KR101004123B1 - 초음파의 송수신 어레이센서 및 초음파 탐상장치와 초음파탐상방법 - Google Patents

초음파의 송수신 어레이센서 및 초음파 탐상장치와 초음파탐상방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 검사대상 내의 회절파를 검출하여 탐상을 행하는 초음파 탐상장치의 검출감도를 안정되고 또한 강하게 유지하는 것이다.
공통의 센서(14) 내에 내장된 송신 진동자열(15)과 수신 진동자열(19)에 의하여 검사대상 재료(21)에 대한 초음파(16)의 송신각도와 회절파(18)의 수신각도의 합의 1/2이 30도를 포함하는 범위에서 집속 음장의 집속점(17)을 전자적으로 주사시키고, 그 결과 수신한 회절파(18)로부터 결함(22)의 단부를 검출하여 결함(22)의 검출 및 결함(22)의 깊이방향의 사이징을 행한다.

Description

초음파의 송수신 어레이센서 및 초음파 탐상장치와 초음파 탐상방법{ARRAY SENSOR FOR ULTRASONIC WAVE TRANSCEIVING, FLAW DETECTOR AND METHOD FOR FLAW DETECTING THEREWITH}
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 초음파 탐상장치의 전체도,
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 초음파 탐상장치의 동작 플로우차트도,
도 3은 각 진동소자에 대한 송신 초음파 진동자제어신호의 타이밍차트도,
도 4는 송신 초음파의 발생 타이밍차트도,
도 5는 본 발명의 실시예에 있어서의 결함신호의 출력표시예 1(A 스캔신호)의 예시도,
도 6은 초음파 송신각(θt)과 수신각(θr)의 정의의 해설도,
도 7은 송수신 일체형 소형 어레이센서의 폭/안 길이/높이, 초음파 진동자의 소자 폭/소자길이 및 절연재 폭의 정의의 해설도,
도 8은 송수신 일체형 소형 어레이센서의 구조도,
도 9는 송수신 일체형 소형 어레이센서의 다른 구조도,
도 10은 본 발명의 결함신호의 출력 표시예 2이고, 초음파 탐상장치의 표시장치에 나타낸 화상을 프린터로 종이에 프린트한 도,
도 11은 본 발명의 결함신호의 출력 표시예 3의 예시도,
도 12는 본 발명의 결함신호의 출력 표시예 4이고, 초음파 탐상장치의 표시장치에 나타낸 화상을 프린터로 종이에 프린트한 도,
도 13은 본 발명의 결함신호의 출력 표시예 5이고, 초음파 탐상장치의 표시장치에 나타낸 화상을 프린터로 종이에 프린트한 도,
도 14는 본 발명의 초음파 탐상장치를 결함검출 및 결함 사이징에 적용한 일례를 나타내는 도,
도 15는 본 발명의 초음파 탐상장치를 결함검출 및 결함 사이징에 적용한 다른 예를 나타내는 도,
도 16은 본 발명의 원자로 노 내의 슈라우드서포트부에 대한 송수신 일체형 소형 어레이센서의 적용을 각 케이스에 대하여 나타낸 도,
도 17은 본 발명을 원자로 노 내 노 바닥부의 CRD 하우징 스터브 튜브 및 원자력 압력용기의 근방에 적용한 경우의 도,
도 18은 본 발명의 송수신 일체형 소형 어레이센서를 현가식 검사장치에 탑재한 경우의 도,
도 19는 본 발명인 송수신 일체형 소형 어레이센서를 오목면형상의 검사대상 부위에 적용한 예 1의 도,
도 20은 본 발명인 송수신 일체형 소형 어레이센서를 오목면형상의 검사대상 부위에 적용한 예 2의 도,
도 21은 본 발명인 송수신 일체형 소형 어레이센서를 볼록면 지름형상의 검사대상 부위에 적용한 예 1의 도,
도 22는 본 발명인 송수신 일체형 소형 어레이센서를 볼록면 지름형상의 검사대상 부위에 적용한 예 2의 도,
도 23은 본 발명인 송수신 일체형 소형 어레이센서의 요철면 지름형상에 대한 추종기구의 예의 도,
도 24는 본 발명의 초음파 탐상장치를 결함검출 및 결함 사이징에 적용한 다른 예를 나타내는 도,
도 25는 본 발명의 초음파 탐상장치를 사용한 원자로 내 간이 검사장치의 실시예의 도,
도 26은 본 발명의 초음파 탐상장치를 사용한 원자로 내 검사장치의 실시예의 도이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 입력장치 2 : 메모리
3 : 초음파 제어장치 4 : 정보처리장치
5 : I/O 6 : 표시장치
7 : 송신 초음파 진동자제어장치 8 : 수신 신호처리장치
9 : 송신측 앰플리파이어제어장치
10 : 수신측 앰플리파이어제어장치
11 : 송신측 앰플리파이어 12 : 수신측 앰플리파이어
13 : 신호 케이블
14 : 송수신 일체형 소형 어레이센서
15 : 송신 진동자열 16 : 초음파
17 : 집속점 18 : 회절파
19 : 수신 진동자열 20 : 초음파 수신신호(전기신호)
21 : 검사대상 재료 22 : 결함
본 발명은 초음파 탐상기술의 분야에 관한 것이다.
초음파의 송신용 탐촉자와 수신용 탐촉자의 2개의 탐촉자를 일정간격으로 고정 배치하고, T0FD(Time of Flight Diffraction, 비행시간 회절법)법을 사용하여 피검사체 내의 결함을 초음파 탐상하는 장치의 존재와, 및 그 TOFD법의 규정이 영국의 규격 BS7706(1993)에 규정되어 있는 것, 및 TOFD법에서는 송신용 탐촉자로부터 출사한 초음파를 피검사체에 입사하는 입사각은 45도 내지 55도, 그 초음파에 의거하는 피검사체 내의 결함 선단으로부터의 회절파를 수신용 탐촉자로 수신하는 수신각도 45도 내지 55도로 설정되어 있었다는 것이 알려져 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조.).
그 한편, 송신한 초음파 빔의 확산으로 회절파의 강도가 저하하여 결함 검출성의 저하가 염려되기 때문에 그 염려를 불식하는 방법으로서, 송신용 탐촉자로부터 출사되는 초음파 빔을 집속시켜 결함 선단에 조사하고, 다시 수신용 탐촉자의 회절파 검출영역도 집속을 시켜 회절파를 효율 좋게 검출하는 것이 공지이다(특허 문헌 1, 특허문헌 2).
회절파를 효율 좋게 검출하는 경우, 초음파의 입사각은 45도가 효율상 바람직하다는 점이 공지이다(예를 들면 특허문헌 2의 제4페이지 - 제5페이지, 도 2 참조.).
또한 동일한 케이싱 내에 장비되는 송신 진동자열과 수신 진동자열로서 복수의 진동소자를 집합시킨 진동자군을 사용함과 동시에, 그 진동자군의 각각 그 진동소자에 지연회로를 접속하고, 지연회로에 의한 각 진동소자의 여기의 타이밍을 서서히 어긋나게 하여 감으로써 초음파의 진행방향을 제어하면서 행하는 전자적 주사에 의해 초음파의 굴절각을 미세 조정하여 결함깊이 측정을 행하는 것이 공지이다 (예를 들면 특허문헌 3의 제3페이지 - 제6페이지, 도 1 내지 도 12 참조.).
(특허문헌 1)
일본국 특개2001-228128호 공보(제2페이지 내지 4페이지, 도 1 내지 도 8)
(특허문헌 2)
일본국 특개2001-228126호 공보(제4페이지 내지 제5페이지, 도 1 내지 도 4)
(특허문헌 3)
일본국 특개2002-62281호 공보(제3페이지 내지 제6페이지, 도 1 내지 도 12)
이들 종래예에서는 초음파 송신 탐촉자와 수신 탐촉자의 2개의 탐촉자를 일정간격으로 고정한 T0FD(Time of Flight Diffraction, 비행시간 회절법)법으로 초음파 탐상을 행하고 있고, 또한 초음파의 입사각은 45도 내지 55도, 수신각도 45도 내지 55도로 설정되어 있었다. 이 각도를 45도 내지 55도로 규정하는 이유는, 종래는 결함 선단에 초음파 빔을 조사하여 얻어지는 회절파는 45도 내지 55도 방향이 강하다고 생각되어 일반적으로 사용되어 왔기 때문이다.
그러나, 초음파의 입사각을 약 45도 내지 55도, 수신용도 약 45도 내지 55도로 설정한 TOFD법에서는, 초음파 송신 탐촉자와 수신 탐촉자를 약 45도 내지 55도의 송수신 각도를 유지하기 위하여 그것에 따른 넓은 일정간격으로 초음파 송신 탐촉자와 수신 탐촉자의 간격을 고정하여 배치하고, 초음파 송신 탐촉자와 수신 탐촉자를 합한 바깥 치수가 커지기 때문에 각 송수신 탐촉자가 접촉하는 면적이 작은 검사부분이나 협애(狹隘)부의 초음파 탐상검사에는 적용을 할 수 없음과 동시에 초음파의 송신으로부터 수신까지의 초음파의 경로길이가 길어져 초음파 수신강도가 약해지는 과제가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 검사대상물의 얕은 위치로부터 깊은 위치에 걸쳐 확실하게 결함을 검출하는 것으로, 더욱 바람직하게는 초음파의 감쇠가 큰 검사대상물에도 초음파 탐상을 확실하게 실시할 수 있도록 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 초음파 탐상장치의 송수신 어레이센서로서, 초음파를 송신하는 복수의 송신용 진동소자를 배열한 송신 진동자열과 초음파를 수신하는 복수의 수신용 진동소자를 배열한 수신 진동자열의 양쪽을 구비하고, 각각의 진동자열의 상기 진동소자는 폭이 0.1mm 내지 2mm 이고, 각각의 진동자열 내에서 인접하는 상기 진동소자는 서로 0.05mm 내지 0.2mm의 간격을 가지고 배치되어 있는 초음파의 송수신 어레이센서의 구성을 제안한다. 또 그 구성에 아울러 바람직하게는 초음파의 입출사면을 피하여 송수신 어레이센서에 검사대상물에 접하는 마찰저감수단을 설치하는 것을 제안한다.
또 초음파 탐상장치로서, 초음파 송신각과 초음파 수신각의 합의 절반이 30도 이내가 되는 집속위치에 각각의 상기 송신용 진동소자로부터 발신된 각 초음파를 집속시키는 제어장치와, 상기 수신용 진동소자가 수신한 초음파에 의거하여 탐상정보를 생성하는 생성수단과, 상기 생성수단에 의하여 생성된 탐상정보를 표시하는 표시수단을 가지는 구성을 제안한다.
또 초음파 탐상방법으로서 초음파를 송신하는 복수의 송신용 진동소자를 배열한 송신 진동자열 및 초음파를 수신하는 복수의 수신용 진동소자를 배열한 수신진동자열의 양쪽을 가지는 송수신 어레이센서로 검사대상물에 대하여 초음파를 송수신하고, 상기 송수신에 관한 초음파 송신각과 초음파 수신각의 합의 절반이 30도 이내가 되는 집속위치에 상기 초음파를 집속하도록 초음파 탐상장치를 제어하는 초음파 탐상방법을 제안한다.
