구해지는 두께는 같아야 하므로, 다음의 식(4)를 얻을 수 있다.
Figure 112006060931920-pat00051
(4)
그리고, 상기 식(4)에 상기 식(3)의
Figure 112006060931920-pat00052
,
Figure 112006060931920-pat00053
를 대입하여 온도차
Figure 112006060931920-pat00054
에 대해 정리하면 다음과 같은 식(5)가 얻어진다.
Figure 112006060931920-pat00055
(5)
그리고, 상기 식(5)의
Figure 112006060931920-pat00056
를 식(3)의
Figure 112006060931920-pat00057
,
Figure 112006060931920-pat00058
에 대입하고, 그 결과를 식(1)과 식(2)에 대입하여 다음의 식(6)과 같이 두께 L을 구할 수 있다.
Figure 112006060931920-pat00059
(6)
상기 식(6)으로부터, 피검사체 재료 내에서의 기준온도에서의 초음파 종파 및 횡파의 전파속도(
Figure 112006060931920-pat00060
,
Figure 112006060931920-pat00061
)와, 초음파 종파 및 횡파의 전파속도의 온도상수(
Figure 112006060931920-pat00062
,
Figure 112006060931920-pat00063
)를 알고 있을 경우, 온도의 실시간 측정 없이 초음파 종파 및 횡파의 전파시간(
Figure 112006060931920-pat00064
,
Figure 112006060931920-pat00065
)만을 측정하여, 재료의 두께(L)를 정확히 측정할 수 있다.
결국, 상기 신호처리 및 출력장치부(13)에는 피검사체 재료의 물성인 기준온도에서의 전파속도(
Figure 112006060931920-pat00066
,
Figure 112006060931920-pat00067
)와, 초음파 종파 및 횡파 전파속도의 온도상수(
Figure 112006060931920-pat00068
,
Figure 112006060931920-pat00069
)가 미리 입력되어야 한다.
이에 상기 신호처리 및 출력장치부(13)는, 상기와 같이 피검사체 재료의 물성값이 미리 입력된 상태에서, 탐촉자(11)와 펄서/리시버(12)를 통해 측정되어지는 피검사체(1)에 대한 초음파 종파 및 횡파의 전파시간(
Figure 112006060931920-pat00070
,
Figure 112006060931920-pat00071
)을 입력값으로 하 여, 상기 식(6)의 연산식으로부터 피검사체(1)의 두께(L)를 정확히 측정할 수가 있게 된다.
한편, 본 발명의 두께 측정 장치는, 통상적인 초음파 여기용 펄스 레이저 및 초음파 수신용 레이저 간섭계와, 이들을 통해 수신되는 초음파 종파와 횡파의 에코신호로부터 종파와 횡파의 전파시간을 측정한 뒤 동일한 방식으로 두께를 계산하는 신호처리 및 출력장치부로 구성될 수도 있다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 두께 측정 장치의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 구성도로서, 펄스 레이저(22)와 레이저 간섭계(25)를 이용하여 종파와 횡파로부터 피검사체의 두께를 측정하는 장치의 일 예를 나타낸 구성도이다.
이에 도시한 바와 같이, 다른 실시예로서, 본 발명의 두께 측정 장치는, 레이저를 이용하여 초음파 종파와 횡파를 동시에 발생시켜 각각 피검사체(1) 내부로 투사하는 초음파 여기용 펄스 레이저(22)와; 피검사체(1)에서 반사되어 오는 종파와 횡파의 각 에코신호를 레이저 간섭에 의해 수신하게 되는 레이저 간섭계(25)와; 상기 펄스 레이저의 트리거(Trigger) 신호와 상기 레이저 간섭계(25)에 의해 수신되는 종파와 횡파의 각 에코신호를 입력받아 모니터링하고 입력된 에코신호와 트리거 신호로부터 초음파 종파와 횡파의 전파시간을 각각 측정한 후 그로부터 피검사체(1)의 두께를 연산 및 그 연산된 결과를 기록, 표시하는 신호처리 및 출력장치부(27);를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 초음파 여기용 펄스 레이저(22)의 초음파 종파와 횡파는 콜리메이팅 렌즈(collimating lens)(21)를 통해 피검사체(1)로 조사되도록 되어 있으 며, 이 콜리메이팅 렌즈(21)는 레이저빔을 평행광으로 만들어주는 작용을 한다.
또한 피검사체(1)에서 반사되어 오는 종파와 횡파의 각 에코신호는 빔 스프리터(Beam Splitter; B.S)(24)를 통해 레이저 간섭계(25)가 수신하도록 되어 있다.
또한 상기 신호처리 및 출력장치부(27)는 레이저 간섭계(25)에 의해 수신된 종파와 횡파의 각 에코신호를 출력부(output)(26)를 통해 입력받도록 되어 있다.
