KR20030074670A - 강자성체의 응력 측정 - Google Patents

강자성체의 응력 측정 Download PDF

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KR20030074670A
KR20030074670A KR10-2003-7008422A KR20037008422A KR20030074670A KR 20030074670 A KR20030074670 A KR 20030074670A KR 20037008422 A KR20037008422 A KR 20037008422A KR 20030074670 A KR20030074670 A KR 20030074670A
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Abstract

파이프(12) 벽의 응력이 프로브들의 적어도 하나의 선형 어레이를 운반하는 피그(10)를 이용하여 측정되며, 상기 어레이의 프로브(30)들은 파이프 벽상의 위치상에서 연속적으로 지나가게 된다. 각각의 프로브(30)는 두 개의 이격된 전자석의 전자극(34)들을 갖는 전자석 코어(32)와 상기 전자극(34)들간의 자기 회로 부분의 자기 저항을 감지하도록 배열된 자기 센서(36)를 포함하며, 교류 자계가 결국 파이프 벽이 되는 전자석 수단에 발생된다. 어레이내의 연속적인 프로브(30)들은 상이하게 배향되어, 파이프 벽내 자계의 대응하는 배향들이 상이하게 된다. 바람직하게, 프로브(30)는 또한 상기 전자극들간의 자유 공간 자계 반향에 수직인 자속을 감지하도록 상기 두 전자극(34)들간에 센서(38)들을 포함한다. 센서들(36 및 38)로부터의 신호는 응력의 측정을 가능하게 한다. 그러한 어레이는 강자성체로 이루어진 임의의 기다란 물제에 이용될 수 있다.

Description

강자성체의 응력 측정{Measurement of stress in a ferromagnetic material}
파이프라인의 응력은 온도 변화, 주변 토양의 이동과 그 토양으로부터의 압력, 및 파이프라인내 포함된 유체의 압력을 포함하는 다양한 원인들에 의해 발생한다. 또한, 일정 길이의 파이프(a lengths of pipe)의 제조, 그 파이프들의 용접, 및 일정 길이를 갖는 파이프 설치시의 임의의 휨(bending)에 의해 잔류 응력(residual stresses)이 발생할 수도 있다. 제조시 발생하는 잔류 응력은 일정 길이의 파이프가 제조되는 방법 및 응력 완화 열처리 여부에 따라 결정된다. 어떠한 경우든, 주 응력 방향(principal stress direction)들은 일반적으로 원주 및 세로 방향들이 된다. 일반적으로 자기 측정(magnetic measurements)은 미세 구조와 같은 다른 물질 특성들에 의해 영향을 받기는 하지만, 응력을 감지하는 다양한 자기 기술(magnetic techniques)이 공지되어 있다. GB 2 278 450 에는 강판(steel plate)의 응력 측정 방법이 개시되어 있으며, 상기 개시된 방법은 강판에 교류 자계를 발생시키도록 전자기 코어를 포함하는 프로브(probe)를 이용하고, 응력 유도자기 이방성 측정을 하는 센서와 방향성 실효 투자율(directional effective permeability)을 측정하는 센서인 두 센서들로부터의 측정을 결합한다. 상기 프로브는 서서히 돌아서, 자계가 상기 강판에서 복수의 상이한 배향들을 갖게 하고, 상기한 측정들은 각각의 배향에서 취해진다. 양호한 공간 선명도(resolution)를 얻고, 표면의 만곡(curvature) 효과를 최소화하기 위해, 50mm 미만의 직경, 바람직하게는 20mm 미만의 직경을 갖는 미소 프로브가 권장된다. 이러한 절차는 강판의 특정 위치에서 응력이 정확하게 측정될 수 있게 한다. 하지만, 긴 물체의 응력 측정에 대해서는, 상기 물체의 길이를 따라 이동하면서 측정할 수 있어야 하는 것이 바람직하다.
본 발명은 강자성체로서 특히, 긴 물체의 응력(stress)을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 이러한 측정 방법 및 장치는 예컨대, 오일이나 가스를 운반하는데 이용되는 것과 같은 강철 파이프라인의 응력을 측정하는데 적합하다.
도1은 본 발명의 프로브 어레이를 결합한 파이프라인 검사 피그의 부분 단면도.
도2는 도1의 화살표 A 방향의 프로브 어레이의 평면도.
도3은 도2의 프로브들 중 한 프로브에 대한 화살표 B 방향의 정면도.
