KR101915281B1 - 곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템 및 검사방법 - Google Patents

곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템 및 검사방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101915281B1
KR101915281B1 KR1020170074245A KR20170074245A KR101915281B1 KR 101915281 B1 KR101915281 B1 KR 101915281B1 KR 1020170074245 A KR1020170074245 A KR 1020170074245A KR 20170074245 A KR20170074245 A KR 20170074245A KR 101915281 B1 KR101915281 B1 KR 101915281B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
phased array
shape
curvature
calculating
image
Prior art date
Application number
KR1020170074245A
Other languages
English (en)
Inventor
박춘수
최원재
조승현
박진규
김동열
Original Assignee
한국표준과학연구원
대우조선해양 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국표준과학연구원, 대우조선해양 주식회사 filed Critical 한국표준과학연구원
Priority to KR1020170074245A priority Critical patent/KR101915281B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101915281B1 publication Critical patent/KR101915281B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B17/00—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations
    • G01B17/06—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/0002—Inspection of images, e.g. flaw detection
    • G06T7/0004—Industrial image inspection

Abstract

본 발명은 곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템 및 검사방법에 관한 것으로서, 위상배열 초음파 검사시스템은, 검사하고자 하는 대상인 곡률 배관의 형상을 측정하는 형상 측정부; 상기 곡률 배관으로 위상배열 초음파 신호를 송신하고, 송신한 위상배열 초음파 신호를 수신하는 위상배열 초음파 측정부; 곡률 배관의 설계 형상에 관한 정보를 입력받아, 상기 형상 측정부의 파동 전파경로를 일차적으로 계산하는 경로 계산 컴퓨터부; 상기 경로 계산 컴퓨터부에 입력된 곡률 배관의 설계 형상과, 상기 형상 측정부에 의해 측정된 곡률 배관의 형상 차이를 보상하여 전파경로를 계산하고, 상기 위상배열 초음파 측정부에 의해 수신된 위상배열 초음파 신호를 위상배열 영상을 위한 지연-합으로 계산하여 위상배열 영상으로 출력하는 포터블 영상화부;를 포함하며, 상기의 구성에 따르면 종래 초음파 검사 기법으로 결합을 찾기 힘든 곡률 배관 용접부의 결함을 영상화할 수 있고, 방사선 검사를 대체하여 인체에 무해한 초음파 영상화 기법으로 작업자의 안전성을 보장할 수 있으며, 산업설비의 생산성을 유지시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템 및 검사방법{Phased array ultrasonic testing system and testing method for weld zone on elbow pipes}
본 발명은 형상 오차를 읽고 파의 경로를 보상하여 초음파 영상화를 구현할 수 있는 곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템 및 검사방법에 관한 것이다.
배관 용접부 내부검사를 위하여 사용되는 검사방법으로 방사선투과검사방법(이하, 'RT'라고 함)이 많이 사용되고 있는데, RT는 용접부를 투과하여 필름 상에 용접부 내부에 존재하는 결함을 나타내어 필름 관찰기(밝은 조명이 설치된 조광기)를 통해 이를 육안으로 확인하고 결함의 크기 및 형태를 측정할 수 있도록 하는 검사방법이다. RT의 경우 방사선 피폭의 우려 때문에 산업현장에서는 RT를 대체할 수 있는 검사방법이 요구되고 있다.
한편, TOFD(Time of Flight Diffraction)라 함은 초음파검사방법의 일종으로 종파(longitudinal wave)를 이용하여 결함의 양 끝단에서 발생하는 회절 신호의 시간 차이로 결함의 유무 및 크기를 탐지하는 방법이다.
한편, PAUT(Phased Array Ultrasonic Testing)라 함은 위상배열 초음파 탐상시험으로 한 개의 PAUT탐촉자에 여러 개의 진동자가 탑재되어 각각 개별 독립적으로 신호를 송신 및 수신하며, 그 독립적 신호의 증폭과 지연은 장비의 제어장치에 의해 제어되고, 다중 진동자로부터 발생되는 각각의 초음파 위상과 증폭이 동일한 파면을 이루도록 개별 시간지연을 입력하여 집속된 초음파 빔 그룹을 형성한다.
종래의 방사선투과검사방법은 적용되는 배관의 두께가 두껍거나 특정 각도로 기울어진 경우 결함을 잘 검출하지 못하는 단점이 있다. 또한, 매질의 밀도 차 또는 두께 차에 의한 방사선의 투과강도를 필름 상의 명암(밝기 차이)으로 나타내기 때문에 피검사체의 두께가 두꺼워지면 작은 결함이나 검사체의 표면에 판 상형으로 존재하거나 각도를 가지고 있는 결함은 필름 상에 명암의 농도 차이가 크지 않기 때문에 결함으로 표시되지 않아서 검출이 불가능한 단점이 있다.
그리고 종래의 초음파검사방법들은 곡률 형상을 가지는 배관과 같이 검사 대상체의 복잡한 형상에서 반사되는 결함신호와 형상신호를 분별하는 것이 용이하지 않기 때문에 평가결과의 신뢰성이 떨어지고 있다.
