KR101158411B1 - 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치는, 구동코일에 광대역 펄스전압을 인가하여 유도된 펄스 와전류를 차동형 프로브(probe)부를 이용하여, 비파괴검사로서 도체의 외부에서 상기 도체의 손실을 평가하도록 구성되며, 구체적으로, 구동코일과 두 개로 이루어진 차동형 홀센서를 구비하는 프로브부; 상기 프로브부와 연결되어 상기 구동코일에 인가되는 광대역 펄스전압을 발생시키는 펄스발생부; 상기 프로브부에 연결되어 상기 홀센서에 유도된 측정신호를 증폭하는 차동형 증폭부; 상기 증폭부와 연결되어 상기 측정신호를 디지털신호로 전환하는 A/D변환부; 및 상기 프로브부, 펄스발생부, 증폭부, 및 A/D변환부를 제어하면서, 상기 디지털신호를 저장하고 디스플레이하도록 구성되는 제어부;를 포함하여 구성된다.

Description

펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치{Apparatus for detecting thickness of the conductor using differential pulsed eddy current probe}

본 발명은 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치로서, 도체와 접촉하지 않고 도체두께 탐상에 있어서 효율과 분해능을 증대시킨 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치에 관한 것이다.

부식은 구조물과 시스템의 수명을 제한하는 요소 중의 하나이다. 부식을 평가하기 위한 많은 비파괴 평가 방법이 개발되어 왔고, 사용되고 있으나, 항공기의 lap joint와 같은 다층구조에서 표면층 밑에 숨어있는 부식을 정량적으로 평가하는 것을 어려운 과제이다. 특히 배관은 열손실을 방지하기 위하여 두께 1 인치 정도의 단열재로서 배관을 감싸고 있다. 따라서 단열재를 해체하지 않고 단열재 외부에서 배관내부의 부식을 평가할 수 있다면 경제적으로 막대한 이득이 될 수 있다.

그러나, 연속적인 신호를 사용하는 와전류 검사에서는 결함의 깊이에 대한 정보가 부족하며 와전류 침투깊이에 의한 검사영역의 제약을 갖는다. 이러한 제약 조건을 극복하기 위한 방법으로 펄스를 이용한 와전류 검사법이 개발되었다.

이 방법은 다층구조에서 표면층 밑에 숨어있는 부식을 평가하는데 있어서 통상의 와전류 검사법에 비해 효과적이기는 하지만, 탐촉자와 피검체사이의 거리를 나타내는 lift off 가 클때에는 감도가 급격히 떨어지며, 이를 보상하기 위하여 펄스의 폭을 감소시킬 경우에는 와전류의 침투깊이가 줄어드는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 탐촉자 상 하부에 각각의 홀 센서를 부착하고 구동코일에 광대역 펄스전압을 인가하여 홀센서에 유도된 신호를 차동형 전자회로를 사용하여 미분 신호를 얻음으로서, lift off 와 결함 탐지 분해능을 증가시키는 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치는, 구동코일에 광대역 펄스전압을 인가하여 유도된 펄스 와전류를 차동형 프로브(probe)부를 이용하여, 비파괴검사로서 도체의 외부에서 상기 도체의 손실을 평가하도록 구성된다.

구체적으로, 본 발명은, 구동코일과 두 개로 이루어진 차동형 홀센서를 구비하는 프로브부; 상기 프로브부와 연결되어 상기 구동코일에 인가되는 광대역 펄스전압을 발생시키는 펄스발생부; 상기 프로브부에 연결되어 상기 홀센서에 유도된 측정신호를 증폭하는 차동형 증폭부; 상기 증폭부와 연결되어 상기 측정신호를 디지털신호로 전환하는 A/D변환부; 및 상기 프로브부, 펄스발생부, 증폭부, 및 A/D변환부를 제어하면서, 상기 디지털신호를 저장하고 디스플레이하도록 구성되는 제어부;를 포함한다.

