KR20050026403A - 이음쇠 조립체의 초음파 검사 - Google Patents

Abstract

유체 커플링 내의 도관 단부의 상대적 및/또는 절대적 축방향 위치를 결정하기 위한 장치 및 방법은 과도 전단파의 형태인 입력 초음파 에너지를 인가하는 단계와, 반사된 에너지를 분석하는 단계를 포함한다. 제1의 축 위치 둘레에서 상이한 방사상의 위치에 수집된 입력 에너지의 인가는 반사된 에너지 신호를 더 양호하게 분석하기 위한 상관 기술(correlation techniques)을 기초로 한 웨이브렛(wavelet)과 함께 사용된다. 도관 단부와 커플링에 관련된 표면 사이의 인접부의 특성은 또한 축방향 위치 결정의 개별적인 특징 혹은 조합된 특징으로서 결정될 수 있다.

Description

이음쇠 조립체의 초음파 검사{ULTRASONIC TESTING OF FITTING ASSEMBLY}

본 발명은 일반적으로 조립이 완료된 후 이음쇠 조립체의 비파괴 평가(non-destructive evaluation)를 행하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 말하면, 본 발명은 이음쇠 조립체의 평가를 행하기 위해 기계적 에너지를 사용하는 것에 관한 것이다.

가스, 액체, 가스와 액체의 조합, 슬러리 등과 같은 액체를 취급하는 장비는 이음쇠에 의해 상호 연결되어 있는 많은 유체 제어 장치들을 이용할 수 있다. 통상적인 유체 제어 장치는 관이나 파이프 중 하나에 의해 유체 회로에 상호 연결되어 있는 밸브, 조절기, 계량기 등을 포함한다. 상기 이음쇠는 한정하려는 의도는 아니지만 단일의 페롤(ferrule) 및 멀티-페롤(multi-ferrule) 관이음쇠, 탄성의 시일, 파지용 링 등을 이용하는 다양한 클램핑 장치를 포함하여 다양한 구조로 설계될 수 있다. 본 명세서에서는 관과 파이프를 "도관(conduit)"으로 일컫는데, 그 이유는 본 발명은 관이나 파이프 중 어느 하나와 함께 사용될 수 있기 때문이다.

도관을 유동 제어 장치 혹은 프로세스에 연결하기 위해 이음쇠를 사용하는 거의 모든 유체 회로에서는 그 이음쇠가 완전히 조립되었는가를 비파괴 방식으로 확인하고자 하는 것이 통상적이다. 이음쇠를 매개로 하는 대부분의 연결은, 도관의 단부가 이음쇠 본체 혹은 유체 커플링(본 명세서에서는 도관과 커플링의 이음쇠 조립체로서 칭함)과 관련되는 다른 구조체의 쇼울더 혹은 벽에 인접하도록 도관을 이음쇠 본체 혹은 다른 구조체 내에서 위치 설정하는 것을 포함한다. 본 명세서에서 또한 일컫고 있는 전술한 "인접" 혹은 "바닥 닿기(bottoming)"는 도관을 축방향으로 이동하지 않고 페롤 등의 파지용 장치가 도관 위로 설치될 수 있도록 해주기 때문에 항시 바람직하다.

그러나, 조립 공정에 있어서는 원래부터, 이음쇠가 일단 설치되면 도관이 완전히 바닥에 닿았는지를 결정하기 위해 비용면에서 효율적이고 비파괴적인 방법은 지금까지 존재하지 않았던 것이 현실이다. 예컨대, 이음쇠 상태를 관측하기 위해 x-레이를 사용하는 것이 공지되어 있지만, 이것은 매우 비싼 방법이고 비록 대부분의 조립공들은 아닐지라도 많은 조립공들에게는 전혀 실용적이지 못하다. 이음쇠 부품들의 적절한 설치를 확인하기 위해, 또는 이음쇠 너트를 회전시킨 회수 혹은 이 너트에 대한 도관의 축방향 변위에 기초로 하여 적절한 풀업(pull-up)을 확인하기 위해 사용하는 다양한 기술들이 공지되어 있다. 예컨대, 이음쇠를 풀업 후 분해하여 눈으로 조사한 다음 재조립할 수도 있지만, 이러한 조치들은 시간 소모적이고 비용이 많이 든다. 또 다른 공지의 기술에 있어서, 배관을 조립 이전에 적절한 방법으로 미리 마킹을 해놓을 수 있지만, 이러한 기술은 마킹을 행하는 절차 혹은 판단을 행하는 절차에서 에러가 발생하기 쉽다. 이들 기술들 중 어느 하나도 최종적으로 조립된 이음쇠에서 도관이 바닥에 닿았는지를 절대적으로 결정할 수 있고 또 도관과 이것과 관련되는 구조체 사이의 인접부 혹은 접촉부의 성질 혹은 특성을 결정할 수 있는 기술을 제공할 수 없었다.

따라서, 도관이 이음쇠 내에서 적절하게 바닥에 닿았는지의 여부를 비파괴적인 분석 및 평가를 행하기 위한 프로세스 및 장치의 필요성이 존재한다.

도 1은 본 발명에서 사용될 수 있는 대표적인 유체 커플링으로서 종래 기술의 2페롤 플레어리스(flareless) 관이음쇠를 절반으로 절단하여 도시한 종단면도이며,

도 2는 본 발명에 따른 유체 커플링 조립체의 입면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 분석기의 기능 블록선도이며,

도 4는 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 초음파 변환기의 위치에 대한 선택적인 배치를 도시한 단부도이고,

도 5는 공급원 및/또는 분석기가 간극 게이지 등의 휴대용 공구와 통합되어 있는 변형례를 도시한 도면이며,

도 6은 도 5의 공구가 이음쇠의 넥을 통해 작업을 수행하고 있는 것을 도시한 도면이고,

도 7은 도 6의 공구가 이음쇠의 관과 너트를 통해 작업을 수행하고 있는 것을 도시한 도면이고,

도 8은 도 5의 공구가 작업을 실행할 수 있는 대상인 이음쇠 조립체를 도시한 도면이다.