초음파 검사 디바이스 및 초음파 검사 방법(특허출원 제10-2007-0119217호)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 방사선 검사를 대체하는 초음파 영상화 기술로서, 종래 초음파 검사 기법으로 결합을 찾기 힘든 곡률 배관(10) 용접부(11)의 결함을 영상화할 수 있고, 방사선 검사를 대체하여 인체에 무해한 초음파 영상화 기법으로 작업자의 안전성을 보장할 수 있으며, 산업설비의 생산성을 유지시킬 수 있는 곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템 및 검사방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템은, 검사하고자 하는 대상인 곡률 배관(10)의 형상을 측정하는 형상 측정부(100); 상기 곡률 배관(10)으로 위상배열 초음파 신호를 송신하고, 송신한 위상배열 초음파 신호를 수신하는 위상배열 초음파 측정부(300); 곡률 배관(10)의 설계 형상에 관한 정보를 입력받아, 상기 형상 측정부(100)의 파동 전파경로를 일차적으로 계산하는 경로 계산 컴퓨터부(500); 상기 경로 계산 컴퓨터부(500)에 입력된 곡률 배관(10)의 설계 형상과, 상기 형상 측정부(100)에 의해 측정된 곡률 배관(10)의 형상 차이를 보상하여 전파경로를 계산하고, 상기 위상배열 초음파 측정부(300)에 의해 수신된 위상배열 초음파 신호를 위상배열 영상을 위한 지연-합(Delay-Sum)으로 계산하여 위상배열 영상으로 출력하는 포터블 영상화부(700);를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 위상배열 초음파 측정부(300)는, 위상배열 초음파 신호를 송, 수신하는 위상배열 트랜스듀서(310)와, 상기 위상배열 트랜스듀서(310)를 상기 곡률 배관(10)으로 주사할 때 입사각 조정을 수행할 수 있는 유연 웨지(330)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 경로 계산 컴퓨터는, 상기 곡률 배관(10) 형상과 상기 유연 웨지(330) 매질을 고려하여 전파경로를 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 포터블 영상화부(700)는, 시간영역에서 위상배열의 각 소자별 독립적인 송신에 의한 다른 센서들의 수진 전체를 얻는 행렬 수집법(Full Matrix Capture)을 구성하여, 상기 행렬을 통하여 전체 집중 기법(Tatal Focusing Method)으로 영상을 얻는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 곡률배관용 위상배열 초음파 검사방법은, 검사하고자 하는 대상인 곡률 배관(10)의 설계 형상에 관한 정보를 획득하여 파동 전파경로를 일차적으로 계산하는 단계; 계산된 파동 전파경로에 따라 상기 곡률 배관(10)의 형상을 레이저를 이용하여 측정하고, 상기 곡률 배관(10)의 설계 형상과 측정 형상의 차이를 보상하여 전파경로를 계산하는 단계; 상기 곡률 배관(10)으로 탄성파를 송, 수신하고, 위상배열 영상을 위한 지연-합(Delay-Sum)으로 계산하여 위상배열 영상화하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 전파경로를 계산하는 단계에서, 상기 곡률 배관(10) 형상과 상기 유연 웨지(330) 매질을 고려하여 전파경로를 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 위상배열을 영상화하는 단계에서, 시간영역에서 위상배열의 각 소자별 독립적인 송신에 의한 다른 센서들의 수진 전체를 얻는 행렬 수집법(Full Matrix Capture)을 구성하여, 상기 행렬을 통하여 전체 집중 기법(Tatal Focusing Method)으로 영상을 얻는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템 및 검사방법에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
방사선 검사를 대체하는 초음파 영상화 기술로서, 종래 초음파 검사 기법으로 결합을 찾기 힘든 곡률 배관(10) 용접부(11)의 결함을 영상화할 수 있다.
따라서, 방사선 검사를 대체하여 인체에 무해한 초음파 영상화 기법으로 작업자의 안전성을 보장할 수 있으며, 산업설비의 생산성을 유지시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템을 도시한 도면.
도 2는 곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템의 검사 대상인 곡률 배관(10)의 일실시예를 도시한 도면.
도 3은 형상 측정부(100)와 위상배열 초음파 측정부(300)가 곡률 배관(10)에 적용되는 실시예를 도시한 도면.
도 4는 위상배열 초음파 측정부(300)의 일실시예를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 곡률배관용 위상배열 초음파 검사방법의 단계를 도시한 도면.
도 6은 전체 집중 기법 영상화를 위한 시뮬레이션 조건을 도시한 도면.
도 7은 두 개의 관통홀(결함)을 가진 시편을 도시한 도면.
도 8은 전체 집중 기법으로 얻은 영상과 시편의 오버랩한 도면.
도 9는 이종 재질 초음파 진행 경로 계산을 위한 좌표 설정 및 개요도.
도 10은 휘어진 경계에 대해 고려한 경로 계산을 위한 좌표 설정 및 개요도.
도 11은 도 10에 도시한 곡면 형상 보상 경로 계산을 위한 수식.
도 12은 빔형성 방법의 벡터식 표현.
도 13은 연속적인 음압분포를 갖는 이상적 경우를 도시한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위상배열 초음파 검사시스템을 도 1에 도시하였다.
본 발명에 따른 곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템은 도 2에 도시한 곡률 형상을 가지는 배관(10)의 용접부(11)를 검사하기에 용이하며, 이에 한정하지는 않는다.
