KR100853110B1 - 강자성체의 응력 측정 - Google Patents

Abstract

파이프(12) 벽의 응력은 적어도 하나의 직선형 배열의 프로브들을 유지하는 피그(10)를 이용하여 측정되며, 상기 배열의 프로브들(30)은 파이프 벽 상의 위치 상에서 연속적으로 통과한다. 각각의 프로브(30)는 두 개의 이격된 전자석의 전자극들(34)을 갖는 전자석 코어(32)와 상기 전자극들(34) 사이의 자기 회로 부분의 자기 저항을 감지하도록 구성된 자기 센서(36)를 포함하며, 교류 자장이 결국 파이프 벽이 되는 전자석 수단에서 발생된다. 배열 내의 연속 프로브들(30)은 다른 방위를 가지며, 파이프 벽 내 자장의 대응 방위들도 다르게 된다. 바람직하게, 프로브(30)는 또한 상기 전자극들 사이의 자유 공간 자장 방향에 직각인 자속을 감지하도록 상기 두 전자극들(34) 사이에 센서(38)들을 포함한다. 센서들(36,38)로부터의 신호는 응력의 측정을 가능하게 한다. 그러한 배열은 강자성체로 이루어진 임의의 기다란 물체에 이용될 수 있다.

강자성체, 프로브, 전자석, 교류 자장, 자장 방향

Description

강자성체의 응력 측정{Measurement of stress in a ferromagnetic material}

본 발명은 강자성체 특히, 긴 물체에서 응력(stress)을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 이러한 측정 방법 및 장치는 예컨대, 오일이나 가스를 운반하는데 이용되는 강철 파이프라인들의 응력을 측정하는데 적합하다.

파이프라인의 응력들은 온도 변화, 주변 토양의 이동과 그 토양으로부터의 압력, 및 파이프라인내에 수용된 유체의 압력을 포함하는 다양한 원인들에 의해 발생한다. 또한, 일정 길이의 파이프(a lengths of pipe)를 제조할 때와, 상기 파이프들을 용접할 때, 그리고 상기 파이프를 설치할 때에, 상기 파이프라인에서 임의의 휨(bending)에 의해서 잔류 응력(residual stresses)이 발생할 수도 있다. 제조시 발생하는 잔류 응력은 일정 길이의 파이프를 제조하는 방법 및 응력 완화 열처리 여부에 따라 좌우된다. 어떠한 경우든, 주 응력 방향(principal stress direction)들은 일반적으로 원주 방향 및 세로 방향들이다. 일반적으로 자기 측정(magnetic measurements)은 미세 구조와 같은 다른 물질 특성들에 의해 영향을 받지만, 응력을 감지하는 다양한 자기 기술(magnetic techniques)이 공지되어 있다. GB 2 278 450에는 강판(steel plate)의 응력 측정 방법이 개시되어 있으며, 상기 개시된 방법은 강판에 교류 자장을 발생시키도록 전자석 코어를 포함하는 프로브(probe)를 이용하는 단계와; 응력에 의해 유도된 자기 이방성(anisotropy)을 측정하는 센서, 및 방향성 실효 투자율(directional effective permeability)을 측정하는 센서로 이루어진, 두 센서들로부터의 측정 결과에 관한 정보를 조합하는 단계로 구성된다. 상기 프로브는 강판에서 복수의 다른 방위들로 향하도록 자장을 발생시키고, 또한 상기 프로브는 센서가 상기 다른 방위들에서 각각 측정할 수 있게 점진적으로 선회된다. 양호한 공간 해상도(resolution)를 얻고 표면의 만곡(curvature) 영향을 최소화하기 위해, 50mm 미만의 직경, 바람직하게는 20mm 미만의 직경을 갖는 작은 프로브가 권장된다. 또한, 상술한 절차들을 이용함으로써, 강판의 특정 위치에서 응력을 정확하게 측정할 수 있다. 하지만, 긴 물체에서 응력을 측정하기 위해서는, 상기 물체의 길이를 따라 이동하면서 측정하는 것이 바람직하다.