즉, 레이저를 이용하여 초음파 종파와 횡파를 동시에 발생시키는 초음파 여기용 펄스 레이저(22)와, 피검사체(1)에서 반사되어 오는 종파와 횡파의 각 에코신호를 레이저 간섭에 의해 수신하게 되는 레이저 간섭계(25)로 대체가 가능하며, 여기서 상기 펄스 레이저(22)는 레이저에 의해 여기된 초음파 종파와 횡파를 탐촉자와 마찬가지로 피검사체(1)에 각각 투사하게 되며, 상기 레이저 간섭계(25)는 반사되어 오는 초음파 신호를 수신하여 출력부(26)를 통해 신호처리 및 출력장치부(27)로 입력하게 된다.
상기 트리거 신호는 펄스 레이저에서의 초음파의 전파시간을 측정하는 시작점을 알리는 신호이다.
상기 신호처리 및 출력장치부(27)에서 신호 처리과정 및 피검사체(1)의 두께 연산과정 등은 앞서 설명한 실시예와 동일하므로 여기서의 설명은 생략하기로 한다.
이하, 상기와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 보다 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
본 실시예에서 탐촉자는 압전소자 트랜스듀서로서, 주파수가 5MHz인 종파 듀얼 탐촉자와 횡파 듀얼 탐촉자를 사용하였다.
물론, 본 발명이 5MHz의 탐촉자로만 제한되는 것은 아니며, 또한 듀얼 탐촉자로 제한되는 것도 아니고, 압전소자 트랜스듀서로 제한되는 것도 아니다.
그리고, 펄서/리시버는 탐촉자가 초음파를 생성할 수 있도록 전기적인 펄스를 상기 탐촉자에 가해주고, 탐촉자를 통해 수신되는 에코신호의 증폭과 잡음 제거를 수행하는 바, 본 실시예에서는 PANAMETRICS사(社) 500PR Pulser/Receiver를 사용하였으며, 본 발명이 본 모델에만 제한되는 것은 아니다.
그리고, 신호처리 및 출력장치부는 펄서/리시버를 통해 초음파 종파 및 횡파의 에코신호를 모니터링하고 처리 및 기록하여 초음파 종파 및 횡파의 전파시간 및 피검사체의 두께를 측정하는 장치로서, 에코신호로부터 초음파 전파시간을 측정하고, 이를 입력값으로 하여 상기 식(6)의 연산식으로부터 두께를 계산한 뒤, 그 결과를 표시 및 기록하는 역할을 한다.
상기 신호처리 및 출력장치부로서, 본 실시예에서는 오실로스코프와 컴퓨터를 사용하였으나, 여기에 제한되는 것은 아니다.
다음은 구체적인 실시예로서, 상기 구성의 장치와 방법을 내부온도가 균일하게 100℃이고 두께가 10mm인 강판에 적용한 예를 든다.
기준온도는 26℃이며, 기준온도에서의 종파 전파속도는
Figure 112006060931920-pat00072
이고, 횡파 전파속도는
Figure 112006060931920-pat00073
이다.
또한 종파 전파속도의 온도상수는
Figure 112006060931920-pat00074
이고, 횡파 전파속도의 온도상수는
Figure 112006060931920-pat00075
이다.
100℃에서 전파시간을 측정한 결과, 종파 전파시간은
Figure 112006060931920-pat00076
이고, 횡파 전파시간은
Figure 112006060931920-pat00077
이다.
상기 물성과 측정된 데이터를 식(6)에 대입하여 계산하면, 두께 L이 10mm로 측정된다.
이에 반해 온도의 영향을 고려하지 않고 기준온도에서의 전파속도를 그대로 이용하는 기존 방법으로 두께 L을 구하면 10.12mm가 되며, 0.12mm의 오차가 발생함을 알 수 있다.
이상으로 본 발명에 따른 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다.
그러나, 본 발명이 상술한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 치환, 변형 및 변경 등을 다양하게 실시할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 종파와 횡파를 이용한 두께 측정 장치 및 방법에 의하면, 피검사체에 초음파 종파와 횡파를 함께 투사하여 종파와 횡파의 각 초음파 신호가 피검사체 내부에서 왕복 이동하는 시간, 즉 종파와 횡파의 각 전파시간을 측정한 뒤, 상기 측정된 종파와 횡파의 전파시간과, 피검사체 재료의 물성인 기준온도에서의 종파와 횡파의 전파속도, 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수를 이용하는 소정의 연산식으로부터 피검사체의 두께를 계산함으로써, 다음과 같은 효과가 있다.