본 발명은 도관에 인가되는 입력 에너지를 사용하여 도관 단부의 위치를 결정하는 하나의 구체예를 제공한다. 양호한 실시예에 따르면, 전단파 변환기(shear wave transducer)로부터 방출된 초음파 에너지는 도관에 인가되고, 기계적인 파동으로서 그 도관을 통해 전파된다. 변형례로서 혹은 그것과 조합하여, 상기 입력 에너지는 예컨대 이음쇠 본체 등의 하나 또는 그 이상의 유체 커플링 부품들을 통해 인가될 수도 있다. 반사된 에너지(본 명세서에서는 또한 복귀 신호, 복귀 에너지, 복귀 에너지 신호, 반사된 신호 혹은 반사된 에너지 신호로 번갈아 가며 사용함)는 변환기에 의해 전기 신호로 전환되고, 이들 전기 신호는 도관 단부의 위치를 결정하기 위해 분석된다. 구체적인 양호한 용례에 있어서, 본 발명은 도관 위에 설치된 유체 커플링 내에서 그 도관의 단부의 위치를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 변형된 용례에 있어서, 본 발명은 페롤 형태의 관이음쇠와 통상적으로 관련되는 관의 맞물림(tube bite) 혹은 만입부(indentation)의 특징, 예컨대, 그것의 축방향 위치 혹은 그것의 존재/부재를 검출함으로써, 단일 페롤 혹은 멀티-페롤 관이음쇠에서 하나 또는 그 이상의 페롤의 적절한 조립을 결정하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 구체예에 따르면, 반사된 에너지 신호를 더욱 명확하게 식별하기 위해 상관 기술(correlation techniques)을 사용한다. 일실시예에 있어서, 초음파 에너지는 도관의 단부로부터 축방향으로 간격을 두고 있는 도관의 제1 위치의 주위의 상이한 방사방향의 위치들에서 도관으로 인가된다. 도관 단부의 상대적인 축 위치를 결정하기 위해 반사된 에너지 신호를 서로 관련시킨다. 잡음 억압이 또한 복귀 신호에 적용되어도 좋다.

본 발명의 또 다른 구체예에 따르면, 도관과 이 도관 단부 상에 설치된 유체 커플링과 관련되는 표면 사이의 접촉부의 특성 및/또는 성질을 결정할 수 있다. 양호한 하나의 실시예에서, 초음파 에너지가 도관에 인가되고, 반사된 에너지의 진폭은 접촉부의 특성 혹은 유체 커플링과 관련된 표면에 반하여 상기 도관 단부의 바닥 닿기의 특성, 예컨대 도관 단부가 완전히 바닥에 닿았는지, 부분적으로 바닥에 닿았는지 혹은 바닥에 닿지 않았는지의 여부를 결정하기 위해 분석된다. 상관 분석은 또한 본 발명의 전술한 구체예와 관련하여 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 기계적 에너지파를 인가하는 공급원, 이음쇠 조립체의 특징들을 반사된 부분의 함수로서 결정하는 분석기, 혹은 간극 게이지와 함께 양자를 통합하는 공구가 제공된다.

전술한 구체예 및 다른 구체예들, 그리고 본 발명의 장점들은 첨부 도면을 참조하여 후술하는 발명의 상세한 설명을 읽음으로써 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

1. 서론

본 발명은 도관 상에 설치된 유체 커플링 내에서 도관의 위치를 결정하는 것과 관련이 있는 장치 및 방법에 관한 것이다. 이러한 결정은 유체 커플링 내에서 도관의 단부의 축방향 위치를 결정하는 것과, 그리고 도관과 유체 커플링과 관련되는 표면 사이의 접촉부의 특성을 결정하는 것을 개별적으로 혹은 조합적으로 포함할 수 있다.

유체 커플링 내에서 도관의 단부의 축방향 위치를 결정하는 것은 예컨대, 나사식으로 체결된 너트 및 본체와, 관의 단부와 본체 사이의 유체 밀봉식 결합을 제공하기 위해 사용되는 적어도 하나의 페롤을 구비하는 형태의 관이음쇠에 특히 유용하다. 비록 본 발명은 2페롤 플레어리스 관이음쇠에 대한 용도만을 특별히 참조하여 설명하고 있지만, 본 발명은 많은 다른 용례에 적용될 수 있고, 그리고 배관 혹은 파이프 등의 도관의 단부의 상대적 및/또는 절대적 축 위치를 결정하여 도관 단부가 유체 커플링, 유체 유동 장치 등에 대해 위치 설정되어 있는지의 여부를 결정하는 것을 희망하는 임의의 용례에 일반적으로 적용될 수 있다는 것이 해당 분야의 종사자들에 의해 쉽게 이해될 것이다.

접촉부의 특성 또는 성질을 결정하는 것은 또한 예컨대, 전술한 관이음쇠에 대해 특히 유용하다. 구체적으로 말하면, 상기 이음쇠 본체는 이음쇠의 완전한 풀업 이후에 관의 단부가 그것에 반하여 인접하게 되는 것이 바람직한 방사형의 쇼울더를 일반적으로 포함한다. "풀업(pull-up)"은 최종적으로 조립하여, 하나 또는 그 이상의 페롤들을 관 단부 상에 밀봉 방식으로 고정하기 위해 커플링 너트와 본체를 죄는 것(초기에 손가락으로 죄는 조립 범위를 넘어서)을 단지 의미한다. 이러한 인접 관계의 특성은 한정하려는 의도는 아니지만 관 단부의 평평한 정도와 정돈된 배열의 정도와 같은 관 단부의 배향 조작, 방사형 쇼울더의 평평도와 정돈된 배열을 포함하여 본체의 방사형 쇼울더의 성질, 풀업 동안 발생할 수 있는 관 변형의 크기, 관 단부와 본체 쇼울더 사이에서의 압축 하중의 크기 등을 포함하는 여러 요인들에 의해 영향을 받는다. 따라서, 바닥 닿기의 특성은, 접촉 면적의 크기와 인접하는 표면들의 특징 등으로 환산하여 접촉부의 성질에 의해 나타나는 바와 같이, 바닥 닿기의 완결성과 인접하는 표면들 사이의 하중에 대한 일반적인 참조사항이다. 인접부의 특성과 성질의 특별한 특징들은 특정의 용례에 대한 요구에 따라 선택될 수 있다. 다시 말해서, 본 발명은 2페롤 플레어리스 관이음쇠 이외에도 응용될 수 있으며, 관이음쇠, 유체 제어 장치 등의 유체 소자의 표면과 도관 단부와의 사이의 인접부의 특성의 결정하고자 하는 많은 용례에 적용할 수 있다. 많은 커플링 용례에 있어서, 도관 단부의 삽입 특성, 예컨대 도관 단부가 완전히 바닥에 닿았는지, 부분적으로 바닥에 닿았는지 혹은 바닥에 닿지 않았는지의 여부를 단순히 알고 있다는 것은 관 단부의 축방향 위치를 검출하는 능력과는 무관하게 매우 유용한 정보이다.