물체 표면 상의 임의의 위치에 인접한 강자성체로 이루어진 물체에서 응력(stress)을 측정하기 위한 응력 측정 장치로서,
상기 응력 측정 장치는, 직선형 배열(array)의 프로브들과, 상기 배열내의 프로브들이 상기 물체 표면상의 상기 위치에 대해서 연속하여 통과하도록 상기 물체에 대해 이동할 수 있게 배치된 상기 배열을 위한 지지 구조체를 포함하고;
각각의 프로브는, 전자석 코어와 두 개의 이격된 전자석의 전자극들을 구성하는 전자석 수단과, 상기 전자석 수단에서 상기 물체에 교류 자장을 발생하도록 교류 전류를 공급하는 수단과, 상기 전자석 수단의 전자극들 사이의 자기 회로 부분의 자기 저항을 감지하고, 상기 교류 전류와 동일 위상의 성분 및 직교 위상의 성분으로 분해될 수 있는 대응 신호를 발생하도록 배치된 자기 센서를 포함하고;
상기 자기 센서로부터의 신호는 대역폭을 갖는 필터링 수단에 의해서 처리되고;
상기 교류 자장의 주파수, 각 프로브의 전자극들 중심 사이의 거리 및 상기 물체에 대한 상기 배열의 속도는, 상기 주파수가 상기 속도를 상기 거리의 두 배로 나눔으로써 계산된 것보다 적어도 상기 대역폭만큼 크도록 형성되며;
상기 배열내의 연속한 프로브들은 서로 다른 방위로 향하게 되어서, 상기 물체내의 자장의 대응 방위들이 서로 다르게 된다.

바람직하게, 상기 배열은 프로브들의 직선형 배열로 이루어지며, 적어도 복수의 프로브들은 상기 두 전자극들 사이에 있고 상기 전자극들 사이의 자유 공간 자장(free space magnetic field)의 방향에 직각인 자속 밀도를 감지하도록 배치된 제 1 자기 센서를 포함하고;
적어도 복수의 프로브들은 또한 상기 전자석 수단의 전자극들 사이의 자기 회로 부분의 자기 저항을 감지하도록 배치된 제 2 자기 센서를 포함한다.
만약, 상기 강자성체가 편평한 판이고 정확히 등방성(isotropy)(모든 방향에 대해서 동일 특성을 가지는 성질)이라면, 제 1 센서는 신호를 검출할 수 없겠지만, 응력이 이방성을 강자성체의 자기 특성으로 유도하므로, 제 1 센서에 의해 수신된 신호들은 상기 응력에 의해 유도된 자기 이방성(SMA)의 측정치가 된다. 프로브들이 물체 상의 임의의 위치를 통과할 때, 다른 방위의 프로브들로부터의 SMA 신호들에서의 변화로 인해서, 주 응력축선들의 방향이 정확히 결정될 수 있다. SMA 신호들도 역시 응력과 관련될 수 있다.

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제 2 센서는 전자극들 사이에서 자속이 통과하는 강자성체의 투자율의 측정치를 제공하며, 그에 따라 강자성체의 실효 투자율을 표시하는 신호를 제공하고; 따라서, 프로브들이 물체 상의 임의의 위치를 통과함에 따라 방위가 다른 프로브들로부터의 대응 측정치들은 방향성 실효 투자율(DEP)이라 칭하는 다른 방향들에서의 실효 투자율을 나타낸다. DEP 신호들로 인하여 응력의 값이 결정될 수 있다.

프로브로부터의 DEP 신호는 양호하게는 백오프(back-off)된다. 즉, 프로브로부터의 DEP 신호는 응력이 없는 위치에 인접한 프로브를 갖는 센서로부터의 신호와 동일한 신호를 먼저 감산함으로써 처리되는 것이 바람직하다. 그러면, 응력으로 인한 DEP에서의 작은 변화는 검출이 용이하다. 이후, DEP 신호들은 교류 자장을 발생시키는 전류와 동일 위상의 성분, 및 이에 대해 직교 위상의 성분[임피던스 평면의 저항 및 감응 저항(reactance)과 유사한 성분]으로서 분해될 수 있다. 만약, 표면과 프로브 사이의 갭[센서 측정 거리(lift-off)]이 변화되면, 이것도 역시 DEP 신호들에 영향을 미치게 된다. 이러한 변화는 센서 측정 거리 방향(lift-off direction)으로 지칭되는 방향으로 배향된 임피던스 평면에서의 방향에 대응한다. 그러므로, 센서 측정 거리의 변화로 인한 악영향을 피하기 위해, 출력 DEP 신호는 그 임피던스 평면에서 센서 측정 거리 방향에 대해 직각인 신호 성분이 된다. 다른 프로브들로부터 얻어진 상기 분해된 성분값들로 인해서, 주 응력축선들의 방향들과 정렬된 자장들을 갖는 분해된 성분값들을 결정할 수 있고, 따라서 그 위치에서 주 응력의 값을 계산할 수 있다. 바람직하게, 프로브들로부터의 DEP 신호들은 초기에 디지털화되며, 백오프(backing-off) 및 센서 측정 거리의 보정(correction)들이 디지털 신호들의 분석에 적용된다.

대안적으로, 단지 파이프라인에서의 휨 응력(bending stress)을 결정하는 것을 원하는 경우에, 파이프의 직경방향으로 대향하는 측면에서 얻어진 DEP 측정치는 서로로부터 단지 차감될 수 있다.

