KR101651045B1 - 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템 및 그 시스템을 이용한 검사방법 - Google Patents

병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템 및 그 시스템을 이용한 검사방법 Download PDF

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김동규
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김학준
박재하
김대광
정해교
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템은 원격필드에서의 배관두께 변화에 따른 와전류의 전파시간의 변화를 감지하여 센싱신호를 생성하는 적어도 하나 이상의 코일센서, 상기 코일센서로부터 입력된 센싱신호를 처리하여 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 생성하는 적어도 하나 이상의 센싱신호처리모듈을 포함하며, 상기 센싱신호처리모듈은 각각의 코일센서에 대응되도록 구비되어, 복수의 센싱신호를 동시에 병렬로 처리하여 신호처리속도를 향상시키고, 검사시스템의 정확도를 향상시킨다.

Description

병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템 및 그 시스템을 이용한 검사방법{PIPE NONDESTRUCTIVE INSPECTION SYSTEM USING PARALLEL SIGNAL PROCESSING STRUCTURE AND INSPECTION METHOD USING THE SAME}
본 발명은 배관의 비파괴 검사시스템 및 그 시스템을 이용한 검사방법에 관한 것이다. 더 자세히는, 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템 및 그 시스템을 이용한 검사방법에 관한 것이다.
배관 내부의 결함을 검사하기 위하여 와전류 탐상 방법이 사용된다. 배관에 교류 자기장을 형성하면, 교류 자기장이 배관에 와전류를 유도하며, 배관의 두께의 변화에 따라 와전류의 전파시간이 변화하고, 와전류가 원격필드에서 자기장의 변화를 유도하며, 유도된 자기장의 변화가 코일센서에 전압을 유도한다. 코일센서에 유도되는 전압의 변화를 측정함으로써 배관의 두께의 변화를 측정한다.
코일센서로부터 출력되는 와전류의 변화가 반영된 센싱신호는 락인앰프회로를 이용하여 처리된다. 락인앰프회로(Lock-in amplifier)는 어떤 신호를 검출할 때 노이즈의 영향으로 원하는 신호를 얻을 수 없는 경우, 이러한 노이즈의 영향을 받지 않고 미세 신호를 검출하기 위해 사용되는 회로이다. 검출하고자 하는 신호 및 노이즈가 포함된 신호에 검출하고자 하는 신호와 동일한 주파수를 가진 기준신호(reference signal)를 곱하여, 검출하고자 하는 신호를 추출할 수 있다.
배관의 직경이 작은 경우에는 하나의 코일센서를 사용하나, 배관의 직경이 큰 경우에는 복수의 코일센서를 사용하여 배관 내부를 검사한다. 코일센서로부터 출력되는 센싱신호는 락인앰프회로에서 처리되며, 락인앰프회로에서 센싱신호를 처리하는데에 소정의 시간이 소요된다. 따라서 복수의 센싱신호를 하나의 락인앰프회로에서 처리하는 경우, 처음 처리되는 센싱신호와 나중에 처리되는 센싱신호 사이에 시간지연이 발생하고, 이는 배관의 결함유무 판단의 정확도를 감소시킨다.
JP 2004-294341 A
원격필드 와전류 탐상법(RFECT)에서 배관의 두께변화는 검출신호의 위상에 변화를 주므로, 다채널의 센서신호의 위상변화를 검출함에 있어서 신호처리의 동시성을 확보하는 것은 매우 중요하다.
본 발명은 각 코일센서에 대응하는 센싱신호처리모듈을 구비하여, 복수의 센싱신호를 복수의 센싱신호처리모듈에서 병렬적으로 처리하고, 신호처리 결과를 메인 컨트롤러로 병렬적으로 전송함에 따라, 시간지연을 줄일 수 있고, 코일센서와 센싱신호처리모듈을 포함하는 코일센서모듈을 병렬적으로 추가할 수 있는 확장성을 제공하는 배관의 비파괴검사 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템은, 원격필드에서의 배관두께 변화에 따른 와전류의 전파시간의 변화를 감지하여 센싱신호를 생성하는 적어도 하나 이상의 코일센서, 상기 코일센서로부터 입력된 센싱신호를 처리하여 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 생성하는 적어도 하나 이상의 센싱신호처리모듈을 포함하며, 상기 센싱신호처리모듈은 각각의 코일센서에 대응되도록 구비된다.
또한, 상기 센싱신호처리모듈은 상기 센싱신호에 제1 기준신호 및 제2 기준신호를 각각 합성하여 제1 합성신호 및 제2 합성신호를 생성하며, 상기 제1 및 제2 합성신호에서 각각 직류성분을 추출하여 위상성분값(X) 및 직교위상성분값(Y)를 생성하고, 상기 위상성분값(X) 및 직교위상성분값(Y)을 하기의 수학식 1 및 2에 따라 계산하여 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 산출한다.
[수학식 1]
Figure 112015118108368-pat00001
[수학식 2]
Figure 112015118108368-pat00002
또한, 상기 센싱신호처리모듈은 상기 센싱신호와 제1 기준신호를 합성하여 제1 합성신호를 생성하는 제1 주파수합성기 및 상기 센싱신호와 제2 기준신호를 합성하여 제2 합성신호를 생성하는 제2 주파수합성기를 포함하는 주파수합성부, 상기 제1 합성신호에서 직류성분을 추출하여 위상성분값(X)을 생성하는 제1 저역통과필터 및 상기 제2 합성신호에서 직류성분을 추출하여 직교위상성분값(Y)을 생성하는 제2 저역통과필터를 포함하는 필터부, 상기 위상성분값(X) 및 직교위상성분값(Y)에 기초하여, 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 산출하는 진폭위상산출부를 포함한다.
