KR102157144B1 - 구조물의 두께 측정 장치 및 방법 - Google Patents

구조물의 두께 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 본 발명은, 구조물의 두께와, 감육의 발생 여부를 측정하기 위한 것으로, 두께를 측정하고자 하는 구조물에 서로 다른 복수의 초음파 모드에 따른 진동을 순차적으로 인가하는 연속파 가진부와, 상기 구조물에서 발생하는 진동을 스캔하는 스캔부와, 상기 스캔부가 스캔한 상기 구조물의 진동 신호를 측정하는 신호 수집부와, 상기 측정된 진동 신호들에 근거하여 생성된 3차원 행렬로부터 상기 구조물의 각 측정 지점에 인가된 초음파 모드에 따른 파수들을 산출하는 파수 산출부 및, 산출된 파수들 각각을 두께로 환산하여 현재 인가된 초음파 모드에 대응하는 상기 구조물의 각 측정 지점의 두께들을 산출하고, 각 초음파 모드 별로 상기 구조물의 각 측정 지점의 두께들이 산출되면, 각 측정 지점 별로 각 초음파 모드에 따라 산출된 두께들을 합산하여 두께 맵을 생성하며, 서로 다른 명도 또는 색상으로 상기 구조물의 서로 다른 두께가 구분되도록 상기 두께 맵을 영상화하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

구조물의 두께 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING THICKNESS OF CONSTRUCTION}
본 발명은, IDT(Interdigital transducers) 센서를 이용하여, 구조물의 두께와, 감육(Wall-Thinning)의 발생 여부를 측정하기 위한 두께 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
원자력발전소를 포함한 플랜트에 설치되는 구조물이 노후됨에 따라, 구조물의 두께가 얇아지는 감육 현상이 발생한다. 감육된 구조물은 설계 내압을 견디지 못하고 파단되어 인명피해를 발생시킬 수 있다. 따라서 이를 막기 위해 구조물의 두께 및 결함을 사전에 측정하는 장치를 구조물 두께 측정 장치라 일컫는다.
일반적으로 구조물 두께 측정 장치는 초음파, 진동신호 및 펄스를 이용한 기법을 활용하여 구조물의 두께를 측정한다. 구체적으로, 상기 구조물 두께 측정 장치는 구조물의 초음파, 진동신호 또는 펄스 신호를 구조물에 전달시키고, 감육 또는 결함이 있는 구조물의 일부분으로부터 반사되어 돌아오는 신호를 수신하여 구조물의 상태를 검사하도록 이루어진다.
구조물 두께 측정 장치와 관련하여, 한국 등록특허 제10-1764706호(등록일자, 2017년 07월 28일)에는 "국소 공간 웨이브넘버 필터링 기법을 이용한 구조물의 두께 측정 시스템 및 그 측정 방법"이 개시된다.
한국 등록특허 제10-1764706호에서 개시하는 구조물의 두께 측정 시스템은, 구조물의 두께와 관련된 영상 정보를 생성하기 위하여 검사 대상인 구조물에 접착되는 압전소자(Piezoelectric Element, PZT)와, 스캐닝을 구현하는 거울과, 두께와 관련된 신호를 수집하는 레이저 진동계(Laser Doppler Vibrometer, LDV)와, 수집된 신호를 처리하는 신호처리부를 포함한다.
이러한 종래의 구조물 두께 측정 시스템은, 접촉식 압전 소자 또는 비접촉식 진동 센서를 통해 구조물에 진동을 가하고, 이를 스캐닝한 결과에 따라 구조물의 두께를 측정한다. 그런데 종래의 구조물 두께 측정 시스템은 구조물에 가해지는 주파수 모드에 따라 측정가능한 감육 상태의 한계가 있다는 문제가 있다. 즉, 각 주파수 모드는 두께에 따른 파수 민감도와 주파수별 두께에 따른 모드 분리도가 서로 다르게 때문에, 감육으로 인해 구조물의 두께가 현재 가진되는 주파수 모드에 따른 파수 민감도와 모드 분리도에 적합하지 않은 경우 두께 차이가 명확하게 구분되지 않을 수 있다.
일 예로 구조물이 탄소강이고, 두께가 4.8mm에서 6mm 사이인 경우에 0.422MHz의 주파수로 가진하였을 때, S0 모드로 감육 상태를 측정하는 것이 가장 효과적일 수 있다. 이는 A1 모드의 파수 민감도가 S0 모드보다 더 높지만, A1 모드의 모드 분리도가 낮아 신호 처리가 어렵기 때문이다. 이에 S0 모드에 따라 두께가 4.8mm에서 6mm 사이의 탄소강에 대한 감육 상태를 측정하는 경우, 20% 이하의 감육 상태까지 측정될 수 있다.