발명자들은 복수의 초음파의 진동소자를 배열한 송신 진동자열을 구비하고 있는 어레이형 송신 초음파진동자(송신용 어레이센서라고도 함)와 복수의 초음파 진동소자를 배열한 수신 진동자열을 구비하고 있는 어레이형 송신 수신 초음파 진동자(수신용 어레이센서라고도 함)를 하나의 케이싱 내에 수납하여 일체로 성형한 송수신 일체형 소형 어레이센서(이하, 단지 송수신 어레이센서 또는 센서라 약칭함)를 제작하였다. 발명자들은 이 센서를 사용하여 초음파의 송신 및 수신의 양자 에 집속을 걸고, 그 위에 또 종래에서는 회절파의 검출이 곤란하다고 생각되고 있던 초음파의 송신/수신각을 각각 0도 내지 30도로 설정하여 검사대상물 내의 결함에 초음파를 조사하여 결함 탐상 및 결함 사이징시험을 실시하였다.
그 결과, 결함 탐상 및 결함 사이징이 양호하게 실시 가능한 것을 비로소 발명자들이 명백하게 하였다. 즉, 초음파의 송신/수신각이 종래는 45도 내지 55도인 것을 30도 이하라는 얕은 각도에서도 결함 탐상 및 결함 사이징이 양호하게 가능한 것을 발견하였다.
즉, 초음파의 송신/수신각이 45도 내지 55도인 종래 TOFD법과는 다른 새로운 초음파 탐상방법을 확립할 수 있었다. 이 새로운 초음파 탐상방법은 송수신의 입사각이 30도 이하인 영역을 사용함으로써 송신 및 수신의 집속점의 교차영역을 넓게 하는 것이 가능하고, 송신 초음파의 집속점과 수신 초음파의 집속점의 약간의 위치 어긋남에 의한 결함 검출감도의 변동을 대폭으로 저감할 수 있고, 결함 검출 및 결함 사이징이 안정되게 실시 가능한 특징을 가진다는, 이른바 결함 검출감도의 견고성을 실현할 수 있기에 이르렀다.
이 새로운 초음파 탐상방법을 사용함으로써 종래법인 단부 에코법이나 TOFD 법에서는 결함검출 및 결함 사이징이 불가능하였던, (1) 결함 폭이 좁고, 초음파 회절강도가 미약한 결함, (2) 초음파의 감쇠가 큰 재료나 초음파가 굴곡되는 이방성 재료 중의 결함, (3) 탐촉자의 접촉 가능 면적이 작은 검사부분이나 협애부의 결함, (4) 용접 금속 중의 결함의 결함 검출 및 결함 사이징을 실현할 수 있었다.
이 새로운 초음파 탐상방법을 실현하는 구체적인 실시예를 이하에 설명한다. 도 1은 본 발명의 초음파 탐상장치의 전체를 나타내는 것이다. 본 발명의 실시예에 의한 초음파 탐상장치는 크게 나누어 초음파 탐상장치 본체(122)와, 그 초음파 탐상장치 본체(122)와 각 신호선으로 전기적으로 접속된 송수신 어레이센서(14)[이하, 단지 센서(14)라 함)로 구성된다. 그 각 신호선은 한 묶음이 되어 신호 케이블(123)이 된다.
센서(14)는 송신용 어레이센서를 구성하는 송신 진동자열(15)의 각 진동소자(A, B, C, D)로부터 검사 대상물인 검사대상 재료(21) 내에 초음파(16)를 송신하고, 그 초음파(16)에 의거하여 검사대상 재료(21) 내에서 초음파(16)가 결함(22)의 하단에서 회절하여 발생한 회절파를 수신용 어레이센서를 구성하는 수신 진동자열(19)의 각 진동소자(O, P, Q, R)에서 수신하고, 수신 진동자열(19)의 각 진동소자로부터 회절파를 수신한 것에 의하여 각 진동소자에 발생한 전기적 신호를 초음파 탐상장치 본체(122)에 출력하는 것이다. 이 송신 진동자열(15)의 각 진동소자(A, B, C, D)는 송신용으로 사용되기 때문에 송신용 진동소자이고, 수신 진동자열(19)의 각 진동소자(O, P, Q, R)는 수신용으로 사용되기 때문에 수신용 진동소자라 정의할 수 있다.
이 송신 진동자열(15)과 수신 진동자열(19)을 일체로 하여 구비한 센서(14)는 검사대상 재료(21)의 표면에 결함(22)의 바로 위에 센서(14)의 중앙부가 위치하도록 하여 놓여진다.
초음파 탐상장치 본체(122)는, 그 수신 진동자열(19)의 각 진동소자로부터 전기적 신호를 받아 초음파 탐상결과로서 검사결과를 창출하는 것이다. 초음파 탐 상장치 본체(122)로서는 입력장치(1)와 메모리(2)와 초음파제어장치(3)와 정보처리장치(4)와 I/O(5)와 표시장치(6)와 송신측 앰플리파이어제어장치(9)와 수신측 앰플리파이어제어장치(10)와 송신 초음파 진동자제어장치(7)와 수신신호처리장치(8)와 송신측 앰플리파이어(11)와 수신측 앰플리파이어(12)를 가진다.
이하에서 이들 각 장치의 상세한 설명 및 그 장치의 역할을 기재한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 의한 초음파 탐상장치의 전체도를 나타내는 것이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 있어서의 동작단계의 플로우를 기재한 것이다.
먼저, 입력장치(1)를 사용하여 초음파의 송수신 패턴을 결정하기 위한 입력조건을 입력한다(단계 a). 입력조건이란 결함을 고감도로 검출하기 위한 초음파 송수신 패턴을 결정하기 위한 조건으로, (1) 송신 진동자열(도 2에서는 여기소자열이라 기재하고 있음)로 하는 진동소자(A, B, C, D), (2) 수신 진동자열(도 2에서는 수신 소자열이라 기재하고 있음)의 진동소자(O, P, Q, R), (3) 송신 초음파 집속점의 위치(F11, F12, …, Fmn, m = 1 내지 i, n = 1 내지 j), (4) 수신측 집속점의 위치(F11, F12, …, Fmn, m = 1 내지 i, n = 1 내지 j), (5) 송신측 앰플리파이어(11)의 증폭도를 나타내는 게인, (6) 수신측 앰플리파이어(12)의 증폭도를 나타내는 게인 등으로 구성된다. 이 입력조건은 입력장치(1)로부터 메모리(2) 및 초음파제어장치(3)에 전송된다(단계 b).
초음파제어장치(3)에서는 입력조건에 의해 각 초음파 집속점에 초음파가 집속되는 각 초음파 진동자의 초음파 송신 타이밍(Ttimn) 및 수신 타이밍(Trimn)을 계산한다(단계 c). 여기서 Tt : 송신 초음파 지연시간, Tr : 수신 지연시간, i : 진동소자의 번호(A, B, C, ……), mn : 2차원 좌표이다.
송신 진동자열의 각 진동소자(A, B, C, D) 및 수신 진동자열의 진동소자(O, P, Q, R)를 동작시키기 위하여 필요한 초음파제어신호를 송신 초음파 진동자제어장치(7) 및 수신신호처리장치(8)에 초음파제어장치(3)로부터 I/O(5)를 거쳐 송신한다(단계 d). 송신 초음파 진동자제어신호[집속점(Fmn), 초기값(F11)]는 송신측 앰플리파이어(11)를 사용하여 증폭되고, 송신 진동자열(15)의 각 진동소자(A, B, C, D)에 공급된다(단계 e).
송신 진동자열(15)의 각 진동소자(A, B, C, D)로부터 방출된 각각의 초음파(16)(구면파)는 시간차가 있기 때문에, 검사대상 재료(21) 내부의 집속점(17)(Fmn)의 위치에서 각 초음파(16)는 집속된다(단계 f). 도 1에 있어서는 집속점(17)(Fmn)에 초음파(16)를 집속시키기 위하여 집속점(17)(Fmn)에 가장 먼 센서(14)의 가장 바깥부 부근에 존재하는 진동소자(A)에 대한 송신신호가 가장 빨리 입력되어, 가장 빨리 초음파가 진동소자(A)로부터 방출된다. 또 집속점(17)(Fmn)에 가장 가까운 센서(14)의 중심부근에 존재하는 진동소자(D)에 대한 송신신호가 가장 느리게 입력되어, 가장 느리게 초음파(16)가 진동소자(D)로부터 방출된다.
도 3에 각 진동소자에 대한 송신 초음파 진동자제어신호의 타이밍차트를 나타낸다. 또, 도 4에 도 3에 의하여 발생하는 초음파(16)의 발생 타이밍차트를 나타낸다. 위에서도 설명한 바와 같이 검사대상 재료(21) 내부의 집속점(17)(Fmn)의 위치에서 초음파를 집속하기 위한 각 진동소자(A, B, C, D)에 대한 지연시간(TrAmn, TrBAmn, TrCmn, …)은 초음파제어장치(3)로 계산된다. 따라서 초음파(16)(구면파)는 시간차가 있기 때문에, 검사대상 재료(21) 내부의 집속점(17)(Fmn)의 위치에서 초음파는 집속시키는 것이 가능하게 된다.
집속점(17)(Fmn)의 위치에 결함 단부가 있는 경우, 초음파가 결함 단부에서 회절하여 회절파(18)가 생기고, 회절파(18)는 수신 진동자열(19)의 각 진동소자(O, P, Q, R)에 시간차를 가지면서 입사한다(단계 g).
도 1에서는 집속점(17)(Fmn)에 가장 가까운 센서(14)의 중앙부근에 존재하는 수신측의 진동소자(O)에 입사하는 회절파(18)가 시간적으로 가장 빠르고, 또 집속점(17)(Fmn)에 가장 먼 센서(14)의 가장 바깥부 부근에 존재하는 수신측의 진동소자(R)에 입사하는 회절파(18)가 시간적으로 가장 느리다. 수신 진동자열(19)의 각 진동소자(O, P, Q, R)에 회절파(18)가 입사되면, 수신 진동자열(19)의 각 진동소자(O, P, Q, R)에는 회절파(18)의 강도 및 시간에 대응한 초음파 수신신호(전기신호)가 유기되고, 이 초음파 수신신호(전기신호)는 수신측 앰플리파이어(12)로 증폭되어 수신신호처리장치(8)에 입력된다(단계 h)[여기서, 수신측 앰플리파이어(12)와 수신신호처리장치(8)를 교체하여 수신신호처리장치(8)로 신호를 가산하여 하나의 신호로 합성한 후에 수신측 앰플리파이어(12)의 1개로 증폭하여도 된다].
수신신호처리장치(8)에서는 수신 진동자열(19)의 각 진동소자(O, P, Q, R)의 수신의 집속점(17)(Fmn)과 수신 진동자열(19)의 각 진동소자(O, P, Q, R)의 위치관계(거리관계)에 의하여 각 초음파 수신신호(전기신호)를 합성하는 수신 타이밍(Trimn)을 제어한 후, 각 초음파 수신신호(전기신호)를 가산하여 하나의 초음파 수신신호를 작성한다(단계 i). 수신 타이밍(Trimn)은 입력조건에 의해 결정된 수신의 집속점[집속점(17)(Fmn)과 동일]에 수신 진동자열(19)의 각 진동소자(O, P, Q, R)의 수신의 집속점이 집속되는 값을 초음파제어장치(3)로 계산된 것이다.