또한, 상기 적어도 하나의 센싱신호처리모듈에서 병렬적으로 산출된 위상차값(θ)들에 기초하여, 수학식 6에 따라 배관결함의 깊이를 추정하는 컨트롤 스테이션을 더 포함한다.
[수학식 6]
Figure 112015118108368-pat00003
(D: 배관결함의 깊이, θ: 위상차값, a= -0.015, b= -1.6573, c= 84.685)
본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템을 이용한 검사방법은, 적어도 하나 이상의 코일센서에서, 원격필드에서의 배관두께 변화에 따른 와전류의 전파시간의 변화를 감지하여 센싱신호를 생성하는 센싱단계, 상기 코일센서에 대응하도록 구비된 적어도 하나 이상의 센싱신호처리모듈에서, 상기 코일센서로부터 입력된 센싱신호를 처리하여 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 생성하는 신호처리단계를 포함한다.
또한, 상기 신호처리단계는 제1 및 제2 주파수합성기에서, 상기 센싱신호에 제1 기준신호 및 제2 기준신호를 각각 곱하여 제1 합성신호 및 제2 합성신호를 생성하는 신호합성단계, 제1 및 제2 저역통과필터에서, 상기 제1 및 제2 합성신호에서 직류성분을 추출하여 위상성분값(X) 및 직교위상성분값(Y)를 생성하는 필터링단계, 진폭위상산출부에서, 상기 위상성분값(X) 및 직교위상성분값(Y)을 하기의 수학식 1 및 2에 따라 계산하여 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 산출하는 진폭위상산출단계를 포함한다.
[수학식 1]
Figure 112015118108368-pat00004
[수학식 2]
Figure 112015118108368-pat00005
또한, 컨트롤 스테이션에서, 상기 적어도 하나의 센싱신호처리모듈에서 병렬적으로 산출된 위상차값(θ)들에 기초하여, 수학식 6에 따라 배관결함의 깊이를 추정하는 단계를 더 포함한다.
[수학식 6]
Figure 112015118108368-pat00006
(D: 배관결함의 깊이, θ: 위상차값, a, b 및 c는 실험에 의해 구해진 상수값, 예를 들면, a= -0.015, b= -1.6573, c= 84.685)
본 발명은 각 코일센서에 대응하는 센싱신호처리모듈을 구비하여, 복수의 센싱신호를 복수의 센싱신호처리모듈에서 병렬적으로 처리함에 따라, 신호처리 속도를 향상시킬 수 있으며, 배관 내부 결함 판단의 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 코일센서와 센싱신호처리모듈을 포함하는 코일센서모듈을 병렬적으로 추가할 수 있는 확장성을 제공하며, 따라서 직경이 큰 배관에 적용하는 경우, 용이하게 복수의 코일센서모듈을 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱신호처리모듈의 블록도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱신호처리모듈의 출력값인 위상성분값(X)을 도시한 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱신호처리모듈의 출력값인 센싱신호의 위상차값(θ)을 도시한 그래프이다.
도 3c는 코일센서의 직경, 각 코일센서간의 간격 및 결함과 중첩되지 않은 영역을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템을 이용항 검사방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명인 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템 및 그 시스템을 이용한 검사방법에 대한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템(10)의 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템(10)은 컨트롤 스테이션(300), 센싱부(100), 메인보드(200), 주행거리계(231), 모터(271), 배터리(411), 파워보드(400)를 포함한다.
센싱부(100)는 익사이터모듈(120) 및 센싱모듈을 포함하며, 익사이터모듈(120)은 기준신호에 기초한 교류신호를 생성하여 익사이팅코일 드라이버(122)에 제공하는 사인파 생성기(121), 사인파 생성기(121)로부터 입력된 교류신호에 기초하여 익사이팅코일(123)을 동작시키는 익사이팅코일 드라이버(122), 배관 내부에 교류 자기장을 형성하는 익사이팅코일(123)을 포함한다.
센싱모듈은 원격필드에서의 배관의 두께변화를 감지하여 복수의 센싱신호를 생성하고, 복수의 센싱신호를 병렬적으로 처리하여, 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 생성하는 복수의(n개의) 코일센서모듈(110)을 포함한다.
코일센서모듈(110)은 원격필드에서 배관의 두께변화에 따른 와전류의 전파시간의 변화를 감지하여 복수의 센싱신호를 생성하는 적어도 하나 이상의(n개의) 코일센서(111), 센싱신호에서 노이즈를 제거하고 특정대역의 신호를 통과시키는 필터(112a) 및 신호의 크기를 증폭시키는 증폭기(112b)를 포함하는 센서 인터페이스(112), 센서 인터페이스(112)에서 출력된 센싱신호를 디지털신호로 변환하는 A/D컨버터(113), 디지털신호로 변환된 센싱신호를 처리하여 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 생성하는 센싱신호처리모듈(114z)이 적어도 하나 이상 포함된 서브 컨트롤러(114), 서브 컨트롤러(114)가 메인 컨트롤러(240)와 정보를 송수신하도록 중계하는 메인 인터페이스(115)를 포함한다.