그러나 20%를 초과하는 감육 상태의 경우, 감육된 상태에 따른 두께가 S0 모드의 파수 민감도와 모드 분리도와 적합하지 않기 때문에, 구조물로부터 수집되는 스캐인 결과가 감육 상태에 따라 명확하게 구분되지 않을 수 있다. 이 경우 영상화 결과, 감육 결함이 명확하게 구분되지 않는다는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 하는 것으로, 20% 이하의 얕은 감육 상태 측정 뿐만 아니라 심한 감육 상태(60%)를 정량적으로 측정할 수 있는 두께 측정 장치 및 그 장치의 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 두께 측정 장치는, 두께를 측정하고자 하는 구조물에 서로 다른 복수의 초음파 모드에 따른 진동을 순차적으로 인가하는 연속파 가진부와, 상기 구조물에서 발생하는 진동을 스캔하는 스캔부와, 상기 스캔부가 스캔한 상기 구조물의 진동 신호를 측정하는 신호 수집부와, 상기 측정된 진동 신호들에 근거하여 생성된 3차원 행렬로부터 상기 구조물의 각 측정 지점에 인가된 초음파 모드에 따른 파수들을 산출하는 파수 산출부 및, 산출된 파수들 각각을 두께로 환산하여 현재 인가된 초음파 모드에　 대응하는 상기 구조물의 각 측정 지점의 두께들을 산출하고, 각 초음파 모드 별로 상기 구조물의 각 측정 지점의 두께들이 산출되면, 각 측정 지점 별로 각 초음파 모드에 따라 산출된 두께들을 합산하여 두께 맵을 생성하며, 서로 다른 명도 또는 색상으로 상기 구조물의 서로 다른 두께가 구분되도록 상기 두께 맵을 영상화하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 복수의 초음파 모드는, 상기 구조물의 재질 및 두께에 따라 산출되는 파수 민감도 및 모드 분리도에 근거하여 결정되며, 서로 간의 모드 분리도가 기 설정된 값 이상인 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 구조물의 재질 및 두께에 따라 산출되는 파수 민감도와 모드 분리도에 근거하여 특정 초음파 모드를 기준 모드인 제1 모드로 검출하고, 검출된 제1 모드를 기준으로 서로 간에 모드 분리도가 기 설정된 값 이상인 초음파 모드들을 상기 복수의 초음파 모드로 검출하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 수집된 진동 신호로부터 상기 구조물에 인가된 초음파 모드에 따른 구조물의 두께가 산출되면, 산출된 두께와 상기 구조물에 인가된 초음파 모드의 파수에 근거하여 파수 민감도를 산출하고, 산출된 파수 민감도가 기 설정된 파수 민감도 값 이상인지 여부에 근거하여 상기 산출된 두께를 다른 초음파 모드들에 따라 산출된 두께들과 합산하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 파수 민감도는, 하기 수학식 1에 따라 정의되며,
[수학식 1]
Figure 112019081534443-pat00001
여기서
Figure 112019081534443-pat00002
는 파수(m-1)의 변화량을,
Figure 112019081534443-pat00003
는 구조물의 두께(mm) 변화량, f는 주파수임을 특징으로 하며, 상기 기 설정된 파수 민감도 값은 10 m-1/mm임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 파수 산출부는, 음향 파수 분광법(Acoustic Wavenumber Spectroscopy, AWS)에 근거하여 상기 측정된 진동 신호들에 따른 3차원 행렬로부터 상기 구조물의 각 측정 지점에 대응하는 파수를 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 두께 측정 장치의 제어 방법은, 두께를 측정하고자 하는 구조물에 인가할 복수의 초음파 모드들을 검출하는 제1 단계와, 상기 제1 단계에서 검출된 복수의 초음파 모드들 중 제1 모드에 따른 진동을 상기 구조물에 인가하는 제2 단계와, 상기 구조물에서 발생되는 진동 신호를 스캐닝 및 스캐닝된 진동 신호들에 근거하여 생성되는 3차원 행렬로부터 상기 구조물의 각 측정 지점에 대한 파수들을 산출하는 제3 단계와, 산출된 파수들을 두께로 환산하여, 상기 구조물에 인가된 초음파에 대한 상기 구조물의 각 측정 지점의 두께들을 산출하는 제4 단계와, 모든 복수의 초음파 모드에 대해 상기 구조물의 각 측정 지점의 두께들이 환산되었는지를 판단하고, 판단 결과 복수의 초음파 모드 모두에 대응하는 상기 구조물의 두께들이 산출되지 않은 경우, 다른 초음파 모드에 따른 진동을 상기 구조물에 인가 및 상기 제3 단계 내지 제4 단계를 다시 수행하는 제5 단계와, 상기 판단 결과 복수의 초음파 모드 모두에 대응하는 상기 구조물의 두께들이 산출된 경우, 각 초음파 모드 별로 측정된 상기 구조물의 두께들을 각 측정 지점별로 합산하여 상기 구조물의 측정 면적에 대한 두께 맵을 생성하는 제6 단계 및, 서로 다른 명도 또는 색상으로 상기 구조물의 서로 다른 두께가 구분되도록 상기 두께 맵을 영상화하는 제7 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 복수의 초음파 모드는, 상기 구조물의 재질 및 두께에 따라 산출되는 파수 민감도 및 모드 분리도에 근거하여 결정되며, 서로 간의 모드 분리도가 기 설정된 값 이상인 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 단계는, 상기 구조물의 재질 및 두께에 따라 산출되는 파수 민감도와 모드 분리도에 근거하여 특정 초음파 모드를 기준 모드인 제1 모드로 검출하는 제1-1 단계 및, 검출된 제1 모드를 기준으로 서로 간에 모드 분리도가 기 설정된 값 이상인 초음파 모드들을 상기 복수의 초음파 모드로 검출하는 제1-2 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제4 단계는, 산출된 파수에 대응하는 두께가 환산되면, 환산된 두께와 현재 구조물에 가진된 초음파 모드의 파수에 따라 파수 민감도를 산출하는 제4-1 단계 및, 산출된 파수 민감도가 기 설정된 값 이상인지 여부에 근거하여, 상기 환산된 두께에 문턱값 1을 곱하거나 문턱값 0을 곱하여 파수 민감도가 기 설정된 수준 미만인 두께들을 필터링하는 제4-2 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 파수 민감도는, 하기 수학식 1에 따라 정의되며,