이러한 개념들의 일부는 프로브들의 배열과 상기 배열이 표면에 대해 이동하는 것을 제외하고는 상기한 GB 2 278 450에서 사용되는 것들과 유사하다. 자장은 상기 배열의 이동에 의해 왜곡되는 경향을 가지며, 이것은 와전류(eddy current)를 발생시킨다. 강자성체의 표면으로의 투과를 달성하기 위해, 200Hz 미만의 교류 주파수, 더욱 바람직하게는 10Hz 내지 100Hz의 교류 주파수가 바람직하며, 이러한 저주파수들에서는 교류 자장의 단일 기간 동안 프로브가 상당히 이동하게 된다는 것을 이해할 것이다. 또한, 초당 수 미터까지의 직선속도로 스캐닝할 경우, 대략 1mm 정도의 센서 측정 거리의 변화를 피하는 것이 어려우며, 만약, 측정 기술이 상기 변화에 의해서 실질적으로 영향을 받지 않는 것이 바람직하다.

따라서, 각각의 프로브는 적어도 75mm 의 폭과 길이, 바람직하게는 적어도 100mm 이상 350mm 이하의 폭과 길이를 갖는 것이 바람직하다. 그러한 큰 프로브들은 센서 측정 거리에 덜 민감하며, 와전류가 문제로 되기 전에 더욱 높은 이동 속도에 도달할 수 있다. 양호하게는, 각각의 프로브는 또한 그 프로브에 대한 센서 측정 거리를 나타내는 신호를 제공하도록 인접 센서를 합체하며, 상기 인접 센서로부터의 신호들은 각각의 센서 측정 거리값에서의 DEP 및 SMA 신호들의 대응 감쇄 정도를 나타내도록 조정되므로, DEP 및 SMA 신호들이 보정될 수 있다.

일반적으로, 측정 동작을 수행하는데 사용되는 다른 방위의 프로브들이 많을수록, 응력 레벨들과 주축선들에 대한 결정이 보다 정확하게 실행될 수 있다. 많은 경우에 있어서, 주 응력축선들은 특정 방향들로 정렬되는 것으로 가정될 수 있으므로(예컨대, 파이프의 경우에 축방향 및 원주 방향), DEP에 대한 최대 및 최소 신호는 상기 방향을 따라서 존재하는 것으로 예상되고, SMA에 대한 최대 및 최소 신호는 상기 방향들 사이의 이등분 각들을 따라 존재하는 것으로 예상된다. GB 2 278 450의 방법에서는 10도의 간격으로 측정되는 것으로 기술되어 있지만, 본 발명의 배열은 10개 미만의 프로브들을 가질 수 있으며, 예컨대 이동 방향에 대해 0도, 45도, 90도 및 135도로 향해진 네 개의 프로브를 가질 수 있다.

이제 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 단지 실례로서 보다 상세히 설명될 것이다.

도 1은 본 발명의 프로브 배열을 합체한 파이프라인 검사 피그의 부분 단면도.

도 2는 도 1의 화살표 A 방향의 프로브 배열의 평면도.

도 3은 도 2의 프로브들 중 한 프로브에 대한 화살표 B 방향의 정면도.

도 4는 프로브와 벽 사이의 간격의 변화에 따른 파이프 벽의 자장 변화를 그래프로 도시한 도면.

도 5는 구동 주파수의 변화에 따른 응력과 센서 측정 거리에 대한 프로브의 상대적 감도 변화를 그래프로 도시한 도면.

도 6은 도 1의 검사 피그의 전자 회로의 블록도.

도 1을 참조하면, 지하 파이프(12)의 벽의 응력을 측정하기 위한 검사 피그(inspection pig; 10)가 도시된다. 피그(10)는 두 개의 일반적으로 원통형인 하우징들(14, 15)을 포함하며, 상기 각 하우징은 피그(10)가 파이프(12)내의 유체의 흐름에 따라 (도시된 바와 같이) 좌측에서 우측으로 이동할 수 있도록, 방향설정된 네 개의 탄성 컵 실(resilient cup seals; 16)에 의해 파이프(12)내에 지지되고, 또한 상기 두 하우징들(14, 15)은 범용 커플링(18)에 의해 함께 결합된다. 하우징들(14, 15)은 그 동작에 대해서는 하기에 기술되는 전원을 공급하기 위한 배터리, 신호 처리 유닛 및 데이터 기록 유닛(도시되지 않음)을 포함한다. 전방 하우징(15)은 네 개의 직선형 배열의 프로브(두 개만이 도시되어 있으며, 프로브 자체는 도 1에 도시되어 있지 않음)를 유지하며, 각각의 배열은 탄성적으로 장착된 암들(22)에 의해 접속된 지지 바(20)에 의해 유지되므로, 상기 배열은 파이프(12) 벽의 내부 표면을 향해 바깥쪽으로 가압되고; 각각의 배열은 파이프(12)의 세로 축선과 평행하게 정렬되며, 또한 배열들은 상기 축선 주변으로 동일하게 이격되어, 예컨대 하우징(15)의 위, 아래 및 각 측면에 위치된다. 후방 하우징(14)은 파이프(12)의 내부 표면을 따라 롤에 배치된 바퀴(24)를 운반하여, 피그에 의해 이동된 거리와 그 속도를 결정할 수 있게 한다.