본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 본 발명은 입력 에너지 신호로서 초음파 에너지를 이용함으로써 실현된다. 보다 구체적으로 말하면, 반드시 필요한 것은 아니지만, 양호한 실시예에 따른 초음파 에너지의 특징들은 하나 또는 그 이상의 불연속성을 지닌 일반적으로 연속한 기계적인 파동 혹은 파동들의 형태의 초음파 에너지에 있다. 다시 말해서, 입력 에너지는 일련의 하나 또는 그 이상의 과도적인 파형으로서 인가될 수 있다. 따라서, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 상기 입력 에너지 신호는 에너지 파형의 하나 또는 그 이상의 패킷 혹은 펄스의 형태이다. "펄스" 혹은 "패킷(packet)"에 있어서, 입력 신호의 파형을 임의의 특별한 혹은 요구되는 파형의 형상 혹은 시간, 주파수, 파장 혹은 진폭 영역 중 어느 하나의 특징으로 제한하려는 의도는 아니다. 양호한 실시예에 있어서, 상기 입력 에너지 신호는 과도 신호의 시간 지속에 걸쳐 진폭이 감소하는 하나 또는 그 이상의 조화 파형(harmonic waveform)을 지닌 과도 신호의 형태로 실현된다. 상기 입력 파형의 특징은 본 명세서에 설명된 상관 기술에 의해 복귀 신호의 분석을 용이하게 하기 위해 선택될 수 있다. 변형례로서, 인가된 파형은 예컨대, 임펄스 조화 파형, 스퀘어파 등을 포함하는 임의의 푸리에 시리즈(Fourier series) 파형일 수 있다. 본 발명은 예컨대, 도관 혹은 유체 커플링의 하나 또는 그 이상의 부품 등의 물질적인 매질(material medium)에서 압력파에 의해 전달되는 x-레이 등의 전자기식 에너지와는 구별되는 편리하게 이용할 있는 임의의 형태의 반사 가능한 기계적 에너지와 함께 사용될 수 있다는 것으로 당업자들에 의해 인식될 것이다.

비록 본 발명은 본 발명의 장치 및 방법의 다양한 특정의 형태, 기능 및 절차들과 특별히 관련하여 본 명세서에서 설명 및 예시되어 있지만, 이러한 예시 및 설명은 사실상 예시적인 것을 의도하는 것이지 한정하려는 의미로 해석되어서는 안 된다. 예컨대, 본 발명은 하나의 도관과 한정하려는 의도는 아니지만 다른 도관을 포함하는 유체 유동 부재와의 사이에서 임의의 유체 커플링과 함께 사용될 수 있다. 따라서, 용어 유체 커플링은 도관의 단부와 또 다른 유체 유동 요소의 인접면 사이에서 임의의 기계적인 연결을 언급하기 위해 광범위한 의미로 사용된다. 더욱이, 본 명세서에는 스테인레스강 배관과 관이음쇠를 참조하여 본 발명을 설명하고 있지만, 배관과 파이프뿐만 아니라 많은 다른 금속 용례와 사실상 플라스틱 등의 비금속 용례에도 본 발명이 적용될 수 있다.

추가적으로, 본 발명의 다양한 구체예들이 본 명세서에 설명되어 있으며, 양호한 실시예에서 여러 형태로 조합되어 실시되는 것으로 예시되어 있다. 그러나, 이러한 다양한 구체예들은 변형례 단독으로 혹은 다른 변형례의 다양한 조합으로 구현될 수 있다. 이러한 변형례들의 몇몇은 본 명세서에서 설명할 수 있지만, 이러한 설명은 이용 가능한 변형례 혹은 수정례의 완전하거나 철저한 리스트인 것으로 간주하지 않는다. 이러한 실시예들이 본 명세서에서 명백히 개시되어 있지 않더라도, 해당 분야의 종사자들은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 구체예들을 본 발명의 영역 내에 속하는 추가적인 실시예들로서 쉽게 채택할 수 있다. 추가적으로, 몇몇 특징과 구체예, 이들의 조합은 양호한 형태, 기능, 배열 혹은 방법을 가지는 것으로 본 명세서에서는 설명될 수 있지만, 이러한 설명은 명확히 나타나 있지 않을 경우 전술한 양호한 설명의 요구를 암시하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명은 추가의 수정, 개량 및 공지되어 있거나 본 명세서에 설명된 실시예의 대체 혹은 변형례로서 추후에 개발될 등가물과 함께 사용될 수 있다는 것으로 쉽게 당업자들에 의해 인식될 것이다.

2. 본 발명의 양호한 실시예의 상세한 설명

도 1에 도시된 바와 같이, 매우 좋은 결과를 나타내는 2페롤 관이음쇠(A)가 도시되어 있다. 상기 이음쇠(A)는 본 발명의 양수인에게 허여된 미국 특허 제3,103,373호에 개시되어 있으며, 본 명세서에 참조를 위해 전적으로 합체되어 있다. 도 1에는 이음쇠의 단지 절반부만 도시되어 있으며, 다른 절반부는 중심선(CL)을 중심으로 동일하다는 것이 당업자들에게 쉽게 인식될 것이다.