[수학식 1]
Figure 112019081534443-pat00004
여기서
Figure 112019081534443-pat00005
는 파수(m-1)의 변화량을,
Figure 112019081534443-pat00006
는 구조물의 두께(mm) 변화량, f는 주파수임을 특징으로 하며, 상기 기 설정된 파수 민감도 값은 10 m-1/mm임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제3 단계는, 음향 파수 분광법(Acoustic Wavenumber Spectroscopy, AWS)에 근거하여 상기 측정된 진동 신호들에 따른 3차원 행렬로부터 상기 구조물의 각 측정 지점에 대응하는 파수를 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 본 발명은 구조물을 가진하는 초음파의 모드를 변경할 수 있는 다중 IDT(InterDigital Transducers) 센서를 통해 구조물을 서로 다른 모드로 가진하고, 각 모드로 구조물을 가진한 결과에 근거하여 구조물의 감육 상태를 측정함으로써, 측정 가능한 감육 상태의 범위를 확장할 수 있다는 효과가 있다.
또한 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 본 발명은 문턱값을 이용하여 파수 민감도가 일정 수준 이상인 파수에 따라 산출된 두께 만으로 영상화를 수행함으로써, 감육 상태에 따라 구조물의 서로 다른 두께가 보다 명확하게 구분될 수 있도록 한다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 두께 측정 장치의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 두께 측정 장치에서, 구조물의 두께를 측정하고 측정된 결과를 영상화하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 3a 및 도 3b는 서로 다른 주파수의 주파수별 파수 민감도 및 주파수별 모드 분리도의 예들을 도시한 그래프들이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 두께 측정 장치에서, 모드 분리도에 따라 구조물을 가진하도록 선정된 주파수 모드들의 예를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 두께 측정 장치에서, 감육 결함을 측정하기 위한 검사 시편의 예를 보이고 있는 것이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 두께 측정 장치에서, 검사 시편의 감육 상태를 측정한 영상화 결과를 도시한 예시도이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다." 또는 "포함한다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예들을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 두께 측정 장치(1)의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 두께 측정 장치(1)는 제어부(100)와 상기 제어부(100)에 연결되는 연속파 가진부(120), 스캔부(130), 신호 수집부(140), 파수 산출부(110), 영상화부(150), 그리고 메모리(160)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 연속파 가진부(120)는 두께를 측정하고자 하는 구조물에 서로 다른 주파수 및 모드에 따른 진동을 인가할 수 있다. 이를 위해 연속파 가진부(120)는 적어도 하나의 IDT 센서를 포함할 수 있다. 그리고 상기 적어도 하나의 IDT 센서서는 두께를 측정하고자 하는 구조물을 따라 유도초음파가 전파되도록 소정의 파동을 발생시킬 수 있다.
IDT 센서는 압전 물질을 레이저 정밀 가공하여 제작하며, 일반 센서에 비해 단가가 저렴하고 사용자가 원하는 크기, 형상, 주파수에 맞추어 제작이 가능할 뿐만 아니라 유도초음파(Lamb wave)를 쉽게 발생시킬 수 있다. 또한, 강구조물 복합재, 플라스틱, 콘크리트 등 다양한 재질에 적용이 가능하다는 장점이 있다.
상기 연속파 가진부(120)에 구비되는 IDT 센서는 소정의 파장(λ)를 갖는 유도초음파를 발생시킬 수 있으며, 전극 사이의 거리(λ)를 변경함으로써 유도초음파의 파장을 변경할 수 있도록 형성될 수 있다. 연속파 가진부(120)는 제어부(100)에 의해 설정된 복수의 주파수 모드 각각에 대응하는 유도초음파를 발생시키도록 어느 하나의 IDT 센서를 순차적으로 제어할 수 있다. 또는 연속파 가진부(120)는 복수의 IDT 센서를 구비하는 경우, 제어부(100)에 의해 복수의 주파수 모드 각각에 대응하는 유도초음파를 발생시키도록 각 IDT 센서를 제어할 수 있다. 즉, 연속파 가진부(120)는 적어도 하나의 IDT 센서를 포함하여, 복수의 서로 다른 주파수 모드 각각에 대응하는 유도초음파들을 발생시킬 수 있도록 형성될 수 있다.
