KR20050098580A - 비자성체 배관의 비접촉식 굽힘 진동 발생 및 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배관 비파괴 검사 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 지중에 매설된 배관 또는 단열재 등으로 쌓여 있는 배관에서 굽힘 진동을 비접촉식으로 발생 및 측정할 수 있는 굽힘 진동 측정 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 배관의 표면에 부착되는 강자성체 스트립; 상기 스트립이 위치하는 면의 외부에 감기는 코일; 상기 코일 외부에 이격되어 배치되어 상기 스트립 면에 평행한 방향으로 상기 스트립을 통과하는 바이어스 자기장을 형성하는 두 개의 자석; 상기 코일에 전류를 공급하는 전원; 및 상기 전원으로부터 상기 코일에 전류가 공급됨에 따라 자기변형 효과에 의해 상기 강자성체 스트립이 변형을 일으키고, 상기 강자성체 스트립의 변형에 따라 상기 배관에 굽힘 진동이 발생하며, 굽힘진동으로 인해 상기 강자성체 스트립에 스트레인이 발생하고, 이 스트레인에 의해 역자기변형 효과에 따라 상기 코일 양단에 걸리는 전압에 변화가 발생되는 것을 측정하는 측정부를 포함하는 굽힘 진동 측정 장치가 제공된다. 본 발명에 의하면, 알루미늄과 같은 비자성 재료로 만들어진 배관에서 안정적으로 자기변형 현상 또는 역자기변형 현상을 이용하여 굽힘 진동을 발생 및 측정할 수 있다.

Description

비자성체 배관의 비접촉식 굽힘 진동 발생 및 측정 장치 {Apparatus for non-contact generation and measurement of bending vibration in non-ferromagnetic pipes}

본 발명은 배관 비파괴 검사 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 지중에 매설된 배관 또는 단열재 등으로 쌓여 있는 배관에 굽힘 진동을 비접촉식으로 발생 및 측정할 수 있는 굽힘 진동 측정 장치에 관한 것이다.

배관이 지중에 매설되거나, 단열재 또는 코팅재 등에 의해 쌓여진 상태로 설치되는 경우가 흔히 있다. 종래에는 이러한 배관들은 배관이 드러나도록 지면을 굴착하거나, 겉에 둘러싸여진 단열재 등을 벗겨낸 후에야 그에 대한 굽힘 진동의 측정, 안전 상태의 점검 등이 가능하다.

그러나, 이러한 경우, 검사 및 검사 후의 복구를 위해서 많은 비용과 시간이 필요하게 되는 단점이 있었고, 이에 배관이 설치된 상태에서 그 구조적인 결함을 파악할 수 있는 장치의 개발이 요구되게 되었다.

한편, 비파괴 검사의 분야에서는 자기변형 효과를 이용한 비파괴 검사 방법 또는 이러한 비파괴 검사를 수행하는 장치에 대한 연구가 활발하게 진행중이다. 배관에 작용하는 굽힘 진동을 비접촉식으로 배관이 설치된 상태에서 발생 또는 측정할 수 있도록 하기 위하여 이러한 자기변형 효과를 이용할 수 있다.

자기변형, 즉 마그네토스트릭션(magnetostriction)이란 강자성 재료가 자기장 아래 놓일 때 기계적인 변형이 발생하는 현상을 말하며 주울 효과(Joule effect)라고도 한다. 이것의 역현상으로 재료에 응력이 작용할 때 재료 내부의 자기적 상태가 변화하는 현상을 역자기변형 현상(inverse magnetostriction effect) 또는 빌라리 효과(Villari effect)라고 한다.

자기변형 현상을 수학적으로 정량화하면 다음과 같이 표현할 수 있다.

자기장 H가 작용하는 공간에 자성물질을 놓아두게 되면 자성물질 내부의 유도자기장 B는 진공 중에서의 자속밀도에 자성물질의 자화에 의한 자속밀도가 더해진다. 즉, 다음의 수학식 1과 같이 자성물질 내부의 유도자기장 B를 표시할 수 있다.

여기서, B는 자속밀도(magnetic flux density), H는 자석 또는 전자석을 이용해 외부에서 걸어주는 자기장의 세기(magnetic intensity), M은 자화의 강도, X _m 은 자화율, μ₀은 진공의 투자율(permeability), μ_r은 비투자율, μ는 투자율을 나타낸다.

이 때 기계적 변형과 관련된 자기변형 효과인 빌라리 효과와 주울 효과는 다음의 수학식 2 및 수학식 3과 같이 정량적으로 표현할 수 있다.

여기서, ε는 변형률, σ는 재료에 가해지는 응력(stress), E ^H 는 일정한 자기장이 걸려있을 때의 탄성계수, 그리고 μ^σ는 일정한 응력이 작용할 때의 투자율이다.