메인보드(200)는 컨트롤 스테이션(300)과 정보를 송수신하도록 중계하는 통신모듈(210), 데이터를 저장하기 위한 메모리(220), 주행거리계(231)의 출력신호에 기초하여, 주행거리정보를 메인 컨트롤러(240)에 출력하는 주행거리계 인터페이스(230), 기준신호를 생성하는 기준신호 생성기(280), 제어신호에 따라 모터(271)를 구동하기 위한 모터 컨트롤러(260)와 모터 인터페이스(270), 서브 컨트롤러(114)로부터 센싱신호를 처리한 결과물인 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 수신하여 배관의 두께변화가 반영된 진폭값(R) 및 위상차값(θ) 및 주행거리정보 등이 포함된 두께변화정보를 생성하고, 두께변화정보를 컨트롤 스테이션(300)으로 전송하는 메인 컨트롤러(240), 메인 컨트롤러(240)가 서브 컨트롤러(114)와 정보를 송수신하도록 중계하는 서브 인터페이스(250)를 포함한다.
파워보드(400)는 배터리(411)로부터 전원을 공급받아 필요한 전압으로 변환하는 DC/DC컨버터(410) 및 보호회로(420)를 포함하며, 보호회로(420)를 통해 메인보드(200) 등에 전원을 공급한다.
상기 센싱부(100), 메인보드(200), 주행거리계(231), 모터(271), 배터리(411), 파워보드(400)는 배관 내부를 자율주행하는 배관검사 로봇모듈에 포함된다.
컨트롤 스테이션(300)은 두께변화정보에 포함된 진폭값(R) 및 위상차값(θ)에 기초하여 배관 내부의 결함유무 및 결함의 크기를 판단한다.
이하에서 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템의 병렬형 신호처리구조에 대하여 더 자세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 신호처리구조는 원격필드에서의 배관두께 변화에 따른 와전류의 전파시간의 변화를 감지하여 센싱신호를 생성하는 적어도 하나 이상의 코일센서(111), 상기 코일센서(111)로부터 입력된 센싱신호를 처리하여 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 생성하는 적어도 하나 이상의 센싱신호처리모듈(114z)을 포함하며, 상기 센싱신호처리모듈(114z)은 각각의 코일센서(111)에 대응되도록 구비된다.
즉, 각 코일센서(111)마다 대응하는 센싱신호처리모듈(114z)이 있어, 복수의 센싱신호를 복수의 센싱신호처리모듈(114z)에서 각각 처리하여, 복수의 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 병렬적으로 생성한다. 따라서, 센싱신호를 병렬적으로 처리하여 동시에 복수의 센싱신호를 처리하므로 센싱신호의 처리에 시간지연이 발생하지 않으며, 순차적으로 센싱신호를 처리하는 경우에 비하여 센싱신호의 처리속도가 향상된다.
원격필드 와전류 탐상법(RFECT)에서 배관의 두께변화는 검출신호의 위상에 변화를 주므로, 다채널의 센서신호의 위상변화를 검출함에 있어서 신호처리의 동시성을 확보하는 것은 매우 중요하다.
또한, 배관의 직경이 큰 경우, 코일센서모듈(110)을 추가하더라도 추가된 코일센서(111)에서 생성된 센싱신호의 처리가 병렬적으로 이루어지므로, 전체적인 센싱신호의 처리속도가 감소하지 않는다. 따라서 코일센서모듈(110)를 더 추가할 수 있는 확장성을 제공하며, 직경이 큰 배관에 적용하는 경우 용이하게 센서의 수를 증가시킬 수 있다.
이하에서, 서브 컨트롤러(114)의 센싱신호처리모듈(114z)에서 센싱신호(VS)가 어떻게 처리되는지 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱신호처리모듈(114z)의 블록도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱신호처리모듈(114z)은 기준신호출력부(114a), 주파수합성부(114b), 필터부(114c), 진폭위상산출부(114d)를 포함한다.
도 2에는 도 1의 필터(112a) 및 증폭기(112b)를 포함하는 센서 인터페이스(112)와 A/D컨버터(113)가 개시된다. 코일센서모듈(110)은 각 센싱신호처리모듈(114z)에 대응되도록 적어도 하나 이상의 센서 인터페이스(112) 및 A/D컨버터(113)를 포함한다.
기준신호출력부(114a)는 메인 컨트롤러(240)로부터 입력받은 기준신호(VR)의 주파수 및 위상정보에 일치하는 기준신호(VR)를 생성하는 위상고정루프(114a1), 센싱신호의 위상변화를 효율적으로 검출할 수 있도록 위상고정루프(114a1)에서 출력하는 기준신호의 위상을 이동시켜 제1 기준신호(VR1)를 생성하는 위상시프터(114a2) 및 제1 기준신호(VR1)에서 위상을 90°이동시켜 제2 기준신호(VR2)를 생성하는 90°위상시프터(114a3)를 포함한다.
주파수합성부(114b)는 센싱신호(VS)에 제1 및 제2 기준신호(VR1, VR2)를 합성하여 제1 및 제2 합성신호(VM1, VM2)를 생성하며, 필터부(114c)는 제1 및 제2 합성신호(VM1, VM2)에서 직류성분을 추출하여 위상성분값(X) 및 직교위상성분값(Y)을 생성한다. 필터부(114c)는 직류 오프셋을 제거하는 제1 및 제2 오프셋제거기(114c3, 114c4)를 더 포함할 수 있다.
