KR20120016703A - 대형 복합재 구조물에서의 손상위치 표정 방법 및 그 장치 - Google Patents

대형 복합재 구조물에서의 손상위치 표정 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력발전기에 사용되는 블레이드의 손상위치를 추적하기 위한 풍력블레이드 손상위치 표정(source location) 방법에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 탄성파의 에너지 값을 기초로 작성된 감쇠지도를 이용하여 결함을 검출함으로써 대형 복합재료 구조물에서도 정확하게 손상위치 표정이 가능한 풍력블레이드의 손상위치 표정 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
본 발명에서 제공하는 풍력블레이드의 손상위치 표정 방법은 종래 기술과는 달리 두 재료 이상을 사용하는 대형 복합재료 구조물에서도 정확한 손상위치 표정이 가능하며, AE센서의 숫자에서도 종래의 기술에 비해 적게 사용할 수 있다는 장점이 있다.

Description

대형 복합재 구조물에서의 손상위치 표정 방법 및 그 장치{Method and Apparatus for locating source of damage in large composite material structure}
본 발명은 풍력발전기에 사용되는 블레이드의 손상위치를 추적하기 위한 풍력블레이드 손상위치 표정(damage source location) 방법에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 탄성파의 에너지를 기초로 작성된 감쇠지도를 이용하여 결함을 검출함으로써 대형 복합재료 구조물에서도 정확하게 손상위치 표정이 가능한 대형 복합재 구조물에서의 손상위치 표정 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
풍력에너지는 태양력 에너지와 함께 신재생 에너지 분야에서 가장 많은 점유율을 가지는 발전 분야로서 대용량 및 해상풍력분야로 영역이 넓어지면서 점차 블레이드(3)가 대형화 되어 가고 있으며, 이로 인해 블레이드(3)의 건전성 모니터링의 필요성이 대두되고 있다.
도 1에 통상의 풍력발전기(1)를 도시하였다. 풍력발전기는 풍속이 어느 정도 유지되는 산지나 해상에 설치되어 바람에 의해 전기를 생산하는 장치로, 타워(2)의 단부에 너셀(4)을 회전제어 가능하도록 설치하고 너셀(4)의 회전축(6)에는 풍력블레이드(3)를 복수로 설치하게 된다. 너셀(4)의 내부에는 회전축(6)에 감속기(미도시)를 개재하여 발전기(미도시)가 장착되는데, 풍력에 의해 블레이드(3)가 회전하면서 발전기가 전기를 생산하도록 되어 있다.
풍력블레이드(3)가 높은 발전 용량을 갖기 위해서는 대형화가 필수적으로 요구된다. 일례로 750kW급의 경우 블레이드(3) 하나의 길이는 25m가 되며 3MW가 되면 45m로 급격히 커진다. 블레이드(3)의 대형화는 높은 무게 대 강성비를 요구하는데 업계에서는 대형화에 따른 무게 증가를 효과적으로 감소시키고 강성비를 확보하기 위해 복합소재(composite material)를 적극적으로 사용하고 있다.
복합재료로는 GFRP(glass fiber reinforced plastic)와 PVC/발사우드가 흔히 혼용된다. 풍하중과 자중을 지지하기 위해 웹(shear web)이 위치하는 블레이드(3)의 중앙 부분은 강도가 높은 GFRP를 사용하고, 공기역학적 구조물을 형성하는 나머지 부분은 GFRP 스킨의 내부를 PVC 혹은 발사우드로 채워 넣어 무게를 줄이는 방법을 택하고 있다. 또한, 하중을 특히 많이 받는 블레이드(3) 뿌리(root) 주변부와 하중이 실리지 않는 블레이드(3)의 팁(5) 주위의 재료 두께 또한 차이가 많다.