1) 피검사체의 온도 변화 영향을 받지 않는 방식을 이용함으로써, 피검사체 내부에 어떤 형태의 온도 분포가 존재하더라도 정밀한 두께의 측정이 가능하다. 별도의 직접적인 온도 측정 없이, 피검사체 재료의 물성인 기준온도에서의 종파와 횡파의 전파속도 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수를 이용하면서 피검사체에 대한 초음파 종파와 횡파의 전파시간만을 실제 측정하여 두께를 계산하는 바, 내부온도가 불균일한 피검사체에서 온도 변화에 따른 전파속도의 변화에 의한 오차를 자체 보상하여 두께를 좀더 정밀하게 측정할 수 있게 된다.
2) 피검사체에서의 초음파 전파속도가 기준온도에서의 전파속도와 다르거나 측정면과 반대 면 사이의 온도차에 기인하는 전파속도 분포를 갖는 경우에 있어서, 기존의 온도 보정을 수행하지 않거나 표면의 온도만을 별도로 측정하여 이용하는 초음파 두께 측정 방법보다 정밀도를 크게 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 고온의 유체가 흐르는 배관에서와 같이 배관 내, 외벽 사이의 온도차가 큰 경우 더욱 효과적이다.
3) 이러한 본 발명은 내부온도가 불균일한 시설, 구조물의 두께를 측정하는 기술로서, 비파괴 평가, 계측 분야에 널리 응용될 수 있고, 특히 열교환기, 보일러 배관, 열 배관 등에서와 같이 내, 외부 온도차가 커서 기존 방식으로는 정확한 두께 측정이 불가능한 분야에 널리 적용 가능하다. 따라서, 원전 배관에서와 같이 두께 측정을 통한 부식 정도의 분석이 안전성 평가에 중요한 역할을 담당하는 경우에 매우 유효할 것으로 기대된다.

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 초음파를 이용하여 피검사체의 두께를 측정하는 초음파 두께 측정 장치에 있어서,
    피검사체에 접촉한 상태에서 초음파 종파와 횡파를 발생시켜 각각 피검사체 내부로 투사하고 피검사체에서 반사되어 오는 종파와 횡파의 각 에코신호를 수신하는 탐촉자와;
    상기 탐촉자에 전기적인 펄스신호를 인가하여 상기 탐촉자로 하여금 초음파 종파와 횡파를 생성할 수 있도록 함과 동시에 피검사체에서 반사되어 오는 종파와 횡파의 각 에코신호를 상기 탐촉자를 통해 수신받게 되는 펄서/리시버와;
    상기 펄서/리시버에 의해 수신되는 종파와 횡파의 각 에코신호를 입력받아 모니터링하고 입력된 에코신호로부터 초음파 종파와 횡파의 전파시간을 각각 측정한 후 그로부터 피검사체의 두께를 연산 및 그 연산된 결과를 기록, 표시하는 신호처리 및 출력장치부;를 포함하하며,
    상기 신호처리 및 출력장치부는, 상기 측정된 초음파 종파와 횡파의 전파시간과, 피검사체 재료의 물성으로서 미리 입력된 기준온도에서의 종파와 횡파의 전파속도, 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수로부터 하기의 식 E를 이용하여 피검사체의 두께를 연산하도록 된 것을 특징으로 하는 초음파 종파와 횡파를 이용한 두께 측정 장치.
    식 E:
    Figure 112008011806097-pat00113
    여기서,
    Figure 112008011806097-pat00114
    과
    Figure 112008011806097-pat00115
    는 각각 측정된 초음파 종파와 횡파의 전파시간이고,
    Figure 112008011806097-pat00116
    와
    Figure 112008011806097-pat00117
    는 각각 기준온도
    Figure 112008011806097-pat00118
    에서 초음파 종파와 횡파의 전파속도이며,
    Figure 112008011806097-pat00119
    과
    Figure 112008011806097-pat00120
    는 각각 초음파 종파와 횡파의 전파속도의 온도상수임.
  6. 삭제
  7. 초음파를 이용하여 피검사체의 두께를 측정하는 초음파 두께 측정 장치에 있어서,
    레이저를 이용하여 초음파 종파와 횡파를 동시에 발생시켜 각각 피검사체 내부로 투사하는 초음파 여기용 펄스 레이저와;
    피검사체에서 반사되어 오는 종파와 횡파의 각 에코신호를 레이저 간섭에 의해 수신하게 되는 레이저 간섭계와;
    상기 펄스 레이저의 트리거(Trigger) 신호와 상기 레이저 간섭계에 의해 수신되는 종파와 횡파의 각 에코신호를 입력받아 모니터링하고 입력된 에코신호와 트 리거 신호로부터 초음파 종파와 횡파의 전파시간을 각각 측정한 후 그로부터 피검사체의 두께를 연산 및 그 연산된 결과를 기록, 표시하는 신호처리 및 출력장치부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 종파와 횡파를 이용한 두께 측정 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 신호처리 및 출력장치부는, 상기 측정된 초음파 종파와 횡파의 전파시간과, 피검사체 재료의 물성으로서 미리 입력된 기준온도에서의 종파와 횡파의 전파속도, 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수로부터 하기의 식 E를 이용하여 피검사체의 두께를 연산하도록 된 것을 특징으로 하는 초음파 종파와 횡파를 이용한 두께 측정 장치.