초음파 수신신호는 I/O(5)를 거쳐 정보처리장치(204)와 메모리(2)에 전송된다(단계 j). 여기서 얻어지는 초음파 수신신호를 정보처리장치(4)로 표시형태에 따라 처리하여 표시장치(6)로 탐상정보로서 표시시켰을 때의 대표예를 도 5에 나타낸다. 이 신호표시는 A 스코프(scope)라 불리우고 있고, 탐상정보로서 가로축이 초음파 수신신호(전기신호)의 시간, 세로축에는 초음파 수신신호 강도가 표시된다. 도 5와 같이 탐상정보로서 결함 회절파 신호가 표시됨으로써, 그 결함 회절파 신호의 존재를 결함의 존재 근거로서 인식하여 결함의 검출이 가능하게 된다. 또 초음파의 송신한 시간과 회절파의 검출시간(초음파의 전파시간)에 의하여 결함의 깊이를 측정(결함 사이징)할 수 있다.
종래의 초음파 탐상방법에 의한 회절파(18)는 미약하기 때문에, 본 실시예에서는 상기한 바와 같이 결함 단부에 송신 초음파를 집속시키고, 수신측도 집속시킴으로써 회절파 검출감도를 대폭으로 향상시키는 것이 가능하게 된다. 또한 초음파의 송신각이나 회절파의 수신각이 30도 이하의 영역을 사용함으로써 송신 및 수신의 집속점의 교차영역을 넓게 하는 것이 가능하고, 결함검출 및 결함 사이징을 견고하게 하는 것이 가능하게 되었다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에서는 초음파의 송수신각이 30도 이하가 되는 영역에 초음파의 집속점을 적어도 1점 설정하고 있고, 전 점(全点)을 그와 같이 설정하여도 된다.
이와 같이 하여 초음파(16)의 집속점과 수신의 집속점이 동일한 장소가 되 도록 초음파제어장치(3)로 초음파 송신타이밍과 수신타이밍을 계산하여, 그 제어신호를 송신 초음파 진동자제어장치(7)와 수신신호처리장치(8)에 부여하여 처리한다.
이상의 단계 e에서부터 단계 j의 동작은, 2차원 좌표로 정의되는 집속점(F11, F12, …, Fmn, m = 1 내지 i, n = 1 내지 j)이 복수 존재하는 경우에는, 단계 j 이후의 단계 k, l. m, n, o를 실행함으로써, 복수의 각 집속점에 대하여 행하여진다. 그리고 최종적으로는 단계 P에서 회절파를 수신하여 얻어진 수신신호를 소망하는 표시형태에 맞도록 정보처리장치(4)로 처리하고, 그 정보처리장치를 사용하여 수신신호를 원하는 표시형태의 탐상정보로서 표시장치(6)에서 화상 표시함과 동시에, 수신신호의 정보(수신 데이터)를 처리, 해석한다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에서는 소형이고 고감도, 고분해 분해능 및 결함검출이 견고한 탐상방법을 실현하기 위하여, (1) 초음파 탐상장치에 있어서, 송신용 어레이센서와 수신용 어레이센서의 각각의 집속 음장의 교점[집속점(17)]이 존재하고, 그것이 이루는 초음파의 송신각과 수신각의 각도의 합의 1/2 이 30도를 포함하는 범위에서 집속 음장의 교점을 이동시키는 것, (2) 집속 음장의 교점이 송신용 어레이센서와 수신용 어레이센서의 중심인 것, (3) 초음파의 송신각(θt)과 수신각(θr)의 값을 종래에서는 회절파의 검출이 곤란하다고 생각되고 있던 30도 이하의 영역을 사용하여[송신각(θt)과 수신각(θr)을 각각 30도 이하의 영역을 포함하도록 설정], 결함에 초음파를 송신/수신하고, 초음파의 전파시간으로 결함 탐상 및 결함 사이징시험을 실시하는 것, (4) 소형, 고감도, 고분해 분해능한 송수신 일체형 소형 어레이센서에 적합한 소형이면서 치밀화한 어레이센서(소자 폭 : 2.0mm 이하, 절연재 폭 : 0.2mm 이하)로 하고 있는 것 등을 제안할 수 있다.
도 6(a) 및 도 6(b)에 센서(14)로부터 검사대상 재료(21)에 대한 초음파(16)의 송신각(θt)과 초음파인 회절파(18)의 센서(14)에 대한 수신각(θr)의 정의를 나타낸다. 초음파 송신각(θt)은 송신 진동자열(15)의 중앙과 집속점(17)을 연결한 선(도면 중 실선)과 센서(14)의 중심[송신 진동자열(15)과 수신 진동자열(19)의 사이]과 집속점(17)을 연결한 선(도면 중 파선)이 이루는 각이라 정의한다. 수신각(θr)은 수신 진동자열(19)의 중앙과 집속점(17)을 연결한 선(도면 중 실선)과 센서(14)의 중심[송신 진동자열(15)과 수신 진동자열(19) 사이]과 집속점(17)을 연결한 선(도면 중 파선)이 이루는 각이라 정의한다.
본 발명의 실시예에서는 초음파 탐상장치에서 송신한 초음파와 회절파로서 수신한 초음파의 각각의 집속 음장의 교점[집속점(17)]이 존재하고, 그 집속 음장의 교점에 대한 초음파 송신각(θt)과 수신각(θr)의 합의 1/2 이 30도 이하를 포함하는 범위에서 집속 음장의 교점을 이동시키고 있다. 이 동작을 실행하기 위해서는 송신각(θt)과 수신각(θr)의 값이 각각 30도 이하를 포함하는 범위에서 집속 음장의 교점의 위치를 변위시키도록 입력조건으로서 송신 초음파 집속점(F11, F12, …, Fmn, m = 1 내지 i, n = 1 내지 j)과 수신측 집속점(F11, F12, …, Fmn, m = 1 내지 i, n = 1 내지 j)을 입력하고, 도 1의 장치를 사용하여 도 2의 동작의 플로우를 실행하여 실현할 수 있다.
도 7에는 센서(14)의 폭/안 길이/높이, 전기적 신호를 초음파로 변환하는 진동소자, 즉 송신 진동자열(15)과 수신 진동자열(19)을 구성하는 진동소자의 소자 폭/소자길이 및 절연재 폭의 정의를 도시하고 있다.
본 발명의 실시예에서는 송신용 어레이센서와 수신용 어레이센서를 소형으로 일체화한 센서(14)를 사용하는 것, 그 센서(14)의 크기가 검사대상 부위 또는 검사대상 부위인 용접 금속부의 폭보다 작은, 또는 동등한 것, 센서(14)에 장비된 송신진동자열(15)과 수신 진동자열(19)을 구성하는 진동소자의 폭이 소자와 소자 간격의 2배 이상, 40배 이하인 것, 특히 원자로 노 내에서 사용하는 초음파 탐상장치에 있어서, 검사 대상면인 용접 금속부나 모재(母材)에 직접 접촉시키는 송수신 일체형 소형 어레이센서의 접촉면적(풋 프린트)을 센서(14)의 폭방향 30mm × 센서(14)의 안 길이 방향 30mm 이하의 소형으로 하여 용접 금속부 결함의 바로 위로부터 센서(14)를 직접 접촉시킴으로써 결함의 검출 또는 사이징을 행할 수 있도록 하였다. 센서(14)의 진동소자에 관해서는 소자 폭이 2.0mm를 초과하면 바로 아래방향의 초음파가 바로 밑으로 강해져 가로방향의 그것이 약해지기 때문에 결과적으로 초음파의 집속제어가 행하기 어렵게 되는 것 및 소자 폭이 0.1mm 미만인 경우에는 발신할 수 있는 초음파의 에너지가 약해져 깊은 위치에 초음파가 전달되기 어려워지는 것을 고려하여 진동 집속소자 폭은 O.1mm 내지 2.0mm로 하고, 진동소자 사이의 절연재 폭은 0.05mm 내지 0.2mm로 하였다. 이와 같이 하여 소형으로 진동소자가 치밀화된 센서(14)를 구성한다.
예를 들면, 센서(14)의 진동 집속소자 폭과, 진동소자 사이의 절연재 폭은, 송신 진동자열(15)과 수신 진동자열(19)의 각 진동소자(초음파 진동자) 사이의 간격을 1.0mm(소자 폭 : 0.8mm, 절연재 폭 : 0.2mm)로 설정하고, 송신 진동자열(15)을 8 소자, 수신 진동자열(19)을 8 소자, 합계 16 소자, 폭 : 1.0mm/소자 × 16 소자 = 16mm, 소자길이 : 10mm의 어레이 탐촉자로 실현하였다. 또 송신 진동자열(15)과 수신 진동자열(19)의 각 진동소자(초음파 진동자) 사이의 간격을 0.5mm(소자 폭 : 0.4mm, 절연재 폭 : 0.1mm)로 설정하고, 송신 진동자열(15)을 16 소자, 수신 진동자열(19)을 16 소자, 합계 32 소자, 폭 : 0.5mm/소자 × 32 소자 = 16mm, 소자길이 : 10mm의 어레이 탐촉자로 실현하였다. 또 송신 진동자열(15)과 수신 진동자열(19)의 각 진동소자(초음파 진동자) 사이의 간격을 0.25mm(소자 폭 : 0.2mm, 절연재 폭 : 0.05mm)로 설정하고, 송신 진동자열(15)을 32 소자, 수신 진동자열(19)을 32 소자, 합계 64 소자, 폭 : 0.25mm/소자 × 64 소자 = 16mm, 소자길이 : 10mm의 어레이 탐촉자로 실현하였다. 이들에 의하여 센서(14)의 폭과 안 길이에 의하여 결정되는 센서(14)의 단면(풋 프린트)이 폭방향 약 16mm × 안 길이방향 10mm로 매우 작은 센서를 실현할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예는 센서(14)의 단면적(풋 프린트)이 폭방향 30mm × 안 길이방향 30mm 이하의 매우 작은 센서를 사용하고, 이 소형의 센서(14)로 결함 탐상 및 결함 사이징을 실현할 수 있다. 원자로 노 내의 대표적인 용접 금속부의 폭은 약 20 내지 50mm 전후이고, 이 위에 접촉시키는 것을 생각하면 센서(14)의 풋프린트는 폭방향 30mm × 안 길이방향 30mm 이하로 함으로써 검사가 양호하게 실시 가능하게 된다.
상기한 설명에서는 「검사 대상면인 용접 금속부나 모재에 직접 접촉시키는 송수신 일체형 소형 어레이센서의 접촉면적을 30mm × 30mm 이하의 소형으로 하고」라는 표현을 사용하고 있으나, 이 표현은 검사대상 재료의 표면에 센서(14)를 직접 밀착시키는 방법은 당연한 것이면서 검사대상 재료의 표면과의 마찰을 피하기 위하여 사용되는 부분 수침법(물거리 1Omm 이하)을 실시하는 것도 그 의미로서 포함한다.