풍력블레이드(3)의 대형화는 필연적으로 비파괴식의 상시 결함 감시 기술의 개발을 요구한다. 풍력블레이드(3)의 크기와 풍력발전기(1)의 설치 위치의 문제는 해체를 통한 실험실 차원의 유지보수를 원천적으로 불가능하게 하고 있으며, 이와 같은 문제점은 손상으로 인한 블레이드(3) 파괴가 대형사고로 이어질 수 있고 주변에 무리지어 서 있는 다른 풍력발전기(1)까지도 손상을 줄 수 있다는 점에서 심각하게 고려되어야 한다.
풍력블레이드(3)의 손상은 여러 원인에 의해 발생할 수 있다. 풍력블레이드(3)의 제조는 대표적으로 복합소재를 적층하여 몰드에 넣은 후 접착수지를 침투시키는 인퓨전 기법이 사용되는데, 이러한 인퓨전 과정에서 접착수지의 불완전한 침투, 인퓨전 과정으로 완성된 각 부품의 접착과정에서 발생하는 접착제의 탈락으로 손상이 발생할 수 있다. 또한, 거대한 구조물을 실제 설치 장소까지 운반하는 과정에서 외부의 충격으로 인해 손상이 발생할 가능성도 있다. 이러한 결함 외에 실제 운전 중의 급격한 풍하중의 변화에 따른 복합소재의 박리, 외부 물체의 충돌에 의한 크랙(crack), 낙뢰 및 우박, 태풍 등 자연 재해에 의한 손상 또한 가능하다.
음향방출 위치 표정 기술은 압력용기, 교량, 콘크리트 구조물의 손상 발생 경향을 측정하기 위해 고안된 것으로 다수의 센서를 사용하여 재료를 통해 전파되는 탄성파를 측정하고 센서의 위치와 탄성파의 도달시간차를 이용하여 손상위치를 찾는 기술이다. 따라서, 최근 풍력블레이드(3)에 비파괴 검사 기술을 적용하는 시도가 있다.
도 2에 종래의 음향방출을 이용한 손상위치 표정 방법을 예시하였다. 종래 방법은 감시대상 구조물 중 손상이 예상되는 지역을 둘러싸고 복수개의 AE(Acoustic Emission)센서(s1, s2, s3, s4)를 설치하고 AE(Acoustic Emission)신호를 검출한 후, 신호분석장비(C)로 증폭하여 그 신호를 분석함으로써 개략적인 손상(crack) 발생 위치를 찾아낸다.
그러나 이와 같은 종래 기술은 AE센서(s1, s2, s3, s4)에 탄성파가 도달하기까지의 시간차를 이용하고 있어 동일 재질의 등방성 재료에 대해서는 만족할 만한 결과를 보여주지만, 복합재료를 사용하는 대형 풍력블레이드(3) 등에 대해서는 재질의 변화 및 탄성파 방향에 따른 탄성파 전파속도가 상이함으로 인해 큰 오차를 갖게 된다. 즉, 탄성파 전파 속도를 결정짓는 재료의 물성치가 크게 변하면서 2가지 이상의 복합재로 구성된 구조물에는 손상위치 추적이 적합하지 않다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 복합재료로 된 대형 복합재 구조물(예를 들면 풍력블레이드(30))을 대상으로도 높은 정확도로 손상위치를 쉽게 찾아낼 수 있는 음향방출을 이용한 손상위치 표정 방법 및 그에 관한 장치를 제공하고자 하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 음향방출을 이용하여 비파괴식으로 손상위치를 표정하기 위해 감쇠지도를 구축하는 방법에 있어서, 표정의 대상이 되는 부분 내에 적어도 2개 이상의 AE센서(200)를 부착시키는 제1단계; 표정의 대상이 되는 구조물에 시험위치(910)를 생성하는 제2단계; 시험위치(910)마다 탄성파를 인가하는 제3단계; 각각의 AE센서(200)로 AE신호를 측정하는 제4단계; 측정된 AE신호를 시간 또는 주파수 변환후 에너지값으로 변환하는 제5단계; 및 변환된 에너지 값을 시험위치(910)에 대한 정보 파라미터로 데이터베이스화하는 제6단계를 포함하는 것이 특징인 음향방출을 이용하여 손상위치를 표정하기 위해 감쇠지도를 구축하는 방법을 제공한다.