도 1에 따르면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위상배열 초음파 검사시스템은 형상 측정부(100)와 위상배열 초음파 측정부(300)와 경로 계산 컴퓨터부(500)와 포터블 영상화부(700)를 포함한다.
형상 측정부(100)는 검사하고자 하는 대상인 곡률 배관(10)의 형상을 측정한다. 형상 측정부(100)의 일례로서, 레이저를 이용하여 곡률 배관(10)을 형상을 측정하는 레이저 형상 측정부가 될 수 있으며, 이는 실시예에 따라 달라질 수 있다.
이러한 형상 측정부(100)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 하기에서 설명할 위상배열 트랜스듀서(310)와 유연 웨지(330)가 곡률 배관(10) 둘레를 따라 이동할 때, 이에 앞서서 곡률 배관(10)의 형상을 측정하여 경로 보상에 이용할 수 있다.
위상배열 초음파 측정부(300)는 곡률 배관(10)으로 위상배열 초음파 신호를 송신하고, 송신한 위상배열 초음파 신호를 수신한다.
이를 위하여, 위상배열 초음파 측정부(300)는 위상배열 트랜스듀서(310)와 유연 웨지(330)를 포함하는 것이 바람직하다.
위상배열 트랜스듀서(310)는 위상배열 초음파 신호를 송, 수신한다.
유연 웨지(330)는 위상배열 트랜스듀서(310)를 곡률 배관(10)으로 주사할 때 입사각 조정을 수행할 수 있다. 이렇게 유연 웨지(330)를 사용하는 이유는 트랜스듀서가 접하는 부분의 배관 형상이 휘어져 있을 뿐만 아니라 배관의 원주 방향을 따라 접촉 부위의 형상이 계속 변하기 때문이다. 따라서, 곡률배관 하나의 용접부(11)위 전체 영상을 얻기 위해서는 변화하는 곡률배관에 맞춰 유연 웨지(330)를 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 유연 웨지(330)의 재질의 일실시예로서, 고무막(rubber membrane)으로 둘러싸인 물이 차 있는 주머니 같은 것이 될 수 있으며, 유연 웨지(330)의 재질은 실시예에 따라 변경하여 실시할 수 있다.
경로 계산 컴퓨터부(500)는 곡률 배관(10)의 설계 형상에 관한 정보를 입력받아, 형상 측정부(100)의 파동 전파경로를 일차적으로 계산한다.
이러한 경로 계산 컴퓨터는, 곡률 배관(10) 형상과 유연 웨지(330) 매질을 고려하여 전파경로를 계산하는 것이 바람직하다.
포터블 영상화부(700)는 먼저, 경로 계산 컴퓨터부(500)에 입력된 곡률 배관(10)의 설계 형상과, 형상 측정부(100)에 의해 측정된 곡률 배관(10)의 형상 차이를 보상하여 전파경로를 계산한다.
그리고 나서 포터블 영상화부(700)는 위상배열 초음파 측정부(300)에 의해 수신된 위상배열 초음파 신호를 위상배열 영상을 위한 지연-합(Delay-Sum)으로 계산하여 위상배열 영상으로 출력한다.
이때, 포터블 영상화부(700)는, 시간영역에서 위상배열의 각 소자별 독립적인 송신에 의한 다른 센서들(송신 센서 포함)의 수진 전체를 얻는 행렬 수집법(Full Matrix Capture)을 구성하여, 행렬을 통하여 전체 집중 기법(Tatal Focusing Method)으로 영상을 얻는 것이 바람직하다.
이렇게 전체 집중 기법으로 영상화할 때 결함을 더욱 상세하게 가시화하려면, 결함의 위치가 배열 센서의 개구부(aperture) 내에 있도록 하는 것이 바람직하다.
따라서, 곡률배관용 전체 집중 기법 영상화를 위하여 사용되는 위상배열 초음파 측정부(300)의 유연 웨지(330)는 배열 센서의 개구부의 영역 내에 결함 위치의 한번 반사 신호 (one skip signal)가 들어오게 하고, 유연 웨지(330) 내부의 반사 신호가 다른 배열 센서에 방해되지 않는 각도의 형상이 필요하다. 이러한 유연 웨지(330) 형상을 위해서는 도 9에 도시한 곡률배관의 재질과 다른 재질의 유연 웨지(330)와 같이 재질차이에 따른 각도 변화의 보상이 필수적으로 고려되어야 하고, 이에 더해 곡률을 가지는 경계에 대한 고려가 꼭 필요하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위상배열 초음파 검사방법은 도 5를 참고하여 설명하면 다음과 같은 단계로 이루어질 수 있다.
먼저, 검사하고자 하는 대상인 곡률 배관(10)의 설계 형상에 관한 정보를 획득하여 파동 전파경로를 일차적으로 계산한다.(S1 단계) 이 단계는 경로 계산 컴퓨터부(500)가 수행할 수 있다. 경로 계산 컴퓨터부(500)가 파동 전파경로를 계산하는 방법은 하기에서 다시 설명하기로 한다.
