KR101386593B1 - 배관 손상 영상화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배관 손상 영상화 방법에 관한 것으로서, 배관에 압전소자를 장착하는 단계와, 압전소자에서 초음파를 생성하는 단계와, 압전소자가 배관의 손상지점에서 반사되는 초음파 신호를 측정하는 단계와, 압전소자와 연결된 영상처리부가 압전소자에서 측정된 초음파 신호의 분산성을 상쇄하고 파형을 복구하는 단계를 포함하여, 배관의 손상지점을 영상화할 수 있다.

Description

배관 손상 영상화 방법{IMAGING METHOD OF PIPE DAMAGE}

본 발명은 배관 손상 영상화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 손상된 배관에 대한 정보를 검사자가 판독하기 쉬운 영상으로 표시하는 배관 손상 영상화 방법에 관한 것이다.

일반적으로 구조물이나 제품을 분해하거나 파괴하지 않고 원형 그대로 결함, 안전도, 수명 등을 정확하게 진단하여 하자를 보수하거나 품질을 관리할 수 있는 검사 방법을 비파괴 검사 방법이라 한다.

이러한 비파괴 검사 방법의 종류로는 방사선투과검사(Radiograpic Test) 방법, 초음파탐상(Ultrasonic Test) 방법, 액체침투탐상(Liquid Penetrant Test) 방법, 자분탐상(Magnetic Particle Test) 방법, 와전류탐상(Eddy Current Test) 방법, 및 누설탐상(Leak Test) 방법 등이 있다.

이중에서 초음파탐상(Ultrasonic Test) 방법은 고주파수의 초음파를 피검사체 내로 보내어 표면 및 내부 결함을 검출하는 방법으로, 금속의 조직검사에 유용하고, 작업자의 안전관리상의 문제가 없으며, 결함유무를 신속하게 판단할 수 있는 장점이 있다.

이러한 초음파탐상 방법은, 우선 피검사체에 초음파 탐촉자를 놓고, 진동장에서 발생한 초음파 펄스를 피검사체 내부로 진행시킨다. 이때, 초음파 펄스의 진행방향에 결함이나 낮은 면이 있으면 에너지의 손실과 더불어 계면에서 반사되는데, 이와 같이 반사된 초음파를 초음파 탐촉자를 통하여 수신하여 분석함으로써 결함의 존재 및 위치를 알아낼 수 있게 된다.

검사자는 피검사체 내의 불연속부에서 반사된 초음파 신호의 크기, 물체의 밑바닥 신호에서의 위치 등의 정보로부터 불연속의 크기, 위치 등을 파악하게 된다.

그런데, 초음파탐상(Ultrasonic Test) 방법을 이용하여 상수도관, 가스배관 등과 같이 강체로 구성된 피검사체의 결함을 파악하는데 있어서, 신호의 신속한 처리와 더불어 매우 중요한 것은 검사자가 피검사체의 결함 여부를 쉽게 판독할 수 있는 형태로 출력시켜 주는 것이다.

즉, 초음파탐상(Ultrasonic Test) 방법에 있어서, 피검사체로부터 반사된 초음파 신호를 수신하여 판독이 용이한 형태로 영상화할 수 있는 기술이 요구된다.

한편, 본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 10-1072802호(2011.10.06 등록, 발명의 명칭 : 레이저를 이용한 검사 장치 및 방법)에 개시되어 있다.

종래에는 강체로 이루어진 배관에 대한 손상 여부를 감지할 수 있으나, 이러한 손상이 영상으로 구현되지 못하므로, 검사자가 이를 인지하기가 어렵다는 문제점이 있다.

따라서, 이를 개선할 필요성이 요청된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 배관에 대한 손상 여부를 감지한 후 이를 영상화 함으로써, 검사자가 배관의 상태를 시각적으로 인지하도록 하는 배관 손상 영상화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일측면에 따른 배관 손상 영상화 방법은 배관에 압전소자를 장착하는 단계; 상기 압전소자에서 초음파를 생성하는 단계; 상기 압전소자가 상기 배관의 손상지점에서 반사되는 초음파 신호를 측정하는 단계; 및 상기 압전소자와 연결된 영상처리부가 상기 압전소자에서 측정된 초음파 신호의 분산성을 상쇄하고 파형을 복구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 배관에 압전소자를 장착하는 단계는 상기 압전소자가 상기 배관의 원주면을 따라 복수개로 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 압전소자에서 초음파를 생성하는 단계는 복수개로 이루어진 상기 압전소자가 동시에 구동되는 것을 특징으로 한다.

상기 압전소자가 상기 배관의 손상된 지점에서 반사되는 신호를 측정하는 단계는 상기 압전소자 각각에서 축방향 대칭모드와 축방향 비대칭모드를 측정하는 것을 특징으로 한다.