진폭위상산출부(114d)는 위상성분값(X)(In-Phase component)과 직교위상성분값(Y)(Quadrature component)에 기초하여, 진폭값(R) 및 위상차값(θ)를 산출한다.
상기 기준신호출력부(114a), 주파수합성부(114b), 필터부(114c), 진폭위상산출부(114d)를 포함하는 적어도 하나 이상의 센싱신호처리모듈(114z)은 서브 컨트롤러(114)에서 디지털회로로 구현될 수 있으며, 이는 하나의 칩에서 동시에 복수의 입력을 처리할 수 있는 다채널 락인앰프(Lock-In Amplifier)칩으로 구현될 수 있다. 서브 컨트롤러(114)는 상기 설명한 기능을 수행하기 위한 알고리즘을 포함할 수 있으며, 펌웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어(예를들면, 반도체칩 또는 응용집적회로(application-specific integrated circuit)에서 구현될 수 있다.
이하에서, 센싱신호처리모듈(114z)의 동작을 자세히 설명한다.
센싱신호처리모듈(114z)은 상기 센싱신호(VS)에 제1 기준신호(VR1) 및 제2 기준신호(VR2)를 각각 합성하여 제1 합성신호(VM1) 및 제2 합성신호(VM2)를 생성하며, 상기 제1 및 제2 합성신호(VM1, VM2)에서 각각 직류성분을 추출하여 위상성분값(X) 및 직교위상성분값(Y)를 생성하고, 상기 위상성분값(X) 및 직교위상성분값(Y)을 하기의 수학식 1 및 2에 따라 계산하여 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 산출한다.
[수학식 1]
Figure 112015118108368-pat00007
[수학식 2]
Figure 112015118108368-pat00008
즉, 주파수합성부(114b)는 상기 센싱신호(VS)와 제1 기준신호(VR1)를 합성하여 제1 합성신호(VM1)를 생성하는 제1 주파수합성기(114b1) 및 상기 센싱신호(VS)와 제2 기준신호(VR2)를 합성하여 제2 합성신호(VM1)를 생성하는 제2 주파수합성기(114b2)를 포함하며, 필터부(114c)는 상기 제1 합성신호(VM1)에서 직류성분을 추출하여 위상성분값(X)을 생성하는 제1 저역통과필터(114c1) 및 상기 제2 합성신호(VM2)에서 직류성분을 추출하여 직교위상성분값(Y)을 생성하는 제2 저역통과필터(114c2)를 포함하고, 진폭위상산출부(114d)는 상기 위상성분값(X) 및 직교위상성분값(Y)에 기초하여, 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 산출한다.
예를 들어, 코일센서(111)에서 출력되는 센싱신호(VS)를
Figure 112015118108368-pat00009
라 하고, 기준신호(VR)를
Figure 112015118108368-pat00010
라 한다. 센싱신호(VS)는 필터(112a)에서 증폭기(112b)를 거치고 A/D컨버터(113)를 거쳐 디지털신호로 변환되고 제1 주파수합성기(114b1) 및 제2 주파수합성기(114b2)에 입력된다.
기준신호출력부(114a)는 위상고정루프(114a1), 위상시프터(114a2), 90°위상시프터(114a3)를 포함한다.
위상고정루프(Phase Locked Loops)는 주파수 합성(frequency synthesis), 회로 내의 클럭 생성(clock generation) 등에 널리 사용되는 회로이다. 위상고정루프는 기준이 될 주파수신호를 외부에서 입력받고, 자체적으로 생성하는 주파수신호를 피드백 루프를 통하여 입력받아, 기준이 될 주파수와 동일한 주파수 및 위상을 갖는 신호를 출력하도록 제어하는 회로이다. 따라서, 위상고정루프(114a1)는 메인 컨트롤러(240)로부터 입력받은 기준신호의 주파수 및 위상정보에 일치하는 기준신호(VR)를 출력한다.
위상시프터(Phase shifter)는 입력신호에서 소정 위상을 이동시킨 신호를 출력하는 회로이다. 따라서, 위상시프터(114a2)는 위상고정루프(114a1)로부터 기준신호(VR)를 입력받아, 센싱신호의 위상의 변화를 효과적으로 검출할 수 있는 위상으로 기준신호의 위상을 이동시켜 제1 기준신호(VR1)
Figure 112015118108368-pat00011
를 생성한다. 또한, 90°위상시프터(114a3)는 제1 기준신호(VR1)로부터 위상이 90°이동된 제2 기준신호(VR2)
Figure 112015118108368-pat00012
를 생성한다.
다음으로, 센서 인터페이스(112)와 A/D컨버터(113)를 통과한 센싱신호(VS)와 기준신호출력부(114a)에서 출력되는 제1 기준신호(VR1)와 제2 기준신호(VR2)가 주파수합성부(114b)로 입력된다.
제1 주파수합성기(114b1)는 제1 기준신호(VR1)와 센싱신호(VS)를 합성하여 하기의 수학식 3과 같은 제1 합성신호(VM1)를 출력한다.
[수학식3]
Figure 112015118108368-pat00013
제2 주파수합성기(114b2)는 제2 기준신호와 센싱신호를 합성하여 하기의 수학식 4와 같은 제2 합성신호(VM2)를 출력한다.
[수학식4]
Figure 112015118108368-pat00014
제1 합성신호(VM1)는 센싱신호(VS)의 크기(k)에 비례하는 계수(
Figure 112015118108368-pat00015
)에 위상차의 코사인값(
Figure 112015118108368-pat00016
)이 곱해진 직류성분(
Figure 112015118108368-pat00017
)과 센싱신호(VS)의 주파수(
Figure 112015118108368-pat00018
)의 2배의 주파수(
Figure 112015118108368-pat00019
)를 가진 교류성분(
Figure 112015118108368-pat00020