다음으로, 계산된 파동 전파경로에 따라 곡률 배관(10)의 형상을 레이저를 이용하여 측정하고, 곡률 배관(10)의 설계 형상과 측정 형상의 차이를 보상하여 전파경로를 계산한다. (S2 단계) 이 단계는 포터블 영상화부(700)가 수행할 수 있다.
다음으로, 곡률 배관(10)으로 탄성파를 송, 수신하고, 위상배열 영상을 위한 지연-합(Delay-Sum)으로 계산하여 위상배열 영상화한다. (S3 단계) 이 단계는 포터블 영상화부(700)가 수행할 수 있다.
포터블 영상화부(700)에서 곡률배관의 재질과 다른 재질의 유연 웨지(이종 재질)를 통과하는 초음파의 경로를 계산하는 방법은 다음과 같이 이루어질 수 있다.
도 9에는 배열 센서와 평판 용접부(11)의 개략도 및 경로 계산을 위한 좌표가 그려져 있다. 배열 센서의 위치를
Figure 112017056354027-pat00001
로 표시하였고, 관찰하고자 하는 용접부(11) 위치를
Figure 112017056354027-pat00002
로 표현하였다. 좌표는 원점이 용접부(11)의 상단 끝부분에 오도록 위치시켰으며, 경사입사 각도의 한계로 인해 밑면 반사를 사용해야 하므로 사상 이미지(mirror image)기법을 통해 반사되는 경로를 이해하기 쉽게 직선으로 표현하였다. 사상 이미지에 위치한 붉은색 격자가 관찰영역이다.
경로 계산을 위해 도 9에 표시된 것처럼, 첫 번째 배열 센서에서 발생된 초음파 신호가 관찰영역의 오른쪽 상단 모퉁이에 있는 지점에서 반사되어 맨 마지막 소자로 들어오는 경로를 가정한다. 이종 재질이 아니라면 파란색 점선으로 된 단순한 경로를 지나게 되므로 두 지점의 위치만 알면 경로를 쉽게 계산할 수 있다. 그러나 x축을 경계로 서로 다른 재질을 가지게 되면, 첫 소자에서 발생된 신호가 입사하는 각도
Figure 112017056354027-pat00003
은 경계를 통과해 투과한 신호가 가지는 각도
Figure 112017056354027-pat00004
와 다르고, 이 두 각도는 스넬의 법칙에 따른다. 시편에 입사한 초음파 신호는 관찰지점에서 수신되는 소자로 되돌아가는 것을 생각할 수 있는데, 이때도 경계를 지날 때 발생하는 입사각
Figure 112017056354027-pat00005
과 투과각
Figure 112017056354027-pat00006
는 스넬의 법칙에 따라 달라지고, 이 두 각은 앞서 시편으로 입사하는 두 각
Figure 112017056354027-pat00007
과도 달라지게 된다. 이러한 관계는 관찰지점의 각 지점마다 모두 다르게 되고, 이 입사와 반사되는 정보를 알아야만 전체 집중 기법을 이용한 이미징에 사용될 수 있다.
따라서, 경로 계산을 위해서는 각각의 입사와 투과각을 아는 것보다는 경계에서 입사와 투과가 일어나는 지점을 알면 쉽게 계산할 수 있다. 이 경계에서의 위치를
Figure 112017056354027-pat00008
로 정의하자. 그러면, 송신 소자의 위치와 경계에서의 위치 및 관찰 지점 위치의 기하학적 관계에 따라 아래와 같은 수학식 1로 표현할 수 있다.
Figure 112017056354027-pat00009
그리고 스넬의 법칙에 의해 입사각과 투과각은 아래와 같은 수학식 2의 관계를 가진다.
Figure 112017056354027-pat00010
미지수는 3개
Figure 112017056354027-pat00011
이고, 수학식 1 및 수학식 2를 연립해서 풀면 해
Figure 112017056354027-pat00012
를 구할 수 있다.
한편, 도 10은 휘어진 경계에 대해 고려한 경로 계산을 위한 좌표 설정 및 개요도이다.
도 10과 같이 휘어진 경계에 대해 고려한 경로 계산은 도 11의 곡면 형상 보상 경로 계산을 위한 수식을 이용하면 해
Figure 112017056354027-pat00013
를 구할 수 있다. 도 11의 수식에서, 변수는
Figure 112017056354027-pat00014
이다.
위상배열 영상화 알고리즘을 구현하기 위하여, 도 6의 (a)와 같이 임의의 가상위치결함 위치(19.8mm, 25.2mm)에 결함을 가정하고, 5MHz 신호를 발생시켜 16채널 위상배열 트랜스듀서(310)를 가정하여 전체 집중 기법으로 신호를 검출하는 시뮬레이션을 가정하여 실행해 보았다. 그 결과 도 6의 (b)에서 볼 수 있듯이 가정된 결함 위치인 x에서 정확하게 시뮬레이션 결함신호 이미지가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
그리고 상기와 같은 시뮬레이션을 통해 확인한 위상배열 영상화의 실제 적용을 확인하기 위하여, 도 7과 같이 두 개의 관통홀(결함)을 가진 시험편을 이용하여 전체 집중 기법으로 관통홀의 위치가 표시되는 영상을 얻어 보는 실험을 하였다. 두 관통홀의 위치는 전체 깊이 57mm 중에 센서가 위치할 맨 윗부분에서 10mm 깊이에 위치하며, 이 두 관통홀 사이의 거리는 19.6mm 떨어져 있다. 이 두 관통홀 중앙에 8~9번 센서의 중앙이 위치하게 하고, 붉은색으로 표시한 부분에 1번부터 16번까지 센서가 순차적으로 위치하게 한 후 1번부터 16번까지 순차적으로 가진하여 전체행렬을 얻었다.