수학식 2와 수학식 3의 q와 q ^* 는 각각 빌라리 효과와 주울 효과를 나타내는 계수로 그 정의는 다음의 수학식 4 및 수학식 5와 같다.

위와 같이 정량적으로 파악되는 자기변형 효과 또는 역자기변형 효과를 이용하게 되면, 측정 대상이 되는 부재에 자기장을 형성하고 역자기변형 효과에 의해 그 자기장이 변화되는 것을 측정함으로써, 측정하고자 하는 대상과 기계적인 접촉 없이 측정물에 발생하는 변형을 측정할 수 있기 때문에 접촉식 센서의 적용이 불가능하거나 어려운 여러 분야에 응용될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 본 발명의 목적은 외부로 드러나지 않도록 설치되고 사용되는 배관에 작용하는 굽힘 진동을 배관 주위에 부착된 단열재 등을 해체하지 않고 비접촉식으로 발생 및 측정할 수 있는 굽힘 진동 발생 및 측정 장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 배관의 표면에 부착되는 강자성체 스트립; 상기 스트립이 위치하는 면의 외부에 감기는 코일; 상기 코일 외부에 이격되어 배치되어 상기 스트립 면에 평행한 방향으로 상기 스트립을 통과하는 바이어스 자기장을 형성하는 두 개의 자석; 상기 코일에 전류를 공급하는 전원; 및 상기 전원으로부터 상기 코일에 전류가 공급됨에 따라 자기변형 효과에 의해 상기 강자성체 스트립이 변형을 일으키고, 상기 강자성체 스트립의 변형에 따라 상기 배관에 굽힘 진동이 발생하며, 굽힘진동으로 인해 상기 강자성체 스트립에 스트레인이 발생하고, 이 스트레인에 의해 역자기변형 효과에 따라 상기 코일 양단에 걸리는 전압에 변화가 발생되는 것을 측정하는 측정부를 포함하는 굽힘 진동 측정 장치를 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 자기장 측정부는, 상기 코일 양단의 전압의 변화 신호를 받아들여 증폭하는 증폭기; 상기 증폭기에서 증폭된 신호를 받아들여 시간에 따른 신호의 변화를 표시하는 오실로스코프; 및 상기 오실로스코프에서 표시되는 데이터를 디지털 신호로 입력받아 데이터를 처리하는 컴퓨터를 포함하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따른 비접촉식 굽힘 진동 측정 장치의 개략적인 구성을 설명하는 도면이 도시되어 있고, 도 2에는 도 1에 도시된 배관 에 스트립이 부착된 상태를 설명하는 도면이 도시되어 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 비접촉식 굽힘 진동 측정 장치는, 배관(2)의 표면에 부착된 강자성체 스트립(1), 상기 스트립(1)의 둘레에 감긴 코일(3), 상기 코일(3)의 외곽에서 상기 스트립(1)의 면에 평행한 방향으로 통과하는 자기장을 형성하는 두 개의 바이어스 자석(4, 5)으로 구성된다.

상기 스트립(1) 재료로는 일반적인 강자성체인 철, 니켈, 코발트 등이 사용될 수 있으며, 니켈처럼 자화곡선의 상승이 빠르고 히스테리시스(hysteresis)가 적어 자기장이 제거된 후 원래의 형상으로 빨리 돌아오는 성질을 갖는 연질자성재료가 바람직하다. 이러한 강자성체 스트립을 부착함으로써 비자성체 배관에도 자기변형 효과를 적용할 수 있게 된다.

상기 바이어스 자석(4, 5)들은 상기 스트립(1)과 접촉하지 않은 상태에서 상기 스트립(1)의 면에 평행한 방향으로 통과하는 자기장을 형성하기 위해 하나는 N극이 아래를 향하고, 다른 하나는 N극이 위를 향하도록 배치될 수 있다.

도 3에는 본 발명에 따른 비접촉식 굽힘 진동 발생 및 측정 장치를 이용하여 굽힘 진동을 발생 및 측정하는 시스템의 전체 구성을 개략적으로 설명한 도면이 도시되어 있다.

도 3에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 비접촉식 굽힘 진동 측정 장치를 이용하여 굽힘 진동을 발생 및 측정할 때에는, 상기 코일(3)에 전류를 공급하고 동시에 코일(3) 양단의 전압 변화를 측정하는 파워 앰프(20), 상기 파워 앰프(20)에서 측정된 상기 코일(3)에 발생하는 전압 변화를 그래프의 형태로 도시하고 동시에 디지털 데이터로 변환하는 오실로스코프(30), 및 상기 오실로스코프로(30)부터 전압 변화에 대한 디지털 데이터를 받아들여 연산 처리하는 컴퓨터(40)를 연결하여 시스템을 구성하게 된다.