도4는 프로브와 벽간의 간격이 변화함에 따른 파이프 벽의 자계 변화를 그래프적으로 도시한 도면.
도5는 구동 주파수가 변화함에 따른 응력과 리프트-오프에 대한 프로브의 상대적 감도 변화를 그래프적으로 도시한 도면.
도6은 도1의 검사 피그의 전자 회로의 블록도.
본 발명에 따라, 강자성체로 이루어진 물체의 응력을 측정하는 장치가 제공되며, 상기 장치는, 프로브들의 선형 어레이, 상기 어레이내 프로브들이 상기 물체에 대해 상기 물체 표면의 위치상에서 연속하여 지나가도록 이동하게 배열된 상기 어레이에 대한 지지 구조체를 포함하고; 각각의 프로브는, 전자석 코어와 두 개의 이격된 전자석의 전자극들(poles)을 규정하는 전자석 수단, 상기 전자석 수단의 전자극들간의 자기 회로 부분의 자기 저항을 감지하도록 배열된 자기 센서, 결국 상기 물체의 교류 자계가 되는 상기 전자석 수단의 교류 자계를 발생하는 수단을 포함하고; 상기 어레이의 연속적인 프로브들은 상기 물체의 자계의 대응하는 배향들이 상이하게 되도록 상이하게 배향된다.
바람직하게, 상기 어레이는 프로브들의 선형 어레이로 이루어지며, 적어도일부 프로브들은 상기 전자극들간의 자유 공간 자계(free space magnetic field) 방향에 수직인 자속 밀도를 감지하도록 상기 전자극들간에 배열된 제 1 자기 센서를 포함하고, 적어도 일부 프로브들은 상기 전자석 수단의 전자극들간의 자기 회로 부분의 자기 저항을 감지하도록 배열된 제 2 자기 센서를 포함한다.
제 1 센서는 상기 강자성체가 편평한 판이고 정확히 등방성일 경우 신호를 검출할 수 없겠지만, 응력은 강자성체의 자기 특성으로 이방성을 유발하게 되며, 그에 따라 제 1 센서에 의해 수신된 신호들은 이러한 응력 유발 자기 이방성(SMA)의 측정치가 된다. 프로브들이 물체상의 어떤 위치를 지나감에 따라 상이한 배향을 갖는 프로브들로부터의 SMA 신호들의 변화는 주 응력 축들의 방향이 정확히 결정될 수 있게 한다. SMA 신호들은 또한 응력과 관련될 수 있다.
제 2 센서는 전자극들간에서 자속이 통과하는 강자성체의 투자율의 측정치를 제공하며, 그에 따라 강자성체의 실효 투자율을 제공하고; 따라서, 프로브들이 물체상의 어떤 위치를 지나감에 따라 상이한 배향을 갖는 프로브들로부터의 대응하는 측정치들은 상이한 방향들에서의 실효 투자율을 나타내며, 이를 방향성 실효 투자율(DEP)라 칭한다. DEP 신호들은 응력의 값이 결정될 수 있게 한다.
프로브로부터의 DEP 신호는 백-오프(back-off)되는 것이 바람직하다. 즉, 응력이 없는 위치에 인접한 프로브의 센서로부터의 신호와 동일한 신호를 먼저 감산함으로써 DEP 신호가 처리된다. 그러면, 응력으로 인한 DEP의 작은 변화는 검출이 용이하다. 이후, DEP 신호들은 교류 자계를 발생시키는 전류의 동상 및 구상 성분(임피던스 평면의 저항 및 리액턴스와 유사)으로서 해석될 수 있다. (리프트-오프로 인한) 표면과 프로브간의 갭이 변화하게 되는 경우, 이것 역시 DEP 신호들에 영향을 미치게 된다. 이러한 변화는 임피던스 평면에서 리프트-오프 방향(lift-off direction)이라 불리는 방향으로 배향된 방향에 대응한다. 그러므로, 리프트-오프의 변화로 인한 원치 않는 영향을 피하기 위해, 출력 DEP 신호는 그 임피던스 평면에서 리프트-오프 방향에 수직이 되는 신호 성분이 된다. 상이한 프로브들로부터 얻어진 상기 해석된 성분값들은, 주 응력축들의 방향들로 정렬된 자계들로 해석된 성분값들을 결정할 수 있게 하고, 따라서 그 위치에서 주 응력의 값을 계산할 수 있게 한다. 바람직하게, 프로브들로부터의 DEP 신호들은 초기에 디지털화되며, 백-오프 및 리프트-오프 수정들이 디지털 신호들의 분석에 적용된다.