이렇게 측정한 데이터를 신호처리하여 이미지화하고, 그 결과를 시험편의 측정위치에 오버랩한 결과 도 8과 같은 영상이 얻어진다. 이 영상을 살펴보면 처리된 결함 이미지는 실제 결함의 위치에서 크게 벗어나지 않았음을 알 수 있다.
파동 전파경로 계산 방법의 알고리즘
빔형성 방법((Beamforming method)은 대표적인 배열 센서를 이용한 음원 추적 방법으로 비파괴, 수중음향, 지진파 등의 분야에서 평면파 모델을 기본으로 개발되어왔다. 또한, 근접장의 효과가 크게 나타나는 기계소음에 대한 적용을 위해서 구면파 전파모델을 기본으로 한 빔형성 방법이 개발되어오고 있다.
도 12는 빔형성 방법에 대한 개념을 벡터로써 개략적으로 설명하고 있다. 여기서 P는 측정된 음압으로써 실제 소음원의 위치를 나타내는 벡터이고, W는 스캔하는 가상의 음원의 위치를 나타내는 방향 벡터라고 한다면 다음 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017056354027-pat00015
이때
Figure 112017056354027-pat00016
는 실제 소음원에 의해 형성된 음장에서 i번째 트랜스듀서가 측정한 음압을 나타내고,
Figure 112017056354027-pat00017
는 스캔하는 가상의 음원에 의해 형성된 음장에서 i번째 트랜스듀서 위치에서의 음압을 나타내고 있다. 그리고 m은 트랜스듀서의 총 개수를 의미한다.
도 12에서 보여 주듯이, 빔형성 방법이란 가상의 음원 벡터 W를 회전시키면서 실제 소음원의 위치 벡터인 P와 맞춰 가는 방법이다. 이때 벡터를 맞춰 간다는 것은 수학적인 의미에서 두 벡터를 내적(inner product)한다는 것이다. 도 12처럼 두 벡터가 일치되는 지점, 즉 소음원의 위치에서 최대값을 가지게 된다. 따라서
Figure 112017056354027-pat00018
에서 소음원이 존재한다고 볼 수 있다. 이와 같이 빔형성 방법이라는 것은 스캔 벡터 W을 실제 소음원의 위치 벡터인 P를 내적을 취하여 제곱을 취함으로써 빔형성 파워를 계산하는 것으로 수식으로 표현하면 다음의 수학식 4와 같이 주어진다.
Figure 112017056354027-pat00019
여기서 R은 P의 상관행렬(correlation matrix)을 나타낸다.
먼저, 평면파인 경우 빔형성 방법은 다음과 같이 이루어질 수 있다.
음원에서는 평면파(plane wave)가 생성되어 전파된다고 할 때, 임의의 공간에서 무한개의 트랜스듀서 소자를 사용하여 길이가 2L인 구간의 연속적인 음압 신호를 알고 있다면 이러한 신호는 아래의 수학식 5과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017056354027-pat00020
여기서
Figure 112017056354027-pat00021
는 음압의 크기를 의미하며,
Figure 112017056354027-pat00022
는 실제 음원에서 전파되는 음파의 진행방향과 선형 트랜스듀서의 수직방향 사이의 각도를 의미한다. 그리고 k는 음파의 파수(wave number)를 나타내고, x는 선형어레이의 중심에서 떨어진 임의의 지점을 말한다. 실제 음의 파장(wave length)을
Figure 112017056354027-pat00023
라고 한다면, 트랜스듀서가 느끼는 음의 파장
Figure 112017056354027-pat00024
는
Figure 112017056354027-pat00025
이다.
빔형성 방법은 공간상에서 임의의 위치에 음원이 존재한다고 가정하고 이때 생성되는 음압 신호를 실제 음원에서 나오는 음압 신호와 비교해 가는데, 이때의 가상음원을 관심의 대상이 되는 전 구간에 걸쳐 스캔함으로써 실제 음원의 위치를 찾게 된다. 이때 전자를 가중함수(weighting function) 또는 스캔 함수(scan function)이라고 하며, 음원이 가상의 위치인
Figure 112017056354027-pat00026
에 존재할 경우 음압 신호는 다음의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017056354027-pat00027
이때 B는 음압의 크기를 나타내는데, 가중함수 W가 실제 음압의 신호파워에 영향을 주지 않기 위해서는 가중함수의 신호 파워는 단위입력이여야 한다.(j, k, x는 수학식 5와 동일)
따라서, B는
Figure 112017056354027-pat00028
의 값을 가져야 하고, 수학식 6은 다음과 같은 수학식 7로 나타낼 수 있다.