도 8에 센서(14)의 구조의 일례를 나타낸다. 송신 진동자열(15)과 수신 진동자열(19)의 각 진동소자는 초음파가 출입하는 입출사면인 에폭시수지판(101)의 위에 설치되고, 수지(102)로 위치가 고정되어 있다. 케이싱(100)과 수지(102) 사이에는 초음파를 흡수하는 차음재(103)가 충전되어 있다. 도 9에 센서(14)의 다른 구조예에서는 송신 진동자열(15)과 수신 진동자열(19)의 각 진동소자는 에폭시수지판(101)의 위에 설치되고, 그 사이에는 흡음재(104)(코르크재 등)가 설치되고, 이에 의하여 송신 진동자열(15)과 수신 진동자열(19) 사이의 소리의 크로스토크는 대폭으로 저감 가능하여, 노이즈의 저감과 더 한층의 검출감도의 향상을 실현할 수 있다.
뒤에 기재한 실시예에서 상세하게는 설명하나, 본 장치구성을 사용하면 집속점(17)을 센서(14)의 중심 바로 아래방향에 전자적으로 주사하는 것, 즉 집속점(17)의 위치를 이동시키는 것이 가능해진다. 여기서 얻어지는 탐상정보로서 결함의 신호를 표시장치(6)로 표시시켰을 때의 대표예를 도 10에 나타낸다. 이 신호표시는 결함깊이를 표시한 것으로, 가로축이 송수신 일체형 소형 어레이센서(14)의 송신 진동자열(15)과 수신 진동자열(19)이 늘어서 있는 방향의 거리, 세로축은 센서(14)의 바닥면방향의 거리이다. 도 10에 있어서의 원점이 수신 어레이 프로브의 중심이고, 초음파의 수신각(θr)일 때의 신호강도(A 스코프의 신호강도를 색농담(色濃淡) 화상으로 표시)를 표시한 것이다. 즉, 이 2차원 좌표상의 농담분포는 초음파 수신신호(전기신호) 강도를 표시한 것이다. 초음파 수신신호(전기신호)의 강도가 높은 부분에는 초음파의 발생원(반사원)인 결함의 선단이 있다고 평가할 수 있기 때문에 결함의 사이징이 가능해진다. 도 10에서 알 수 있는 바와 같이 결함의 선단을 시각적으로 인식하는 것이 가능하여, 결함검출 및 결함 사이징의 객관성을 향상할 수 있다.
도 11에 본 발명의 실시예에 있어서의 초음파 탐상장치의 다른 표시예를 나타낸다. 도 11은 결함 선단이 2부분 있는 경우의 예를 나타내었다. 초점깊이 [F11(θr = θ1), F12(θr = θ2), F13(θr = θ3), F14(θr = θ4) …]에 대하여 θr 마다 A 스코프를 표시시킨 것이나, 이때의 F11(θr = θ1), F12(θr = θ2), F13(θr = θ3), F14(θr = θ4)의 A 스코프의 모식파형을 도 11에 나타내었다. F11(θr = θ1)에 착안하면 초음파 집속점 영역에 존재하는 초음파 신호가 결함 지시신호라고 생각되고, 마찬가지로 F12(θr = θ2), F13(θr = θ3), F14(θr = θ4)의 초음파 집속점 영역에 착안하여, 이 초음파 집속점 영역에 게이트를 걸어 모두 가산하면 최하부의 A 스코프 파형(AC 스코프)이 얻어진다. 이 AC 스코프의 초음파신호가 존재하는 곳에 결함 선단이 있다고 인식할 수 있기 때문에 결함 검출 및 결함 사이징이 가능해진다.
도 12에 본 발명의 실시예에 있어서의 탐상정보의 다른 표시예를 나타낸다. 이 탐상정보의 신호표시는 결함깊이를 객관적으로 평가하는 것을 목적으로 표시한 것으로, 가로축이 결함깊이(∝ 초음파 수신신호의 시간), 세로축은 집속 패턴번호 이다. 세로축의 집속 패턴번호란 송신 초음파 집속점( = 수신측 집속점) 번호이고, F11, F12, F13, F14에 대응한다. 즉, 도 3c는 세로축(집속 패턴번호)에 대응한 A 스코프의 신호강도를 색농담 화상으로 표시시킨 것이다. 초음파 수신신호(전기신호)의 강도가 높은 부분에는 회절파인 초음파의 발생원(반사원)으로서의 결함의 선단이 있다고 평가할 수 있기 때문에, 결함의 사이징이 가능해진다. 도 12로부터 알 수 있는 바와 같이 결함의 선단을 시각적으로 인식하는 것이 가능하여, 결함 검출 및 결함 사이징의 객관성을 향상할 수 있다.
집속점(17)을 센서(14)의 중심 바로 아래방향으로 전자적으로 주사하는 탐상조건으로 그 센서(14)를 기계적으로 주사[센서(14)의 송신 진동자열(15)과 수신 진동자열(19)의 각 진동소자가 늘어서 있는 방향에 대하여 직교하는 수평방향으로 주사]한 경우의 결함의 신호를 포함하는 탐상정보를 표시장치(6)로 표시시켰을 때의 대표예를 도 13에 나타낸다. 가로축이 초음파 수신신호(전기신호)의 시간, 세로축은 센서(14)의 주사방향의 거리이고, 이 2차원 좌표상의 농담분포는 초음파 수신신호(전기신호) 강도를 표시한 것이다. 즉, 초음파 수신신호(전기신호)가 국소적으로 강도가 높은 부분에는 회절파인 초음파의 발생원(반사원)인 결함의 선단이 있다고 평가할 수 있고, 또 이외의 정상적으로 강도가 높은 부분에는 바닥면 에코라고 판단할 수 있기 때문에, 결함의 검출 및 사이징이 가능하게 된다.
초음파의 송수신으로 얻어진 수신신호의 정보는 도 10, 도 11, 도 12, 도 13 중 어느 하나의 표시에 의한 탐상정보로서 표시장치(6)로 가시화되는 것이나, 그것들의 탐상정보는 수신신호처리장치(8)로부터 메모리(2)에 보내져 축적된 수신신호나 정보처리장치(4)에 보내어져 온 수신신호에 의거하여 정보처리장치(4)에서 표시형태로 있었던 탐상정보로 처리되어 표시장치(6)에 표시된다.
도 1에서는 결함(22)의 아래쪽 선단의 위치가 대략 판명되어 있는 경우이고, 초음파(16)의 집속점(17)을 그 선단의 위치에 맞추어 1부분으로 하는 입력조건으로 한다. 검사대상 재료(21)의 표면에 개구되어 있는 결함(22)의 선단[각 도면에 있어서의 결함(22)의 하단]에 초음파(16)의 집속점(17)을 정하고, 그 집속점(17)에 초음파(16)를 집속시키도록 송신 진동자열(15)의 각 진동소자(A, B, C, D)로부터 초음파(16)를 발신하여 결함(22)의 선단인 집속점(17)을 향하여 초음파(16)를 집속시킨다. 집속된 초음파(16)는 결함(22)의 선단에서 회절하여 회절파(18)가 생긴다. 이 회절파(18)는 수신 진동자열(19)의 각 진동소자(O, P, Q, R)에 입사하여 수신된다. 각 진동소자(O, P, Q, R)가 회절파를 수신함으로써 각 진동소자(O, P, Q, R)로부터 초음파 수신신호(전기신호)가 출력되어 송수신 신호지연제어장치(7)에 전송되어, 증폭 및 지연처리가 실행된 후, 초음파 파형인 도 5의 파형이 표시장치(6)에 표시된다. 그 표시내용은 도 10, 도 11 또는 도 13 등이어도 된다. 이에 의하여 결함검출 및 결함 사이징이 가능해진다. 도 1에서는 결함(22)의 선단을 어느 정도 알고 있을 때의 방법에 대하여 설명하였다. 이 경우에는 집속점(17)은 1부분이기 때문에 집속점(17)을 복수 설정하여 집속점을 이동시킬 필요가 없다.
도 14는 본 발명의 실시예에 의한 초음파 탐상장치를 결함 검출 및 결함 사이징에 적용한 다른 예를 나타내는 것이다. 위에서 설명한 바와 같이 결함(22)의 아래쪽의 선단을 어느 정도 알고 있을 때의 방법에 대하여 설명하였으나, 실제의 검사에서는 카메라 등을 사용한 육안검사로 검사대상 재료(21)의 표면에 결함(22)의 개구가 있다고 하는 초기정보밖에 없는 경우가 많다. 즉, 결함(22)의 깊이, 즉, 결함(22)의 하단의 위치는 모르는 상태에서 초음파 탐상시험을 실시하는 경우가 많다. 도 14에서는 이와 같은 결함(22)의 깊이는 모르는 상태에서 초음파 탐상 시험을 실시하는 예에 대하여 기재한 것으로, 이하에서 상세하게 설명한다.
도 14를 사용하여 결함 탐상 및 사이징의 순서를 이하에 기재한다. 검사대상 재료(21) 속에 발생한 결함(22)의 바로 위, 즉, 검사대상 재료(21)의 표면에 나타난 결함(22)의 개구에 센서(14)를, 센서(14)의 중앙부가 대면하도록 누른다.
결함(22)과 센서(14)의 위치맞춤은, 눈으로 보거나 또는 카메라와 조명을 사용한 원격으로 육안검사를 실시하여 센서(14)의 중심과 결함(22)의 개구를 위치 맞춤한다. 즉, 결함(22)의 바로 위에 센서(14)의 위치맞춤을 하여 결함검출 및 결함 사이징을 실시한다.
검사대상 재료의 표면에 존재하는 결함(22)의 개구측으로부터의 육안검사로는 결함(22)의 깊이는 알 수 없기 때문에, 본 실시예에서는 송신 초음파(16)의 집속점(17)( = 초음파의 집속 수신점)을 결함의 안 길이(깊이)방향인 센서(14)의 바로 아래 방향으로 연속적으로 또는 이산적으로 주사시킨다. 이 송신 초음파(16)의 집속점(17)( = 초음파의 집속 수신점)의 센서(14) 바로 아래방향의 주사는 초음파제어장치(3)를 사용하여 송신 초음파 진동자제어장치(7) 및 수신신호처리장치(8)를 제어하기 가능하고, 초음파 집속 폭은 수 밀리(milli) 정도의 유한의 크기를 가지기 때문에 결함(22)의 단부와 집속한 송신 초음파(16)와의 상호작용으로 회절파(18)가 생긴다. 이 회절파(18)는 수신 진동자열(19)에 입사하고, 초음파 수신신호(전기신호)는 수신측 앰플리파이어(12)로 증폭되어 수신신호처리장치(8)에 전송/신호 합성되어 메모리(2)에 기억 또는 정보처리장치(4)로 신호처리된다. 여기서 얻어지는 초음파 파형은 도 5가 얻어지고, 결함 검출 및 결함 사이징의 출력은 도 10, 도 13이 얻어진다. 이에 의하여 결함(22)의 깊이는 알 수 없는 상태이어도 결함 검출 및 결함 사이징이 가능해진다.
도 14와 표 1을 사용하여 집속점(17)의 위치(깊이)에 의하여 송신 앰플리파이어의 게인을 변화시키는 일례를 설명한다. 도 14에서는 집속점(17)을 F11 → F12 → F13 → F14로 주사시키고 있다. 이 때문에 도 14의 예에서는 송수신의 집속점(17)의 위치로서 4부분의 위치가 초음파의 송수신 패턴을 결정하기 위한 입력조건으로서 설정된다.