대안적으로, 단지 파이프라인의 휨 응력(bending stress)을 결정하기만을 희망하는 경우에는, 파이프의 직경상 대향하는 면들에서 얻어진 DEP 측정치가 서로간에 감산될 뿐이다.
이러한 개념들의 일부는 프로브 어레이의 존재와 상기 어레이가 표면에 대해 이동한다는 것을 제외하고는 상기한 GB 2 278 450 에 이용되는 것들과 유사하다. 자계는 상기 어레이의 이동에 의해 왜곡되는 경향을 가지며, 와전류(eddy current)를 발생시킨다. 강자성체의 표면을 투과시키기 위해, 200Hz 미만의 교류 주파수, 더욱 바람직하게는 10Hz 내지 100Hz의 교류 주파수가 바람직하며, 그러한 저 주파수에서는 교류 자계의 단일 기간 동안 프로브의 상당한 이동이 있게될 것이다. 또한, 초당 수 미터까지의 선속도로 스캐닝할 경우, 대략 1mm 정도의 리프트-오프 변화가 있게 될 것이며, 측정 기술은 그러한 변화에 실질적으로 좌우되지 않게 되는 것이 바람직하다.
따라서, 각각의 프로브는 적어도 75mm 의 폭과 너비, 바람직하게는 적어도 100mm 이상 350mm 이하의 폭과 너비를 갖는 것이 바람직하다. 그러한 큰 프로브들은 리프트-오프에 덜 민감하며, 와전류가 문제로 되기 전에 보다 높은 이동 속도를 얻을 수 있다. 각각의 프로브는 또한 그 프로브에 대한 리프트-오프를 나타내는 신호를 제공하도록 근접 센서를 통합하며, 근접 센서로부터의 신호들은 각각의 리프트-오프 값에서의 DEP 및 SMA 신호들의 대응하는 감쇄 정도를 나타내도록 조정되어, DEP 및 SMA 신호들이 수정될 수 있게 된다.
일반적으로, 측정을 수행하는데 있어 이용되는 상이한 프로브 배향들이 많을수록, 응력 레벨들과 주 축들의 결정이 보다 정확하게 실행될 수 있다. 많은 경우에 있어서, 주 응력 축들은 특정의 방향들로 정렬되는 것으로 가정될 수 있으므로(예컨대, 파이프의 경우는 축 및 원주 방향), DEP 에 대한 최대 및 최소 신호는 이들 방향을 따르는 것으로 예상할 수 있으며, SMA 에 대한 것은 이들 방향들 간의 이등분 각들을 따르는 것으로 예상할 수 있다. GB 2 278 450 의 방법에서는 10도의 간격으로 측정들이 취해지는 것으로 기술되어 있지만, 본 발명의 어레이는 10개 미만의 프로브들을 가질 수 있으며, 예컨대 이동 방향에 대해 0도, 45도, 90도 및 135도의 배향을 갖는 네 개의 프로브를 가질 수 있다.
이제 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 단지 실례로서 보다 상세히 설명될 것이다.
도1을 참조하면, 지하 파이프(12)의 벽의 응력을 측정하기 위한 검사 피그(inspection pig)(10)가 도시된다. 피그(10)는 두 개의 일반적으로 원통형인 하우징들(14 및 15)을 포함하며, 이들 각각은 배향성의 네 개의 탄성 컵 실(resilient cup seals)(16)에 의해 파이프(12)내에 지지되어, 피그(10)가 파이프(12)내 유체의 흐름에 따라 (도시된 바와 같이) 좌에서 우로 이동할 수 있으며, 두 개의 하우징들(14 및 15)은 보편적인 커플링(18)에 의해 함께 결합된다. 하우징들(14 및 15)은 전원을 공급하기 위한 배터리, 신호 처리 유닛 및 데이터 기록 유닛(도시되지 않음)을 포함하며, 그 동작이 이후 기술된다. 전방 하우징(15)은 네 개의 선형 프로브 어레이(도1에는 두 개의 어레이가 도시되어 있으며, 프로브 자체는 도시되어 있지 않음)를 운반하며, 각각의 어레이는 탄성적으로 장착된 암들(22)에 의해 접속된 지지 바(20)에 의해 운반되어, 어레이는 파이프(12) 벽의 내부 표면을 향해 바깥쪽으로 가압되고; 각각의 어레이는 파이프(12)의 세로 축과 평행하게 배열되며, 어레이들은 상기 축 주변으로 동일하게 이격되어, 예컨대 하우징(15)의 위, 아래 및 각 측면에 위치된다. 후방 하우징(14)은 파이프(12)의 내부 표면을 따라 롤에 배치된 바퀴(24)를 운반하여, 피그에 의해 이동된 거리와 그 속도를 결정할 수 있게 한다.