Figure 112017056354027-pat00029
실제 음원의 위치에서 음압 신호P 와 스캔하는 가상의 음원에 의한 음압 신호 w를 비교하기 위해, 두 신호를 곱하여 적분함으로써 빔형성 파워를 계산한다. 그러면 실제 음원의 위치와 스캔하는 음원의 위치가 일치되는 지점에서 빔형성 파워가 최대가 되므로 이 지점을 음원의 위치로 추정하게 된다.(j, k, x는 수학식 5, 6과 동일)
위 내용을 바탕으로 수학식 4와 수학식 7을 이용하여 한 개의 음원이 존재 할 때의 빔형성 파워를 수식으로 표현하면 다음의 수학식 8과 같이 나타난다.
Figure 112017056354027-pat00030
위 식은 어레이가 유한한 길이를 가질 때, 빔형성파워를 수학적인 관점에서 바라보는 것으로 sinc.함수의 제곱으로 나타남을 알 수 있다. 이렇게 나온 수식을 물리적인 관점에서 좀 더 자세히 살펴보면 다음과 같다.
첫째,
Figure 112017056354027-pat00031
지점에서는 빔형성 파워가 최대값을 가지는데, 바로 이 지점이 실제 음원의 위치를 나타낸다. 즉
Figure 112017056354027-pat00032
를 변해가면서 빔형성 파워를 구했을 때, 최대 파워를 나타내는 곳이 음원의 위치라고 추정할 수 있다.
둘째, 빔형성 파워가 sinc.함수이기 때문에 실제 음원의 위치를 나타내는
Figure 112017056354027-pat00033
의 주엽(main lobe)주위로 작은 부엽(side lobe)들이 존재함을 알 수 있다. 빔형성 파워에서 무한히 긴 어레이는 현실적으로 존재하기 힘들기 때문에 유한한 길이에서의 음압 분포만을 알 수 있다. 따라서 평면파가 전파될 경우 이상적인 평면파를 얻게 되는 것이 아니라 어레이 크기(aperture size)에 해당하는 음압만을 얻게 된다. 그러므로 어레이 크기 양쪽 끝에서의 음압을 맞추기 위해, 즉 어레이 양쪽 끝 경계에서 음압을 맞추기 위해서는 여러 방향에서 평면파들이 전파되어야 하기 때문에 빔형성 파워에서 부엽들이 존재하게 된다. 따라서 어레이 크기를 무한히 크게 한다면 어레이 양쪽 끝에서 경계조건을 만족시킬 필요가 없기 때문에 빔형성 파워에서는 주엽 만이 존재하게 될 것이다.
수학식 8는 트랜스듀서 크기가 2L인 구간에서 연속적인 음압 신호를 알고 있을 때의 빔 형성파워를 나타낸다. 하지만 실제의 경우 트랜스듀서의 개수에 의한 제한 때문에 공간상에서 일정한 간격으로 신호를 샘플링하게 된다. 따라서 음압 신호인 수학식 5과 스캔 함수인 수학식 7은 다음의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017056354027-pat00034
여기서 M은 트랜스듀서의 전체 개수를 의미하고, d는 트랜스듀서 사이의 간격을 나타낸다. 또한 m은 m번째 트랜스듀서를 의미하므로 m*d는 원점에서 m번째 트랜스듀서 사이 거리를 나타내고,
Figure 112017056354027-pat00035
는 실제 소음원의 위치를, 그리고
Figure 112017056354027-pat00036
는 방향각(bearing angle)을 의미한다.
따라서 M개의 트랜스듀서로부터 얻어지는 빔형성 파워는 다음 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017056354027-pat00037
다음으로, 구면파인 경우 빔형성 방법은 다음과 같이 이루어질 수 있다.
구면파 모델일 경우 음원 추적 방법은 상기의 평면파 모델의 경우와 같으며, 다만 다음의 수학식 11과 같이 음압 벡터 및 가중 벡터의 차이만이 존재한다.
Figure 112017056354027-pat00038
여기서
Figure 112017056354027-pat00039
은 k번째 소음원과 원점에서 거리가 m번째인 트랜스듀서 사이의 거리를 의미한다.
가중 벡터는
Figure 112017056354027-pat00040
의 함수로써 스캔영역이 평면파의 경우와는 달리 2차원이 된다. 수학식 11은 도 13과 같이 트랜스듀서가 무한개일 때 연속된 음압분포를 나타내는 것으로 만약 한 개의 음원이
Figure 112017056354027-pat00041
에 존재한다고 하면 빔형성 파워는 다음 수학식 12와 같이 나타난다.
Figure 112017056354027-pat00042
여기서 a는 스캔영역과 어레이 사이의 거리를 나타낸다.
실제로는 트랜스듀서의 개수에 의한 제한 때문에 공간상에서 이산화된 음압신호를 얻게 되므로 이산화된 음압신호와 스캔되는 음원으로부터 나오는 이산화된 음압신호는 다음 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017056354027-pat00043
따라서 M개의 트랜스듀서로부터 얻어지는 구형 빔형성 파워는 다음 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017056354027-pat00044
여기서
Figure 112017056354027-pat00045
은 실제 소음원과 m번째 트랜스듀서 사이의 거리를 나타내고,
Figure 112017056354027-pat00046
은 스캔하는 가상의 소음원과 m번째 트랜스듀서 사이의 거리를 의미한다.