)의 합으로 나타난다. 원격장에서, 익사이터코일(123)로부터 방출되는 교류 자기장에 따라 배관에 유도되는 와전류는 배관의 결함에 의해 전파시간이 변화되며, 이러한 변화는 코일센서(111)에 유도되는 센싱신호(VS)의 위상의 변화로 나타난다. 따라서, 제1 및 제2 합성신호(VM1, VM2)의 직류성분은 센싱신호(VS)와 기준신호(VR1, VR2)의 위상차에 의존하는 값이므로, 저역통과필터를 통해 교류성분을 제거하면, 배관의 결함을 검사하기 위한 정보로 이용할 수 있다.
다음으로, 제1 저역통과필터(114c1)는 제1 합성신호(VM1)에서 직류성분을 추출하여 위상성분값(X)
Figure 112015118108368-pat00021
을 생성하고, 제2 저역통과필터(114c2)는 제2 합성신호(VM2)에서 직류성분을 추출하여 직교위상성분값(Y)
Figure 112015118108368-pat00022
을 생성한다.
진폭위상산출부(114d)는 위상성분값(X)과 직교위상성분값(Y)을 이용하여, 하기의 수학식 1 및 2에 따라 진폭값(R)
Figure 112015118108368-pat00023
및 위상차값(θ)
Figure 112015118108368-pat00024
을 산출한다.
[수학식 1]
Figure 112015118108368-pat00025
[수학식 2]
Figure 112015118108368-pat00026
이하에서, 도 3a 및 3b를 참조하여, 컨트롤 스테이션(300)에서 배관의 결함유무 및 결함의 크기를 판단하는 과정을 설명한다. 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱신호처리모듈(114z)의 출력값인 위상성분값(X)을 도시한 그래프이며, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱신호처리모듈(114z)의 출력값인 센싱신호의 위상차값(θ)을 도시한 그래프이다.
컨트롤 스테이션(300)은 제1 컨트롤 서버(301) 및 제2 컨트롤 서버(302)를 포함하며, 제1 컨트롤 서버(301)는 배관검사 로봇모듈의 동작을 제어하며, 제2 컨트롤 서버(302)는 메인 컨트롤러(240)로부터 수신된 두께변화정보에 포함된 진폭값(R) 및 위상차값(θ)에 기초하여 배관 내부의 결함유무 및 결함의 크기를 판단한다.
결함의 길이는 하기의 수학식 5를 통하여 추정할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112015118108368-pat00027
(L: 결함의 길이, x: d2-d1(도 3참조), w1,w2: 실험값, C: 실험값)
도 3a의 가로축은 배관의 길이 방향 이동거리를 나타내며, 세로축은 위상성분값(X)을 전압의 크기로 나타낸 그래프이다. d1은 위상성분값(X)가 최대인 지점의 가로축값이며, d2는 위상성분값(X)가 최소인 지점의 가로축값이다. x는 d2값에서 d1값을 뺀 값이며, 이는 결함의 길이와 관계된 코일센서(111)의 배관의 길이방향 이동거리를 나타낸다. 수학식 5는 결함의 길이(L)를 구하기 위하여 실험에 의해 얻어진 식이다. 또한, w1,w2 및 C는 실험에 의해 얻어진 값이며, 배관의 두께 등의 검사환경 및 코일센서 또는 익사이터 등의 배관검사 로봇모듈의 설계 등에 따라 변경될 수 있는 값이다.
결함의 깊이는 하기의 수학식 6을 통하여 추정할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112015118108368-pat00028
(D: 배관결함의 깊이, θ: 위상차값, a, b 및 c는 실험에 의해 구해진 상수값, 예를 들면, a= -0.015, b= -1.6573, c= 84.685)
도 3b의 가로축은 위상성분값(X)이며, 세로축은 직교위상성분값(Y)이다. 시간의 흐름에 따라 위상성분값(X)과 직교위상성분값(Y)을 좌표점(X,Y)으로 도시하면, 배관의 결함이 없는 경우에는 원점 부근에 좌표점이 존재하나, 배관의 결함이 있는 경우에는 점이 원점 부근에서 벗어나 원점부근을 중심으로 하는 리본형상을 나타낸다. 좌표점의 경로와 X축이 이루는 각을 θ라 하며, θ는
Figure 112015118108368-pat00029
으로, 센싱신호와 기준신호의 위상차를 나타낸다. 도 3b의 그래프를 모니터 등의 표시장치를 이용하여 표시하면 배관의 결함의 유무를 시각적으로 확인할 수 있으므로 배관검사에 유용하다. 또한, a, b, c는 실험에 의해 구해진 값이며, 배관의 두께 등의 검사환경, 코일센서 또는 익사이터 등의 배관검사 로봇모듈의 설계 등에 따라 변경될 수 있는 값이다.
결함의 폭은 하기의 수학식 7을 통하여 추정할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112015118108368-pat00030
(W=결함의 폭, Nvalid=유효 코일센서의 개수, Sl= 유효 코일센서의 직경, Wint= 유효 센셍코일간의 간격, WBL=좌측 중첩제외영역의 길이, WBR ==우측 중첩제외영역의 길이 )
도 3c는 코일센서(111)의 직경(Sl), 각 코일센서(111)간의 간격(Wint) 및 결함과 중첩되지 않은 영역을 도시한 도면으로, 여기서, W는 결함의 폭을 의미하며, WBL,WBR 는 중첩제외영역의 길이를 의미한다. 또한 Sl는 유효 코일센서(111)의 직경을 의미하며, Wint는 코일센서(111)간의 간격을 의미한다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 결함의 폭은 유효 코일센서(111)의 직경(Sl). 유효 코일센서(111)간의 간격(Wint) 및 중첩제외영역의 길이(WBL ,WBR)를 이용하여 산출할 수 있다. 즉, 유효코일센서(111)의 직경(Sl)과 유효 코일센서(111)간의 간격(Wint)을 더한 것에 중첩제외영역의 길이(WBL ,WBR)를 제함으로써 결함의 폭을 산출할 수 있다.