상기 영상처리부가 상기 압전소자에서 측정된 초음파 신호의 분산성을 상쇄하고 파형을 복구하는 단계는 상기 압전소자에서 측정된 초음파 신호의 영역변경을 수행하는 단계; 분산성 상쇄를 위한 파형 복구 연산자를 적용하는 단계; 주파수 영역에 대한 적분변수를 공간영역에 대한 적분변수로 치환하는 단계; 레일리-램 방정식을 활용하여 파수를 계산하는 단계; 및 2차원 역 푸리에 변환을 통하여 분산성이 상쇄된 초음파 정보를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 배관 손상 영상화 방법은 배관의 손상지점이 영상을 통해 구현되므로, 감시자가 배관의 손상 여부에 대한 식별이 원활하게 이루어지는 효과가 있다.

본 발명에 따른 배관 손상 영상화 방법은 초음파 신호의 분산성을 상쇄하고 손상지점으로 파형을 복귀시켜 줌으로써, 손상지점의 형상 측정 오차를 줄이는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 손상 영상화를 위해 배관에 압전소자가 장착된 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에서 초음파의 이동경로를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에서 배관의 손상지점에서 반사되고 있는 초음파 신호를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 배관 손상지점에서 반사된 초음파 신호가 이동되는 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3의 배관 손상지점에서 반사된 초음파 신호가 압전소자에 도달된 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 초음파 신호에 대한 분산성을 상쇄하고 파형이 복구된 상태를 가상으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 손상 영상화 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 8는 도 7에서 영상처리부가 압전소자에서 측정된 초음파 신호의 분산성을 상쇄하고 파형을 복구하는 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 배관 손상 영상화 방법의 실시예를 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 손상 영상화를 위해 배관에 압전소자가 장착된 상태를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1에서 초음파의 이동경로를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 3은 도 1에서 배관의 손상지점에서 반사되고 있는 초음파 신호를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3의 배관 손상지점에서 반사된 초음파 신호가 이동되는 상태를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 5는 도 3의 배관 손상지점에서 반사된 초음파 신호가 압전소자에 도달된 상태를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 6은 도 5의 초음파 신호에 대한 분산성을 상쇄하고 파형이 복구된 상태를 가상으로 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 손상 영상화를 구현하기 위해, 배관(100)에는 압전소자(10)가 장착되고, 압전소자(10)는 영상처리부(20)와 연결된다.

압전소자(10)에서 초음파가 생성되면, 초음파가 배관(100)을 따라 이동되면서 배관(100)에 형성되는 손상지점(110)에 도달된다(도 2 참조).

손상지점(110)에서 반사된 초음파 신호 중에는 압전소자(10)와 축방향으로 대칭인 축방향 대칭모드와, 축방향으로 비대칭인 축방향 비대칭 모드로 구분된다.

한편, 배관(100)의 손상지점(110)에서 반사되는 초음파 신호가 압전소자(10)에 도달되는 동안 분산 및 왜곡이 발생한다.

즉, 손상지점(110)에서 반사된 순간 초음파 신호는 손상지점(110)과 대응되는 파형을 갖는다(도 3 참조).

그리고, 손상지점(110)에서 반사된 신호가 배관(100)을 따라 이동되면서 압전소자(10)에 도달되는 동안 분산성에 의해 파형의 왜곡이 발생한다(도 4 및 도 5 참조).

본 발명은 압전소자(10)에서 측정된 초음파 신호의 분산성을 상쇄하고 파형을 복구한다.

즉, 압전소자(10)에서 측정된 초음파 신호를 가상공간에서 분산성이 상쇄되고 파형이 복구되는 시점으로 시간을 되돌리면, 배관(100)에 대한 손상지점(110)이 나타나 영상화가 가능하다(도 6 참조).

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 손상 영상화 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이고, 도 8는 도 7에서 영상처리부가 압전소자에서 측정된 초음파 신호의 분산성을 상쇄하고 파형을 복구하는 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 손상 영상화 방법은 다음과 같다.

먼저, 작업자는 배관(100)에 압전소자(10)를 장착한다(S10). 통상 배관은 원통 형상을 하고 내부에는 유체가 이동되는 통로가 형성되는데, 압전소자(10)는 배관(100)의 원주면을 따라 등간격으로 복수개가 배치된다.

예를 들어, 압전소자(10)로는 마이크로 섬유 복합체가 사용될 수 있으며, 그 외 초음파를 생성하고 반사되는 초음파 신호를 측정할 수 있는 다양한 부품이 사용될 수 있다.

배관(100)에 압전소자(10) 장착이 완료되면(S10), 압전소자(10)에 전원이 인가되어 압전소자(10)에서 초음파가 생성된다(S20).