도2를 참조하면, 네 개의 프로브(30)들을 운반하는 지지 바(20)가 도시된다. 또한, 도3을 참조하면, 각각의 프로브(30)는 공통면에 두 개의 직사각 전자극들(34)을 규정하는 실리콘 철제의 U자형 코어(32)를 포함하고, 각각의 전자극은 오차 30mm 의 110mm 이고, 전자극들간의 거리는 오차 50mm 의 110mm 이다. 전자극들(34)의 표면은 파이프(12) 벽의 곡선과 정합하도록 다소 굴곡을 갖고 있다. 연속하는 프로브(30)들간의 간격도 또한 110mm 이다. U 자형 코어(32)의 상단 주변에는 두 개의 중첩 코일들(36)이 감겨진 포머(former)가 있다. 상기 코일들 중 한 코일(36)은 500회의 권수를 가지며, 이용시 60Hz 의 주파수에서 0.2 A 의 AC 전류가 공급되고, 전류 공급 코일(36)이 된다. 전류 공급시, 상기 코일은 U 자형 코일(32)과 파이프(12)의 근접 벽에 교류 자계를 발생시키며, 이러한 자계는 파이프 벽의 재료에 대한 포화 자계와 미소 비교된다. 다른 코일(36)은 DEP 신호들을 제공하는 감지 코일이 된다.
두 전자극들(34)간의 중간 지점에는 1000회의 권수를 갖는 정사각 코일(38)의 포머가 배치되며, 각 선회된 권선은 도3의 것과 평행한 평면에 놓여, 코일(38)의 세로 축이 전자극들(34)의 중심들간의 라인과 수직(즉, 파이프(12)가 존재하지 않을 때의 자계 방향이 되는, 자유 공간 자계 방향에 수직)이 된다. 코일(38)은 U 자형 코어(32)의 암들간에 고정된 지지판(40)상에 지지되어, 코일(38)의 하부면이 전자극들(34)의 평면에 있게 된다. 코일(38)은 SMA 신호들을 제공한다. 코일(38)의 측면들과 전자극들(34)의 측면들 사이에는 이등분된 근접-감지 코일(42)이 배치되고, 그 세로 축은 자유 공간 자계 방향과 평행이 된다(그러한 이등분된 것들은 전기적으로 직렬이 된다). 이러한 코일(42)은 누설 자속을 검출하며, 리프트-오프에 상당한 영향을 받는다. DEP 및 SMA 양쪽 모두는 추후의 처리 이전에 헤드 증폭기에 의해 증폭된다.
도2를 참조하면, 네 개의 프로브(30)들은 동일한 구조를 갖지만 상이한 배향(도시된 바와 같이 우측, 즉, 지지 바(20)의 전방으로부터 회전됨)을 가지며: 첫 번째 프로브는 이동 방향과 평행한 자계로 배향되고, 두 번째 프로브는 이동 방향에 대해 90도의 자계로 배향되고, 세 번째 프로브는 이동 방향에 대해 45도의 자계로 배향되고, 네 번째 프로브는 이동 방향에 대해 135도의 자계로 배향된다.