검사대상 재료(21)의 집속점(17) 중, 표층 부근(F11)에서는 깊은 점(F14)에 비하여 초음파의 전파거리가 짧고, 검사대상 재료(21) 중의 초음파의 감쇠가 적기 때문에, 표층 부근(F11)에서는 초음파의 강도가 높다. 이에 대하여 집속점이 깊은 점(F14)에서는 초음파의 전파거리가 길고, 검사대상 재료(21) 중의 초음파의 감쇠가 크며, 표층 부근(F11)에 비하여 초음파의 강도가 낮아진다. 집속점이 깊은 점(F14)에 맞추어 송신측 앰플리파이어(11)의 게인을 설정하면 표층 부근(F11)에서는 게인이 지나치게 높아 초음파의 불감대가 커지기 때문에, 검사대상 재료(21)의 표층 부근(F11)의 결함을 검출할 수 없다.
이 때문에, 검사대상 재료(21)의 표층 부근(F11)에서는 집속점이 깊은 점(F14)에 비하여 송신측 앰플리파이어(11)의 게인을 낮게 설정한다. 즉, 본 실시예에서는 집속점 깊이에 최적의 초음파 강도를 주기 위하여 초음파제어장치(3)로 집속점 깊이에 최적의 초음파 강도를 계산 및 설정하고, I/O(5)를 통하여 송신측 앰플리파이어제어장치(9)를 제어하여, 송신측 앰플리파이어(11)의 게인을 집속점 깊이에 따라 변화시킨다. 따라서 초음파제어장치(3)와 송신측 앰플리파이어제어장치(9)가 제 1 증폭도제어장치로서도 기능한다. 이에 의하여 검사대상 재료(21) 내의 집속점(17) 중, 표층 부근(F11)으로부터 집속점이 깊은 점(F14)까지의 광범위에 있어서의 결함 검출 및 결함 사이징이 가능해진다.
Figure 112003040921878-pat00001
표 1에 대표적인 송신측 앰플리파이어(11)의 게인설정을 나타낸다. AT1 내지 AT4는 송신측 앰플리파이어(11)의 각 앰플리파이어 명칭이며, 1 진동소자에 1 앰플리파이어가 접속되어 있는 것이다. F11 내지 F14는 송수신의 집속점(17)을 나타내고, 집속점(17)이 얕은 쪽으로부터 순서대로 F11 내지 F14이다. 각 앰플리파이어(AT1 내지 AT4)가 있는 집속점(F11 내지 F14)에 있어서의 게인은 G 이다. 예를 들면 앰플리파이어(AT1)의 집속점(F11)의 게인은 GA1, 집속점(F14)의 게인은 GD1이다. 표 1에 나타내는 바와 같이, 각 앰플리파이어의 게인은 집속점 깊이에 따라 게인을 최적화하고, 집속점 깊이가 깊어짐에 따라 게인을 크게 설정하는(GA < GB < GC < GD) 것을 특징으로 한다.
상기에서는 집속점(17)의 깊이에 의하여 송신 앰플리파이어의 게인을 변화시키는 실시예의 일례를 나타내었으나, 이 효과는 집속점(17)의 깊이에 의하여 수신측 앰플리파이어(12)의 게인을 변화시킴으로써도 실현 가능하고, 그 일례를 이하에 설명한다. 검사대상 재료(21)의 표층 부근(F11)에서는 깊은 점(F14)에 비하여 초음파의 전파거리가 짧고, 검사대상 재료(21) 중의 초음파의 감쇠가 적기 때문에 표층 부근(F11)에서는 초음파의 강도가 높다. 이것에 대하여 집속점이 깊은 점(F14)에서는 초음파의 전파거리가 길고, 검사대상 재료(21) 중의 초음파의 감쇠가 커서, 표층 부근(F11)에 비하여 초음파의 강도가 낮아진다. 집속점이 깊은 점(F14)에 맞추어 수신측 앰플리파이어(12)의 게인을 설정하면, 표층 부근(F11)에서는 게인이 지나치게 높아 검사대상 재료(21)의 표층 부근(F11)의 결함을 정확하게 검출할 수 없다.
이 때문에, 수신측 앰플리파이어(12)의 게인을 검사대상 재료(21)의 표층 부근(F11)에서는 집속점이 깊은 점(F14)에 비하여 낮게 설정한다. 즉, 본 발명의 특징은 집속점 깊이에 최적의 초음파 검출감도를 주기 위하여 초음파제어장치(3)로 집속점 깊이에 최적의 초음파 검출감도를 계산 및 수신측 앰플리파이어(12)의 게인을 설정하고, I/O(5)를 통하여 수신측 앰플리파이어제어장치(10)를 제어하여, 수신측 앰플리파이어(12)의 게인을 집속점 깊이에 따라 변화시키는 점에 있다. 따라서 초음파제어장치(3)와 수신측 앰플리파이어제어장치(10)가 제 2 증폭도제어장치로서도 기능한다.
이에 의하여 검사대상 재료(21)의 표층 부근(F11)으로부터 집속점이 깊은 점(F14)까지의 결함 검출이 가능해진다. 표 2에 대표적인 수신측 앰플리파이어(12)의 게인설정을 나타낸다. AR1 내지 AR4는 수신 진동자열의 각 진동소자 1개에 대하여 1대의 수신측 앰플리파이어(12)를 접속한 그 수신 앰플리파이어(12)의 각 앰플리파이어명칭이고, F11 내지 F14는 집속점(17)을 나타내고, 집속점(17)이 얕은 쪽으로부터 순서대로 F11 내지 F14이다. 각 앰플리파이어(AR1 내지 AR4)가 있는 집속점(F11 내지 F14)에 있어서의 게인은 G 이다. 예를 들면 앰플리파이어(AR1)의 집속점(F11)의 게인은 GO1, 집속점(F14)의 게인은 GR1이다. 표 2에 나타내는 바와 같이 각 앰플리파이어의 게인은 집속점 깊이에 따라 게인을 최적화하고, 집속점 깊이가 깊어짐에 따라 게인을 크게 설정한다(GO < GP < GQ < GR).
Figure 112003040921878-pat00002
상기에서는 집속점의 깊이에 의해 송신측 앰플리파이어 또는 수신측 앰플리파이어의 게인을 변화시키는 일례를 나타내었으나, 이 효과는 집속점(깊이)에 의하 여 송신측 앰플리파이어와 수신측 앰플리파이어의 양자의 게인을 변화시킴으로서도 실현 가능하다. 즉, 송신측 앰플리파이어와 수신측 앰플리파이어의 양자의 각 앰플리파이어의 게인은 집속점(17)의 깊이에 따라 게인을 최적화하고, 집속점(17)의 깊이가 깊어짐에 따라 게인을 크게 설정하는 것을 특징으로 한다.
도 15는 본 발명의 실시예에 의한 초음파 탐상장치를 결함검출 및 결함 사이징에 적용한 다른 예를 나타내는 것이다. 위에서 설명한 바와 같이 도 14의 예에서는 센서(14)의 바로 아래방향으로 결함(22)이 진전되고 있는 경우의 결함 검출 및 결함 사이징방법에 대하여 기재하였다.
도 14와 같이 결함(22)은 바로 아래방향으로 진전되고 있는 케이스가 많다고 생각되나, 드문 케이스로서는 결함이 바로 아래방향이 아니라, 경사방향으로 진전되고 있는 결함이나 결함 선단이 많이 갈라져 있는 케이스 등도 생각할 필요가 있다. 도 15는 결함의 진전형상을 모르는 상태에서 초음파 탐상시험을 실시하는 예에 대하여 기재한 것으로, 이하에서 상세하게 설명한다. 결함 탐상 및 사이징의 순서를 이하에 기재한다. 검사대상 재료(21) 속에 발생한 경사방향으로 진전되고 있는 결함이나 결함 선단이 많이 갈라져 있는 결함(24)의 표면 개구부의 바로 위에 센서(14)를 누른다. 표면 개구측으로부터의 육안검사로는 결함의 진전방향이나 결함형상은 알 수 없기 때문에, 먼저 송신 초음파(16)의 집속점(= 초음파의 집속 수신점)을 센서(14)의 바로 아래방향으로 연속적으로 또는 이산적으로 주사시켜 초음파 데이터를 수록한 후, 다음에, 집속점(= 초음파의 집속 수신점)을 센서(14)의 송신 진동자열(15)의 진동소자 배열방향(도 15에 있어서의 X 방향)으로 초음파 집속 폭(수 밀리 정도)의 1/2 또는 1/4 정도의 거리를 이동시킨 후에 바로 아래방향(도 15에 있어서의 Y 방향)으로 연속적으로 또는 이산적으로 주사시켜 초음파 데이터를 수록한다.
이후 다시 집속점(= 초음파의 집속 수신점)을 센서(14)의 송신 진동자열(15)의 진동소자 배열방향(도 15에 있어서의 X방향)으로 초음파 집속 폭(수 밀리 정도)의 1/2 또는 1/4 정도의 거리를 이동시킨 후에 바로 아래방향(도 15에 있어서의 Y방향)으로 연속적으로 또는 이산적으로 주사시켜 초음파 데이터를 수록하는 순서를 반복함으로써 센서(14) 하부의 2차원적인 주사를 실현할 수 있다. 본 실시예의 주사방법 및 결함검출에 의하여 검사대상 재료(21) 중에 발생한 경사방향으로 진전되고 있는 결함이나 결함 선단이 많이 갈라져 있는 결함(24)도 결함 검출 및 결함 사이징이 가능해진다.
도 16은 이미 설명한 어느 하나의 실시예에 의한 초음파 탐상장치를 원자로 노 내의 슈라우드 서포트(shroud support)부의 초음파 탐상작업에 적용한 예를 나타낸 것이다. 원자로 내의 슈라우드 서포트(25)와 슈라우드 서포트 링(27)은 원자로 압력용기 내에 장비되어 있어, 서로 인코넬(Inconel) 용접 금속부(29)로 용접되어 있다. 슈라우드 서포트(25)와 슈라우드 서포트 링(27)을 접합하는 인코넬 용접 금속부(29)를 용접으로 얻을 때에는 온도상승이 생겨 인코넬 용접 금속부(29)의 근방에 슈라우드 서포트 링의 열영향부(28)가 발생한다. 마찬가지로 인코넬 용접 금속부(29)의 근방에 슈라우드 서포트의 열영향부(26)가 발생한다. 일반적으로 인코넬 용접 금속부(29), 슈라우드 서포트 링의 열영향부(28) 및 슈라우드 서포트의 열영향부(26)는 응력부식 균열의 감수성이 높다고 생각되고 있고, 이들 부위의 결함 검출 및 결함 사이징은 매우 중요한 과제로 되어 있다. 표면 개구결함(22)의 검출은 종래형의 사각(斜角) 탐촉자를 사용한 초음파 탐상방법에서는 결함 검출 및 결함 사이징은 매우 곤란하다.