이때, 배관(100)의 원주면을 따라 배치되는 복수개의 압전소자(10)가 동시에 구동되어 초음파를 생성한다.

압전소자(10)에서 초음파가 생성되면 배관(100)에는 축방향으로 대칭 형상을 갖는 축방향 대칭모드(L(0,2))가 축방향으로 따라 전파되면서 배관(100)에 형성되는 손상지점(110)에 도달된다.

손상지점(110)에 도달된 초음파 중 일부는 손상에 의해 반사되고, 압전소자(10)는 배관(100)의 손상지점(110)에서 반사되는 초음파 신호를 측정한다(S30).

이때, 손상지점(110)에서 반사되는 초음파 성분 중에는 압전소자(10)에서 생성된 축방향 대칭모드 외에도 축방향 비대칭모드가 생성된다.

즉, 손상지점(110)에서 반사되는 초음파모드(L(n,2)) 중에는 초기 압전소자(10)에서 생성된 축방향 대칭모드(L(0,2)) 외에도 손상에 의해 생긴 축방향 비대칭모드(L(1,2), L(2,3), L(3,2) 등등)가 포함된다.

한편, 손상지점(110)에서 반사되는 초음파모드는 축방향 비대칭모드의 특성 때문에 손상지점(110)에서 압전소자(10)로 이동되는 동안 파형이 점진적으로 변하게 된다.

예를 들어, 손상지점(110)에서 반사된 순간의 초음파모드는 최초 압전소자(10)에서 생성된 축방향 대칭모드와 동일한 형상을 유지한다(도 3 참조).

그리고, 손상지점(110)에서 압전소자(10)로 전파되는 동안 초음파모드는 축방향 비대칭모드의 분산성으로 인해 파형이 점진적으로 퍼지는 형상을 한다(도 4와 도 5 참조). 이러한 초음파모드는 이동거리에 대응되어 파형의 왜곡이 증가하게 된다.

영상처리부(20)는 압전소자(10)와 연결되고, 압전소자(10)에서 측정된 초음파 신호의 분산성을 상쇄하고 파형을 복구한다(S40).

즉, 영상처리부(20)는 배관(100)의 손상지점(110)에 대한 영상화를 위해, 초음파모드의 분산성을 이용한다.

보다 구체적으로, 손상지점(110)에서 반사된 초음파모드는 배관(100)을 따라 전파되는 동안 파형의 왜곡이 점진적으로 커지지만, 가상의 공간에서 마치 타임머신을 타고 과거로 돌아가는 것과 같이 초음파모드의 분산성을 상쇄하고 파형의 왜곡을 원상복구하면, 초음파모드가 원래 생성되었던 손상위치에 다시 모이게 된다.

이를 영상으로 만들게 되면 초음파모드가 가장 많이 모여있는 손상 부분이 두드러지게 보일 것이고 자연스럽게 손상의 위치를 영상화할 수 있다.

한편, 영상처리부(20)가 압전소자(10)에서 측정된 초음파 신호의 분산성을 상쇄하고 파형을 복구하여 얻어진 최종 정보는 2차원 영역인 배관(100) 표면에 대하여 일대일로 대응되는 초음파 변위 “x”가 된다.

따라서, 영상처리부(20)를 통해 획득된 최종 정보를 2차원 영역에 플로팅하면 영상화가 진행된다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 손상 영상화 방법에서 영상처리부가 압전소자에서 측정된 초음파 신호의 분산성을 상쇄하고 파형을 복구하는 방법은 다음과 같다.

먼저, 압전소자(10)에서 측정된 초음파 신호의 영역변경을 수행한다(S41). 즉, 압전소자(10)에서 측정된 초음파 신호 중에서, 원주방향 위치를 초음파 차수로 변경하고, 시간을 주파수로 변경한다.

이를 구체적으로 설명하면, 손상 영상화를 위해 압전소자(10)에서 측정된 초음파모드에 대한 신호

가 각각 원주방향으로 직교하도록 수학식 1을 적용한다.

이때, 압전소자(10)의 위치를 축방향에서 z=0으로 가정하고, n은 (0,1,2,3...)차가 된다.

수학식 1에서 분할된 신호는 수학식 2와 같이 푸리에 변환을 통해 주파수 영역으로 표시된다.

압전소자(10)에서 측정된 초음파 신호의 영역변경이 완료되면, 분산성 상쇄를 위한 파형 복구 연산자를 적용한다(S42).

파형 복구 연산자는 수학식 3과 같다.

수학식 3은 가상의 공간영역에서 초음파모드를 손상 방향으로 진행시켜 주는 것으로서,

는 초음파모드의 파수(波數)를 의미한다.