이와 같이 동작시에는, 전류 공급 코일(36)에 전류가 공급됨에 따라, 각 프로브(30)에 인접하는 파이프(12)의 벽이 교류 자계를 받게 된다. 자계는 본질적으로 강철의 제한적인 거리만을 투과하는데, 이는 표준 연강에 대해, 20Hz 에 대해서는 약 3.8mm 의 투과를 나타내고, 60Hz 에 대해서는 약 2.2mm 의 투과를 나타내는, 상반 루트 Hz 당 약 17mm 의 투과 깊이를 나타내는 스킨 효과에 기인한다. 인장응력(tensile stress)이 파이프 벽에 존재하고, 인가된 자속이 응력 방향에 대해 각도를 갖게 된다면, 자계는 인장 축 쪽으로 회전하려할 것이다. 이러한 것은 SMA 및 DEP 신호들 모두에 대해 영향을 미치며, 특히 프로브 방향이 응력에 대한 주 축들을 거의 양분하게 될 때 가장 큰 SMA 신호가 발생하게 된다. 파이프(12)와 관련하여, 주요한 응력 방향들은 원주(호프(hoop))와 세로 방향이 되는 것으로 예상할 수 있으므로, 세 번째 및 네 번째 프로브(30)들은 가장 큰 SMA 신호들을 제공하는 것으로 예상할 수 있다.
리프트-오프는 신호들의 진폭에 영향을 주지만, 리프트-오프에 대한 감도는 보다 작은 프로브에 대해서보다는 아주 낮다. 도4는 리프트-오프의 상이한 값들 h 에 대해 프로브(30)에 인접한 파이프 벽의 자속 밀도 B 의 변화를 그래프적으로 도시하며, (GB 2 278 450 B 에 기재된 바와 같이) 12mm 씩의 미소 프로브와 대응하는 값들의 비교에 대한 것이다. DEP 및 SMA 신호들의 감소를 나타내는 자속의 감소는 보다 큰 프로브(30)에 대해서는 보다 낮다.
프로브(30)의 크기는 또한 응력에 대한 그 감도에 영향을 미친다. 응력의 변화가 10% 의 파이프 벽의 투과를 변화한다고 가정하면, (DEP 측정치에 대응하는) 자기 회로의 자기 저항의 전체 변화는, 작은 프로브에 대해서는 단지 0.79% 인 것에 비해, 프로브(30)에 대해 3.44% 로 계산된다.
일반적으로, 피그(10)는 1 내지 4 m/s 의 속도, 예컨대, 2.4 m/s 의 속도로 파이프(12)를 따라 이동한다. 파이프 벽에 대한 프로브(30)의 이동은 또한 벽의 자계에 영향을 미치거나 상기 자계를 왜곡시킨다. 이러한 결과는 와전류와 관련하여 기술될 것이다. 자계가 이동 방향과 평행이 되는 제 1 프로브(30)를 고려하여 보면, 유도된 와전류의 주 주파수 f 는 전자극들(34)의 중심들간의 거리 d 와 속도 v 에 의해 결정된다. 이러한 것은 자기 N극에 대해 S극이 한 사이클 이전이었던 곳이 되도록 요구된 거리의 2배로 프로브(30)를 이동하기에 충분할 때 발생하게 된다. 이는 f = v/2d 가 되며, 주 주파수는 다른 브로브들(30)에 대해서도 유사하게 된다. 본 예에서, 요구된 신호는 60Hz 의 주파수에서 발생되므로, 와전류 신호들은 바람직하게 이러한 주파수보다 상당히 낮게 된다. 예컨대, 신호들이 40Hz 대역폭의 필터를 사용하여 처리된다면, 와전류 주파수 f 는 바람직하게 20Hz 미만이 되며, 거의 대체적으로는 와전류 주파수 f 는 적어도 필터의 대역폭만큼 구동 주파수와 다르게 된다. 프로브(30)는 대략 80mm 의 값을 가지므로, 2.4m/s 의 속도에서 예상되는 와전류 주파수 f 는 15Hz 가 될 것이며, 이러한 것은 상당히 낮은 값이 된다. 피그(10)가 보다 높은 속도에서 이동하도록 요구되었다면, 비록 측정의 선명도를 명백히 낮추기는 하겠지만 이러한 와전류 왜곡은 보다 큰 프로브들을 사용하는 것만으로 제거될 수 있다.