이음쇠(A)는 본체(B), 손으로 죄는 조립과 풀업 도중에 본체(B)와 나사식으로 맞물리는 너트(C), 전방 페롤(D) 및 후방 페롤(E)을 포함한다. 상기 이음쇠(A)는, 전술한 경우 관 단부(T)의 형태로 도관 상에 설치되는 것으로 도시되어 있다. 상기 배관(T)은 액체, 가스, 슬러리 등의 매체를 실어 나를 수 있다. 도 1의 조립체는 유체 밀봉 시일과 관 단부(T) 상에 강한 파지를 제공하기 위해 페롤(D)과 페롤(E)이 소성 변형되어 있는 풀업 상태로 도시되어 있다.

관 단부(T)의 내측 단부(F)는 본체(B)에 형성된 방사형 쇼울더(G)에서 규정된 영역(TA)에 인접하는 것이 바람직하다. 이러한 인접은 관 단부(T)의 "바닥 닿기"로 간주하며, 양호한 시일을 형성하는 것과 강한 관 파지를 갖게 하는 것을 포함하여 온도 변화와 진동 영향 등의 주위의 조건들을 견딜 수 있는 강한 기계적 조립을 제공하기 위해 바람직할 수 있다. 그러나, 표면(F, G)들 사이의 인접부에서는 밀봉이 형성될 필요가 없을 수 있다. 그곳에서 밀봉이 형성되거나 그렇지 않을 경우에 상관없이, 관 단부가 바닥에 닿았고 그리고 그 접촉부의 특성, 성질 혹은 완결성을 결정할 수 있다는 것이 유리한 점이다. 제작자의 지시에 따라 조립공이 관 단부를 본체(B) 속으로 충분히 적절하게 삽입시키는 것을 실패함으로써 관 단부는 부분적으로 혹은 불완전하게 바닥에 닿을 수 있다.

완전하게 바닥에 닿은 도관의 단부는 도관 단부와 본체 쇼울더 사이에 실질적인 표면 대 표면 접촉과 이들 사이에 매우 견고한 기계적 접촉 혹은 압박이 존재하는 조건이 된다. 부분적으로 바닥에 닿은 도관의 단부는 예컨대, 도관 단부의 불량한 단부 배향, 위로 젖혀진 혹은 경사진 도관, 혹은 단순히 2개의 인접하는 표면들 사이에 강한 압박력의 부족으로 인해 현저한 표면 대 표면 접촉이 존재하지 않는 조건이 된다. 바닥에 닿지 않은 도관의 단부는 표면 대 표면 접촉이 조금 혹은 전혀 없거나 인접하지 않는 표면들 사이의 실제 축방향 간극이 존재하는 조건이다. 따라서, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 도관 단부와 인접하는 표면 사이의 접촉의 성질 혹은 특성은 일반적으로 한정하려는 의도는 아니지만, 접촉이 일어나는 표면적의 크기, 도관 단부와 인접 표면 사이의 힘 혹은 하중, 그들 사이의 간극의 존재, 인접하는 표면들의 정돈된 배열의 불량 등을 포함하는 다양한 특징들의 조합 혹은 단독적인 특징을 일컫는다.

도 2에는 본 발명의 제1의 실시예가 도시되어 있다. 입력 에너지 공급원 혹은 입력 장치(12)는 기계적 입력 에너지를 도관(T)으로 인가하기 위해 도관(T)에 결합되며, 여기서 인가된 입력 에너지의 일부는 되반사되거나 복귀된다. 상기 공급원 장치(12)는 예컨대, 전기 구동 신호를 진동 혹은 기계적 에너지로 전환하는 변환기일 수 있다. 그 일례로 반사될 수 있거나 그렇지 않으면 한정하려는 의도는 아니지만 마이크로 구조의 변형, 공극, 관 단부(F), 페롤 맞물림 혹은 압박 등의 배관 변형 혹은 만입을 포함하는 각종 조건들에 의해 공급원(12)으로 복귀할 수 있는 높은 주파수 신호를 내는 초음파 변환기를 들 수 있다. 상기 공급원(12)은 수신기 혹은 센서뿐만 아니라 송신기로서 사용되며, 공급원(12)에 도달하는 반사된 에너지를 대응하는 전기 신호로 전환한다. 그 대안으로, 송신기와 수신기는 별도의 혹은 다른 장치들일 수 있다. 상기 공급원(12)은 케이블(14) 혹은 다른 적절한 연결 수단을 매개로 전자장치(16)에 결합된다. 상기 전자장치(16)는 공급원 장치(12)를 위한 구동 신호를 발생하고 그 공급원 장치(12)로부터 전기 신호를 수신하는 적절한 회로를 포함한다.

비록 관이음쇠의 적절한 조립뿐만 아니라 관 단부의 바닥에 닿는 조건을 결정하기 위해 표면파 변환기 혹은 지연 라인 변환기(delay line transducer)가 사용될 수 있고, 그리고 이들 변환기 중 하나가 본 명세서의 양호한 실시예의 대체에 유리하지만, 입력 에너지를 도관(T)에 인가하기 위한 기술 및 장치로 전단파 변환기를 사용하는 것이 바람직하다는 것으로 밝혀졌다. 상기 전단파 변환기는, 이 전단파 변환기가 주로 종방향으로 혹은 대상물의 표면 방향을 따라 대상물로 에너지를 인가하는 데 반하여 지연 라인 변환기는 에너지를 주로 상기 표면에 직각으로 인가하여 벽 두께를 결정하기 위해 사용할 수 있다는 점에서 서로 구별된다. 따라서, 상기 전단파 변환기는 특히 도관이 단지 부분적으로 바닥에 닿거나 완전하게 바닥에 닿지 않을 때 도관 단부의 더 양호한 복귀 반사 혹은 에코를 생성할 수 있다.

