KR101971350B1 - 가변 프로브 홀더와 이를 포함하는 초음파 검사 시스템의 신호 분석 방법 - Google Patents

Abstract

가변 프로브 홀더가 개시된다. 가변 프로브 홀더는, 챔버에 고정된 회전 가이드 플레이트와, 상기 챔버에 고정된 회전 가이드 링와, 초음파 탐촉자가 체결되는 회전 프로브 링을 포함하고, 상기 회전 프로브 링은 상기 회전 가이드 플레이트와 상기 회전 가이드 링 사이에 삽입되고, 상기 회전 프로브 링은 원주 방향으로 회전 가능하다.

Description

가변 프로브 홀더와 이를 포함하는 초음파 검사 시스템의 신호 분석 방법{VARIABLE PROBE HOLDER AND SIGNAL ANALYSIS METHOD OF ULTRASONIC INSPECTION SYSTEM HAVING THE SAME}

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 가변 프로브 홀더와 이를 포함하는 초음파 검사 시스템의 신호 분석 방법에 관한 것으로, 특히 검사체의 두께와 외경에 따라 프로브의 위치를 조정할 수 있는 가변 프로브 홀더에 관한 것이다.

산업화가 가속화됨에 따라 봉재나 파이프의 수요가 급증하면서 저가의 설비 투자로 고속 자동 탐상 검사가 가능한 초음파 검사 방법과 와전류 탐상 검사 방법이 널리 이용된다.

우리나라의 비파괴검사기술은 1980년대부터 도입되었으나, 비파괴검사 장비를 개발하거나 생산하는 기업은 거의 없고 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이다. 초음파 탐상 등 첨단 장비는 수입 의존도가 더 높고, 관련 소모품 일부만을 국내에서 생산하므로, 국제 경쟁력을 갖춘 비파괴검사기술의 개발과 관련 사업의 지원이 절실하게 요구된다.

초음파 검사 장치는 검사체로 초음파를 주사하여 용접부 등의 내부 결함을 검출하는 비파괴 검사법이다. 즉, 초음파를 검사체로 주사하여 결함의 존재, 위치, 및 길이 등을 측정할 수 있다.

미국등록공보 US 6,739,188 B1 에는 회전식 워터 재킷을 포함하는 초음파 검사 장치가 개시되어 있다. 따라서, 프로브와 함께 전체 테스트 챔버를 회전시키면 안정적인 워터 재킷을 생성할 수 있다.

그러나 상기 선행기술문헌에는 검사체의 두께와 외경이 변하면 초음파 검사 프로브를 교체해야하는 문제가 있다.

미국등록공보 US 6,739,188 B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 가변 프로브 홀더와 이를 포함하는 초음파 검사 시스템의 신호 분석 방법은 검사체의 두께와 외경에 따라 프로브 홀더를 회전시켜 프로브의 위치를 조정하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 두번째 목적은, 복수의 신호 처리 기법을 이용하여 초음파 검사 장치로부터 측정된 신호로부터 최적의 검사 결과를 획득하는 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 가변 프로브 홀더는, 챔버에 고정된 회전 가이드 플레이트와, 상기 챔버에 고정된 회전 가이드 링와, 초음파 탐촉자가 체결되는 회전 프로브 링을 포함하고, 상기 회전 프로브 링은 상기 회전 가이드 플레이트와 상기 회전 가이드 링 사이에 삽입되고, 상기 회전 프로브 링은 원주 방향으로 회전 가능하다.

상기 회전 프로브 링을 고정하는 고정 스크류 블락을 더 포함한다.

상기 두번째 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가변 프로브 홀더를 포함하는 초음파 검사 시스템의 신호 분석 방법은, 초음파 검사 장치가 초음파 탐측자를 이용하여 검사체로부터 측정된 신호를 수신하고, 수신된 신호를 출력하는 단계와, 제어부가 상기 신호에 대해 복수의 필터들을 이용하여 필터링을 수행하여 상기 신호로부터 잡음을 제거하는 단계와, 상기 제어부가 상기 복수의 필터들로부터 필터링된 신호들 중에서 최적의 신호를 출력하는 필터를 이용하여 상기 검사체의 결함 유무를 판별하는 단계를 포함한다.