스캔부(130)는 연속파 가진부(120)의 연속파 가진에 의해 상기 구조물에서 발생하는 진동을 스캐닝할 수 있다. 이를 위해 스캔부(130)는 진동하는 구조물에 레이저를 조사하는 수단(도시되지 않음), 및 일정한 방향으로 구조물을 스캔하여 반사되는 레이저를 스캔하기 위한 거울 등의 수단(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
한편 신호 수집부(140)는 상기 스캔부(130)로부터 스캐닝한 상기 구조물의 진동 신호를 측정할 수 있다. 이를 위해 상기 신호 수집부(140)는 LDV(Laser Doppler Vibrometer)를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고 파수 산출부(110)는 신호 수집부(140)에서 수집된 진동 신호들로부터 산출되는 3차원 행렬로부터 파수(Wavenumber)를 산출할 수 있다. 여기서 파수는 파장의 역수를 의미하는 것으로, 구조물을 가진하는 초음파(유도 초음파)의 주파수 및 상기 가진하는 초음파의 모드에 따라 달라질 수 있다.
일 예로 상기 신호 수집부(140)를 통해 수집된 진동 신호들은 3차원 행렬로 표현될 수 있다. 이 경우 파수 산출부(110)는 다양한 방법에 근거하여 파수를 산출할 수 있다. 일 예로 상기 파수 산출부(110)는 음향 파수 분광법(Acoustic Wavenumber Spectroscopy, AWS)에 근거하여 상기 3차원 행렬로부터 구조물의 각 측정 지점에 대응하는 파수를 산출할 수 있다.
한편 제어부(100)는, 본 발명의 실시 예에 따른 두께 측정 장치(1)의 전반적인 구동 및 동작을 제어할 수 있다. 제어부(100)는 위에서 살펴본 구성요소들을 통해 입력 또는 출력되는 신호, 데이터, 정보 등을 처리하거나 상기 구성요소들 중 적어도 일부를 제어할 수 있다. 나아가, 제어부(100)는 두께 측정 장치(1)의 구동을 위하여 상기 구성요소들 중 적어도 둘 이상을 서로 조합하여 동작시킬 수 있다.
제어부(100)는 먼저 구조물을 가진할 복수의 모드를 설정할 수 있다. 여기서 제어부(100)는 각 주파수 모드들 간에 모드 분리도를 산출하고, 산출된 모드 분리도에 근거하여 가진을 위한 복수의 모드를 결정할 수 있다. 이 경우 제어부(100)는 구조물의 재질 및 두께에 따라 산출되는 파수 민감도와 모드 분리도에 근거하여 적합한 주파수를 갖는 모드를 기준 모드로 설정할 수 있다. 그리고 기준 모드를 포함하여 서로 간에 모드 분리도가 기 설정된 크기 이상인 서로 다른 복수의 초음파 모드를 검출할 수 있다. 즉, 기준 모드를 기준이 되는 제1 모드로 검출하고, 제1 모드로부터 일정 크기 이상의 모드 분리도를 가지는 어느 하나의 초음파 모드를 제2 모드로 검출할 수 있다. 그리고 제2 모드로부터 또 일정 크기 이상의 모드 분리도를 가지는 초음파 모드를 제3 모드로 검출할 수 있다. 그리고 이와 동일한 방식으로 복수의 초음파 모드들을 검출하고 검출된 모드들을 구조물을 가진할 모드로 설정할 수 있다. 여기서 상기 서로 다른 복수의 초음파 모드는, 초음파의 주파수가 형태(대칭 모드 또는 비대칭 모드)가 다르거나, 또는 진동시에 발생하는 파장의 개수가 서로 다른 초음파들을 의미할 수 있다.
그리고 제어부(100)는 연속파 가진부(120)를 제어하여 상기 설정된 복수의 모드 각각에 따른 초음파로 구조물을 가진할 수 있으며, 스캔부(130)를 제어하여 구조물에서 발생되는 진동을 스캐닝할수 있다. 그리고 파수 산출부(110)를 제어하여 상기 스캔부(130)에서 수집된 진동 신호로부터 구조물의 측정지점에 대응하는 파수를 산출할 수 있다.
한편 파수 산출부(110)를 통해 파수가 산출되면, 제어부(100)는 산출된 파수를 두께로 환산할 수 있다. 여기서 제어부(100)는 곡선접합을 통해 산출된 파수를 현재 가진된 모드에 대응하는 두께로 환산할 수 있다.
제어부(100)는 이러한 과정을 현재 설정된 복수의 모드 각각에 대해 수행할 수 있다. 그리고 모든 모드에 대응하는 두께들이 산출되면, 제어부(100)는 각 모드 별로 측정된 두께들을 합산할 수 있다. 이 경우 제어부(100)는 합산된 두께들에 근거하여 구조물에 대응하는 두께 맵(Thickness Map)을 생성할 수 있다.
한편 영상화부(150)는 제어부(100)의 제어에 따라, 제어부(100)에서 생성된 두께 맵을 영상화할 수 있다. 영상화부(150)는 산출된 두께에 따라 구조물의 각 위치를 서로 다른 색상 또는 서로 다른 명도로 영상화할 수 있다. 따라서 모드에 따라 파수가 명확하게 구분될수록 두께의 차이가 명확해질 수 있으며, 상기 영상화된 결과에서 뚜렷하게 두께의 차이, 즉 감육 결함이 나타날 수 있다.