여기서, 상기 제2단계는 AE센서(200)를 이용하여 격자형으로 구획하는 제2-1단계; 각 격자의 교차점을 시험위치(910)로 선정하는 제2-2단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2단계는 AE센서(200)를 이용하여 격자형으로 구획하고 상기 제6단계에서는 상기 격자의 교차점 좌표를 기초로 변환된 에너지 값을 데이터베이스화하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제6단계 이후에 데이터베이스화된 에너지 값 데이터의 수를 확장하여 다시 데이터베이스화하는 제7단계를 포함하는 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 제7단계의 데이터 확장은 시험위치(910) 사이를 복수의 간격으로 나누고, 시험위치(910)에서의 에너지 값을 기초로 보간하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 제3단계에서 시험위치(910)에 인가되는 탄성파의 크기를 바꾸며 인가하고 제6단계에서는 탄성파의 크기에 따른 데이터베이스인 것이 유리하다.
본 발명의 다른 일 측면으로서, 본 발명은 음향방출을 이용하여 비파괴식으로 손상위치를 표정하는 방법에 있어서, 표정의 대상이 되는 구조물의 시험위치(910)에 탄성파를 인가하여 측정된 에너지 값을 AE센서(200)별 시험위치(910)로 데이터베이스화하는 제1단계; 실제 환경에 적용된 구조물에 복수의 AE센서(200)를 부착하고 음향방출을 모니터링 하는 제2단계; AE신호가 입력되면 그 신호를 에너지 값으로 변환하는 제3단계; 상기 제1단계의 데이터베이스를 호출하여 상기 에너지 값에 대응하는 시험위치(910)를 AE센서(200)별 손상위치 예측 영역으로 추출해 내는 제4단계; 손상위치 예측 영역을 중첩시켜 교차점을 구하고 그 교차점을 손상발생위치로 확정하는 제5단계를 포함하는 것이 특징인 음향방출을 이용하여 손상위치를 표정 방법을 제공한다.
여기서, 상기 제5단계에서 교차점이 구해지지 않는 경우 제3단계의 에너지 값에 오차범위를 주어 새로운 에너지 값으로 한 후 다시 제4단계로 돌아가는 손상예측 영역 확장의 제6단계가 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1단계의 탄성파는 크기를 달리하여 인가되어 각각 데이터베이스화되었고, 상기 제6단계의 손상예측 영역 확장 또한 각각의 데이터베이스별로 이루어져, 최종 손상발생위치는 최소오차범위를 가지는 데이터베이스로부터 결정되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일 측면으로서, 본 발명은 음향방출을 이용하여 비파괴식으로 손상위치를 표정하는 장치에 있어서, 상기 표정 장치는 음향방출신호를 검출하는 AE센서(200); 검출된 AE신호를 분석이 가능한 크기로 증폭시키는 증폭유닛(300); 증폭된 AE신호를 처리하는 신호처리기(400); 신호처리된 AE신호를 유선 또는 무선으로 발신하는 발신모듈(500); 발신모듈(500)로부터의 AE신호를 수신 받아 신호분석유닛(800)에 전달하는 수신모듈(700); 및 수신모듈(700)로부터 AE신호를 전달받아 손상위치를 표정해 내는 신호분석유닛(800)을 포함하는 것이 특징인 음향방출을 이용하여 비파괴식으로 손상위치를 표정하는 장치를 제공한다.
또한, 상기 발신모듈(500)에는 AE신호를 무선으로 발신하기 위한 발신안테나(510)가 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수신모듈(700)에는 AE신호를 무선으로 수신하기 위한 수신안테나(710)가 포함되는 것이 유리하다.