상기 가변 프로브 홀더는, 상기 챔버에 고정된 회전 가이드 플레이트와, 상기 챔버에 고정된 회전 가이드 링과, 상기 초음파 탐촉자가 체결되는 회전 프로브 링을 포함하고, 상기 회전 프로브 링은 상기 회전 가이드 플레이트와 상기 회전 가이드 링 사이에 삽입되고, 상기 회전 프로브 링은 원주 방향으로 회전 가능하다.

상기한 바와 같은 본 발명의 가변 프로브 홀더 구조와 신호 분석 기능을 갖는 초음파 검사 장치는, 프로브가 체결된 프로브 홀더가 회전 가능하므로 검사체의 두께와 외경에 따라 상기 프로브를 교체해야 하는 번거로움을 제거하고, 상기 검사체의 최적의 검사 위치에 상기 프로브를 세팅할 수 있는 효과가 있다.

또한, 복수의 신호 처리 기법을 이용하여 초음파 검사 장치로부터 측정된 신호로부터 최적의 검사 결과를 획득할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 검사 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 챔버(200)의 분해도를 나타낸다.
도 3a 내지 3b는 본 발명의 실시 예에 따른 프로브 가이드 링의 상세도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 검사용 프로그램을 설명하기 위한 개념도이다.

이하에서는 본 발명에 따른 실시 예 및 도면을 참조하여, 본 발명을 더욱 상술한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 검사 시스템을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 초음파 검사 시스템(10)은 초음파 탐촉자(또는 프로브; 100), 챔버(200), 물류이송장치(300), 초음파 검사 장치(400), 제어판넬(500), DAQ(data acquisition) 모듈(600), 메인PC(main personal computer; 700), 에어 콤프레서(air compressor; 800), 및 인버터 펌프(900)를 포함할 수 있다.

초음파 탐촉자(100)는 초음파 탐상에 있어서 검사체에 접촉되어 초음파를 송신, 수신, 또는 양자의 작용을 하는 장치를 의미한다.

메인 PC(700)에 설치된 검사용 프로그램은 초음파 검사 장치(400)와 RS-232 통신 방식을 이용하여 통신할 수 있고, 메인 PC(700)는 초음파 검사 장치(400)가 검사체에 대해 초음파 검사를 수행하도록 하기 위한 셋팅(setting) 및 제어를 수행할 수 있다.

메인 PC(700)에 설치된 검사용 프로그램에서 검사체에 대해 초음파 검사를 시작하라는 명령을 출력하면, 인버터 펌프(900)는 챔버(200) 내에 워터 커플런트(cmouplant)를 안정적으로 공급하기 위해 챔버(200)에 물을 공급한다.

동시에, 검사체가 물류 이송 장치(300)에 의해 챔버(200)로 이송되고, 소재 감지 센서가 챔버(200) 내로 검사체의 진입을 인지하면, 미리 셋팅 된 초음파 탐촉자(100)는 검사체 내부의 결함을 탐지한다.

초음파 탐촉자(100)에 의해 측정된 신호는 초음파 검사 장치(400)로 전송되고, 아날로그-디지털 컨버터와 DAQ 모듈(600)을 거쳐 메인 PC(700)로 입력된다. 메인 PC(700)의 검사용 프로그램은 상기 신호를 분석하여 검사체의 결함 유무를 판별하고, 판별 결과를 저장하거나 상위 시스템에 전송할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 챔버(200)의 분해도를 나타낸다. 도 1과 도 2를 참조하면, 챔버(200)는 바닥의 기초가 되는 베이스 플레이트(base plate; 1), 챔버(200)의 중앙에 위치하고, 챔버(200)의 구성품들을 체결하기 위한 센터 플레이트(center plate; 2), 검사체의 원활한 인입을 위한 가이드 하우징(guide housing; 3), 워터 커플런트의 공급을 위한 워터 링(water ring; 4, 6), 및 초음파 탐촉자(100)를 체결하기 위한 프로브 가이드 링(probe guide ring; 5)을 포함할 수 있다.

프로브 가이드 링(5)은 프로브 홀더 또는 프로브 홀더 링이라고 지칭될 수 있다.

가이드 하우징(3)에는 검사체의 인입 시 검사체와 챔버(200)의 충돌 방지를 위한 가이드 노즐(guide nozzle)을 포함하고, 챔버(200) 내 워터 커플런트의 비산을 막기 위해 워터 스페이서(water space)와 러버 클램프(rubber clamp)를 포함할 수 있다.