본 발명에 따른 굽힘 진동 측정 장치는, 도 1 내지 도 3에 도시된 것과 같이, 단열재(6) 등으로 둘러 쌓인 채로 설치되고 사용되는 비자성체 배관에 적용되기에 알맞다. 즉, 도 2에 잘 도시되어 있는 것과 같이, 미리 배관에 강자성체 스트립(1)을 설치하고, 필요한 단열재 또는 코팅재 등을 설치하고 코일을 설치한 후 배관을 사용한다. 배관이 설치되어 사용되다가 일정한 기준에 따라 배관의 교체 필요여부 등을 조사할 필요가 생기면, 상기 강자성체 스트립(1)이 미리 설치되어 있던 주위에 도 3에 도시된 것과 같은 시스템을 구성하여 설치한다. 설치 후, 상기 파워 앰프(20)를 통해 상기 코일(3)에 전류를 흘려주게 되면 자기변형 효과에 의해 상기 강자성체 스트립(1)이 변형을 일으키게 되고 이에 따라 배관에 굽힘 탄성파가 발생되어 굽힘 진동이 전달되게 된다. 이와 동시에 발생된 굽힘 진동으로 인해 상기 강자성체 스트립(1)이 변형을 일으키면, 역자기변형 효과에 따라 상기 바이어스 자석(4, 5) 및 상기 코일(3)에 의해 형성된 자기장에 변화가 생기고, 이러한 변화가 상기 오실로스코프(30)에 도시된다.

도 4에는 본 발명의 실시예에 따라 비자성체 배관에서 측정된 굽힘 진동 신호를 나타내는 그래프가 도시되어 있고, 도 5는 비자성체 배관에 충격 신호를 가하여 굽힘 진동을 발생시키고 본 발명의 실시예에 따라 굽힘 진동을 측정하여 작성한 주파수 응답 함수의 그래프가 도시되어 있다.

상기 컴퓨터(4) 상에서 도 4 및 도 5에 도시된 것과 같은 측정 데이터를 디지털 데이터로 받아들여 연산처리를 수행함으로써, 발생된 굽힘 진동을 정량적으로 측정하는 것이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 알루미늄과 같은 비자성 재료로 만들어진 배관에서 안정적으로 자기변형 현상 또는 역자기변형 현상을 이용하여 굽힘 진동을 발생 및 측정할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 비자성체 배관에서 굽힘 진동을 발생 및 측정하는 장치의 원리를 설명하는 도면.

도 2는 도 1에 도시된 비자성체 배관에 강자성체 스트립이 설치되는 것을 설명하는 부분 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 굽힘 진동 발생 및 측정 장치의 전체 시스템 구성의 일 실시예를 보여주는 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 비자성체 배관에서 측정된 굽힘 진동 신호를 나타내는 그래프.

도 5는 비자성체 배관에 충격 신호를 가하여 굽힘 진동을 발생시키고 본 발명의 실시예에 따라 굽힘 진동을 측정하여 작성한 주파수 응답 함수의 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 강자성체 스트립 2: 배관

3: 코일 4, 5: 바이어스 자석

6: 단열재 20: 파워 앰프

30: 오실로스코프 40: 컴퓨터

Claims (2)

1. 배관의 표면에 부착되는 강자성체 스트립;

   상기 스트립이 위치하는 면의 외부에 감기는 코일;

   상기 코일 외부에 이격되어 배치되어 상기 스트립 면에 평행한 방향으로 상기 스트립을 통과하는 바이어스 자기장을 형성하는 두 개의 자석;

   상기 코일에 전류를 공급하는 전원; 및

   상기 전원으로부터 상기 코일에 전류가 공급됨에 따라 자기변형 효과에 의해 상기 강자성체 스트립이 변형을 일으키고, 상기 강자성체 스트립의 변형에 따라 상기 배관에 굽힘 진동이 발생하며, 굽힘 진동으로 인해 상기 강자성체 스트립에 스트레인이 발생하고, 이 스트레인에 의해 역자기변형 효과에 따라 상기 코일 양단에 걸리는 전압에 변화가 발생되는 것을 측정하는 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 굽힘 진동 측정 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 자기장 측정부는,

   상기 코일 양단의 전압의 변화 신호를 받아들여 증폭하는 증폭기;

   상기 증폭기에서 증폭된 신호를 받아들여 시간에 따른 신호의 변화를 표시하는 오실로스코프; 및

   상기 오실로스코프에서 표시되는 데이터를 디지털 신호로 입력받아 데이터를 처리하는 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 굽힘 진동 측정 장치.