도 2를 참조하면, 네 개의 프로브들(30)을 유지하는 지지 바(20)가 도시되어 있다. 또한, 도 3을 참조하면, 각각의 프로브(30)는 공통면에 두 개의 직사각형 전자극들(34)을 구비하는 실리콘 철제의 U자형 코어(32)를 포함하고, 각각의 전자극은 110mm ×30mm이고, 전자극들 사이의 공간은 110mm ×50mm 이다. 전자극들(34)의 표면은 파이프(12) 벽의 곡률과 정합하도록 약간 굴곡되어 있다. 연속 프로브들(30) 사이의 간격도 110mm 이다. U자형 코어(32)의 상단 주변에는 두 개의 중첩 코일들(36)이 감겨진 포머(former)가 있다. 상기 코일들 중 한 코일(36)은 500회의 권수를 가지며, 이용시 60Hz의 주파수에서 0.2 A의 AC 전류가 공급되고, 전류 공급 코일(36)이 된다. 전류 공급시, 상기 코일은 U자형 코일(32)과 파이프(12)의 인접 벽에 교류 자장을 발생시키며, 이 자장은 파이프 벽의 재료에 대한 포화 자장(saturation field)과 비교된다. 다른 코일(36)은 DEP 신호들을 제공하는 감지 코일이다.

두 전자극들(34) 사이의 중간 지점에는 1000회의 권수를 갖는 직사각형 코일(38)의 포머가 배치되며, 각 선회된 권선은 도 3의 것과 평행한 평면에 놓여, 코일(38)의 세로 축선이 전자극들(34)의 중심들 사이의 라인과 직각[즉, 파이프(12)가 존재하지 않을 때의 자장 방향이 되는, 자유 공간 자장 방향에 직각]이 된다. 코일(38)은 코일(38)의 하부면이 전자극들(34)의 평면에 있도록, U자형 코어(32)의 암들 사이에 고정된 지지판(40) 상에서 지지된다. 코일(38)은 SMA 신호들을 제공한다. 코일(38)의 측면들과 전자극들(34)의 측면들 사이에는 이등분된 인접-감지 코일(42)이 배치되고, 그 세로 축선은 자유 공간 자장 방향과 평행이 된다(그러한 이등분된 것들은 전기적으로 직렬이 된다). 이러한 코일(42)은 누설 자속을 검출하며, 센서 측정 거리에 상당히 영향을 받는다. DEP 및 SMA 신호들 양쪽 모두는 추가 처리공정 이전에 헤드 증폭기에 의해 증폭된다.

도 2를 참조하면, 네 개의 프로브들(30)은 동일한 구조를 갖지만 다른 방위[도시된 바와 같이 우측, 즉, 지지 바(20)의 전방으로부터 회전됨]를 가지며: 첫 번째 프로브는 이동 방향과 평행한 자장을 가진 방위로 되어 있고, 두 번째 프로브는 이동 방향에 대해 90도의 자장을 가진 방위로 되어 있고, 세 번째 프로브는 이동 방향에 대해 45도의 자장을 가진 방위로 되어 있고, 네 번째 프로브는 이동 방향에 대해 135도의 자장을 가진 방위로 되어 있다.

이와 같은 동작시에는, 전류 공급 코일(36)에 전류가 공급됨에 따라, 각 프로브(30)에 인접하는 파이프(12)의 벽에는 교류 자장이 발생된다. 표준 연강에 대해서, 20Hz 에서 약 3.8mm 의 투과 깊이, 60Hz 에서 약 2.2mm 의 투과 깊이를 나타내는, 역근(reciprocal root) Hz 당 약 17mm 의 투과 깊이를 나타내는 스킨 효과(skin effect)로 인하여, 자장은 본질적으로 단지 제한 거리만큼 강철을 투과한다. 인장 응력(tensile stress)이 파이프 벽에 존재하고, 인가된 자속이 응력 방향에 대해 일정 각도로 형성되면, 자장은 인장 응력 축선을 향하여 회전할 것이다. 이러한 것은 SMA 및 DEP 신호들 모두에 대해 영향을 미치며, 특히 프로브 방향이 주 응력 축선들을 대략 양분할 때 가장 큰 SMA 신호가 발생하게 된다. 파이프(12)와 관련하여, 주 응력 방향들은 원주[후프(hoop)] 방향과 세로 방향이 되는 것으로 예상할 수 있으므로, 세 번째 및 네 번째 프로브들(30)은 가장 큰 SMA 신호들을 제공하는 것으로 예상할 수 있다.