적절하고 전형적인 변환기는 4메가헬쯔에서 공명이 되는 Phoenix-ISL 전단파 변환기 모델 SW-4-70 이다. 상업적으로 입수 가능하거나 추후에 개발될 다른 변환기들이 또한 본 발명에 적합할 수 있으며, 본 발명은 초음파 에너지파의 사용에만 한정되는 것은 아니다. 적절하고 감지 가능한 에너지가 관 단부로부터 되반사될 경우 비-초음파 주파수를 사용해도 좋다. 동조 주파수를 사용하는 것도 또한 가능하며, 이는 도관의 치수, 재질, 온도, 도관과 관련된 유체 커플링 등에 따라 좌우되는 도관 단부로부터 나온 가장 강한 에코를 제공한다.

이 때, 본 발명의 특별한 장점은 유체가 도관 내에 존재하는 동안에 조차도 비파괴저인 방식으로 유체 커플링 내의 도관의 바닥 닿기 조건을 결정하기 위해 그것을 사용할 수 있다는 것에 주목할 만하다. 따라서, 시스템을 정화하거나 임의의 부품들을 분해할 필요가 없을 수 있으며, 이는 몇몇 상황에서 바람직할 수도 있다.

소음 필터링과 반사된 에너지에 대한 상관 분석을 행한 후에 쉽게 해석된 데이터를 얻을 수 있다는 것이 또한 밝혀졌다. 더욱이, 수리적인 형태로서 해당 분야의 종사자들에게 잘 알려진 모릿 웨이브렛 기능(Morlet wavelet function)은 본 발명에 따른 필터링 기능에 도움이 되지만, 본 발명은 이러한 모릿 웨이브렛 기능의 사용에만 한정되지 않다는 것이 밝혀졌다. 예컨대, 다른 형태의 지수 함수의 사인 곡선의 웨이브렛 기능 혹은 다른 필터링 기능은 몇몇 용례에서 번갈아 가면서 유용하게 사용될 수 있다.

도 3을 참조하면, 분석기의 형태인 전자장치(16)의 구체적인 기능 블록선도가 도시되어 있다. 본 발명은 디지털 분석 영역에서 구현되는 것이 바람직할 수 있지만, 이는 반드시 요구되는 사항은 아니며 아날로그 혹은 하이브리드 아날로그/디지털 분석을 수행하기 위한 몇몇 용례에서 적합할 수도 있다.

도 3에는 또한 공급원(12)을 장착하는 것과 관련되는 본 발명의 추가적인 구체예들이 도시되어 있다. 상기 실시예에 따르면, 공급원(12)은 전단파 변환기이며, 도관 표면(TS)과 접촉 상태로 적절하게 고착 혹은 배치될 수 있는 베이스(20) 상에 견고하게 지지되어 있다. 상기 베이스(20)는 아크릴 수지 등의 높은 전달 물질로 구성되는 것이 바람직하기 때문에 변환기 표면(22)으로부터 방출된 에너지는 양호한 효율로 도관(T) 속으로 결합된다. 베이스(20)에는 도관 표면(TS)의 표면 프로파일과 일치하는 표면(24)이 마련될 수 있기 때문에 베이스(20) 혹은 다른 적절한 구조체의 사용에 의해 커플링이 향상된다. 이것은 항시 원통형 표면(TS)에 반하여 통상적으로 평탄한 변환기의 표면(22)을 위치 설정하는 단순한 노력에 의해 개량될 것이지만, 몇몇 용례에서는 직접 장착과 같은 특별히 큰 직경의 도관을 사용하는 것이 편리할 수 있다. 적절하게 낮은 감쇠 커플링 재료가 베이스 표면(24)과 도관 표면(TS)사이에 또한 도포될 수 있다. 적절하게 낮은 감쇠 액체 커플런트(couplant)는 예컨대, 물일 수 있지만, 고체 혹은 반죽 등 예컨대, 라텍스 혹은 실리콘 고무 혹은 R/D Tech에서 시판하고 있는 AQUALENE(상표명)과 같은 다른 커플링 재료를 사용해도 좋다. 도관과 변환기 사이의 커플링 신호가 도관으로 향하는 구동 신호 혹은 변환기로 향하는 반사된 에너지 중 어느 하나를 부적절하게 감쇠시키지 않을 경우, 커플링 재료의 사용을 생략할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 베이스(20)는 변환기의 표면(22)이 도관의 종축(CL)을 향해 수직면에서 멀어지는 방향으로 각을 이루도록 형성될 수 있다. 이러한 방법으로, 입력 에너지는 소정의 각도(θ_R)를 유지한 채로 도관 구조체로 유입된다. 각도(θ_R)의 적합한 범위는 약 0°내지 90°, 바람직하게는 약 45° 내지 85°, 가장 바람직하게는 약 65° 내지 약 75°인 것으로 밝혀졌다. 그러나, 임의의 특정 용례에서 선택한 각도(θ_R)는 최상이거나 가장 유용한 복귀 에너지 프로파일을 생성하는 각도를 기초로 하여 선택될 수 있다. 굴절을 허용하여 입력 에너지가 소망의 각도(θ_R)에서 커플링 조립체로 유입하는 것을 보조하기 위해 적절한 굴절률을 갖는 물질이 선택될 수 있다.

도 3을 계속 참조하면, 분석기(16)는 한정하려는 의도는 아니지만 DSP, 마이크로프로세서, 이산 디지털 회로 등을 포함하는 임의의 적절한 디지털 프로세서의 형태로 구현될 수 있다. 상기 분석기 프로세서(16)로는 임의의 상용 회로 또는 본 명세서에서 설명한 기능을 수행하기 위해 해당 분야의 종사들에게 잘 알려진 프로그래밍 기법에 따라 프로그램 가능한 추후에 개발될 회로를 채택하는 것이 편리할 수 있다. 따라서, 분석기 프로세서(16)는 적절한 케이블 혹은 와이어(28)를 경유하여 변환기(12)에 결합되어 있는 적절한 구동 신호를 생성하는 신호 발생기(26)를 포함한다. 변환기(12)에서 나온 전기 신호는 통상적으로 상당한 양의 바람직하지 못한 배경 잡음을 포함하고 있기 때문에, 상기 분석기 프로세서(16)는 잡음 억압을 위해 사용할 수 있는 필터 기능(30)을 또한 포함한다. 당업자들에게 잘 알려진 회로 혹은 소프트웨어 내에 설계된 임의의 적절한 필터를 사용할 수 있다. 도 3에서 잡음 필터링 기능은 변환기(12)로부터 나온 아날로그 신호 상에서 실행되는 것을 주목해야 한다. 변형례로서, 변환기 신호가 디지털화 되었을 경우 디지털 필터링을 실행해도 좋다. 또한, 필터 기능은 변환기 자체에 포함될 수 있고, 케이블과 변환기 조립체 상의 특수한 차폐는 잡음을 더 억제하기 위해 필요에 따라 사용될 수도 있다.