챔버(200)는 두 개의 워터 링(4, 6)을 통해 챔버(200) 내의 워터 커플런트를 공급하며, 워터 링(4, 6)은 아우터(outer) 워터 링과 이너(inner) 워터 링으로 구성된다. 아우터 워터 링에는 한개의 공급 노즐을 통해 워터 커플런트가 아우터 워터 링과 이너 워터 링 사이의 통로로 공급되며, 이너 워터 링의 4개의 분사 노즐을 통해 챔버(200) 내에 안정적으로 워터 커플런트가 공급된다..

도 3a 내지 3b는 본 발명의 실시 예에 따른 프로브 가이드 링의 상세도이다. 도 3a와 3b를 참조하면, 프로브 가이드 링(5)은 회전 가이드 플레이트(7), 회전 프로브 링(8), 회전 가이드 링(9), 고정 스크류 블락(10)을 포함할 수 있다.

회전 프로브 링(8)에 초음파 탐촉자(C)가 체결된다. 초음파 탐촉자(C)는 초음파 검사 장치(400)와 연결되고, 초음파 검사 장치(400)와 통신할 수 있는 케이블(P)을 포함한다.

회전 가이드 플레이트(7)와 회전 가이드 링(9) 각각은 챔버(200)와 고정되고, 회전 가이드 플레이트(7)와 회전 가이드 링(9) 사이에 회전 프로브 링(8)이 삽입된다. 회전 가이드 플레이트(7)와 회전 가이드 링(9)은 회전 프로브 링(8)의 회전을 가이드해 주는 역할을 한다.

도 3c에 도시된 바와 같이 초음파 탐촉자(C)가 체결된 회전 프로브 링(8)을 원주 방향으로 회전 시키면서, 초음파 탐촉자(C)가 검사체의 최적의 검사 위치에 세팅되면, 고정 스크류 블락(10)을 이용하여 회전 프로브 링(8)을 고정시킨다.

따라서, 프로브 가이드 링(8) 즉, 프로브 홀더가 회전 가능하므로 검사체의 두께와 외경에 따라 프로브를 교체하지 않고도 프로브가 최적의 검사 위치에 세팅되도록 조정할 수 있다.

또한, 프로브 홀더를 회전시켜 프로브의 위치를 조정하므로 챔버(200) 내의 워터 커플런트를 안정적으로 유지하면서 프로브의 위치를 최적의 검사 위치에 세팅할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 검사용 프로그램을 설명하기 위한 개념도이다. 초음파 검사 장치(400)는 초음파 탐촉자(100)로부터 측정된 신호를 메인 PC(700)로 전송한다. 메인 PC(700)에 설치된 검사용 프로그램은 초음파 검사 장치(400)로부터 전송된 신호로부터 잡음을 제거한다. 메인 PC(700)에는 초음파 검사 장치(400)로부터 전송된 신호로부터 잡음을 제거하기 위해 5개의 소프트웨어 필터들이 구현된다.

예컨대, 상기 필터들은 균등 가중 이동 평균 필터(equally weighted moving average(MA) filter), 지수 가중 이동 평균 필터(exponentially weighted MA filter), 폴리피팅 이동 평균 필터(plyfitting MA filter), 최소 평균 제곱 적응 필터(least mean squres(LMS) adaptive filter), 및 재귀형 최소 자승 적응 필터(recursive least square adaptive filter)를 포함할 수 있다.

균등 가중 이동 평균 필터는 단위시간에 대한 샘플을 수집하여 평균을 내는 필터를 의미하고, 지수 가중 이동 평균 필터는 이전의 추정된 샘플값과 현재 샘플값 각각에 가중치를 곱하고, 이를 더하여 데이터를 산출하는 필터를 의미한다.

폴리피팅 이동 평균 필터는 측정된 샘플값들의 신호 성분을 각 샘플점 근방에서 다항식으로 근사화할 수 있다는 가정하에, 최소 제곱법을 이용하여 근방의 샘플점들을 다항식에 적합(polyfitting)시킴으로써 잡음을 제거하는 필터를 의미한다.

최소 평균 제곱 적응 필터는 에러의 평균 제곱 값이 최소가 되도록 설계된 필터를 의미하고, 재귀형 최소 자승 적응 필터는 아래 수학식처럼 정의되는 시간 평균(time averaged) 제곱 오차를 최소화시키도록 필터의 계수를 순환적으로 구하는 필터를 의미한다.

[수학식]

여기서,

는 하중(weighting) 또는 망각(forgetting) 인자라고 하며, 0〈

≤1의 값을 가진다.