센서 측정 거리는 신호들의 크기에 영향을 주지만, 센서 측정 거리에 대한 감도는 작은 프로브에 대해서 보다 많이 낮다. 도 4는 (실질적으로 GB 2 278 450 B 에 기재된 바와 같이) 12mm ×12mm의 작은 프로브와 대응 값들을 비교하기 위하여, 센서 측정 거리의 다른 값들 h 에 대해 프로브(30)에 인접한 파이프 벽에서 자속 밀도 B 의 변화를 그래프로 도시한다. DEP 및 SMA 신호들의 감소를 나타내는 자속은 큰 프로브(30)에 대해서 보다 많이 작게 감소한다.

프로브(30)의 크기는 또한 응력에 대한 감도에 영향을 미친다. 응력의 변화가 10%의 파이프 벽의 투과율 변화를 발생시킨다고 가정하면, (DEP 측정치에 대응하는) 자기 회로에서의 자기 저항의 전체 변화는, 작은 프로브에 대해서는 단지 0.79% 인 것에 비해, 프로브(30)에 대해서는 3.44%로 계산된다.

일반적으로, 피그(10)는 1 내지 4 m/s 의 속도, 예컨대, 2.4 m/s 의 속도로 파이프(12)를 따라 이동한다. 파이프 벽에 대한 프로브(30)의 이동은 또한 벽에서의 자장에 영향을 미치거나 상기 자장을 왜곡시킨다. 이러한 결과는 와전류와 관련하여 기술될 것이다. 자장이 이동 방향과 평행하게 되는 제 1 프로브(30)를 고려하여 보면, 유도된 와전류의 주요 주파수 f 는 전자극들(34)의 중심 사이의 거리 d 와 속도 v 에 의해 결정된다. 이것은 상기 속도가 S극이 한 사이클 이전에 있었던 위치에 자기 N극이 있도록 요구되는 거리의 2배 만큼 프로브(30)를 이동시키기에 충분한 속도가 될 때, 발생하게 된다. 이는 f = v/2d 가 되며, 주요 주파수는 다른 프로브들(30)에 대해서도 유사하게 된다. 본 예에서, 요구된 신호는 60Hz 의 주파수에서 발생되므로, 와전류 신호들은 바람직하게 이러한 주파수보다 상당히 낮게 된다. 따라서, 상기 발생된 교류 자장의 주파수는, 상기 표면에 대한 상기 배열의 속도를 각 프로브(30)의 전자극들 중심 사이의 거리의 두배로 나눔으로써 계산된 주파수보다 상당히 크게 되어야 한다. 예컨대, 신호들이 40Hz 대역폭의 필터를 사용하여 처리된다면, 와전류 주파수 f 는 바람직하게 20Hz 미만이 되며, 보다 일반적으로 와전류 주파수 f 는 적어도 필터의 대역폭만큼 구동 주파수와 다르게 된다. 프로브(30)는 대략 80mm 의 값을 가지므로, 2.4m/s 의 속도에서 예상되는 와전류 주파수 f 는 15Hz 가 될 것이며, 이러한 것은 상당히 낮은 값이 된다. 피그(10)가 보다 높은 속도에서 이동하도록 요구되었다면, 비록 측정 해상도를 명백히 낮추기는 하겠지만 이러한 와전류 왜곡은 보다 큰 프로브들을 사용함으로써 제거될 수 있다.

구동 주파수의 선택도 역시 응력 및 센서 측정 거리의 양쪽에 대한 프로브(30)의 감도에 영향을 미친다. 실제로, 피그(10)가 파이프(12)를 따라 이동함에 따라 센서 측정 거리는 1 내지 5mm 범위에 놓이는 것으로 예상할 수 있으며, 코일들(38,42)과 파이프(12)의 접촉에 의한 손상을 방지하도록 예컨대 세라믹의 내마모성 비자기 스페이서들(wear-resistant non-magnetic spacers)(도시되지 않음)이 프로브들(30)에 제공될 수 있다. 구동 주파수가 감소함에 따라, 파이프 벽내의 스킨 깊이(skin depth)는 전술한 바와 같이 감소되어, 파이프 벽의 자기 회로 부분의 자기 저항이 증가되며, 결과적으로 응력에 기인한 어떠한 변화도 DEP 신호에 커다란 영향을 미치게 된다. 동일하게, 보다 높은 주파수에서, 전자극들(34)과 파이프 벽 사이의 갭들은 자기 회로의 보다 작은 자기 저항비를 제공하므로, 프로브(30)는 센서 측정 거리에 덜 민감하게 된다. 이러한 것은 도 5와 관련하여 기술된다. 도 5는 응력에 대한 상대적 감도(그래프 S), 센서 측정 거리에 대한 상대적 감도(그래프 T), 응력 감도 대 센서 측정 거리 감도의 비(그래프 R)를 도시한다. 상기 도면에서, 높은 주파수들에서 전력 소비가 크지만, 높은 주파수가 유익하다는 것을 알 수 있으며; 피그(10)가 [바퀴(24)에 결합하게 될] 발전기를 수용하지 않는다면, 많은 전력 소비량으로 인하여 배터리의 성능에 의해 결정되는 가동 시간을 감소시키게 된다.