메모리(160)는 두께 측정 장치(1)의 다양한 기능을 지원하는 데이터를 저장할 수 있다. 메모리(160)는 두께 측정 장치(100)에서 구동되는 다수의 프로그램 및 구동을 위한 데이터들과 명령어들을 저장할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 두께 측정 장치(1)에서, 구조물의 두께를 측정하고 측정된 결과를 영상화하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 2를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 두께 측정 장치(1)의 제어부(100)는 먼저 구조물을 가진할 복수의 초음파 모드를 설정할 수 있다(S200). 이를 위해 제어부(100)는 각 모드들의 모드 분리도를 산출하고, 산출된 모드 분리도가 기 설정된 수준 이상인 모드들을 검출할 수 있다.
한편 제어부(100)는 먼저 기준 모드를 설정하고, 설정된 기준 모드로부터 모드 분리도가 일정 수준 이상인 모드들을 검출할 수 있다. 여기서 상기 기준 모드는 구조물의 두께에 따라 파수 민감도와 모드 분리도를 모두 고려하여 결정될 수 있다.
여기서 파수 민감도와 하기 수학식 1에 따라 산출될 수 있으며, 파수를 두께로 미분한 값으로 표현될 수 있다.
Figure 112019081534443-pat00007
여기서
Figure 112019081534443-pat00008
는 파수의 변화량을,
Figure 112019081534443-pat00009
는 두께 변화량, f는 주파수임.
한편 파수 민감도
Figure 112019081534443-pat00010
가 클수록 두께의 변화에 민감한 파수이며,
Figure 112019081534443-pat00011
는 주파수에 따라 변화하므로, 재질과 두께가 결정되면 그에 따른 파수 민감도(
Figure 112019081534443-pat00012
)가 계산되어야 한다.
한편 선명한 영상화를 위해서는 각 주파수 모드가 명확하게 구분될 수 있어야 하는데, 이를 모드 분리도라고 하며 하기 수학식 2와 같이 산출될 수 있다.
Figure 112019081534443-pat00013
여기서
Figure 112019081534443-pat00014
과
Figure 112019081534443-pat00015
는 서로 다른 모드의 파수임.
상기 모드 분리도(
Figure 112019081534443-pat00016
)이 클수록 인접모드 간에 분리가 용이하며 영상화 결과에서 두께 변화를 구분하기 용이하다. 반면 상기 모드 분리도(
Figure 112019081534443-pat00017
)이 작을수록 모드 간에 분리가 어려우며 영상화 결과에서 두께 변화를 구분하기 어렵다.
한편 각 모드의 주파수에 따라 상기 수학식 1 및 수학식 2에 따라 산출된 두께별 파수 민감도 및 모드 분리도는 도 3a 및 도 3b에서 보이고 있는 바와 같다.
먼저 주파수에 따른 두께별 파수 민감도를 도시한 도 3a를 참조하여 살펴보면, 각 주파수의 A0 모드는 두꺼운 재질에서 파수 민감도가 낮아 감육 측정에 부적합함을 알 수 있다. 한편 S0는 주파수가 증가함에 따라 파수 민감도가 증가함을 알 수 있다.
이 경우 감육 측정을 수행하려는 구조물이 탄소강이고, 두께가 4.8mm에서 6mm 사이인 경우, 구조물의 두께(4.8mm ~ 6mm)에 따라 S0 모드의 파수 민감도가 가장 높음을 알 수 있다(도 3a의 (c)). 한편 도 3a의 (c)에서 파수 민감도는 A1 모드가 가장 높으나 도 3b의 (c)에서 보이고 있는 바와 같이 모드 분리도가 낮음을 알 수 있다. 이에 제어부(100)는 모드 분리도와 파수 민감도가 모두 높은 0.422MHz의 S0 모드가 가장 두께 측정에 적합한 것으로 판단할 수 있다. 일 예로 제어부(100)는 산출된 모드 분리도와 파수 민감도의 합 또는 평균이 가장 높은 주파수의 모드를 두께 측정에 적합한 것으로 판단할 수 있다.
이 경우 제어부(100)는 상기 두께 측정에 적합한 것으로 판단된 주파수의 모드를 기준 모드로 설정할 수 있다. 그리고 설정된 기준 모드로부터 모드 분리도가 기 설정된 값 이상을 가지는 주파수의 모드들을 구조물을 연속 가진할 초음파 모드들로 설정할 수 있다. 도 4는 이처럼 모드 분리도에 따라 구조물을 가진하도록 선정된 주파수 모드들의 예를 도시한 그래프이다.
한편 초음파 모드들이 설정되면, 제어부(100)는 설정된 초음파 모드들 중 기 설정된 순서에 따른 제1 모드의 초음파에 따라 구조물을 가진할 수 있다(S202). 여기서 상기 제1 모드는 상기 기준 모드일 수 있다.
제1 모드의 초음파에 따라 구조물이 가진되면, 제어부(100)는 구조물에서 발생되는 진동을 스캐닝할 수 있다(S202). 그리고 신호 수집부(140)를 제어하여 스캐닝된 신호들을 수집할 수 있다. 이 경우 신호 수집부(140)에서 수집되는 진동 신호들은
Figure 112019081534443-pat00018
로 표현되는 3차원 행렬일 수 있다.