구면파 모델을 가정한 빔 형성 방법일 경우, 분해능은 배열 구경(aperture size)뿐만 아니라 음원과 어레이 사이의 거리 및 각도에 따라 결정될 수 있다. 따라서 평면파의 경우에서처럼 해석적인 표현이 불가능하므로 분해능의 계산은 수치적인 방법을 이용해야 한다.
본 발명의 곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템 및 검사방법에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
방사선 검사를 대체하는 초음파 영상화 기술로서, 종래 초음파 검사 기법으로 결합을 찾기 힘든 곡률 배관(10) 용접부(11)의 결함을 영상화할 수 있다.
따라서, 방사선 검사를 대체하여 인체에 무해한 초음파 영상화 기법으로 작업자의 안전성을 보장할 수 있으며, 산업설비의 생산성을 유지시킬 수 있다.
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 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
10 : 곡률 배관
100 : 형상 측정부
300 : 위상배열 초음파 측정부
310 : 위상배열 트랜스듀서
330 : 유연 웨지
500 : 경로 계산 컴퓨터부
700 : 포터블 영상화부

Claims (7)

  1. 검사하고자 하는 대상인 곡률 배관(10)의 형상을 측정하는 형상 측정부(100);
    상기 곡률 배관(10)으로 위상배열 초음파 신호를 송신하고, 송신한 위상배열 초음파 신호를 수신하는 위상배열 초음파 측정부(300);
    곡률 배관(10)의 설계 형상에 관한 정보를 입력받아, 상기 형상 측정부(100)의 파동 전파경로를 일차적으로 계산하는 경로 계산 컴퓨터부(500);
    상기 경로 계산 컴퓨터부(500)에 입력된 곡률 배관(10)의 설계 형상과, 상기 형상 측정부(100)에 의해 측정된 곡률 배관(10)의 형상 차이를 보상하여 전파경로를 계산하고,
    상기 위상배열 초음파 측정부(300)에 의해 수신된 위상배열 초음파 신호를 위상배열 영상을 위한 지연-합(Delay-Sum)으로 계산하여 위상배열 영상으로 출력하는 포터블 영상화부(700);
    를 포함하는 곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위상배열 초음파 측정부(300)는,
    위상배열 초음파 신호를 송, 수신하는 위상배열 트랜스듀서(310)와,
    상기 위상배열 트랜스듀서(310)를 상기 곡률 배관(10)으로 주사할 때 입사각 조정을 수행할 수 있는 유연 웨지(330)를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 경로 계산 컴퓨터는,
    상기 곡률 배관(10) 형상과 상기 유연 웨지(330) 매질을 고려하여 전파경로를 계산하는 것을 특징으로 하는 곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 포터블 영상화부(700)는,
    시간영역에서 위상배열의 각 소자별 독립적인 송신에 의한 다른 센서들의 수진 전체를 얻는 행렬 수집법(Full Matrix Capture)을 구성하여, 상기 행렬을 통하여 전체 집중 기법(Tatal Focusing Method)으로 영상을 얻는 것을 특징으로 하는 곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템.
  5. 검사하고자 하는 대상인 곡률 배관(10)의 설계 형상에 관한 정보를 획득하여 파동 전파경로를 일차적으로 계산하는 단계;
    계산된 파동 전파경로에 따라 상기 곡률 배관(10)의 형상을 레이저를 이용하여 측정하고, 상기 곡률 배관(10)의 설계 형상과 측정 형상의 차이를 보상하여 전파경로를 계산하는 단계;
    상기 곡률 배관(10)으로 탄성파를 송, 수신하고, 위상배열 영상을 위한 지연-합(Delay-Sum)으로 계산하여 위상배열 영상화하는 단계;를 포함하는 곡률배관용 위상배열 초음파 검사방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전파경로를 계산하는 단계에서,
    상기 곡률 배관(10) 형상과 유연 웨지(330) 매질을 고려하여 전파경로를 계산하는 것을 특징으로 하는 곡률배관용 위상배열 초음파 검사방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 위상배열을 영상화하는 단계에서,
    시간영역에서 위상배열의 각 소자별 독립적인 송신에 의한 다른 센서들의 수진 전체를 얻는 행렬 수집법(Full Matrix Capture)을 구성하여, 상기 행렬을 통하여 전체 집중 기법(Tatal Focusing Method)으로 영상을 얻는 것을 특징으로 하는 곡률배관용 위상배열 초음파 검사방법.