SMA 및 DEP 신호들의 분해는 GB 2 278 450에 기술된 바와 유사한 방식으로 수행될 수 있다. 파이프 표면에서의 응력 상태는 세 개의 파라미터: 두 개의 주 응력 레벨들, 및 주 응력 방향(다른 주 응력 방향은 직교가 됨)에 의해 특징되어 진다. 파이프(12)의 경우에, 주 축선들은 세로 방향 및 원주 방향이라고 가정하는 것이 바람직하다. DEP 신호들의 경우 대부분의 주요 값들은 제 1 및 제 2 프로브들(30)(즉, 0도 및 90도의 프로브들)에 의해 얻어지는 것이며, 거의 대부분의 SMA 값들은 제 3 및 제 4 프로브들(30)(즉, 45도 및 135도의 프로브들)에 의해 얻어지는 것이다. 실제로, DEP 신호들은 일정 각도를 갖는 코사인 그래프로서 변화하므로, 다른 방위를 따른 측정값들을 참조해서 최대 값 및 최소 값의 평가치를 개선할 수 있다.

측정하기 전에, 프로브들(30)의 배열은 응력을 무시할 수 있는 (또는, 공지된 임의의 비율) 파이프라인의 영역에 위치되며, DEP 신호들의 값들은 제로 신호들을 제공하도록 백오프된다. 그 때에는 응력에 기인한 DEP 의 작은 변화들을 측정하기가 용이해진다. 프로브들(30)은 그때 파이프 표면으로부터 점진적으로 멀어지게 되며, 인접 코일(42)로부터의 신호들은 DEP 및 SMA 신호들의 감쇄 값인 다른 값의 센서 측정 거리에서 표시된다. 인접 코일(42)로부터의 신호들, 코일(38)로부터의 SMA 신호들 및 감지 코일(36)로부터의 DEP 신호들은 각각 교류 자장을 발생하는 전류와 동일 위상의 성분 및 직교 위상의 성분으로 분해될 수 있으며, 이들 성분들은 임피던스 평면의 저항 및 감응 저항에 대응한다. 센서 측정 거리의 변화에 기인한 허위 효과(spurious effect)를 피하기 위해, 출력 DEP 신호는 임피던스 평면의 센서 측정 거리 영향에 대해 직각 방향으로 분해되는 것이다. 인접 코일(42)로부터의 신호들은 임피던스 평면의 응력 영향에 대해 직각 방향으로 분해되어, 결과적인 인접 신호는 센서 측정 거리에 의해서만 결정된다. DEP 측정에 대한 백오프 및 센서 측정 거리 초기화와, 인접 코일(42)에 대한 위상 성분의 분해 및 조정이 측정하기 이전에 수행되어야 한다.

피그(10)를 사용하는 동안, 인접 코일(42), DEP 감지 코일(36) 및 SMA 코일(38)로부터의 신호들은 증폭되고 저장된다. 하지만, 일부 신호 처리는 데이터가 저장되기 전에 수행될 수도 있다. 저장된 데이터는 실질적으로 파이프(12)를 따른 응력을 결정하도록 다운로드되어 분석된다. 특히, 신호들은 (DEP 신호들의 경우) 바람직하게 백오프되며, 동일 위상의 성분 및 직교 위상의 성분으로 복조되고, DC 값들을 결정하도록 (예컨대, 40Hz 의 컷오프를 갖는) 저역 통과 필터 출력으로 통과되며, (DEP 신호들의 경우) 센서 측정 거리 효과에 대해 직각 방향으로 분해된다. 이러한 신호 처리는 저장 이전에 수행될 수도 있다. (응력 효과에 직각으로 분해되는) 인접 코일(42)로부터의 신호들은 센서 측정 거리에 기인한 그들 감쇄를 보상하도록 DEP 및 SMA 신호들의 적절한 증폭을 결정하는데 이용될 수 있다. DEP 및 SMA 에 대해 적절히 분해된 신호 값들은 이후 적절한 량으로 증폭될 수 있다. 이들 모든 신호 처리 단계들은 바람직하게 디지털로 수행된다.