그러면 제어부(100)는 파수 산출부(110)를 제어하여 상기 3차원 행렬(
Figure 112019081534443-pat00019
)로부터 구조물의 각 측정 지점에 대한 파수들을 산출할 수 있다(S206). 상기 S206 단계에서 제어부(100)는 음향 파수 분광법(Acoustic Wavenumber Spectroscopy, AWS)에 근거하여 상기 3차원 행렬로부터 구조물의 각 측정 지점에 대응하는 파수를 산출할 수 있다.
여기서 음향 파수 분광법(AWS)은 유도 초음파에서 전파하는 다양한 모드 중에 결함을 가장 잘 판별할 수 있는 모드를 선정하고, 파수가 변하는 협대역 파수 필터를 이용하여 측정 지점에서 파수가 가장 큰 값을 대표 파수로 선정하여 가시화하는 방법을 의미할 수 있다.
한편 상기 3차원 행렬로부터 파수가 산출되면, 제어부(100)는 곡선 접합을 통해 상기 S206 단계에서 산출된 파수를 두께로 환산할 수 있다(S208). 이에 현재 가진된 초음파 모드에 따라 구조물의 두께가 측정될 수 있다.
상기 S208 단계에서 현재 가진된 초음파 모드에 따른 구조물의 두께가 산출되면, 제어부(100)는 상기 S200 단계에서 설정된 모든 초음파 모드에 대한 두께들이 산출되었는지 여부를 판단할 수 있다(S210). 그리고 모든 초음파 모드에 대한 두께들이 산출되지 않은 경우라면, 아직 두께가 산출되지 않은 다른 초음파 모드(제2 모드)에 따라 구조물을 가진할 수 있다(S220). 여기서 상기 제2 모드는, 상기 S200 단계에서 설정된 복수의 초음파 모드 중 기 설정된 순서에 따라 상기 제1 모드 다음 순서의 모드일 수 있다.
그리고 제어부(100)는 현재 설정된 초음파 모드에 따라 두께를 산출하는 S204 단계 내지 S208 단계에 이르는 과정을 반복하여 수행할 수 있다.
한편 상기 S210 단계의 판단 결과, 상기 S200 단계에서 설정된 모든 초음파 모드에 대한 두께들이 산출된 경우라면, 제어부(100)는 각 초음파 모드 별로 측정된 두께들을 합산할 수 있다. 이 경우 구조물의 동일한 측정 지점의 두께들끼리 합산될 수 있으며, 이에 따라 상기 구조물의 전체 측정 면적에 대한 두께 맵(Thickness Map)이 생성될 수 있다(S212).
그러면 제어부(100)는 영상화부(150)를 제어하여 생성된 두께 맵에 대응하는 영상을 생성할 수 있다(S214). 이 경우 영상화부(150)는 서로 다른 색상 또는 명도로 서로 다른 두께를 표시할 수 있으며, 이에 구조물의 두께 중 감육 현상으로 인해 두께가 변경된 영역이 다른 색상 또는 명도로 표시될 수 있다.
한편 제어부(100)는 영상화 결과 두께 차이가 보다 명확하게 나타날 수 있도록 파수 민감도가 일정 수준 이상인 파수만으로 상기 영상화 결과를 생성할 수도 있다. 이를 위해 제어부(100)는 파수 민감도를 산출하고 산출된 파수 민감도가 파수가 기 설정된 값 보다 낮은 결과들을 필터링하여 영상화에 반영하지 않을 수도 있다.
한편 상기 기 설정된 값은 본 발명과 관련되어 최적의 값을 결정하기 위해 수행된 복수의 시험 결과에 따라 검출될 수 있다. 예를 들어 상기 복수의 시험은 임의로 설정된 값에 따라 각각 영상화 결과들을 산출하는 시험들일 수 있으며, 상기 기 설정된 값은 각 산출 결과로부터 이미지 판독된 결과 또는 경험칙에 따라 결정되는 임의의 값일 수 있다.
일 예로 상술한 예와 같이 구조물의 재질이 탄소강이고, 두께가 4.8mm에서 6mm 사이인 경우 설정된 복수의 초음파 모드들을 도시한 도 4의 경우, 각 초음파 모드들이 4.8mm에서 6mm 사이의 두께에서 파수 민감도(Wavenumber Sensitivity)가 10 m-1/mm 이상임을 알 수 있다. 여기서 파수 민감도는 상술한 바와 같이 파수(파장의 역수)를 두께에 따라 미분한 것으로, 파장 단위 m(meter)의 역수 m-1와, 두께(단위 mm(milimeter))로 표현할 수 있다. 이 경우 파수 민감도의 기 설정된 값은 10 m-1/mm로 설정될 수 있다.
이 경우 제어부(100)는 상기 S208 단계에서, 상기 기 설정된 값에 따라 산출된 파수에 따른 두께를 영상화에 반영할지 여부를 결정하는 과정을 더 포함할 수 있다. 일 예로 제어부(100)는 상기 S206 단계에서 산출된 파수에 대응하는 두께가 환산되면, 환산된 두께와 현재 구조물에 가진된 초음파 모드의 파수에 따라 파수 민감도를 산출할 수 있다. 그리고 산출된 파수 민감도가 상기 기 설정된 값 이상인 경우에는 문턱값 1을 곱하고, 상기 기 설정된 값 미만인 경우에는 문턱값 0을 곱하여 산출된 파수에 대응하는 두께를 0으로 만들 수 있다. 하기 수학식 3은 이처럼 파수 민감도에 근거하여 결정되는 문턱값을 정의한 것이다.