여기에서, 상기 프로브부는, 상하방향 중공이 형성된 코아; 상기 코아에 감긴 상기 구동코일; 및 상기 중공의 상하부에 위치고정된 두 개의 상기 홀센서;를 포함하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 코아는 코투자율 자성재료로 이루어진 것이 바람직하다.

그리고, 상기 펄스발생부는, 20μsec 이상의 펄스폭을 가진 사각펄스(square pulse)를 발생시키는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 펄스발생부는, 펄스폭을 10μsec에서 1msec까지 조절하며, 발생횟수를 100Hz에서 1kHz까지 조절가능한 것이 바람직하다.

한편, 상기 증폭부는, 상기 프로브부의 홀센서와 전기적으로 연계된 차동증폭회로를 구비하는 것이 바람직하다.

이에 더하여, 상기 증폭부는, 상기 홀센서에 유도된 측정신호를 최대 52dB까지 증폭하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치는, 차동형 프로브부로서 구동코일과 두 개의 검출 홀센서로 구성된 프로브부, 펄스발생부, 차동증폭회로를 포함한 증폭부, A/D변환부, 및 제어부를 포함함으로써, 구동코일에 광대역 펄스전압을 인가하여 유도된 펄스 와전류를 이용하여, 비파괴검사로서 도체의 외부에서 도체의 손실을 평가할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치를 나타낸 블럭도이다.
도 2는 도 1의 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치에서 프로브를 나타낸 단면도이다.
도 3a는 도 1의 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치에서 펄스발생부에서 발생된 펄스전압이 구동코일에 가해졌을 때 구동코일 양단에 걸리는 피크(peak)전압을 나타내며, 도 3b는 단일 홀센서에 유도된 전압을 나타낸다.
도 4는 도 3의 펄스신호를 피검체에 가하였을때 차동형 프로브부의 양단에 부착되어있는 홀센서에 유도된 전압과 차동신호를 시험편의 두께에 따라 나타낸 그래프이다.
도 5는 펄스폭의 변화에 따른 시험편에서 유도된 홀센서의 신호변화를 나타낸 그래프로서, 도 5a는 단일 홀센서가 활용된 경우이며 그래프 5b는 차동형 홀센서가 활용된 경우에 대한 것이다.
도 6a는 두께가 변화하는 시험편을 사용하여 절연체의 두께에 따라 단일 홀센서에 유도된 신호변화를 나타낸 것이고 도 6b는 동일한 lift-off, 동일시험편에서 차동형 홀센서에 유도된 신호 차이를 나타낸 것이다.

본 발명은 구동코일에 광대역 펄스전압을 인가하여 유도된 펄스 와전류를 이용하고 차동형 프로브(probe)부를 활용하여, 비파괴검사로서 도체의 외부에서 도체의 손실을 평가하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치를 나타낸 블럭도이고, 도 2는 도 1의 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치에서 프로브부를 나타낸 단면도이다.

도면을 참조하면, 탐지하고자 하는 도체(1)에 접하여 도체(1)의 두께를 탐지하는 프로브(probe)부와, 상기 프로브부(20)에 전기적으로 연계되도록 구성되는 펄스발생부(40), 증폭부(60), A/D변환부(80), 및 제어부(90)를 포함한다.

상기 프로브부(20)는 구동코일(24)과 두 개로 이루어진 차동(差動)형 홀센서(26)를 구비한다.

구체적으로, 프로브부(20)는 상하방향 중공(22a)이 형성된 코아(22)와, 상기 코아(22)에 감긴 구동코일(24), 및 상기 중공(22a)의 상하부에 위치고정된 두 개의 홀센서(26)로 구성된다.

이때, 홀센서(26)는 코아(22)의 상하 단부에 각각 배치되는데, 코아(22)의 수직중심축에 형성된 중공(22a) 내의 상하에 각각 위치고정된다.

여기에서, 상기 홀센서(26)는 일례로서 중공(22a) 내에 적정한 물질, 일례로서 중공(22a) 내에 유입시켜서 굳어지는 물질을 이용하여 위치고정시킬 수 있다.