본 발명은 또 다른 일 측면으로서, 본 발명은 음향방출을 이용하여 비파괴식으로 손상위치를 표정하는 방법에 있어서, 표정의 대상이 되는 부분 내에 적어도 2개 이상의 AE센서(200)를 부착시키는 제1단계; 표정의 대상이 되는 구조물에 시험위치(910)를 생성하는 제2단계; 시험위치(910)마다 탄성파를 인가하는 제3단계; 각각의 AE센서(200)로 AE신호를 측정하는 제4단계; 측정된 AE신호를 시간 또는 주파수 변환후 에너지 값으로 변환하는 제5단계; 및 변환된 에너지 값을 시험위치(910)에 대한 정보 파라미터로 데이터베이스화하는 제6단계; 실제 환경에 적용된 구조물에 복수의 AE센서(200)를 부착하고 음향방출을 모니터링 하는 제7단계; AE신호가 입력되면 그 신호를 에너지 값으로 변환하는 제8단계; 상기 제6단계의 데이터베이스를 호출하여 상기 제8단계의 에너지 값에 대응하는 AE센서(200)별 손상위치 예측 영역으로 추출해 내는 제9단계; 손상위치 예측 영역을 중첩시켜 교차점을 구하고 그 교차점을 손상발생위치로 확정하는 제10단계를 포함하는 것이 특징인 음향방출을 이용하여 손상위치를 표정 방법을 제공한다.
본 발명에서 제공하는 대형 복합재 구조물에서의 손상위치 표정 방법은 종래 기술과는 이종 대형 복합재료 구조물에서도 정확한 손상위치 표정이 가능하다.
또한, 측정영역의 확장도 종래기술에 비해 매우 쉽다는 장점이 있다.
또한, 최소의 AE센서로도 넓은 영역에 대한 정확한 위치 표정이 가능하다.
도 1은 통상의 풍력발전기를 나타내는 사시도
도 2는 종래의 움향방출을 이용한 손상위치 표정 방법을 나타내는 개략도
도 3은 본 발명의 풍력블레이드의 손상위치 표정 장치를 나타내는 개략도
도 4는 본 발명의 에너지 값을 기초로 한 감쇠지도 데이터베이스를 구성하기 위한 샘플 구조물 및 감쇠지도 예시도
도 5는 본 발명의 손상위치 표정 방법의 각 AE센서에서의 감쇠지도를 나타내는 예시도
도 6은 본 발명의 풍력블레이드의 손상위치 표정 방법의 손상위치 결정 기법을 설명하기 위한 예시도
도 7은 본 발명의 풍력블레이드의 손상위치 표정 방법의 손상위치 예측 영역 확장 기법을 설명하기 위한 예시도
도 8은 본 발명의 풍력블레이드의 손상위치 표정 방법의 에너지 값 감쇠지도를 만들기 위한 방법을 설명하는 절차 흐름도
도 9는 본 발명의 풍력블레이드의 손상위치 표정 방법의 손상위치 검출 방법을 설명하기 위한 절차 흐름도
본 발명의 구체적 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 자세히 설명한다. 도 3은 본 발명의 풍력블레이드의 손상위치 표정 장치를 나타내는 개략도이고, 도 4는 본 발명의 에너지 값을 기초로 한 감쇠지도 데이터베이스를 구성하기 위한 샘플 구조물 및 감쇠지도 예시도이며, 도 5는 본 발명의 손상위치 표정 방법의 각 AE센서에서의 감쇠지도를 나타내는 예시도이다. 또한, 도 6은 본 발명의 풍력블레이드의 손상위치 표정 방법의 손상위치 결정 기법을 설명하기 위한 예시도이고, 도 7은 본 발명의 풍력블레이드의 손상위치 표정 방법의 손상위치 예측 영역 확장 기법을 설명하기 위한 예시도이며, 도 8은 본 발명의 풍력블레이드의 손상위치 표정 방법의 에너지 값 감쇠지도를 만들기 위한 방법을 설명하는 절차 흐름도이다. 한편, 도 9는 본 발명의 풍력블레이드의 손상위치 표정 방법의 손상위치 검출 방법을 설명하기 위한 절차 흐름도를 나타낸다.