Figure 112019081534443-pat00020
여기서 K는 기 설정된 값,
Figure 112019081534443-pat00021
는 파수 민감도,
Figure 112019081534443-pat00022
는 문턱값임.
따라서 산출된 파수 민감도에 따라 문턱값은 0 또는 1이 산출될 수 있으며, 산출된 파수 민감도(
Figure 112019081534443-pat00023
)가 기 설정된 값(K)보다 작은 경우, 해당 초음파 모드에서 산출된 두께는 필터링되어 영상화 결과에 반영되지 않을 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 두께 측정 장치(1)에서, 감육 결함을 측정하기 위한 검사 시편의 예를 보이고 있는 것이다.
시험하려는 시편은 탄소강이며 형상은 도 5에서 보이고 있는 것과 같다. 시편은 가로 300 mm, 세로 300 mm, 두께 6 mm 평판이며, 감육 결함은 가로 40 mm, 세로 40 mm, 감육 결함의 두께가 0.3 mm(제1 시편, 510), 0.6 mm(제2 시편, 520), 0.9 mm(제3 시편, 530), 1.2 mm(제4 시편, 540), 1.8 mm(제5 시편, 550), 2.4 mm(제6 시편, 560), 3 mm(제7 시편, 570), 3.6 mm(제8 시편, 580)로 각각 다르게 하였다. 이 경우 감육 결함 두께 비율은 5 %(제1 시편, 510), 10 %(제2 시편, 520), 15 %(제3 시편, 530), 20 %(제4 시편, 540), 30 %(제5 시편, 550), 40 %(제6 시편, 560), 50 %(제7 시편, 570), 60 %(제8 시편, 580)이 될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 두께 측정 장치에서, 검사 시편의 감육 상태를 측정한 영상화 결과를 도시한 예시도이다.
도 6에서, 제1 영상화 결과(610)는 제1 시편(510)에 대응하는 감육 상태이며, 제2 영상화 결과(620)는 제2 시편(520)에, 제3 영상화 결과(630)는 제3 시편(530)에, 제4 영상화 결과(640)는 제4 시편(540)에 각각 대응하는 감육 상태를 나타낼 수 있다. 그리고 제5 영상화 결과(650)는 제5 시편(550)에, 제6 영상화 결과(660)는 제6 시편(560)에, 제7 영상화 결과(670)는 제7 시편(570)에, 제8 영상화 결과(680)는 제8 시편(580)에 각각 대응하는 감육 상태를 나타낼 수 있다.
즉, 본 발명은 도 6에서 보이고 있는 바와 같이 감육 결함 비율이 20% 이하(제1 시편(510) 내지 제4 시편(540)) 뿐만 아니라 감육 결함 비율이 20%를 초과하는 경우(제5 시편(550) 내지 제8 시편(580))에 이르는 경우 역시 영상화 결과에서 식별 가능하게 표시될 수 있음을 알 수 있다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 특히 본 발명의 실시 예에서는 파수를 산출하는 방법으로서 음향 파수 분광법을 사용하는 예를 들어 설명하였으나, 이는 본 발명의 실시 예에 불과할 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것이 아님은 물론이다.
또한 본 발명은 문턱값을 결정하기 위한 기 설정된 값으로 파수 민감도 10 m-1/mm을 이용하는 예를 들어 설명하였으나, 이 역시 본 발명의 실시 예에 불과할 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것이 아님은 물론이다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.
또한, 상기 컴퓨터는 두께 측정 장치(1)의 제어부(180)를 포함할 수도 있다. 따라서 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
1 : 두께 측정 장치
100 : 제어부 110 : 파수 산출부
120 : 연속파 가진부 130 : 스캔부
140 : 신호 수집부 150 : 영상화부
160 : 메모리

Claims (12)

  1. 두께를 측정하고자 하는 구조물에 서로 다른 복수의 초음파 모드에 따른 진동을 순차적으로 인가하는 연속파 가진부;
    상기 구조물에서 발생하는 진동을 스캔하는 스캔부;
    상기 스캔부가 스캔한 상기 구조물의 진동 신호를 측정하는 신호 수집부;
    상기 측정된 진동 신호들에 근거하여 생성된 3차원 행렬로부터 상기 구조물의 각 측정 지점에 인가된 초음파 모드에 따른 파수들을 산출하는 파수 산출부; 및,
    산출된 파수들 각각을 두께로 환산하여 현재 인가된 초음파 모드에 대응하는 상기 구조물의 각 측정 지점의 두께들을 산출하고, 각 초음파 모드 별로 상기 구조물의 각 측정 지점의 두께들이 산출되면, 각 측정 지점 별로 각 초음파 모드에 따라 산출된 두께들을 합산하여 두께 맵을 생성하며, 서로 다른 명도 또는 색상으로 상기 구조물의 서로 다른 두께가 구분되도록 상기 두께 맵을 영상화하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    수집된 진동 신호로부터 상기 구조물에 인가된 초음파 모드에 따른 구조물의 두께가 산출되면, 산출된 두께와 상기 구조물에 인가된 초음파 모드의 파수에 근거하여 파수 민감도를 산출하고,
    산출된 파수 민감도가 기 설정된 파수 민감도 값 이상인지 여부에 근거하여 상기 산출된 두께를 다른 초음파 모드들에 따라 산출된 두께들과 합산하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 초음파 모드는,