아울러, 상기 코아(22)는 코투자율 자성재료로 이루어진 것이 바람직하다.

이와 같은 프로브부(20)는, 도체(1)를 감싸는 절연체(2) 위에 안착되어 측정작업이 수행된다.

그리고, 상기 펄스발생부(40)는 프로브부(20)와 연결되어 구동코일(24)에 인가되는 광대역 펄스전류를 발생시키는 역할을 한다.

이러한 펄스발생부(40)는 20μsec 이상의 펄스폭을 가진 사각펄스(square pulse)를 발생시키며, 펄스폭을 10μsec에서 1msec까지 조절하며, 발생횟수를 100Hz에서 1kHz까지 조절할 수 있도록 구성된다.

한편, 차동형인 상기 증폭부(60)는 프로브부(20)와 연결되어 두 개의 상기 홀센서(26)에 유도된 측정신호를 증폭하도록 구성된다.

이와 같은 증폭회로는 두 개의 입력단자에 가해진 홀센서(26) 출력전압의 차를 증폭하는 회로이다. 두 입력전압에 동상 입력전압에 동상 입력신호가 포함된 경우, 출력측에 생기는 동상성분을 제거하도록 되어있다.

그리고, 상기 A/D변환부(80)는 증폭부(60)와 연결되어 상기 측정신호를 디지털신호로 전환하도록 구성된다.

아울러, 상기 제어부(90)는 상술한 프로브부(20), 펄스발생부(40), 증폭부(60), 및 A/D변환부(80)를 제어하고, A/D변환부(80)에 의해 전환된 디지털신호를 저장하고 이를 디스플레이 수단을 활용하여 디스플레이하도록 구성된다.

이때, 제어부(90)는 Lab-View 를 사용하여 상기 구성요소들을 조작하기 위한 전용 Windows 프로그램이 활용될 수 있다.

도 3a는 도 1의 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치에서 펄스발생부에서 발생된 펄스전압이 구동코일에 가해졌을 때 구동코일 양단에 걸리는 피크(peak)전압을 나타내고, 도 3b는 단일 홀센서에 유도된 전압을 나타낸다.

도 4는 도 3의 펄스신호를 피검체에 가하였을때 차동형 프로브부(20)의 양단에 부착되어있는 홀센서(26)에 유도된 전압과 차동신호를 시험편의 두께에 따라 나타낸 그래프이다.

도 5는 펄스폭과 홀센서(26) 출력신호와의 관계를 나타낸 것으로, 도 5a의 단일 홀센서 경우에는 펄스폭이 50μsec 이하에서 신호감도가 좋게 나타났으나, 도 5b의 차동형 프로브부(20)의 경우에는 펄스폭이 500μsec 까지 증가하여도 좋은 신호감도를 보여주고 있다.

따라서, 단일 홀센서와는 달리 구동전류의 펄스폭과 거의 무관하게 시험편의 두께변화를 평가할 수 있음을 알 수 있다.

그러나, 펄스폭이 증가할수록 와전류의 투과 깊이가 증가하여 보다 두꺼운 시험편의 경우에도 펄스 와전류 시험법을 적용할 수 있으므로, 차동형 프로브부(20)의 경우에 상대적으로 시험편의 제약을 작게 받음을 알 수 있다.

이러한 결과는 본 발명의 전기적인 특성에 의한 것으로, 차동형 프로브부(20)의 경우 자기유도계수가 1.175mH인 구동코일(24)에 대해서 펄스폭이 500μsec일 경우 좋은 효율을 내는 것으로 평가할 수 있다.

도 6a는 두께가 변화하는 시험편을 사용하여 절연체의 두께에 따라 단일 홀센서에 유도된 신호변화를 나타낸 것이고, 도 6b는 동일한 lift-off, 동일시험편에서 차동형 홀센서에 유도된 신호 차이를 나타낸 것이다.