종래 기술과 다르지 않은 부분으로서 발명의 기술적 사상을 이해하는데 필요하지 않은 사항은 설명에서 제외하나, 본 발명의 기술적 사상과 그 보호범위가 이에 제한되는 것은 아니다.
먼저 도 3을 이용하여 본 발명의 풍력블레이드의 손상위치 표정 장치를 자세히 설명한다.
본 발명의 풍력블레이드의 손상위치 표정 장치는 음향방출신호를 검출하는 AE센서(200); 검출된 AE신호를 분석이 가능한 크기로 증폭시키는 증폭유닛(300); 증폭된 AE신호를 처리하는 신호처리기(400); 신호처리된 AE신호를 무선으로 발신하는 발신모듈(500); 발신모듈(500)로부터의 AE신호를 수신 받아 신호분석유닛(800)에 전달하는 수신모듈(700); 및 수신모듈(700)로부터 AE신호를 전달받아 손상위치를 표정해 내는 신호분석유닛(800)을 포함한다.
AE센서(200)는 고체 내부 등에 국부적으로 형성되어 있던 변형에너지가 급격히 방출될 때 발생하는 응력파로부터의 음향방출신호를 수신하는 센서로서, 통상적으로 전처리증폭기(310)와 메인증폭기(320)를 구비한다. AE센서(200)로는 압전소자(piezoelectric sensor)로 구성하는 것이 바람직하다.
AE센서(200)의 설치는 구조물 측정에 가장 최적화된 기법을 기본적으로 선택하되 그 일례는 다음과 같다. 즉, 풍력블레이드(3)의 중심을 가르는 일직선을 선택하여 일정 간격을 두고 AE센서(200)를 설치하거나, 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이 풍력블레이드(3)의 관심 영역을 임의의 사각형태로 나누어 AE센서(200)를 설치하는 것이다.
전처리증폭기(310)는 AE센서(200)별로 각각 하나씩 설치되는 것으로 고역통과필터(high pass filter)와 저역통과필터(low pass filter)로 되거나 이들 간의 조합에 의한 대역통과필터(band pass filter)로 된다.
메인증폭기(320)는 저주파 및 고주파 신호 처리를 위한 필터를 구비하고 전처리증폭기(310)들로부터 증폭된 AE신호를 받아 처리하여 실시간으로 아날로그 신호를 출력한다.
신호처리기(400)는 메인증폭기(320)로부터 전달되는 실시간 AE신호를 잡음을 제거하거나 해석 및 연산하는 등 적절히 처리하여 발신모듈(500)로 전달한다.
발신모듈(500)은 AE센서(200)들로부터의 신호를 모아 원거리에 위치하는 신호분석유닛(800)에 무선으로 전송하는 역할을 한다. 이를 위해 발신모듈(500)에는 발신안테나(510)가 구비된다. 풍력발전기(1)는 해상에 설치되는 경우도 많고 풍력블레이드(3)는 통상 높은 고도에서 풍력에 의해 회전하므로 AE신호를 획득하기 위해 직접 유선으로 연결될 수는 없다. 따라서 본 발명에서는 무선으로 신호를 전송하는 발신모듈(500)을 도입하였다.
한편, 본 발명의 풍력블레이드의 손상위치 표정 장치에는 신호처리기(400)와 발신모듈(500) 및 증폭유닛(300)을 구동시키기 위한 별도의 전원(600)이 더 포함된다. 상기 전원(600)을 포함하여 AE센서(200), 증폭유닛(300), 신호처리기(400), 및 발신모듈(500)은 풍력블레이드(3)의 내측 공간부에 장착되거나 재료 내부에 삽입된다.
풍력발전기(도 1의 1)와 떨어진 원거리 사이트에는 신호분석유닛(800)이 위치한다. 신호분석유닛(800)에는 발신모듈(500)이 보내는 디지털화된 AE신호를 수신하기 위한 수신모듈(700)을 포함된다. 수신모듈(700)은 수신안테나(710)을 포함한다. 신호분석유닛(800)은 측정된 AE신호를 이용하여 AE센서(200)별로 에너지 값을 기초로 감쇠지도(contour map)를 작성하여 데이터베이스로 저장할 뿐만 아니라, 실제 결함으로부터 발생하는 탄성파를 감지하는 경우 AE센서(200)별 감쇠지도를 이용하여 손상위치를 판정해 낸다. 감쇠지도 작성 기법 및 손상위치 표정 기법은 다음에서 자세히 설명한다.