도 6은 피그(10)내의 전자 시스템을 개략적으로 도시한다. 각각의 프로브(30)내의 각각의 센서 코일, 즉, DEP 코일(36), SMA 코일(38) 및 인접 코일(42)에는 프리-증폭기(44)가 제공되어, 전자 접속부로부터 전자 회로의 나머지 부분들까지 코일의 임피던스를 완충하고(buffer), 주변 환경의 전자 노이즈에 대해 충분히 견고하게 신호를 증폭하도록 한다. 증폭된 신호들은 멀티플렉서(46)와 아날로그 대 디지털 변환기(48)를 통해 디지털 신호 처리기(50)에 공급된다. 각각의 프로브(30)는 또한 60Hz 구동 전류를 전류 공급 코일(36)에 공급하는 구동 회로(52)를 가지며, 구동 회로(52)는 동일 위상의 신호를 디지털 신호 처리기(50)에 공급한다. 디지털 신호 처리기(50)는 상기한 바와 같이 개별 센서 출력들을 복조하여 필터링하고, 데이터를 일시적으로 저장한다. 상기 데이터는 이후 직렬 통신 버스(54)와 노드 프로세서(node processor;56)를 통해 데이터 저장 유닛(58)에 제공된다.

배열에서의 다른 프로브들(30)로부터의 대응 신호들도 역시 직렬 버스(54)를 통해 프로세서(56)에 공급된다. 데이터 저장 유닛(58)은 피그(10)내의 모든 배열에서의 모든 프로브들(30)로부터 동일한 방식으로 데이터를 수신하여 저장한다.

주 응력 축선 방향들에서의 응력 값들[즉, 제 1 및 제 2 프로브들(30)로부터의 응력 값들]은 응력 방향에서의 DEP의 결과적인 실험 측정값으로부터와, [SMA 신호들이 최소 및 최대 값들을 가질 것으로 예상되는 방향에서의, 제 3 및 제 4 프로브들(30)로부터의] 분할 방향들의 SMA 신호 값들 사이의 차이값으로부터 결정될 수 있다. 이것은 이론적인 분석으로 행해질 수 있거나, 대안적으로는 교정 방식에 의해 행해질 수 있으며, 여러 다른 응력을 가하면서 파이프(12)와 동일한 형태의 재료 샘플들을 상기 방식으로 측정하여 취했다. 이러한 것은 교차 샘플로 실행될 수 있으며, 여기서 그 암들은 테스트 장비(rig)의 축선과 정렬되고, 주 응력 방향들이 테스트 장비의 축선과 정렬되는 샘플의 중심에서 SMA 및 DEP 측정이 이루어진다. 따라서, GB 2 278 450호에 기술된 바와 같이, 제 1 프로브(30)로부터의 DEP 교정 측정값(예컨대, 한 축선에 대해 평행한 자장)이 응력 평면에 개략적으로 플롯(plot)될 수 있고; 제 2 프로브(30)로부터의 DEP 실험 측정값(예컨대, 직교축선에 대해 평행한 자장)도 역시 응력 평면에 개략적으로 플롯될 수 있다. 제 3 및 제 4 프로브들(30)로부터의 직교 위상 성분의 SMA 측정값들 사이의 차이도 역시 응력 평면에 개략적으로 플롯될 수 있다. 이들 교정 맵들은 이후 피그(10)가 파이프(12)를 통해 이동함에 따라 이들 파라미터들의 측정값으로부터 파이프 벽에서의 양축선 응력값을 결정하는데 이용될 수 있다. 실제로, 복수의 프로브들(30)중 하나의 프로브 보다는 작지만 유사한 단일 프로브를 사용하여 상기와 같이 교정하는 것이 보다 용이할 수도 있다.

프로브들(30)의 배열은 주 응력 축선들과 정렬된 프로브들(30)만이 아니라 네 개 모두의 프로브들(30)로부터 DEP 측정값을 얻으며, 다른 프로브들로부터의 DEP 측정치값은 주 응력 축선들에 평행한 값들을 더욱 정확하게 결정하는데 이용될 수 있는데, 이는 일정 각도를 갖는 DEP 신호의 변화가 코사인 그래프를 따르기 때문이다.