즉, 도 6은 프로브부(20)의 절연체(2) 두께의 변화(lift-off)에 따른 단일 홀센서 프로브부와 차동형 프로브부(20)에 의한 신호변화를 나타낸 것으로, 차동형 프로브가 lift-off 대비 월등한 신호분해능을 보여주고 있음을 알 수 있다.

단일 홀센서 프로브부의 경우 절연체(2)의 두께가 10mm 이상일 경우 급격히 분해능이 떨어지는 것을 알 수 있으나, 차동형 프로브부(20)의 경우 18mm에서도 비교적 좋은 분해능을 보여주고 있음을 알 수 있다.

와전류 탐상은 와전류의 흐름이 불연속부등에 영향을 받아 와전류의 방향이 방해되거나 변화되면, 와전류의 자장이 변하고 시험코일 자장에 영향을 주게 된다.

또한 와전류가 강할수록 불연속부를 탐상할 수 있는 강도가 높은 시스템을 갖게 되며, 와전류는 표피효과에 의하여 코일이 위치한 원주의 표면 부근에 집중하게 된다.

표피효과를 나타내는 식에 의하면 주파수가 증가할수록 표면 근체에 와전류가 집중하게 되고, 내부에 깊숙이 들어갈수록 감소된다.

와전류의 침투깊이는 다음식에 의하여 주어진다.

여기서, f: 주파수(Hz), σ: 전도율(μ/m), 침투깊이(m), μ: 투자율(H/m)

펄스 와전류에 있어서 주파수는 필스폭의 2배로 취급하므로 펄스폭이 증가할 수록 침투깊이가 증가한다.

따라서, 차동형 프로브부(20)를 사용하는 경우 펄스폭이 단일형 프로브에 비해서 25배 정도 크므로, 차동형 프로브부(20)의 경우 와전류의 침투깊이는 단일형 프로브부의 경우에 비해서 5배 정도 늘어난다.

아울러, 본 발명의 센서기기인 프로브부(20)는 다양한 형태로 제작하기 쉽고, 현장적용이 용이하며, 수신감도를 적절하게 조절할 수 있는 장점을 지닌다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

20 : 프로브부 22 : 코아
22a : 중공 24 : 구동코일
26 : 홀센서 40 : 펄스발생부
60 : 증폭부 80 : A/D변환부
90 : 제어부

Claims (8)

1. 삭제
2. 구동코일과 두 개로 이루어진 차동형 홀센서를 구비하는 프로브부;
   상기 프로브부와 연결되어 상기 구동코일에 인가되는 광대역 펄스전압을 발생시키는 펄스발생부;
   상기 프로브부에 연결되어 상기 홀센서에 유도된 측정신호를 증폭하는 차동형 증폭부;
   상기 증폭부와 연결되어 상기 측정신호를 디지털신호로 전환하는 A/D변환부; 및
   상기 프로브부, 펄스발생부, 증폭부, 및 A/D변환부를 제어하면서, 상기 디지털신호를 저장하고 디스플레이하도록 구성되는 제어부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 프로브부는,
   상하방향 중공이 형성된 코아;
   상기 코아에 감긴 상기 구동코일; 및
   상기 중공의 상하부에 위치고정된 두 개의 상기 홀센서;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 코아는 코투자율 자성재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치.
   
5. 제2항에 있어서,
   상기 펄스발생부는,
   20μsec 이상의 펄스폭을 가진 사각펄스(square pulse)를 발생시키는 것을 특징으로 하는 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치.
   
6. 제2항에 있어서,
   상기 펄스발생부는,
   펄스폭을 10μsec에서 1msec까지 조절하며, 발생횟수를 100Hz에서 1kHz까지 조절가능한 것을 특징으로 하는 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치.
   
7. 제2항에 있어서,
   상기 증폭부는,
   상기 프로브부의 홀센서와 전기적으로 연계된 차동증폭회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치.
   
8. 제2항에 있어서,
   상기 증폭부는,
   상기 홀센서에 유도된 측정신호를 최대 52dB까지 증폭하는 것을 특징으로 하는 펄스 와전류를 이용한 도체두께 탐상장치.
   

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