한편, 초음파모드의 분산성 상쇄를 이용하여 손상 이미지를 구축하기 위해서는 초음파모드를 구성하고 있는 주파수

와, 원주방향으로 n차의 모드를 갖는 각각의 초음파 성분이 가상의 공간영역에서 시간을 거슬러 배관(100)의 손상지점(110)으로 되돌아 가야 한다.

이때, 초음파모드가 생성되는 시점을 원점으로 하고(t=0), 축방향 z좌표를 고려하면, 가상의 공간영역에서 손상지점(110)(z=-z)에서 모이게 되는 초음파모드 성분은 수학식 4와 같이 표현된다(Wilcox et al 2003).

분산성 상쇄를 위한 파형 복구 연산자 적용이 완료되면, 주파수 영역에 대한 적분변수를 공간영역에 대한 적분변수로 치환한다(S43).

즉, 수학식 4는 연산부담이 큰 수치적분이 요구되기 때문에, 적절한 치환과정을 통해 주파수 영역에 대한 적분변수

를 공간영역에 대한 적분변수

로 변경한다.

이때, 초음파모드의 군속도(群速度)

이

의 형태로 표현됨을 고려하면, 수학식 4는 수학식 5의 형태로 변환될 수 있다.

주파수 영역에 대한 적분변수가 공간영역에 대한 적분변수로 치환되면, 레일리-램 방정식을 활용하여 파수를 계산한다(S44).

즉, 수학식 5를 계산하는데 있어서 가장 중요한 부분이 초음파모드의 파수인

를 구하는 것이다.

이를 위해, 배관(100)의 직경이 두께보다 휠씬 커서, 판 구조물과 배관 구조물의 기하학적으로 유사하다고 가정하면,

가 수학식 6으로 표현된다.

여기에서

는 측방향 대칭모드의 파수이고, n은 초음파모드의 원주방향 차수이며,

는 배관(100)의 중심반경이다.

한편, 판 구조물과 배관 구조물의 유사성을 활용하여

은 판 구조물에서 초음파모드에 해당하는 초음파 신호인 최저차수의 대칭모드

의 파수로 대신할 수 있다. 이때, 구체적인 계산과정은 레일리-램(Rayleigh-Lamb) 방정식에 의한다(Rose 1999, Giurgiutiu 2008).

따라서, 앞서 언급한 초음파모드의 군속도

는 수학식 7과 같이 유도된다.

파수 계산이 완료되면, 2차원 역 푸리에 변환을 통하여 분산성이 상쇄된 초음파 정보를 추출한다(S45).

즉, 상술한 과정을 통해 손상 영상은 초음파모드의 분산성을 상쇄하고, 이와 동시에 가상 영역에서 초음파모드의 에너지를 초음파모드가 처음으로 생성된 손상지점(110)에 모이게 함으로써 얻어질 수 있다.

그리고, 최종적인 손상 영상 x는

의 역 푸리에 변환을 통하여 수학식 8과 같이 도출된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

10 : 압전소자 20 : 영상처리부
100 : 배관 110 : 손상지점

Claims (5)

1. 배관에 압전소자를 장착하는 단계;
   상기 압전소자에서 초음파를 생성하는 단계;
   상기 압전소자가 상기 배관의 손상지점에서 반사되는 초음파 신호를 측정하는 단계; 및
   상기 압전소자와 연결된 영상처리부가 상기 압전소자에서 측정된 초음파 신호의 분산성을 상쇄하고 파형을 복구하는 단계를 포함하고,
   상기 영상처리부가 상기 압전소자에서 측정된 초음파 신호의 분산성을 상쇄하고 파형을 복구하는 단계는
   상기 압전소자에서 측정된 초음파 신호의 영역변경을 수행하는 단계;
   분산성 상쇄를 위한 파형 복구 연산자를 적용하는 단계;
   주파수 영역에 대한 적분변수를 공간영역에 대한 적분변수로 치환하는 단계;
   레일리-램 방정식을 활용하여 파수를 계산하는 단계; 및
   2차원 역 푸리에 변환을 통하여 분산성이 상쇄된 초음파 정보를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배관 손상 영상화 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 배관에 압전소자를 장착하는 단계는
   상기 압전소자가 상기 배관의 원주면을 따라 복수개로 배치되는 것을 특징으로 하는 배관 손상 영상화 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 압전소자에서 초음파를 생성하는 단계는
   복수개로 이루어진 상기 압전소자가 동시에 구동되는 것을 특징으로 하는 배관 손상 영상화 방법.
4. 제 2항에 있어서, 상기 압전소자가 상기 배관의 손상된 지점에서 반사되는 신호를 측정하는 단계는
   상기 압전소자 각각에서 축방향 대칭모드와 축방향 비대칭모드를 측정하는 것을 특징으로 하는 배관 손상 영상화 방법.
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