구동 주파수의 선택은 또한 스트레스 및 리프트-오프 양쪽 모두에 대한 프로브(30)의 감도에 영향을 미친다. 실제로, 피그(10)가 파이프(12)를 따라 이동함에 따라 리프트-오프는 1 내지 5mm 범위에 놓이는 것으로 예상할 수 있으며, 코일들(38 및 42)에 파이프(12)와의 접촉에 의한 손상을 방지하도록 예컨대 세라믹의 내마모 비-자기 스페이서들(wear-resistant non-magnetic spacers)(도시되지 않음)이 프로브(30)들에 제공될 수 있다. 구동 주파수가 감소함에 따라, 파이프 벽내의 스킨 깊이(skin depth)는 전술한 바와 같이 감소되어, 바이프 벽의 자기 회로 부분의 자기 저항이 증가되며, 결과적으로 응력에 기인한 어떠한 변화도 DEP 신호에 커다란 영향을 미치게 된다. 동일하게, 보다 높은 주파수에서, 전자극들(34)과 파이프 벽간의 갭들은 자기 회로의 보다 작은 자기 저항비를 제공하므로, 프로브(30)는 리프트-오프에 덜 민감하게 된다. 이러한 것은 도5와 관련하여 기술된다. 도5는 응력에 대한 상대적 감도(그래프 S), 리프트-오프에 대한 상대적 감도(그래프 T), 응력 감도 대 리프트-오프 감도의 비(그래프 R)를 도시한다. 상기 도면은, 보다 높은 주파수들에서 전력 소비가 보다 크지만, 보다 높은 주파수가 유익하다는 것을 암시하며; 피그(10)가 (바퀴(24)에 결합하게 될) 발전기를 포함하지 않는 한, 보다 높은 절력 소비는 러닝 타임을 감소시키며, 이러한 것은 배터리의 성능에 의해 결정된다.
SMA 및 DEP 신호들의 해석은 GB 2 278 450에서 기술된 바와 유사한 방식으로 수행될 수 있다. 파이프 표면에서의 응력 상태는 세 개의 파라미터: 두 개의 주 응력 레벨들, 및 주 응력 방향(다른 주 응력 방향은 직각이 됨)에 의해 특징되어 진다. 파이프(12)의 경우에 있어서, 주 축들은 세로축과 원주축이 되는 것으로 가정하는 것이 바람직하다. DEP 신호들의 경우 대부분의 주요 값들은 제 1 및 제 2 프로브(30)들(즉, 0도 및 90도의 프로브들)에 의해 얻어지는 것이며, 거의 대부분의 SMA 값들은 제 3 및 제 4 프로브(30)들(즉, 45도 및 135도의 프로브들)에 의해 얻어지는 것이다. 실제로, DEP 신호들은 각을 갖는 코사인 그래프로서 변화하므로, 다른 배향을 따른 측정들은 최대 및 최소 값들의 평가치를 이용한다.
측정이 이루어지기 전에, 프로브(30)들의 어레이는 응력이 무시될만한 (또는, 공지된 임의의) 파이프라인의 영역에 위치되며, DEP 신호들의 값들은 제로 신호들을 제공하도록 백 오프된다. 그 때에는 응력에 기인한 DEP 의 미소 변화들을 측정하기가 용이해진다. 이후 프로브(30)들은 파이프 표면으로부터 점진적으로 멀어지게 되며, DEP 및 SMA 신호들의 감쇄 값이 있게 되는 바와 같이, 인접 코일(42)로부터의 신호들은 상이한 리프트-오프 값으로 나타난다. 인접 코일(42)로부터의 신호들, 코일(38)로부터의 SMA 신호들 및 감지 코일(36)로부터의 DEP 신호들은 각각 교류 자계를 발생하는 전류와 동상 및 구상인 성분들로 해석될 수 있으며, 이들 성분들은 임피던스 평면의 저항 및 리액턴스에 대응한다. 리프트-오프의 변화에 기인한 스퓨리어스 영향을 피하기 위해, 출력 DEP 신호는 임피던스 평면의 리프트-오프 영향에 대해 우측 각도의 방향으로 해석되는 것이다. 인접 코일(42)로부터의 신호들은 임피던스 평면의 응력 영향에 대해 우측 각도의 방향해석되어, 결과적인 인접 신호는 리프트-오프에 의해서만 결정된다. DEP 측정에 대한 백-오프 및 리프트-오프 초기화와, 인접 코일(42)에 대한 선명도 및 조정은 측정들이 이행되기전에 수행되어야 한다.