또, 종래 TOFD법을 사용한 용접부의 검사에서는 용접선을 걸친 체계에서의 검사가 되기 때문에, 초음파 빔의 전파경로가 송신 탐촉자 → 모재 → 용접 금속부 → 모재 → 수신 탐촉자가 되어 초음파 빔이 모재로부터 용접 금속부에 입사될 때에 초음파 빔이 구부러지는 것, 및 용접 금속 내부에서는 초음파 빔이 확산/감쇠되는 것이 알려져 있다. 또 종래형의 TOFD법을 사용한 초음파 탐상방법은, 초음파 송신 탐촉자와 수신 탐촉자를 일정간격으로 고정하여 주사하는 것이 필요하여 바깥 치수가 커지기 때문에 도 17에 나타내는 바와 같은 폭이 좁고 단차가 있는 인코넬 용접 금속부(29), 슈라우드 서포트 링의 열영향부(28) 및 슈라우드 서포트의 열영향부(26)에는 적용이 곤란하다. 도 17은 표면 개구결함(22)의 결함 검출 및 결함 사이징에 적합한 센서(14)를 사용한 초음파 탐상장치를 원자로 노 내의 슈라우드 서포트부의 인코넬 용접 금속부(29), 슈라우드 서포트 링의 열영향부(28) 및 슈라우드 서포트의 열영향부(26)에 적용한 예를 나타낸 것이다.
도 16에 있어서의 케이스 (1)은 표면 개구결함(22)의 결함 검출 및 결함 사이징에 적합한 센서(14)를 사용한 초음파 탐상장치를 슈라우드 서포트 링의 열영향부(28)에 적용한 예를 나타낸 것이나, 도면에서도 알 수 있는 바와 같이 표면 개구결함(22)의 정상[결함(22)의 개구부]에 센서(14)를 설치시키는 것이 가능하고, 슈라우드 서포트 링의 열영향부(28)에 적용 가능한 결함검출 및 결함 사이징이 가능해진다.
도 16에 있어서의 케이스 (3)은 본 발명인 표면 개구결함(22)의 결함 검출 및 결함 사이징에 적합한 센서(14)를 사용한 초음파 탐상장치를 슈라우드 서포트의 열영향부(26)에 적용한 예를 나타낸 것이나, 도면에서도 알 수 있는 바와 같이, 표면 개구결함(22)의 정상에 센서(14)를 설치시키는 것이 가능하고, 슈라우드 서포트의 열영향부(26)에 적용 가능한 결함 검출 및 결함 사이징이 가능해진다.
마찬가지로 도 16에 있어서의 케이스 (2)는 표면 개구결함(22)의 결함 검출 및 결함 사이징에 적합한 센서(14)를 사용한 초음파 탐상장치를 인코넬 용접 금속부(29)에 적용한 예를 나타낸 것이나, 도면에서도 알 수 있는 바와 같이 표면 개구결함(22)의 정상에 센서(14)를 설치시키는 것이 가능하고, 인코넬 용접 금속부(29)에 적용 가능하여 결함 검출 및 결함 사이징이 가능해진다.
특히 인코넬 용접 금속부(29)는 초음파의 감쇠가 큰 것, 초음파가 굴곡되는 것 및 노이즈 에코가 발생하기 때문에 인코넬 용접 금속부(29)에서의 초음파 전파거리가 길어지는 종래형의 사각 탐촉자를 사용한 초음파 탐상방법이나 종래형 TOFD 법을 사용한 초음파 탐상방법에서는 결함 검출 및 결함 사이징은 매우 곤란하다. 이에 대하여 본 발명인 송수신 일체형 소형 어레이센서(14)를 사용한 초음파 탐상방법에서는 송수신 일체형 소형 어레이센서(14)를 인코넬 용접 금속부(29)에 설치하여 결함 검출 및 결함 사이징을 실시하기 때문에, 이하의 이점이 있다.
(1) 용접 금속부의 초음파 전파거리를 비교적 짧게 할 수 있어, 회절파의 검출효율이 높아진다.
(2) 초음파의 굴곡의 영향이 다소 있었다고 하여도 송수신 일체형 소형 어레이센서(14)로부터 출사되는 초음파와 결함 선단으로부터의 회절파는 거의 동일한 경로를 전파하기 때문에, 송수신 일체형 소형 어레이센서(14)는 소형이고, 송신 초음파 진동자군과 수신 초음파 진동자군이 근접하고 있기 때문에, 회절파를 효율적으로 검출할 수 있다. 또한 나중에 다른 실시예에서 기재하는 송신 초음파 진동자와 수신 초음파 진동자를 교대로 배치한 송수신 일체형 소형 어레이센서에서는 초음파의 송신영역과 수신영역을 거의 동일한 영역으로 할 수 있기 때문에, 초음파의 굴곡의 영향에 의한 회절파의 검출효율의 저하를 방지할 수 있어, 회절파를 효율적으로 검출하여 결함 검출효율을 비약적으로 개선할 수 있다.
(3) 직접 접촉이기 때문에, 수침법으로 문제가 되는 검사대상 부위로부터 반사되는 바와 같은 형상 에코의 영향이 없어, 회절파의 SN 비가 높아진다. 즉, 종래법에 비하여 본 발명은 결함 검출 및 결함 사이징성이 대폭으로 개선된다.
도 16을 사용하여 결함 사이징방법에 대하여 설명한다. 도 16의 슈라우드 서포트(25)와 같이 판두께(t)가 이미 알고 있는 부위를 이용하여 센서(14)로 출사한 초음파가 반대면인 바닥면에 반사되어 되돌아와 검출된 시간에 의하여 재료의 음속을 평가하는 것이 가능하고, 이 음속과 회절파가 나타난 시간과의 관계에 의해 결함 사이징이 가능해진다. 또 도 16의 인코넬 용접 금속부(29)도 마찬가지로 판두께(t)가 이미 알고 있는 부위를 이용하여 센서(14)에서 출사된 초음파가 반대면인 바닥면에 반사되어 되돌아와, 검출된 시간에 의하여 재료의 음속을 평가하는 것이 가능하고, 이 음속과 회절파가 나타난 시간과의 관계에 의해 결함 사이징이 가능해진다.
센서(14)의 크기가 검사대상 부위 또는 검사대상 부위인 용접 금속부의 폭보다 작거나, 또는 동등하다. 즉, 도 16에 있어서의 Wwel은 검사대상 부위 또는 검사대상 부위인 용접 금속부의 폭, W는 센서(14)의 크기(폭)이다. 도 16에서도 알 수 있는 바와 같이 센서(14)의 크기(폭)(W)는 검사대상 부위 또는 검사대상 부위인 용접 금속부의 폭(Wwel)보다 작거나, 또는 동등하기 때문에 예를 들면 검사대상 부위인 용접 금속부에서 센서(14)로부터 발신된 초음파로 결함(22)을 탐상할 때에는 다른 용접 금속 외의 금속조직 내를 통과하지 않아서 좋다. 도 16은 용접부의 양쪽 끝에 단차가 있는 경우를 나타내었으나, 단차가 없는 표면에 있어서의 용접의 X개선(開先), V개선, レ개선이어도 동일하고, 센서(14)의 크기(폭)(W)는 검사대상 부위 또는 검사대상 부위인 용접 금속부의 폭(Wwel)보다 작거나, 또는 동등한 것이 바람직하다.
도 17은 종래의 어느 하나의 실시예에 의한 초음파 탐상장치를 원자로 노 내노 바닥부의 CRD 하우징 스터브 튜브(31) 및 원자력 압력용기(32) 근방의 탐상에 적용한 예를 나타낸 것이다. 상기한 어느 하나의 실시예에 의한 초음파 탐상장치의 센서(14), 다관절 매니퓨레이터(33)를 수납 가능한 검사장치(34)는 CRD 하우징(35)으로 지지, 및 노심 지지판(36)으로 구속한다. 센서(14)의 신호 케이블이나 다관절 매니퓨레이터(33)의 신호 케이블, 동력 케이블 및 고압 물호스 등은 검사장치(34)의 상부로부터 일괄하여 케이블 및 호스(37)로서 묶여지고, 상부의 운전/제어장소인 오퍼레이션 플로어(floor)까지 늘리어져 각각의 제어장치에 접속된다.
매니퓨레이터 기초부(38)는 매니퓨레이터 기초부 상하 및 회전기구(39)에 고정되어 있고, 매니퓨레이터 기초부는 상하운동 및 회전운동이 가능한 구조이다. 매니퓨레이터(33)는 3개의 굴곡관절(40)과 2개의 회전관절(41)로 구성되어 있다. 매니퓨레이터(33)의 선단에는 핸드(42)가 있고, 소형 어레이센서(14)에 설치된 파지부(43)를 핸드(42)로 꽉 쥔다. 소형 어레이센서(14)와 파지부(43) 사이에는 소형 어레이센서(14)가 CRD 하우징 스터브 튜브(31)와 원자력 압력용기(32) 및 CRD 하우징 스터브 튜브(31)와 원자력 압력용기(32)의 용접부 등의 곡면에 추종 가능한 구조를 가지는 컴플라이언스기구(44)가 설치되어 있다. 이 컴플라이언스기구(44)는 X축, Y축, Z축의 3축 모두 변이 가능한 것이다. 이 컴플라이언스기구(44)에 의해 소형 어레이센서(14)를 원활하게 CRD 하우징 스터브 튜브(31)와 원자력 압력용기(32) 및 CRD 하우징 스터브 튜브(31)와 원자력 압력용기(32)의 용접부 등의 곡면을 따르게 하는 것이 가능해진다. 이 결과상에서 설명한 결함 검출 및 결함 사이징의 방법을 사용하여 결함(22)의 결함 검출 및 결함 사이징을 실현할 수 있다.
도 18은 상기한 어느 하나의 실시예에 의한 초음파 탐상장치의 센서(14)를 현가식 검사장치(45), 즉, 수중검사장치에 탑재한 예를 나타내는 것이다. 현가식 검사장치(45)는 센서(14), 2개의 수중 CCD 카메라(46), 조명(47), 슬라스터(thruster)(48) 및 클래드제거 및 회수장치(49)를 탑재하고 있다.
현가식 검사장치(45)는 일반 산업용 탱크 및 풀(poll)이나 원자로 노 내의 노 내 구조물에 발생한 결함의 유무를 육안시험 및 비파괴시험인 초음파시험으로 결함 검출 및 결함 사이징의 실시를 목적으로 하는 것이다. 본 현가식 검사장치(45)는 현가 와이어(50)로 매달려 있기 때문에, 상부의 기중(氣中)에 의하여 인간이 현가 와이어(50)를 조작하는 것 및 슬라스터(48)의 추진력을 이용하여 현가식 검사장치(45)를 검사대상부에 유도 및 센서(14)를 검사대상부에 밀착시키는 것이 가능하고, 센서(14)를 사용함으로써 결함 검출 및 결함 사이징이 가능해진다.
2개의 수중 CCD 카메라(46)는 육안시험용이며, 2개의 수중 CCD 카메라(46)를 사용하여 스테레오화상을 재생하여 검사원이 검사부위의 요철을 적확하게 인식하는 것이 가능해지고, 검사부위의 요철 또는 결함(표면 개구결함)인지를 용이하게 판단할 수 있어, 시인성(視認性)이 높으며, 또 효율적으로 육안검사를 실시 가능하게 된다. 조명(47)은 검사부위가 어두울 때에 수중 CCD 카메라(46)용의 광원으로서 사용하는 것이고, 전구는 할로겐램프, 메탈은 라이드램프(ride lamp) 및 발광다이오드 등으로 구성되어, 수중 CCD 카메라(46)의 시인성을 향상시키기 위한 조광기능이 장비되어 있다.