    식 E:
    Figure 112007062434213-pat00121
    여기서,
    Figure 112007062434213-pat00122
    과
    Figure 112007062434213-pat00123
    는 각각 측정된 초음파 종파와 횡파의 전파시간이고,
    Figure 112007062434213-pat00124
    와
    Figure 112007062434213-pat00125
    는 각각 기준온도
    Figure 112007062434213-pat00126
    에서 초음파 종파와 횡파의 전파속도이며,
    Figure 112007062434213-pat00127
    과
    Figure 112007062434213-pat00128
    는 각각 초음파 종파와 횡파의 전파속도의 온도상수임.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 초음파를 이용하여 피검사체의 두께를 측정하는 초음파 두께 측정 방법에 있어서,
    피검사체에 접촉한 상태의 탐촉자 및 상기 탐촉자에 전기적인 펄스신호를 인가하여 탐촉자가 초음파 종파와 횡파를 생성하도록 하는 펄서/리시버를 이용하여 피검사체 내부로 초음파 종파와 횡파를 투사하고 피검사체에서 반사되어 오는 종파와 횡파의 각 에코신호를 수신하는 단계와;
    신호처리 및 출력장치부가 상기 탐촉자 및 펄서/리시버를 통해 수신되는 종파와 횡파의 각 에코신호를 입력받아 모니터링하고 입력된 에코신호로부터 초음파 종파와 횡파의 전파시간을 각각 측정한 후 그로부터 피검사체의 두께를 연산 및 그 연산된 결과를 기록, 표시하는 단계;를 포함하며,
    상기 신호처리 및 출력장치부는, 상기 측정된 초음파 종파와 횡파의 전파시간과, 피검사체 재료의 물성으로서 미리 입력된 기준온도에서의 종파와 횡파의 전파속도, 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수로부터 하기의 식 E를 이용하여 피검사체의 두께를 연산하는 것을 특징으로 하는 초음파 종파와 횡파를 이용한 두께 측정 방법.
    식 E:
    Figure 112008011806097-pat00129
    여기서,
    Figure 112008011806097-pat00130
    과
    Figure 112008011806097-pat00131
    는 각각 측정된 초음파 종파와 횡파의 전파시간이고,
    Figure 112008011806097-pat00132
    와
    Figure 112008011806097-pat00133
    는 각각 기준온도
    Figure 112008011806097-pat00134
    에서 초음파 종파와 횡파의 전파속도이며,
    Figure 112008011806097-pat00135
    과
    Figure 112008011806097-pat00136
    는 각각 초음파 종파와 횡파의 전파속도의 온도상수임.
  12. 삭제
  13. 초음파를 이용하여 피검사체의 두께를 측정하는 초음파 두께 측정 방법에 있어서,
    초음파 여기용 펄스 레이저를 이용하여 피검사체 내부로 초음파 종파와 횡파를 투사하고 레이저 간섭계를 이용하여 피검사체에서 반사되어 오는 종파와 횡파의 각 에코신호를 수신하는 단계와;
    신호처리 및 출력장치부가 상기 펄스 레이저의 트리거 신호와 상기 레이저 간섭계를 통해 수신되는 종파와 횡파의 각 에코신호를 입력받아 모니터링하고 입력된 에코신호와 트리거 신호로부터 초음파 종파와 횡파의 전파시간을 각각 측정한 후 그로부터 피검사체의 두께를 연산 및 그 연산된 결과를 기록, 표시하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 종파와 횡파를 이용한 두께 측정 방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 신호처리 및 출력장치부는, 상기 측정된 초음파 종파와 횡파의 전파시간과, 피검사체 재료의 물성으로서 미리 입력된 기준온도에서의 종파와 횡파의 전파속도, 및 종파와 횡파 전파속도의 온도상수로부터 하기의 식 E를 이용하여 피검사체의 두께를 연산하는 것을 특징으로 하는 초음파 종파와 횡파를 이용한 두께 측정 방법.
    식 E:
    Figure 112007062434213-pat00137
    여기서,
    Figure 112007062434213-pat00138
    과
    Figure 112007062434213-pat00139
    는 각각 측정된 초음파 종파와 횡파의 전파시간이고,
    Figure 112007062434213-pat00140
    와
    Figure 112007062434213-pat00141
    는 각각 기준온도
    Figure 112007062434213-pat00142
    에서 초음파 종파와 횡파의 전파속도이며,
    Figure 112007062434213-pat00143
    과
    Figure 112007062434213-pat00144
    는 각각 종파와 초음파 횡파의 전파속도의 온도상수임.
  15. 삭제
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