피그(10)를 사용하는 동안, 인접 코일(42), DEP 감지 코일(36) 및 SMA 코일(38)로부터의 신호들은 증폭 및 저장된다. 하지만, 일부 신호 처리는 데이터가 저장되기 전에 수행될 수도 있다. 저장된 데이터는 실질적으로 파이프(12)를 따른 응력을 결정하도록 다운로드되어 분석된다. 특히, 신호들은 (DEP 신호들의 경우) 바람직하게 백-오프되며, 동상 및 구상 성분으로 복조되고, DC 값들을 결정하도록 (예컨대, 40Hz 의 컷-오프를 갖는) 저역 통과 필터 출력으로 통과되며, (DEP 신호들의 경우) 리프트-오프 작용에 수직인 방향으로 해석된다. 이러한 신호 처리는 저장 이전에 수행될 수도 있다. (응력 작용에 수직으로 해석되는) 인접 코일(42)로부터의 신호들은 리프트-오프에 기인한 그들 감쇄를 보상하도록 DEP 및 SMA 신호들의 적절한 증폭을 결정하는데 이용될 수 있다. DEP 및 SMA 에 대해 적절히 해석된 신호 값들은 이후 적절한 량으로 증폭될 수 있다. 모든 이들 신호 처리 단계들은 바람직하게 디지털적으로 수행된다.
도6은 피그(10)내의 전자 시스템을 도시적으로 도시한다. 각각의 프로브(30)내의 각각의 센서 코일, 즉, DEP 코일(36), SMA 코일(38) 및 인접 코일(42)에는 프리-증폭기(44)가 제공되어, 전자 회로의 나머지 부분들에 대한 전자 접속으로부터 코일의 임피던스를 완화하고, 주변 환경의 전자 노이즈에 대해 강건하게 되게 신호를 충분히 증폭하도록 한다. 증폭된 신호들은 멀티플렉서(46)와 아날로그 대 디지털 변환기(48)를 통해 디지털 신호 처리기(50)로 공급된다. 각각의 프로브(30)는 또한 60Hz 구동 전류를 전류 공급 코일(36)에 공급하도록 구동 회로(52)를 가지며, 구동 회로(52)는 또한 상기한 바와 같이 개별 센서 출력들을 복조하여 필터링하고, 데이터를 일시적으로 저장한다. 데이터는 이후 직렬 통신 버스(54)와 노드 프로세서(56)를 통해 데이터 저장 유닛(58)에 공급된다.
어레이의 다른 프로브(30)들로부터의 대응하는 신호들이 또한 직렬 버스(54)를 통해 프로세서(56)로 공급된다. 데이터 저장 유닛(58)은 피그(10)내 모든 어레이의 모든 프로브(30)들로부터 동일한 방식으로 데이터를 수신하여 저장한다.
주 응력 축 방향들의 응력 값들은 (즉, 제 1 및 제 2 프로브(30)들로부터의) 이들 방향에서의 DEP 의 결과적인 실험적 측정과, (SMA 신호들이 그 최소 및 최대 값들을 갖는 것으로 예상되는 방향의, 제 3 및 제 4 프로브(30)들로부터의) 교차 방향들의 SMA 신호 값들 간의 차로부터 결정될 수 있다. 이러한 것은 이론적인 분석으로 행해질 수 있으며, 대안적으로는 파이프(12)와 동일한 형태의 재료 샘플로 상기한 방식으로 측정하여 이를 다양한 상이한 응력들하에 두는 조정 접근 방식으로 행해질 수 있다. 이러한 것은 크로스형 샘플로 실행될 수 있으며, 여기서 그 암들은 테스트 장비의 축과 정렬되고, SMA 및 DEP 측정이 주 응력 방향들이 테스트 장비의 축과 정렬되는 샘플의 중심에서 이루어진다. 따라서, GB 2 278 450 에 기술된 바와 같이, 제 1 프로브(30)로부터의 DEP 조정 측정치(예컨대, 한 축에 평행한 자계)가 응력 평면에 개략적으로 작성될 수 있으며, 제 2 프로브(30)로부터의 DEP 조정 측정치(예컨대, 직교축에 평행한 자계)가 역시 응력 평면에 개략적으로 작성될 수 있다. 제 3 및 제 4 프로브(30)들로부터의 구상 SMA 측정치들간의 차도 역시 응력 평면에 개략적으로 작성될 수 있다. 이들 조정 맵들은 이후 피그(10)가 파이프(12)를 통해 이동함에 따라 이들 파라미터들의 측정치로부터 파이프 벽의 양축 응력을 결정하는데 이용될 수 있다. 실제로, 프로브(30)들의 한 프로브 보다는 작지만 유사한 단일 프로브를 사용하여 상기한 조정을 수행하는 것이 보다 용이할 수도 있다.