다음으로 도 4, 도 5 및 도 8을 이용하여 본 발명의 풍력블레이드의 손상위치 표정 방법 중 탄성에너지를 기초로 한 AE센서(200)별 감쇠지도 작성과 이를 이용한 데이터베이스의 형성 방법을 자세히 설명한다.
AE센서(200)별 감쇠지도 작성이란 손상위치를 표정하기 위한 대상물을 실제적으로 운용하기에 앞서, 실험실 상황에서 대상물에 테스트용 탄성파를 인가하고 그 탄성파에 따른 AE신호를 기반으로 미리 탄성에너지의 전달 양상을 기록해 테이블로 작성하는 것을 말한다. 풍력블레이드(3)로 예를 들자면, 도 3에 기재된 것과 같이 풍력블레이드(3)의 일부를 대상으로 손상발생을 감시하고 손상위치를 찾고자 하는 경우, 풍력발전기(1)에 설치하여 운용하기에 앞서 실험실에서 감시 대상이 되는 부분을 도 4와 같이 여러 개의 점으로 구획하여 테스트용 탄성파를 인가하고 AE센서(200)별로 도 4의 (b)와 같은 감쇠지도를 작성하는 것을 말한다.
감쇠지도 데이터베이스는 대상물이 가장 건전한 시점에서 제작하는 것을 기본으로 하되, 이미 운용 중인 대상물이라면 데이터베이스를 만들기 시작하는 시점을 가장 건전한 상태로 가정한다.
감쇠지도 데이터베이스를 형성하기 위해서는 먼저 대상물의 측정에 적합한 AE센서(200) 위치를 선정하고 센서를 설치하게 된다. 그 후 도 4의 (a)와 같이 대상이 되는 구조물 표면(즉, 시편)(900) 위에 일정한 간격으로 정방형 행렬을 가상으로 그려 그 교점을 시험위치(910)로 정하고 그 점에 일정 크기의 에너지를 갖는 탄성파를 발생시켜 AE센서(200)로 측정한다. 각 센서별로 측정된 하나의 AE신호는 신호처리기(400) 또는 신호분석유닛(800)에서 적분을 통해 그 시험위치(910)를 대표하는 하나의 에너지 값으로 결정된다.
모든 행렬 상의 시험위치(910)별로 탄성파 인가에 따른 탄성에너지의 측정이 완료되면 구조물 전체를 포함하는 행렬이 완성된다. 도 4의 (b)에는 No,2(두 번째 센서에서 측정된 AE신호를 바탕으로 시간 또는 주파수 변환 후 에너지 값으로 변환된 값으로 작성된 행렬)를 도시하였다. 도 4의(b)가 도시하는 시험위치별 에너지 값은 AE신호의 에너지 값이기 때문에 문턱값과 신호전파과정에서 감쇠의 영향에 대한 모드 변화에 영향을 받지 않는다는 장점을 갖는다.
AE센서(200)별 감쇠지도 데이터베이스는 측정된 탄성파의 음향방출 신호의 이벤트의 에너지값을 행렬 형태로 저장한다. 즉, 특정한 하나의 시험위치에서 발생된 탄성파는 전파과정을 통하여 센서에 도달하게 되며, 전파과정에 의해 특성이 변하는 탄성파는 에너지 값으로 신호처리 되어 행렬에 원소로서 저장된다. 각 시험위치(900)의 좌표 (x, y) 값은 (m, n)의 원소값으로 환원된다. 이를 반복하여 에너지 값을 가지는 행렬 No이 완성되는데 이것이 앞으로 생성될 데이터베이스의 기본이 된다. No 행렬은 측정에 사용된 AE센서(200)의 개수만큼 생성된다.