슬라스터(48)는 본 현가식 검사장치(45)의 자세를 제어하는 추진장치이다. 이 슬라스터(48)의 회전방향 및 회전수를 제어하여 현가식 검사장치(45)의 자세를 변화시키는 것이 가능하다. 클래드제거 및 회수장치(49)는 검사부위에 부착된 클래드 등의 부착물을 제거 및 흡인하는 장치이다. 클래드제거 및 회수장치(49)는 부착물을 제거하기 위한 회전 브러시와 벗겨진 부착물을 회수하기 위한 장치로 구성된다. 클래드제거 및 회수장치(49)를 사용하여 클래드 등의 부착물을 제거함으로써 클래드 등의 부착물의 밑에 있는 결함(표면 개구결함)을 찾아내는 것이 가능해진다.
또, 제거된 클래드 등의 부착물은 클래드 회수용 호스(110)와 흡인장치를 사용하여 흡인하고, 필터로 클래드 등의 부착물을 회수하는 구조로 한다. 이 때문에 물의 혼탁이 발생하지 않으므로 효율적으로 육안검사를 실시하는 것이 가능해진다. 본 현가식 검사장치(45)를 일반 산업용 탱크 및 풀이나 원자로 노 내의 노 내 구조물에 발생한 결함의 육안시험 및 비파괴시험인 초음파시험에 적용함으로써 결함 검출 및 결함 사이징을 실현할 수 있다. 또한 본 현가식 검사장치(45)를 자주 유영 가능한 원격조종으로 함으로써 그 기동성은 높아지고, 검사범위도 확대된다. 즉, 센서(14) 및 2개의 수중 CCD 카메라(46), 조명(47), 슬라스터(48) 및 클래드제거 및 회수장치(49)를 탑재한 수중 검사장치를 자주 유영 가능하게 한 다음에 원격조종도 가능하게 하여도 된다. 그 경우에 수중 검사장치의 구조는 도 20의 구조를 기본적인 구조로서 채용할 수 있다.
이하에서는 상기한 각 실시예의 초음파 탐상장치에서는 센서(14)의 검사대상에 대면하는 초음파 송수신면(초음파의 입출사면이라고도 함)이 평탄하나, 검사대상의 표면의 형상에 따라서는, 이하에 설명하는 바와 같이 평탄하지 않아도 된다. 즉, 초음파 송수신면을 평탄 이외의 형상으로 한 예를 이하에 기재한다. 도 19에서는 검사대상 부위(53)가 오목면형상인 경우의 센서(14)의 초음파 송수신면의 형상예를 나타낸 것이다. 검사대상 부위(53)가 오목면형상인 경우, 센서(14)의 검사대상 부위(53)에 대한 접촉면이 평판이면, 센서(14)의 접촉면과 검사대상 부위(53)의 표면과의 사이에 간극이 생겨 검사대상 부위(53)에 대한 초음파 입사효율이 저하하는 경우가 있다.
이와 같은 초음파 입사효율의 저하를 방지하기 위하여 센서(14)의 초음파 입출사면에 원통형상 또는 구형상의 일부분의 면형상을 이루고 있는 아크릴이나 폴리에틸렌 등의 완충재(52)를 장착한다. 이 완충재(52)를 검사대상 부위(53)의 형상에 맞춤으로써 초음파 입사효율의 저하를 방지할 수 있다. 완충재(52)의 형상은 검사대상 부위(53)의 오목면형상의 반경보다, 완충재(52) 형상의 반경이 작은 것으로 한다. 이에 의하여 검사대상 부위(53)에 대한 완충재(52)의 추종성이 향상하여 초음파 입사효율의 저하를 방지할 수 있어, 신뢰성이 높고 고정밀도의 초음파검사를 실현할 수 있다.
도 20도 검사대상 부위(53)가 오목면형상인 경우에 채용하는 센서(14)의 예를 나타낸 것이다. 도 19와의 차이는 송신 진동자열(15)과 수신 진동자열(19)의 각 진동소자의 배치를 검사대상 부위(53)의 형상에 따르도록 배치하고 있는 점이다. 이것에 의하여 도 19와 동일한 바와 같이 초음파 입사효율의 저하를 방지할 수 있어, 신뢰성이 높고 고정밀도의 초음파검사를 실현할 수 있다.
도 21은 검사대상 부위(53)가 볼록면 지름형상인 경우에 대응한 센서(14)의 예를 나타낸 것이다. 검사대상 부위(53)가 볼록면 지름형상인 경우, 센서(14)의 검사대상 부위(53)에 대한 접촉면이 평판이면, 센서(14)의 접촉면과 검사대상 부위(53) 사이에 간극이 생겨 검사대상 부위(53)에 대한 초음파 입사효율이 저하하는 경우가 있다. 이와 같은 초음파 입사효율의 저하를 방지하기 위하여 센서(14)의 초음파 입출사면에 원통형상 또는 구형상의 일부분의 면의 형상을 이루고 있는 아크릴이나 폴리에틸렌 등의 완충재(52)를 장착한다. 이 완충재(52)를 검사대상 부위(53)의 형상에 맞춤으로써 초음파 입사효율의 저하를 방지할 수 있다. 완충재(52)의 형상은 검사대상 부위(53)의 볼록면 지름형상의 반경보다, 완충재(52) 형상의 반경이 큰 것으로 한다. 이에 의하여 검사대상 부위(53)에 대한 완충재(52)의 추종성이 향상하여 초음파 입사효율의 저하를 방지할 수 있고, 신뢰성이 높고 고정밀도의 초음파검사를 실현할 수 있다.
도 22도 검사대상 부위(53)가 볼록면 지름형상인 경우의 센서(14)의 예를 나타낸 것이다. 도 21과의 차이는 송신 진동자열(15)과 수신 진동자열(19)의 진동소자 배열을, 검사대상 부위(53)의 형상에 맞추어 활형의 배치로 하고 있는 점이다. 이에 의하여 도 21과 마찬가지로 초음파 입사효율의 저하를 방지할 수 있어, 신뢰성이 높고 고정밀도의 초음파검사를 실현할 수 있다.
도 23은 상기한 실시예에 의한 초음파 탐상장치의 센서(14)에 센서(14)의 검사대상 부위(53)에 대한 추종성 향상기구를 추가한 것이다. 요철이 있는 검사대상 부위(53)를 센서(14)로 주사하면서 검사하면 센서(14)의 단부가 검사대상 부위(53)와 간섭하여 센서(14)의 원활한 주사나, 검사대상 부위(53)에 대한 적확한 밀착이 얻어지지 않는 경우가 있다.
이 현상을 회피하기 위하여 센서(14)의 단부에 마찰저감수단으로서 롤러 또는 볼베어링 등의 슬라이딩기구(54)를 장착하여 센서(14)의 단부가 검사대상 부위(53)와 간섭이나 부딪치는 것을 방지한다. 이에 의하여 센서(14)의 원활한 주사나 검사대상 부위(53)에 대한 적확한 밀착이 얻어져 신뢰성이 높고 고정밀도의 초음파검사를 실현할 수 있다.
도 24는 상기한 실시예에 의한 초음파 탐상장치의 센서(14)의 송신 진동자열과 수신 진동자열과의 각 진동소자의 배열에 연구를 집중하여 센서(55)로 한 예이다. 도 24의 예에서는 장치구성 및 제어계는 도 1과 동일하다. 그 연구점은 이하와 같다. 즉, 도 24에서는 센서(55)는 송신 진동자(15)의 진동소자와 수신 진동자(19)의 진동소자를 교대로 배치하여 구성되어 있다. 센서(55)의 이점은 용접 금속부나 불균일 재료 속을 초음파가 전파할 때의 굴곡의 영향이 다소 있었다 하여도 다른 송수신 일체형 소형 어레이센서(55)로부터 출사되는 초음파와 결함 선단으로부터의 회절파(18)는 동일한 경로를 전파하기 때문에, 초음파의 송신영역과 수신영역을 완전히 동일한 영역으로 할 수 있어 초음파의 굴곡의 영향에 의한 회절파의 검출효율의 저하를 방지할 수 있고, 회절파를 효율적으로 검출하여 결함 검출효율을 비약적으로 개선할 수 있는 것이다.
상기한 실시예에 의한 초음파 탐상장치를 사용한 원자로 내의 검사장치를 도 25에 나타낸다. 즉 막대형상의 조작포올(133)의 아래 쪽의 선단에 상기한 실시예에 의한 초음파 탐상장치의 센서(14 또는 55)를 장착하여 원자로 내의 결함 깊이 사이징을 실시하는 실시예를 나타낸 것이다. 이하, 대표하여 센서(14)를 채용한 예를 나타낸다. 센서(14)는 조작 포올(133)의 아래 쪽측 선단에 설치되어 있다. 조작 포올(133)의 아래 쪽은 오퍼레이션 플로어(118)상의 작업대차(115)로부터 원자로의 압력용기 내의 노수(爐水)(119) 중으로 내려진다. 센서(14)의 결함(22)에 대한 위치맞춤은, 센서(14) 부착의 조작포올(133)과 거의 동시에 원자로의 압력용기 내의 노수(119) 중에 투입된 조명부착 카메라(135)로 감시하면서, 원자로의 압력용기 내의 슈라우드 등의 노 내 구조물(131)의 결함(22)의 바로 위[결함(22)의 개구부]에 센서(14)를 위치 맞춤한다. 조명부착 카메라(135)의 카메라 케이블(134)은 작업대차(115)상의 모니터에 접속되어 작업대차(115)상에서 센서(14)의 위치를 모니터로 감시할 수 있다.
결함(22)의 바로 위[결함(22)의 개구부]에 센서(14)를 위치 맞춤한 후, 센서(14)에 신호 케이블(123)로 접속된 초음파 탐상장치 본체(122)로 결함(22)의 검출 및 깊이 사이징이 가능하게 된다. 센서(14)를 결함(22)의 표면[노 내 구조물(131)]에 밀착시키기 위하여 조작포올(133)과 센서(14)의 사이에 융합기구(136)(컴플라이언스(compliance)기구, 짐벌(gimbal)기구)를 설치하고 있다. 또한 조작포올(133)과 송수신 일체형 소형 어레이센서(14)의 사이에 X-Y 스캐너를 설치함으로써 결함의 분포가 측정 가능해진다.
도 26에서 상기한 실시예에 의한 초음파 탐상장치를 사용한 원자로 내의 다른 검사장치를 이하에 설명한다. 오퍼레이션 플로어(118)상의 작업대차(115)로부터 원자로의 압력용기 내의 노수(119) 중에 검사 ·보수장치(114)[이하, 마스트(114)라 함)가 작업대차(115) 상의 상하 이동기구(116)로부터 와이어(117)로 매달아 내려진다. 노수(119) 중에 내려진 마스트(114)는 원자로의 압력용기 내의 노심 지지판(121)에 고정시켜 원자로의 압력용기 내의 상부 격자판(120)으로 지지된다. 마스트(114)에는 신축 자유로운 링크기구인 팬터그래프(pantograph)기구(113)가 설치되어 있고, 그 팬터그래프기구(113)의 선단에 센서(14)를 포함하는 점검헤드(111)가 장착되어 있다. 따라서 팬터그래프기구(113)를 신장시키면 팬터그래프기구(113)가 줄어들어 마스트(114) 내에 수납되어 있던 센서(14)를 포함하는 점검헤드(111)가 수평방향으로 돌출한다. 이와 같이 팬터그래프기구(113)의 신축작용에 의하여 마스트(114)로부터 센서(14)를 진퇴 이동할 수 있다.