프로브(30)들의 어레이는 주 응력 축들로 정렬된 프로브(30)들만이 아니라 모든 네 개의 프로브(30)들로부터 DEP 측정치를 얻게 되며, 다른 프로브들로부터의DEP 측정치들은 주 응력 축들에 평행한 값들의 더욱 정확한 결정들을 얻는데 이용될 수 있는데, 이는 각을 갖는 DEP 신호의 변화는 코사인 프래프를 따르기 때문이다.
본 발명의 검사 피그는 상기한 실시예와는 다를 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 예컨대, 어레이는 상이한 탄성 지지체에 의해 지지될 수 있다. 실제로, 어레이내의 프로브(30)들은 개별적으로 지지될 수 있다. 파이프를 검사하는데 이용되는 어레이들의 수는 예컨대, 2, 3 또는 5개가 될 수도 있으며, 어레이내의 프로브(30)들은 상이한 수, 예컨대 2, 3, 5 또는 6개가 될 수도 있다. SMA 및 DEP 신호들에 대한 센서들은 상술한 바와 상이할 수도 있으며, 예컨대, SMA 신호는 홀 효과 센서 또는 자기-저항기에 의해 감지될 수도 있고, DEP 신호는 대신에 구동 코일(36)의 임피던스를 모니터링함으로써 결정될 수 있으므로, 감지 코일(36)이 요구되지 않을 수도 있다. 프로브(30)들의 선형 어레이도 또한, 예컨대 레일이나 대들보 또는 강철판을 따라 스캐닝되는 것과 같이, 파이프와는 다른 편평한 물체를 검사하는데 이용될 수 있으며, 상대적 이동도 상기 어레이와는 다른 물체의 이동으로부터 발생될 수 있다. 유사하게, 프로브(30)들의 선형 어레이들은 파이프 벽의 응력을 측정하도록 외측으로부터 파이프를 드릴링하는데 이용될 수도 있다. 그러한 어레이는 피그와는 다르게 수동으로 또는 운송 수단으로 이동될 수도 있게 된다.

Claims (8)

  1. 강자성체로 이루어진 물체(12)의 응력(stress)을 측정하기 위한 장치에 있어서,
    상기 장치는, 프로브(30)들의 선형 어레이와, 상기 어레이내 프로브들이 상기 물체 표면의 위치상에서 연속하여 지나가도록 상기 물체에 대해 이동하게 배열된 상기 어레이용 지지 구조체(20,22)를 포함하고;
    각각의 프로브(30)는, 전자석 코어(32)와 두 개의 이격된 전자석의 전자극(34)들(poles)을 규정하는 전자석 수단과, 상기 전자석 수단의 전자극들간의 자기 회로 부분의 자기 저항을 감지하도록 배열된 자기 센서(36)와, 상기 전자석 수단과 결과적으로 상기 물체에 교류 자계를 발생하는 수단(36)을 포함하고;
    상기 어레이의 연속적인 프로브(30)들은 상기 물체(12)의 자계의 대응하는 방향들이 상이하게 되도록 상이하게 배향되는, 응력 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 어레이는 프로브(30)들의 선형 어레이로 이루어지며, 적어도 복수의 프로브(30)들은 상기 전자극(34)들간의 자유 공간 자계(free space magnetic field) 방향에 수직인 자속 밀도를 감지하도록 상기 전자극들(34)간에 배열된 제 1 자기 센서(38)를 포함하고, 적어도 복수의 프로브(30)들은 상기 전자석 수단의 전자극(34)들간의 자기 회로 부분의 자기 저항을 감지하도록 배열된 제 2 자기 센서(36)를 포함하는, 응력 측정 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각 프로브(30)의 면은 적어도 50mm 이상 350mm 미만의 폭과 너비로 이루어지는, 응력 측정 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 프로브(30)의 면은 적어도 100mm 의 폭과 너비로 이루어지는, 응력 측정 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 발생된 교류 자계의 주파수는 상기 물체에 대한 상기 어레이의 속도를 프로브(30) 폭의 두배로 나눔으로써 계산된 주파수 보다 상당히 큰, 응력 측정 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 어레이는 10개 미만의 프로브(30)들을 포함하는, 응력 측정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 어레이는 이동 방향에 대해 0도, 45도, 90도 및 135도로 배향되는 프로브(30)들을 포함하는, 응력 측정 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 청구된 장치를 사용하여 강자성체로 이루어진 물체의 응력을 측정하는 방법.
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