필터 기능(30)은 케이블 혹은 다른 적절한 연결 수단(32)을 통해 변환기(12)로부터 나온 전기 출력 신호를 수신한다(와이어(32)와 와이어(28)는 도 2에서 전술한 케이블(14)의 일부인 것에 주목하기 바람).

그 다음, 변환기(12)에서 나온 여과된 신호는 종래의 아날로그 대 디지털(A/D) 변환기(34)로 들어가는 입력으로 된다. 상기 A/D 변환기(34)는 변환기(12)에서 나온 전기 신호를 메모리(36) 등의 저장 장치에 편리하게 저장될 수 있는 디지털화된 신호로 변환시킨다. 상기 메모리(36)는 실행될 데이터 분석 형태에 따라 휘발성 메모리 혹은 비휘발성 메모리 혹은 양자일 수 있다.

몇몇 용례에 있어서, 반사된 에너지 신호는 에너지 공급원(12)에 대한 도관 단부의 축방향 위치에 대응하는 매우 뚜렷하고 쉽게 식별 가능한 신호 레벨을 지닐 수 있다. 변환기에 대한 도관 단부의 축방향 위치는 절대치 혹은 상대치 중 어느 하나로 결정될 수 있으며, 도관을 통과하는 기지의 에너지 전파 속도를 기초로 하여 초음파 분석 분야에서 잘 알려진 바와 같이 계산되는 것에 주목해야 한다. 만약 반사된 에너지가 메모리(36)에 저장된 쉽게 식별 가능한 신호를 제공할 경우, 제어기(16)는 신호의 특징들을 결정하여 도관 단부의 축방향 위치를 확정하기 위해 간단하게 프로그램 될 수 있다.

본 발명의 또 다른 구체예에 따르면, 반사된 에너지의 상대적인 세기는 바닥 닿기 특성을 나타내는 표시가 된다. 양호하거나 또는 완전한 바닥 닿기가 존재할 때, 매우 작은 에너지가 도관 단부로부터 복귀되는 데, 그 이유는 상기 에너지가 이음쇠 본체를 구성하는 물질(및/또는 다른 접촉하는 구조물)로 관통하고 또 이에 따라 반사되거나 복귀된 에너지 내에 상당한 감쇠가 존재하기 때문이다. 따라서, 흥미롭게도 반사된 강한 에너지 레벨의 부재는 우수한 바닥 닿기를 실제로 표시하게 된다. 바닥에 닿지 않은 도관 단부의 경우, 도관 단부와 본체 쇼울더 사이의 계면의 간극에서의 반사로 인해 높고 또 심하게 뚜렷한 반사된 에너지 레벨이 복귀한다. 부분적으로 바닥에 닿은 도관 단부의 경우, 반사된 에너지는 완전하게 바닥에 닿은 도관 단부와 바닥에 닿지 않은 도관 단부 사이에 어느 정도로 존재할 것이다. 필요에 따라 상기 시스템(16)을 보정하기 위해 테스트 샘플과 실험 데이터를 이용해도 좋다.

그러나, 실험법을 통해 전형적인 유체 커플링과 도관의 미세 구조의 기계적인 복잡성은 반사된 에너지 신호가 실질적인 실체가 아니라는 사실을 멋지고 깨끗하면서 쉽게 감지할 수 있도록 해준다. 그 대신, 모든 종류의 거짓(false) 혹은 비반복성 에코가 발생할 수 있다. 더욱이, 도관 단부에 대한 변환기의 단일 축방향 위치에 대해, 변환기의 원주방향 위치는 반사된 에너지의 성질에 현저한 영향을 미칠 수 있다. 예컨대, 도관 단부에서 나온 반사된 에너지는 변환기가 상이한 원주방향의 위치를 중심으로 이동할 때 동일한 시간 지연 마커(marker)에 항시 나타날 수 없으며, 심지어 도관 상의 동일한 축방향 위치에서도 나타나지 않는다. 이것은 도관과 유체 커플링 구조체 내의 미세 변화로 간주되지만, 그 원인이 무엇이든지, 실질적인 결과는 통상적으로 존재하는 결과일 것이다.

본 발명의 또 다른 구체예에 따르면, 도관(T)으로의 에너지 인가는 공급원 변환기(12)의 선택된 축방향 위치를 중심으로 두 곳 혹은 그 이상의 원주방향의 위치들에서 행해진다. 이것은 도 4에 도시되어 있으며, 여기서 반사된 에너지 데이터는 선택된 축방향 위치에서 도관 둘레의 공급원 변환기(12)의 두 곳 혹은 그 이상의 원주방향의 위치에 대해 수집 및 저장되어 있다. 이는 도관(T)의 둘레에서 상이한 위치에 위치한 복수 개의 변환기를 이용하거나 혹은 보다 간단하게 단일의 변환기(12)를 재위치시킨 다음 도 4에서 점선으로 표시한 바와 같은 각각의 위치에서 데이터를 수집함으로써 실행될 수 있다. 상이한 위치들은 도관 둘레에 균일한 간격을 두고 위치할 필요는 없다.