유효 코일센서의 개수(Nvalid)는 컨트롤 스테이션(300)에서 진폭값(R)이 임계값(WT)보다 큰 코일센서의 개수를 카운트함으로써 계산한다. 또한, 유효 코일센서(111)의 직경(Sl)과 간격(Wint)은 배관의 비파괴 검사시스템을 제작함에 있어서 기 설정된 값에 해당하며, 중첩제외영역의 길이(WBR,WBL)는 하기의 수학식 8을 통해 산출할 수 있다. 따라서, 수학식 7에 상술한 값을 대입함으로써 배관의 결함폭을 산출할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112015118108368-pat00031
(WBL=좌측 중첩제외영역의 길이, WBR=우측 중첩제외영역의 길이, Sl= 유효 코일센서의 직경, RMAX=최대 진폭값 , RBL= 좌측에 중첩된 코일센서의 진폭값 RBR=우측에 중첩된 코일센서의 진폭값)
도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템을 이용한 검사방법을 설명한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템을 이용한 검사방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템을 이용한 검사방법은, 적어도 하나 이상의 코일센서(111)에서, 원격필드에서의 배관두께 변화에 따른 와전류의 전파시간의 변화를 감지하여 센싱신호를 생성하는 센싱단계(S110), 상기 코일센서(111)에 대응하도록 구비된 적어도 하나 이상의 센싱신호처리모듈(114z)에서, 상기 코일센서(111)로부터 입력된 센싱신호를 처리하여 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 생성하는 신호처리단계;를 포함한다.
상기 센싱단계는 적어도 하나 이상의 코일센서(111)에서 동시에 병렬적으로 수행되며, 상기 신호처리단계도 적어도 하나 이상의 센싱신호처리모듈(114z)에서 병렬적으로 수행된다.
그리고, 상기 센싱단계와 신호처리단계 이전에, 필터(112a)에서 센싱신호의 노이즈를 제거하여 특정 대역의 신호만을 통과시고, 증폭기(112b)를 통해 센싱신호의 크기를 증폭하며, A/D컨버터(113)에서 아날로그신호인 센싱신호를 디지털신호로 변환하여 서브 컨트롤러(114)로 출력하는 센싱신호전처리단계 및 위상고정루프(114a1)에서 메인 컨트롤러(240)로부터 입력된 기준신호의 주파수 및 위상정보에 일치하는 기준신호를 생성하고, 위상시프터(114a2)에서 센싱신호의 위상변화를 효율적으로 검출하기 위하여 기준신호의 위상을 소정위상 이동시켜 제1 기준신호를 생성하며, 90°위상시프터(114a3)에서 제1 기준신호를 90°위상이동시켜 제2 기준신호를 생성하는 기준신호출력단계를 더 포함한다(S120).
상기 신호처리단계를 자세히 설명하면 다음과 같다.
상기 신호처리단계는 제1 및 제2 주파수합성기(114b2)에서, 상기 센싱신호(VS)에 제1 기준신호(VR1) 및 제2 기준신호(VR2)를 각각 곱하여 제1 합성신호(VM1) 및 제2 합성신호(VM2)를 생성하는 신호합성단계(S130), 제1 및 제2 저역통과필터(114c2)에서, 상기 제1 및 제2 합성신호(VM1, VM2)에서 직류성분을 추출하여 위상성분값(X) 및 직교위상성분값(Y)를 생성하는 필터링단계(S140), 진폭위상산출부(114d)에서, 상기 위상성분값(X) 및 직교위상성분값(Y)을 하기의 수학식 1 및 2에 따라 계산하여 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 산출하는 진폭위상산출단계(S150)를 포함한다.
[수학식 1]
Figure 112015118108368-pat00032
[수학식 2]
Figure 112015118108368-pat00033
상기 신호처리단계 이후에, 적어도 하나 이상의 센싱신호처리모듈(114z)은 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 병렬적으로 출력한다. 서브 컨트롤러(114)는 복수의 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 메인 컨트롤러(240)로 전송하며, 메인 컨트롤러(240)는 복수의 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 포함하는 두께변화정보를 생성하여(S160) 컨트롤 스테이션(300)으로 전송한다.
다음으로, 컨트롤 스테이션(300)에서, 코일센서(111)의 배관의 길이방향 이동거리(x)에 기초하여, 수학식 5에 따라 배관결함의 길이를 추정하고, 위상차값(θ)에 기초하여, 수학식 6에 따라 배관결함의 깊이를 추정하며, 진폭값(R)에 기초하여, 수학식 7 및 8에 따라 배관결함의 폭을 추정하는 단계(S170)를 더 포함한다.
[수학식 5]
Figure 112015118108368-pat00034
(L: 결함의 길이, x: d2-d1(도 3참조), w1,w2: 실험값, C: 실험값)
[수학식 6]
Figure 112015118108368-pat00035
(D: 배관결함의 깊이, θ: 위상차값, a, b 및 c는 실험에 의해 구해진 상수값, 예를 들면, a= -0.015, b= -1.6573, c= 84.685)
[수학식 7]
Figure 112015118108368-pat00036
(W=결함의 폭, Nvalid=유효 코일센서의 개수, Sl= 유효 코일센서의 직경, Wint= 유효 센셍코일간의 간격, WBL=좌측 중첩제외영역의 길이, WBR ==우측 중첩제외영역의 길이 )
[수학식 8]
Figure 112016036087320-pat00049