상기 필터들을 이용하여 초음파 검사 장치로부터 측정된 신호의 잡음을 제거하고, 잡음이 제거된 신호들 중에서 최적의 신호를 출력하는 필터를 선택하여 사용함으로써, 최적의 검사 결과를 획득할 수 있다.

또한, 초음파 검사 장치가 동일한 검사체 내부의 결함을 탐지할 때마다 선택된 필터를 이용하여 잡음을 제거할 수 있다.

도 4의 (a)는 초음파 검사 장치(400)로부터 측정된 원신호를 나타내고, 도 4의 (b)는 균등 가중 이동 평균 필터를 이용하여 잡음이 제거된 신호이고, 도 4의 (c)는 균등 가중 이동 평균 필터로 제거된 잡음을 나타낸다.

예컨대, 4V 이상을 나타내는 시점이 검사체의 결함이 탐지된 위치라고 가정하자. 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 원신호에는 잡음이 많아서 결함을 검출하기가 어렵다. 그러나, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 잡음이 제거된 신호를 이용하여 결함을 검출하고, 상기 결함의 길이를 계산할 수 있다.

마찬가지로, 상기 원신호를 지수 가중 이동 평균 필터, 폴리피팅 이동 평균 필터, 최소 평균 제곱 적응 필터, 및 재귀형 최소 자승 적응 필터 각각에 적용시켜 잡음 제거된 신호를 구하고, 잡음 제거된 신호들 중에서 최적의 신호를 출력하는 필터를 선택할 수 있다.

따라서, 상기 초음파 검사 장치로부터 출력된 신호를 복수의 신호 처리 기법을 이용하여 잡음을 제거하고, 최적의 신호 처리 기능을 갖는 필터를 선택하여 사용함으로써, 최적의 검사 결과를 획득할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100; 초음파 탐촉자
200; 챔버
300; 물류 이송 장치
400; 초음파 검사 장치
500; 제어 판넬
600; DAQ 모듈
700; 메인 PC
800; 에어 콤프레서
900; 인버터 펌프

Claims (4)

1. 챔버에 고정된 회전 가이드 플레이트;
   상기 챔버에 고정된 회전 가이드 링;
   상기 회전 가이드 플레이트와 상기 회전 가이드 링 사이에 삽입되고, 초음파 탐촉자가 체결되는 회전 프로브 링; 및
   상기 회전 프로브 링을 고정하는 고정 스크류 블락;을 포함하고,
   상기 회전 가이드 플레이트와 상기 회전 가이드 링은 상기 회전 프로브 링이 원주 방향으로 회전하도록 가이드하고,
   상기 회전 프로브 링의 회전에 의해 상기 초음파 탐촉자가 회전하여 검사체의 원하는 위치에 세팅되면 상기 고정 스크류 블락에 의해 상기 회전 프로브 링을 고정하는 것을 특징으로 하는 가변 프로브 홀더.
   
2. 삭제
3. 가변 프로브 홀더를 포함하는 초음파 검사 시스템의 신호 분석 방법에 있어서,
   초음파 검사 장치가 초음파 탐촉자를 이용하여 검사체로부터 측정된 신호를 수신하고, 수신된 신호를 출력하는 단계;
   제어부가 상기 신호에 대해 복수의 필터들을 이용하여 필터링을 수행하여 상기 신호로부터 잡음을 제거하는 단계; 및
   상기 제어부가 상기 복수의 필터들을 이용하여 필터링된 신호들 중에서 잡음이 가장 적은 신호를 출력하는 필터를 이용하여 상기 검사체의 결함을 검출하는 단계;를 포함하고,
   상기 가변 프로브 홀더는,
   챔버에 고정된 회전 가이드 플레이트;
   상기 챔버에 고정된 회전 가이드 링;
   상기 회전 가이드 플레이트와 상기 회전 가이드 링 사이에 삽입되고, 초음파 탐촉자가 체결되는 회전 프로브 링; 및
   상기 회전 프로브 링을 고정하는 고정 스크류 블락;을 포함하고,
   상기 회전 가이드 플레이트와 상기 회전 가이드 링은 상기 회전 프로브 링이 원주 방향으로 회전하도록 가이드하고,
   상기 회전 프로브 링의 회전에 의해 상기 초음파 탐촉자가 회전하여 검사체의 원하는 위치에 세팅되면 상기 고정 스크류 블락에 의해 상기 회전 프로브 링을 고정하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 시스템의 신호 분석 방법.
4. 삭제

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