    상기 구조물의 재질 및 두께에 따라 산출되는 파수 민감도 및 모드 분리도에 근거하여 결정되며,
    서로 간의 모드 분리도가 기 설정된 값 이상인 것을 특징으로 하는 두께 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 구조물의 재질 및 두께에 따라 산출되는 파수 민감도와 모드 분리도에 근거하여 특정 초음파 모드를 기준 모드인 제1 모드로 검출하고, 검출된 제1 모드를 기준으로 서로 간에 모드 분리도가 기 설정된 값 이상인 초음파 모드들을 상기 복수의 초음파 모드로 검출하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 파수 민감도는,
    하기 수학식 1에 따라 정의되며,
    [수학식 1]
    Figure 112020069959329-pat00024

    여기서
    Figure 112020069959329-pat00025
    는 파수(m-1)의 변화량을,
    Figure 112020069959329-pat00026
    는 구조물의 두께(mm) 변화량, f는 주파수임을 특징으로 하며,
    상기 기 설정된 파수 민감도 값은 10 m-1/mm임을 특징으로 하는 두께 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 파수 산출부는,
    음향 파수 분광법(Acoustic Wavenumber Spectroscopy, AWS)에 근거하여 상기 측정된 진동 신호들에 따른 3차원 행렬로부터 상기 구조물의 각 측정 지점에 대응하는 파수를 산출하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 장치.
  7. 두께를 측정하고자 하는 구조물에 인가할 복수의 초음파 모드들을 검출하는 제1 단계;
    상기 제1 단계에서 검출된 복수의 초음파 모드들 중 제1 모드에 따른 진동을 상기 구조물에 인가하는 제2 단계;
    상기 구조물에서 발생되는 진동 신호를 스캐닝 및 스캐닝된 진동 신호들에 근거하여 생성되는 3차원 행렬로부터 상기 구조물의 각 측정 지점에 대한 파수들을 산출하는 제3 단계;
    산출된 파수들을 두께로 환산하여, 상기 구조물에 인가된 초음파에 대한 상기 구조물의 각 측정 지점의 두께들을 산출하는 제4 단계;
    모든 복수의 초음파 모드에 대해 상기 구조물의 각 측정 지점의 두께들이 환산되었는지를 판단하고, 판단 결과 복수의 초음파 모드 모두에 대응하는 상기 구조물의 두께들이 산출되지 않은 경우, 다른 초음파 모드에 따른 진동을 상기 구조물에 인가 및 상기 제3 단계 내지 제4 단계를 다시 수행하는 제5 단계;
    상기 판단 결과 복수의 초음파 모드 모두에 대응하는 상기 구조물의 두께들이 산출된 경우, 각 초음파 모드 별로 측정된 상기 구조물의 두께들을 각 측정 지점별로 합산하여 상기 구조물의 측정 면적에 대한 두께 맵을 생성하는 제6 단계; 및,
    서로 다른 명도 또는 색상으로 상기 구조물의 서로 다른 두께가 구분되도록 상기 두께 맵을 영상화하는 제7 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 복수의 초음파 모드는,
    상기 구조물의 재질 및 두께에 따라 산출되는 파수 민감도 및 모드 분리도에 근거하여 결정되며,
    서로 간의 모드 분리도가 기 설정된 값 이상인 것을 특징으로 하는 두께 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 단계는,
    상기 구조물의 재질 및 두께에 따라 산출되는 파수 민감도와 모드 분리도에 근거하여 특정 초음파 모드를 기준 모드인 제1 모드로 검출하는 제1-1 단계; 및,
    검출된 제1 모드를 기준으로 서로 간에 모드 분리도가 기 설정된 값 이상인 초음파 모드들을 상기 복수의 초음파 모드로 검출하는 제1-2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 제4 단계는,
    산출된 파수에 대응하는 두께가 환산되면, 환산된 두께와 현재 구조물에 가진된 초음파 모드의 파수에 따라 파수 민감도를 산출하는 제4-1 단계; 및,
    산출된 파수 민감도가 기 설정된 값 이상인지 여부에 근거하여, 상기 환산된 두께에 문턱값 1을 곱하거나 문턱값 0을 곱하여 파수 민감도가 기 설정된 수준 미만인 두께들을 필터링하는 제4-2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 파수 민감도는,
    하기 수학식 1에 따라 정의되며,
    [수학식 1]
    Figure 112019081534443-pat00027

    여기서
    Figure 112019081534443-pat00028
    는 파수(m-1)의 변화량을,
    Figure 112019081534443-pat00029
    는 구조물의 두께(mm) 변화량, f는 주파수임을 특징으로 하며,
    상기 기 설정된 파수 민감도 값은 10 m-1/mm임을 특징으로 하는 두께 측정 방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 제3 단계는,
    음향 파수 분광법(Acoustic Wavenumber Spectroscopy, AWS)에 근거하여 상기 측정된 진동 신호들에 따른 3차원 행렬로부터 상기 구조물의 각 측정 지점에 대응하는 파수를 산출하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 방법.
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