팬터그래프기구(113)의 신장작용으로 원자로 내의 노 내 구조물(131)에 센서(14)를 눌러 결함 검출 또는 결함 깊이 사이징을 실시한다. 센서(14)는 점검 헤드(111)의 내부에 저장되어 있고, 센서(14)를 검사대상인 슈라우드 등의 노 내 구조물(131)에 가압하여 슈라우드 등의 결함의 겸출 및 사이징을 실시한다. 센서(14)는 점검헤드(111)의 내부에 설치된 짐벌기구로 유지되고, 짐벌기구는 가압기구로 유지되며, 가압기구는 X-Y 스캐너로 파지되어 있다. 즉, 점검헤드(111)의 내부에는 X-Y 스캐너, 가압기구, 짐벌기구 및 송수신 일체형 소형 어레이센서(14)가 내장되어 있다. 팬터그래프기구(113)는 마스트(114) 내부의 직선 이동기구로 지지되어 있고, 그 직선 이동기구에 의하여 팬터그래프기구(113)는 마스트(114) 내부를 상하하는 것이 가능하다.
이에 의하여 검사 대상면인 슈라우드 등의 상세 탐상을 실시하는 경우나 측정점을 약간 이동시키고 싶을 때는 X-Y 스캐너를 사용하여 센서(14)를 이동시킨다. 또 거친 탐상이나 검사장소를 크게 바꾸는 경우는 마스트(114) 내부의 직선 이동기구와 팬터그래프기구(113)로 점검헤드(111) 및 센서(14)를 이동시킬 수 있다.
다음에 마스트(114)의 원자로의 압력용기 내에의 투입 및 회수방법을 설명한다. 마스트(114)는 작업대차(115)에 설치된 상하 이동기구(116)로 와이어(117)를 사용하여 오퍼레이션 플로어(118)의 높이로부터 노수(119) 중으로 매달아 강하시킨다. 검사·보수장치(114)는 상부 격자판(120)을 통과시켜 노심 지지판(121)에 고정시킨다. 그 후 상기한 바와 같은 순서로 팬터그래프기구(113)의 신축으로 점검 헤드(111)를 검사위치방향으로 전개하여 센서(14)를 검사 대상면인 슈라우드 등에 가압하여 슈라우드 등의 결함을 검출 및 사이징한다. 검사종료 후, 점검헤드(111)의 전개와 반대의 순서로 점검헤드(111)를 늘리면 검사·보수장치(114) 내에 수납되어 검사·보수장치(114)는 작업대차(115)에 설치된 상하 이동기구(116)로 오퍼레이션 플로어(118)의 높이까지 매달아 올려져 천장 크레인 등을 사용하여 오퍼레이션 플로어(118)의 위에 회수된다.
마스트(114)의 회전, 팬터그래프기구(113)의 상하이동 및 전개·수납 등의 동작은 오퍼레이션 플로어(118) 상의 검사·보수장치 제어기(124)로 제어하고, 제어신호는 신호 케이블(123)을 사용하여 전송된다. 점검헤드(111)에 내장된 센서(14)는 초음파 탐상장치 본체(122)로 제어되고, 신호는 신호 케이블(123)을 사용하여 서로 전송되는 구성으로 되어 있다.
본 발명에 의하면, 초음파 회절강도가 미약해지는 조건 하에서도 확실하게 초음파 탐상할 수 있게 된다.

Claims (22)

  1. 초음파를 송신하는 복수의 송신용 진동소자를 배열한 송신 진동자열 및 초음파를 수신하는 복수의 수신용 진동소자를 배열한 수신 진동자열의 양쪽을 가지는 송수신 어레이센서와,
    초음파 송신각과 초음파 수신각의 합의 절반이 30도 이내가 되는 집속위치에 각각의 상기 송신용 진동소자로부터 발신된 각 초음파를 집속시키는 제어장치와,
    상기 수신용 진동소자가 수신한 초음파에 의거하여 탐상정보를 생성하는 생성수단과,
    상기 생성수단에 의하여 생성된 탐상정보를 표시하는 표시수단을 가지는 초음파 탐상장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 초음파 송신각과 초음파 수신각의 합의 절반이 30도 이내가 되는 위치를 포함하는 범위에 상기 집속위치를 전자적으로 이동시키는 제어수단을 구비한 초음파 탐상장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 송수신 어레이센서는, 각각의 진동자열의 상기 진동소자는 폭이 0.1mm 내지 2mm 이고, 각각의 진동자열 내에서 인접하는 상기 진동소자는 서로 0.05mm 내지 0.2mm의 간격을 가지고 배치되어 있는 초음파 송수신센서인 초음파 탐상장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 각 진동소자는, 상기 진동소자의 배열방향에 있어서의 송수신 어레이센서의 폭 길이 30mm와, 상기 배열방향과 직교하는 상기 진동소자의 길이방향에서 상기 송수신 어레이센서의 안 길이 30mm로 둘러싸이는 범위에 배열되어 있는 초음파탐상장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 송신용 진동소자와 상기 수신용 진동소자가 교대로 배치되어 있는 초음파 탐상장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 초음파의 송수신 어레이센서는, 초음파의 입출사면이 원통형상 또는 구형상의 일부분의 면의 형상을 이루고 있는 초음파 탐상장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 송신용 진동소자에 주는 신호의 증폭도를, 상기 집속위치에 따라 변화시키는 제 1 증폭도 제어수단을 구비하는 초음파 탐상장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 수신용 진동소자로부터 출력되는 신호의 증폭도를, 상기 집속위치에 따라 변화시키는 제 2 증폭도 제어수단을 구비하는 초음파 탐상장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 송수신 어레이센서를 조작포올에 장착하고 있는 초음파 탐상장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    원자로 내의 노심 지지판과 상부 격자판으로 지지한 마스트와, 상기 마스트에 장착된 신축 자유로운 링크기구를 구비하고, 상기 링크기구에 상기 송수신 어레이센서를 장착하고 있는 초음파 탐상장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    원자로 내의 노심 지지판과 상부 격자판으로 지지한 마스트와, 상기 마스트에 장착된 다관절 매니플레이터를 구비하고, 상기 다관절 매니플레이터에 상기 송수신 어레이센서를 장착하고 있는 초음파 탐상장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    검사 대상물을 비추는 조명수단과, 상기 검사 대상물을 촬상하는 촬상수단과, 상기 검사 대상물로부터 클래드를 제거하는 수단과, 상기 클래드를 흡인하여 회수하는 수단과, 수중에서의 추진수단을 구비한 검사장치를 가지고, 상기 검사장치에 상기 송수신 어레이센서를 장착하고 있는 초음파 탐상장치.
  13. 초음파를 송신하는 복수의 송신용 진동소자를 배열한 송신 진동자열 및 초음파를 수신하는 복수의 수신용 진동소자를 배열한 수신 진동자열의 양쪽을 가지는 송수신 어레이센서로 검사 대상물에 대하여 초음파를 송수신하고, 상기 송수신에 관한 초음파 송신각과 초음파 수신각의 합의 절반이 30도 이내가 되는 집속위치에 상기 초음파를 집속하도록 초음파 탐상장치를 제어하는 초음파 탐상방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 송수신 어레이센서로서, 초음파를 송신하는 복수의 송신용 진동소자를 배열한 송신 진동자열과 초음파를 수신하는 복수의 수신용 진동소자를 배열한 수신 진동자열의 양쪽을 구비하고, 각각의 진동자열의 상기 진동소자는, 폭이 0.1 mm ~ 2 mm 이고, 각각의 진동자열 내에서 인접하는 상기 진동소자는 서로 0.05 mm ~ 0.2 mm 의 간격을 가지고 배치되어 있는 초음파의 송수신 어레이센서를 사용하는 초음파 탐상방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 송수신 어레이센서로서, 상기 각 진동소자는, 상기 진동소자의 배열방향에서의 송수신 어레이센서의 폭 길이 30 mm 와, 상기 배열방향과 직교하는 상기 진동소자의 길이방향에서 상기 송수신 어레이센서의 안 길이 30 mm 로 둘러싸이는 범위에 배열되어 있는 초음파의 송수신 어레이센서를 사용하는 초음파 탐상방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 송수신 어레이센서로서, 상기 송신용 진동소자와 상기 수신용 진동소자가 교대로 배치되어 있는 초음파의 송수신 어레이센서를 사용하는 초음파 탐상방법.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 송수신 어레이센서로서, 초음파의 입출사면이 원통 형상 또는 구 형상의 일부분의 면의 형상을 이루고 있는 초음파의 송수신 어레이센서를 사용하는 초음파 탐상방법.
  18. 제 13항에 있어서,
    상기 송수신 어레이센서의 중심부분을, 상기 검사 대상물의 표면에 개구한 결함의 개구부에 대면하는 위치에 맞추고, 그 후에 상기 초음파의 집속위치를 전자적으로 주사시켜 상기 초음파를 상기 검사 대상물에 대하여 송수신하는 초음파 탐상방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 집속위치가 송수신 어레이센서로부터 멀어짐에 따라 상기 송신용 진동소자에 공급하는 신호 또는 상기 수신용 진동소자로부터 출력되는 신호의 증폭도를 크게 하는 초음파 탐상방법.
  20. 제 13항에 있어서,
    상기 송수신 어레이센서를, 조작포올 또는 다관절 매니플레이터 또는 링크기구 또는 수중 검사장치에 장착하고, 상기 조작포올 또는 다관절 매니플레이터 또는 링크기구 또는 수중 검사장치를 조작하여 상기 송수신 어레이센서를 검사 대상물의 검사위치로 이동시키도록 하는 초음파 탐상방법.
  21. 제 13항에 있어서,
    상기 송수신 어레이센서로서 검사 대상물의 용접 금속부의 폭과 동일하거나 작은 상기 검사 대상물에 대한 접촉면적을 가지는 송수신 어레이센서를 사용하는 초음파 탐상방법.
  22. 초음파를 송신하는 복수의 송신용 진동소자를 배열한 송신 진동자열 및 초음파를 수신하는 복수의 수신용 진동소자를 배열한 수신 진동자열의 양쪽을 가지는 송수신 어레이센서와,
    상기 송신용 진동소자로부터 발신된 각 초음파를 집속시키는 제어장치와,
    상기 송신용 진동소자에 공급하는 신호 또는 상기 수신용 진동소자로부터 출력되는 신호의 적어도 한쪽의 신호의 증폭도를 상기 집속의 위치에 따라 변화시키는 증폭도 제어수단과,
    상기 수신용 진동소자가 수신한 초음파에 의거하여 탐상정보를 생성하는 생성수단과,
    상기 생성수단에 의하여 생성된 탐상정보를 표시하는 표시수단을 가지는 초음파 탐상장치.
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