특별한 원주방향의 위치에서 입력 에너지의 인가는 각각 본 명세서에 전술한 바와 같이 여과 및 저장된 전기 신호로 변환되는 반사된 혹은 복귀 에너지를 생성한다. 변환기의 선택된 축방향 위치(양호한 실시예에 따르면, 이음쇠 조립체(A)의 너트(C) 바로 뒤)에서 2개 혹은 그 이상, 양호하게는 약 3개의 상이한 원주방향의 위치에 대해 데이터가 수집된다. 그 다음, 상관관계 기능(40)이 복수 개의 원주방향 위치로부터 데이트 세트에 인가된다. 상기 상관관계 분석은 도관 내의 미세 변화로부터의 무작위 복귀 에너지 신호를 실질적으로 제거하거나 혹은 "여과"하게 되는데, 그 이유는 변환기가 도관(T) 둘레에 재위치할 때 인가된 에너지 변환기 공급원(12)에 대한 이들의 위치가 변하기 때문이다. 그러나, 상기 위치에 대한 도관의 단부는 그렇지 않으며, 상관 관계 분석은 대응하는 신호를 명백하게 구분한다. 상기 상관 분석은 예컨대, 한정하려는 의도는 아니지만 2001년 미네소타 유니버스티에서 발행한 장(Zhang), 휴앙(Huang), 세크흐(Shekhar), 쿠마(Kumar) 저서의 기술 보고서 초록에서 제목 공간적인 시간 시리즈 데이터세트의 상관 분석: 필터 및 정제법으로 수록된 종래의 분석일 수 있으며, 이것의 전체 내용이 본 명세서에 참조를 위해 전적으로 합체되어 있다. 선택된 신호 상관 분석은 선택적으로 그러나 양호하게는 2003년 6월 IMechE(런던 소재의 기계 공학 연구소)에서 발행한 헐(Hull), 양(Yang), 세이머(Seymour) 저서의 제목 초음파 신호의 콤플렉스 웨이브렛 분석에 수록된 상관 방법에 기초한 웨이브렛을 이용함으로써 현저하게 용이해질 수 있으며, 상기 문헌의 전체 내용이 본 명세서에 참조를 위해 전적으로 합체되어 있고, 또 종래의 공지된 기술을 이용한 소프트웨어 혹은 펌웨어에서 실행/프로그램될 수 있다. 따라서, 상기 분석기(16)는 한정하려는 의도는 아니지만 도관 단부의 바닥 닿기 특성의 시각적 출력, 프린트된 출력 등, 희망에 따라 혹은 별도의 요구에 따라 공급원(12)의 축방향 위치의 함수로서 도관 단부의 절대적 혹은 상대적 축방향 위치를 포함하는 임의의 적절한 형태인 출력(42)을 생성할 수 있다.

본 발명은 전술한 장치의 구조뿐만 아니라 그것의 사용을 위해 실시하는 방법, 더욱이 유체 커플링 내의 도관 단부의 위치를 결정하기 위한 방법, 구조화된 표면에 반한 도관 단부의 바닥 닿기 특성을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 에너지를 도관 구조체에 인가하는 단계와, 도관 단부로부터 반사된 혹은 복귀된 에너지를 검출하는 단계와, 그리고 공급원 위치의 함수로서 도관 단부의 위치를 결정하는 단계를 포함한다. 또 다른 방법에 따르면, 도관 단부의 바닥 닿기의 특성의 결정은 에너지를 도관 구조체에 인가하는 단계와, 도관 단부로부터 반사된 혹은 복귀된 에너지를 검출하는 단계와, 그리고 반사된 에너지 신호 세기의 함수로서 도관 단부의 바닥 닿기의 특성을 결정하는 단계를 포함한다. 양자의 방법은 단독으로 또는 서로 혹은 다른 분석과 조합하여 사용될 수 있고, 양자의 방법은 전술한 잡음 여과 및 상관 기술을 선택적으로 이용할 수 있다.

많은 이용 가능한 변형례들 중 몇몇 변형례와 마찬가지로, 전자장치(16)는 희망하는 용례 및 환경에 사용하기 위한 임의의 적절한 패키지에 합체될 수도 있다. 예컨대, 공급원(12)을 포함하는 전자장치(16)는 종래의 간극 게이지로서 또한 사용되는 장치 혹은 공구와 합체될 수 있다. 상기 전자장치(16)는 임의의 희망하는 포맷, 예컨대 간단하게 도관 단부의 바닥 닿기의 "go/no go" 결과를 표시하는 광 포맷의 출력을 생성할 수 있다. 상기 전자장치는 또한 보정 및/또는 분석을 위한 신경망 등의 소프트웨어를 기초한 인텔리전트 규칙에 또한 합체될 수 있고, 또 전술한 잡음 여과 및 상관 기술을 포함할 수 있다.

그 대안으로 상기 공급원(12)은 도관 대신에 혹은 그것에 추가하여 입력 에너지를 유체 커플링의 부품으로 인가할 수 있는 형상으로 될 수 있다. 이것은 예컨대 베이스(20)의 계면의 기하학적 형상의 재설정만을 요구할 수 있다. 장착을 위한 표면에 따라, 상기 베이스(20)는 심지어 불필요할 수 있다. 예컨대, 상기 공급원(12)은 입력 에너지를 이음쇠 본체(B)의 헤드 혹은 넥과 같은 이음쇠 본체에 인가할 수 있다.