KR1020170074245A 2017-06-13 2017-06-13 곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템 및 검사방법 KR101915281B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170074245A KR101915281B1 (ko) 2017-06-13 2017-06-13 곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템 및 검사방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170074245A KR101915281B1 (ko) 2017-06-13 2017-06-13 곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템 및 검사방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101915281B1 true KR101915281B1 (ko) 2018-11-05

Family

ID=64329014

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170074245A KR101915281B1 (ko) 2017-06-13 2017-06-13 곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템 및 검사방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101915281B1 (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102014947B1 (ko) * 2018-11-19 2019-10-21 한국수력원자력 주식회사 위상배열초음파 탐촉자의 불용소자 영향 평가 장치 및 방법
KR102221620B1 (ko) 2019-10-01 2021-03-03 주식회사 에스아이웨어 용접부의 결함 검출을 위한 이동식 초음파 스캐너
KR102221617B1 (ko) 2019-10-01 2021-03-03 주식회사 에스아이웨어 용접부의 결함 검출을 위한 핸드헬드 타입의 초음파 스캐너
KR102328415B1 (ko) * 2020-05-13 2021-11-22 한국원자력연구원 탄성계수 결정 장치, 방법, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체 및 컴퓨터 프로그램
CN114964581A (zh) * 2022-06-01 2022-08-30 合肥工业大学智能制造技术研究院 一种基于超声相控阵聚焦原理的应力检测方法
CN114964581B (en) * 2022-06-01 2024-05-03 合肥工业大学智能制造技术研究院 Stress detection method based on ultrasonic phased array focusing principle

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002257802A (ja) 2001-02-27 2002-09-11 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 超音波信号可視化装置
JP2008151626A (ja) 2006-12-18 2008-07-03 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 超音波探傷装置及び超音波探傷用ウェッジ
KR101478465B1 (ko) 2013-10-22 2014-12-31 주식회사 디섹 곡배관 용접부 초음파검사방법
KR101698746B1 (ko) 2016-08-03 2017-01-23 (주) 성산연구소 위상배열초음파탐사장치 및 이를 이용한 비파괴검사방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002257802A (ja) 2001-02-27 2002-09-11 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 超音波信号可視化装置
JP2008151626A (ja) 2006-12-18 2008-07-03 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 超音波探傷装置及び超音波探傷用ウェッジ
KR101478465B1 (ko) 2013-10-22 2014-12-31 주식회사 디섹 곡배관 용접부 초음파검사방법
KR101698746B1 (ko) 2016-08-03 2017-01-23 (주) 성산연구소 위상배열초음파탐사장치 및 이를 이용한 비파괴검사방법

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102014947B1 (ko) * 2018-11-19 2019-10-21 한국수력원자력 주식회사 위상배열초음파 탐촉자의 불용소자 영향 평가 장치 및 방법
KR102221620B1 (ko) 2019-10-01 2021-03-03 주식회사 에스아이웨어 용접부의 결함 검출을 위한 이동식 초음파 스캐너
KR102221617B1 (ko) 2019-10-01 2021-03-03 주식회사 에스아이웨어 용접부의 결함 검출을 위한 핸드헬드 타입의 초음파 스캐너
KR102328415B1 (ko) * 2020-05-13 2021-11-22 한국원자력연구원 탄성계수 결정 장치, 방법, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체 및 컴퓨터 프로그램
CN114964581A (zh) * 2022-06-01 2022-08-30 合肥工业大学智能制造技术研究院 一种基于超声相控阵聚焦原理的应力检测方法
CN114964581B (en) * 2022-06-01 2024-05-03 合肥工业大学智能制造技术研究院 Stress detection method based on ultrasonic phased array focusing principle

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7650789B2 (en) Method and apparatus for examining the interior material of an object, such as a pipeline or a human body from a surface of the object using ultrasound
KR101915281B1 (ko) 곡률배관용 위상배열 초음파 검사시스템 및 검사방법
KR101163549B1 (ko) 위상배열 초음파 탐상용 기본 보정시험편
Sheen et al. A study on quantitative lamb wave tomogram via modified RAPID algorithm with shape factor optimization
US20070000328A1 (en) Ultrasonic method for the accurate measurement of crack height in dissimilar metal welds using phased array
KR101308071B1 (ko) 곡률 쐐기를 가지는 위상배열 초음파 탐촉자의 빔 집속점 보정 방법
CN105699492A (zh) 一种用于焊缝检测的超声成像方法
KR101163554B1 (ko) 위상배열 초음파 탐상용 검증용 시험편
Subbaratnam et al. Immersion and TOFD (I-TOFD): a novel combination for examination of lower thicknesses
Harvey et al. Finite element analysis of ultrasonic phased array inspections on anisotropic welds
JP5574731B2 (ja) 超音波探傷試験方法
Chen et al. Ultrasonic inspection of curved structures with a hemispherical-omnidirectional ultrasonic probe via linear scan SAFT imaging
Juengert et al. Advanced ultrasonic techniques for nondestructive testing of austenitic and dissimilar welds in nuclear facilities
KR101163551B1 (ko) 위상배열 초음파 탐상용 감도보정 대비시험편
Verkooijen et al. Sampling phased array-a new technique for ultrasonic signal processing and imaging
JP2013019715A (ja) 超音波検査方法及び超音波検査装置
Bulavinov et al. Quantitative ultrasonic testing of pressurized components using sampling phased array
JP5535680B2 (ja) 超音波検査方法
JP6026245B2 (ja) 超音波検査方法及び超音波検査装置
WO2019030815A1 (ja) 超音波検査方法および超音波検査装置
Nagai et al. Determination of shape profile by SAFT for application of phased array technique to complex geometry surface
JP2006138672A (ja) 超音波検査方法及び装置
US10578589B2 (en) System and method for ultrasound inspection with time reversal
Hoyle et al. Ultrasonic algorithms for calculating probe separation distance, combined with full matrix capture with the total focusing method
Bulavinov et al. Real-time quantitative ultrasonic inspection

Legal Events

Date Code Title Description
GRNT Written decision to grant