(WBL=좌측 중첩제외영역의 길이, WBR=우측 중첩제외영역의 길이, Sl= 유효 코일센서의 직경, RMAX=최대 진폭값 , RBL= 좌측에 중첩된 코일센서의 진폭값 RBR=우측에 중첩된 코일센서의 진폭값)
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템 및 그 시스템을 이용한 검사방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100: 센싱부 110: 코일센서모듈
111: 코일센서 112: 센서 인터페이스
112a: 필터 112b: 증폭기
113: A/D컨버터 114: 서브 컨트롤러
114z: 센싱신호처리모듈 114a: 기준신호출력부
114a1: 위상고정루프 114a2: 위상시프터
114a3: 90°위상시프터 114b: 주파수합성부
114b1: 제1 주파수합성기(114b1) 114b2: 제2 주파수합성기(114b2)
114c: 필터부 114c1: 제1 저역통과필터
114c2: 제2 저역통과필터 114c3: 제1 오프셋제거기
114c4: 제2 오프셋제거기 114d: 진폭위상산출부
VS: 센싱신호 VR: 기준신호
VR1: 제1 기준신호 VR2: 제2 기준신호
VM1: 제1 합성신호 VM2: 제2 합성신호
W: 결함의 폭 Nvalid: 유효 코일센서의 개수
Sl: 유효 코일센서의 직경 Wint: 유효 센셍코일간의 간격
WBL: 좌측 중첩제외영역의 길이 WBR =: 우측 중첩제외영역의 길이
115: 메인 인터페이스 120: 익사이터모듈
121: 사인파 생성기 122: 익사이팅코일 드라이버
123: 익사이팅코일 200: 메인보드
210: 통신모듈 220: 메모리
230: 주행거리계 인터페이스 231: 주행거리계
240: 메인 컨트롤러 250: 서브 인터페이스
260: 모터 컨트롤러 270: 모터 인터페이스
271: 모터 280: 기준신호 생성기
300: 컨트롤 스테이션 310: 제1 컨트롤 서버
320: 제2 컨트롤 서버 400: 파워보드
410: DC/DC컨버터 411: 배터리
420: 보호회로