또한, 본 발명은 개별적으로 혹은 도관 단부 위치와 조합하여 이음쇠 조립체의 다른 평가를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 본 명세서에서 전술한 바와 같이, 본 발명은 도관 단부의 위치와 인접 특징들을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명은 또한 다른 정상적인 변형의 위치 및 특징, 그리고 유체 커플링과 관련되고 그 조건이 또한 반사된 에너지를 생성할 수 있는 것과 같은 도관의 구조적 변화를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 그것에 한정되는 것은 아니지만, 본 발명은 관의 맞물림 혹은 만입부의 존재 및/또는 그 위치 또는 하나 또는 그 이상의 페롤에 의해 야기된 압박을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 선택된 조건이 적절하게 위치 설정되어 있고 또 희망하는 특성을 갖는 것으로 결정함으로써, 사용자는 이음쇠 조립체가 적절하게 완료되었고 페롤들이 정확하게 설치 및 풀업되었다는 것을 알 수 있다. 이러한 신호의 부재는 조립 혹은 풀업이 부적절하다는 것을 표시할 수도 있다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 기하학적인 풀업의 정확도와 2페롤 관이음쇠의 내적 일체성 양자를 점검하기 위해 사용할 수 있는 공구에 관한 것이다. 초음파 센서(들)와 진보한 수리적인 소프트웨어에 내장된 마이크로프로세서를 이용함으로써, 상기 공구는 관의 보어 쇼울더에 반하여 배관이 완전히 바닥에 닿았는지의 여부(즉, 정확한 관 설치, 도 4 참조)를 검출할 수 있을 것이다. 이러한 구조의 주요 장점은 비파괴적(즉, 이음쇠의 실제 분해/재조립)이고, 저가(x-레이 이음쇠 연결에 비해)이면서 제품이 부적절하게 설치될 잠재성을 크게 감소시킨 변형례를 제공하는 데 있다.

도 5 내지 도 7에 도시된 휴대형 공구는 도 8에 도시된 바와 같이 (즉, 손으로 1-1/4 회전 죈 다음 "너트 대 본체" 간극을 측정함으로써) 정확한 기하학적 풀업을 확인하여 배관이 관의 보어 쇼울더에 반하여 완전히 바닥에 닿았는지의 여부를 검출한다. 더욱이, 상기 공구를 사용함으로써 이음쇠를 분해시킬 필요가 없기 때문에 x-레이 장비를 사용할 필요성을 없애준다. 상기 공구의 관 파지 부분은 "너트 대 본체" 간극을 측정함으로써 기하학적 풀업의 정확도를 확인한다. 너트 대 본체 간극은 너트, 페롤 및 이음쇠 본체에 놓인 팽팽한 공차를 지닌 임계적인 치수로 인해 일관되게 유지된다. 이러한 특징으로 인해, 요구되는 "너트 대 본체" 간극에 도달할 때 공구가 너트와 이음쇠 본체 사이에 끼워질 수 있다. 이와 마찬가지로, 상기 공구는 미국 특허 제3,287,813호에 개시되고 본 명세서에 참조를 위해 전적으로 합체되어 있는 바와 같이, 종래의 간극 게이지로서 작용한다. 상기 공구의 후방 단부는 배관이 이음쇠 본체 내측에 위치한 관의 보어 쇼울더에 반하여 완전히 바닥에 닿았는지의 여부(즉, 정확한 관 설치 여부)를 검출한다. 하나 또는 그 이상의 초음파 센서와, 진보한 수리적인 소프트웨어에 내장된 마이크로프로세서를 이용함으로써, 상기 공구는 이음쇠 본체와 부품들의 임계적인 내적 특징들을 선택적으로 조사할 수 있고, 배관이 정확하게 설치될 경우 사용자에게 청각적 혹은 시각적으로 통지를 보낸다. 상기 공구는 전술한 임의의 방법을 사용하여 이음쇠를 조사할 수 있다.

본 발명은 양호한 실시예들을 참조하여 설명하였다. 본 명세서를 읽고 이해함으로써 당업자들은 수정 및 변형이 가능하다는 것을 인식할 것이다. 첨부된 청구의 범위 혹은 그 균등물의 영역 내에 속하는 한, 전술한 수정 및 변형례들 모두가 본 발명에 포함되는 것으로 간주되어야 한다.

Claims (13)

1. 도관과 그 위에 설치된 유체 커플링을 구비하는 형태의 이음쇠 조립체를 평가하기 위한 휴대형 공구로서:

   기계적 에너지파를 이음쇠 조립체에 인가하도록 구성되는 동시에, 반사된 에너지파를 수신하여 그것과 관련된 신호를 발생하는 공급원과;

   이음쇠 조립체의 특징들을 상기 에너지파의 상기 반사된 부분의 함수로서 결정하는 분석기

   를 포함하는 것인 공구.
2. 제1항에 있어서, 상기 공급원은 간극 게이지와 통합되어 있는 것인 공구.
3. 제1항에 있어서, 상기 분석기는 간극 게이지와 통합되어 있는 것인 공구.
4. 제1항에 있어서, 상기 공구는 간극 게이지와 초음파 분석기를 포함하는 것인 공구.
5. 제1항에 있어서, 상기 공급원은 별도의 송신기와 수신기를 포함하는 것인 공구.
6. 제1항에 있어서, 상기 공급원은 과도 전단 초음파 에너지파를 생성하는 것인 공구.
7. 제1항에 있어서, 상기 분석기는 상기 수신된 에너지파를 서로 관련시키는 것인 공구.
8. 제7항에 있어서, 상기 상관 관계는 모릿 웨이브렛 상관 기능(Morlet wavelet correlation function)에 기초를 두고 있는 것인 공구.
9. 제1항에 있어서, 상기 에너지파는 유체 커플링과 관련이 있는 이음쇠 본체에 인가되는 것인 공구.
10. 제1항에 있어서, 상기 에너지파는 도관의 종축에 대한 수직면으로부터 약 0°내지 약 90°범위 내의 각도로 도관에 인가되는 것인 공구.
11. 제1항에 있어서, 상기 특징들은 유체 커플링에서 도관의 단부의 바닥 닿기에 관한 것인 공구.
12. 제10항에 있어서, 상기 에너지파는 도관 둘레의 2개 혹은 그 이상의 상이한 위치에서의 입력이며, 상기 공급원은 상기 수신된 에너지파에 반응하여 복수개의 전기 신호를 발생하고, 각각의 전기 신호는 대응하는 에너지에 또는 상기 위치에 일치하는 것인 공구.
13. 제12항에 있어서, 상기 복수 개의 전기 신호의 상관 기능을 포함하며, 상기 분석기는 상기 상관 관계에 기초를 둔 도관의 단부의 축방향 위치와 일치하는 출력을 생성하는 것인 공구.