본 발명의 검사 피그는 상기 실시예와는 다를 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 예컨대, 배열은 다른 탄성 지지체에 의해 지지될 수 있다. 실제로, 배열 내의 프로브들(30)은 개별적으로 지지될 수 있다. 파이프를 검사하는데 이용되는 배열들의 수는 예컨대, 2, 3 또는 5개가 될 수도 있으며, 배열 내의 프로브들(30)은 다른 수, 예컨대 2, 3, 5 또는 6개가 될 수도 있다. SMA 및 DEP 신호들에 대한 센서들은 상술한 바와 상이할 수도 있으며, 예컨대, SMA 신호는 홀 효과 센서 또는 자기-저항기에 의해 감지될 수도 있고, DEP 신호는 대신에 구동 코일(36)의 임피던스를 모니터링함으로써 결정될 수 있으므로, 감지 코일(36)이 필요하지 않을 수도 있다. 프로브들(30)의 직선형 배열도 또한, 예컨대 레일이나 대들보 또는 강철판을 따라 스캐닝되는 것과 같이, 파이프와는 다른 편평한 물체를 검사하는데 이용될 수 있으며, 상기 배열과는 다른 물체의 이동에서 상대 이동될 수 있다. 유사하게, 프로브들(30)의 직선형 배열들은 파이프 벽의 응력을 측정하도록 외측으로부터 파이프를 드릴링하는데 이용될 수도 있다. 그러한 배열은 피그와는 다르게 수동으로 또는 운송 수단으로 이동될 수도 있게 된다.

Claims (8)

1. 물체 표면 상의 임의의 위치에 인접한 강자성체로 이루어진 물체(12)에서 응력을 측정하기 위한 응력 측정 장치로서,

   상기 응력 측정 장치는, 직선형 배열의 프로브들(30)과, 상기 배열내의 프로브들이 상기 물체 표면상의 상기 위치에 대해서 연속하여 통과하도록 상기 물체에 대해 이동할 수 있게 배치된 상기 배열을 위한 지지 구조체(20,22)를 포함하고;

   각각의 프로브(30)는, 전자석 코어(32)와 두 개의 이격된 전자석의 전자극들(34;pole)을 구성하는 전자석 수단과, 상기 전자석 수단에서 상기 물체에 교류 자장을 발생하도록 교류 전류를 공급하는 수단과, 상기 전자석 수단의 전자극들 사이의 자기 회로 부분의 자기 저항을 감지하고, 상기 교류 전류와 동일 위상의 성분 및 직교 위상의 성분으로 분해될 수 있는 대응 신호를 발생하도록 배치된 자기 센서(36)를 포함하고;

   상기 자기 센서로부터의 신호는 대역폭을 갖는 필터링 수단에 의해서 처리되고;

   상기 교류 자장의 주파수, 각 프로브(30)의 전자극들 중심 사이의 거리 및 상기 물체(12)에 대한 상기 배열의 속도는, 상기 주파수가 상기 속도를 상기 거리의 두 배로 나눔으로써 계산된 것보다 적어도 상기 대역폭만큼 크도록 형성되며;

   상기 배열내의 연속한 프로브들(30)은 서로 다른 방위로 향하게 되어서, 상기 물체(12)내의 자장의 대응 방위들이 서로 다르게 되는, 응력 측정 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 배열은 프로브들(30)의 직선형 배열로 이루어지며,

   적어도 복수의 프로브들(30)은 상기 두 전자극들(34) 사이에 있고 상기 전자극들(34) 사이의 자유 공간 자장(free space magnetic field)의 방향에 직각인 자속 밀도를 감지하도록 배치된 제 1 자기 센서(38)를 포함하고;

   적어도 복수의 프로브들(30)은 또한 상기 전자석 수단의 전자극들(34) 사이의 자기 회로 부분의 자기 저항을 감지하도록 배치된 제 2 자기 센서(36)를 포함하는, 응력 측정 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   각 프로브(30)는 상기 물체(12)의 표면을 대면하도록 배치된 면(face)을 구비하며, 상기 전자석의 전자극들(34)은 상기 프로브(30)의 면의 부분을 형성하는 단부면을 구비하고,

   상기 각 프로브(30)의 면은 적어도 50mm 이상 350mm 미만의 폭과 길이로 이루어지는, 응력 측정 장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   각 프로브(30)는 상기 물체(12)의 표면을 대면하도록 배치된 면(face)을 구비하며, 상기 전자석의 전자극들(34)은 상기 프로브(30)의 면의 부분을 형성하는 단부면을 구비하고,

   상기 각 프로브(30)의 면은 적어도 100mm 의 폭과 길이로 이루어지는, 응력 측정 장치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 자기 회로 부분의 자기 저항을 나타내는 신호들을 상기 교류 전류와 동일 위상의 성분 및 직교 위상의 성분으로 처리하는 수단을 포함하는, 응력 측정 장치.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 배열은 10개 미만의 프로브들(30)을 포함하는, 응력 측정 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 배열은 이동 방향에 대해 0도, 45도, 90도 및 135도로 향해진 프로브들(30)을 포함하는, 응력 측정 장치.
8. 삭제

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