Claims (7)

  1. 원격필드에서의 배관두께 변화에 따른 와전류의 전파시간의 변화를 감지하여 센싱신호를 생성하는 복수의 코일센서; 및
    상기 각각의 코일센서로부터 입력된 센싱신호를 처리하여 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 생성하는 복수의 센싱신호처리모듈을 포함하며,
    상기 센싱신호처리모듈은
    각각의 코일센서에 대응되도록 구비되어, 병렬적으로 센싱신호를 동시에 처리하며,
    상기 센싱신호에 제1 기준신호 및 제2 기준신호를 각각 합성하여 제1 합성신호 및 제2 합성신호를 생성하며, 상기 제1 합성신호에서 직류성분을 추출하여 위상성분값(X)을 생성하고, 상기 제 2 합성신호에서 직류성분을 추출하여 직교위상성분값(Y)를 생성하고, 상기 위상성분값(X) 및 직교위상성분값(Y)을 하기의 수학식 1 및 2에 따라 계산하여 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 산출하는 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템.
    [수학식 1]
    Figure 112016036087320-pat00037

    [수학식 2]
    Figure 112016036087320-pat00038

  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 센싱신호처리모듈은
    상기 센싱신호와 제1 기준신호를 합성하여 제1 합성신호를 생성하는 제1 주파수합성기 및 상기 센싱신호와 제2 기준신호를 합성하여 제2 합성신호를 생성하는 제2 주파수합성기를 포함하는 주파수합성부;
    상기 제1 합성신호에서 직류성분을 추출하여 위상성분값(X)을 생성하는 제1 저역통과필터 및 상기 제2 합성신호에서 직류성분을 추출하여 직교위상성분값(Y)을 생성하는 제2 저역통과필터를 포함하는 필터부; 및
    상기 위상성분값(X) 및 직교위상성분값(Y)에 기초하여, 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 산출하는 진폭위상산출부를 포함하는 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 복수의 센싱신호처리모듈에서 병렬적으로 산출된 위상차값(θ)들에 기초하여, 수학식 6에 따라 배관결함의 깊이를 추정하는 컨트롤 스테이션을 더 포함하는 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템.

    [수학식 6]
    Figure 112016036087320-pat00039

    (D: 배관결함의 깊이, θ: 위상차값, a= -0.015, b= -1.6573, c= 84.685)
  5. 복수의 코일센서에서, 원격필드에서의 배관두께 변화에 따른 와전류의 전파시간의 변화를 감지하여 센싱신호를 생성하는 센싱단계; 및
    상기 코일센서에 대응하도록 구비된 복수의 센싱신호처리모듈에서, 상기 각각의 코일센서로부터 입력된 센싱신호를 병렬적으로 동시에 처리하여 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 생성하는 신호처리단계를 포함하며,
    상기 신호처리단계는
    제1 및 제2 주파수합성기에서, 상기 센싱신호에 제1 기준신호 및 제2 기준신호를 각각 곱하여 제1 합성신호 및 제2 합성신호를 생성하는 신호합성단계;
    제1 및 제2 저역통과필터에서, 상기 제1 합성신호에서 직류성분을 추출하여 위상성분값(X)을 생성하고, 상기 제 2 합성신호에서 직류성분을 추출하여 직교위상성분값(Y)를 생성하는 필터링단계; 및
    진폭위상산출부에서, 상기 위상성분값(X) 및 직교위상성분값(Y)을 하기의 수학식 1 및 2에 따라 계산하여 진폭값(R) 및 위상차값(θ)을 산출하는 진폭위상산출단계를 포함하는 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템을 이용한 검사방법.

    [수학식 1]
    Figure 112016036087320-pat00040

    [수학식 2]
    Figure 112016036087320-pat00041

  6. 삭제
  7. 청구항 5에 있어서,
    컨트롤 스테이션에서, 상기 복수의 센싱신호처리모듈에서 병렬적으로 산출된 위상차값(θ)들에 기초하여, 수학식 6에 따라 배관결함의 깊이를 추정하는 단계를 더 포함하는 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템을 이용한 검사방법.

    [수학식 6]
    Figure 112016036087320-pat00042

    (D: 배관결함의 깊이, θ: 위상차값, a= -0.015, b= -1.6573, c= 84.685)
KR1020150170889A 2015-12-02 2015-12-02 병렬형 신호처리구조를 이용한 배관의 비파괴 검사시스템 및 그 시스템을 이용한 검사방법 KR101651045B1 (ko)

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