본 발명의 풍력블레이드 손상위치 표정 방법에서는 데이터베이스의 (m, n) 위치가 손상위치 표정 결과로 나타나게 되므로 No를 보간 과정을 거쳐 데이터 양을 측정한 데이터보다 많게 확장하였다. 보간 작업은 손상위치 표정 결과의 정확성을 높이기 위한 것이다. No를 보간 작업을 통해 데이터의 양이 k배 많아진 N 행렬을 만든다. 보간에 의해 확장되는 비율 k는 시험위치(910) 간의 거리에 따라 최적의 비율로 결정해야 하며 이는 이후에 데이터베이스의 검증을 위한 손상위치 표정 시험에서 비교를 통해 결정하면 된다. 도 4의 (c)는 보간에 의한 측정데이터의 확장으로 형성된 두 번째 AE센서(200)에 해당하는 행렬, N2를 도시한다. 도 4b의 원래 측정데이터 행렬 No보다 데이터 분포가 훨씬 더 부드러워진 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 확장된 감쇠지도는 각 AE센서(200)별로 마련되는데 도 5에 그 예를 도시하였다. 그림에서 확인할 수 있듯이 각 AE센서(200)별로 전혀 다른 양상으로 탄성에너지 분포가 도출되는데 이는 각 AE센서(200)가 위치한 지점까지의 매질의 종류가 달라짐으로 인해서 발생하는 것으로 역설적으로 종래의 음향방출을 이용한 손상위치 탐상 기법의 부정확할 수밖에 없다는 점을 입증하고 있다.
한편, 풍력블레이드(도 3의 3)에서 발생할 수 있는 손상의 종류는 매우 다양하며 그 탄성에너지의 크기의 스펙트럼도 매우 광범위하므로 하나의 탄성에너지 크기로 작성된 한 그룹의 N 데이터베이스로는 정확한 손상위치 표정이 쉽지 않다. 즉, 조류의 충돌을 예상하고 그에 적합한 크기의 탄성파를 시험위치에 인가하여 작성된 감쇠지도 데이터베이스를 갖고 태풍에 기인하는 풍력블레이드(3)의 비틀림 손상위치를 검출할 수 없는 이치와 같다.
이를 해결하기 위해 본 발명에서는 탄성파의 크기를 변경하면서 다수 그룹의 N 데이터베이스를 구성하는 방법을 도입하였다. 도 8에 도시한 바와 같이 시험위치(910)별로 하나의 탄성파 크기로 인가하여 N 행렬 그룹을 형성한 후에는 탄성파의 크기를 바꾸어 또 다른 N 행렬 그룹을 형성하게 된다. 크기에 따른 다수의 Ng (여기서 g는 테스트용 탄성파 에너지 크기에 따른 그룹이다) 중 손상위치 표정에서 적용 가능한 그룹의 판정은 손상위치 표정 알고리즘에서 수행된다.
이렇게 구성된 탄성파 에너지의 크기별 감쇠지도 데이터베이스, Ng는 텍스트 기반의 파일 형식으로 도 3의 신호분석유닛(800) 내에 저장하여 데이터로 읽기 쉽도록 하고 다른 프로그램에서도 내용의 확인 및 접근이 가능하도록 한다.
다음으로 도 6, 도 7 및 도 9를 이용하여 본 발명의 풍력블레이드의 손상위치 표정 방법을 자세히 설명한다.
손상위치 표정을 위한 알고리즘은 부분적으로 감쇠지도의 데이터베이스를 구축하는 것과 매우 유사하다. 데이터베이스의 구축 과정을 역순으로 수행하면 손상위치의 표정이 가능하다.
도 3에 도시한 바와 같이 손상이 발생할 가능성이 높거나 손상이 발생하는 경우 치명적인 부위에 AE센서(200)를 설치하고 손상에 의한 음향방출이 있는지 모니터링을 한다. AE센서(200)의 설치 위치는 감쇠지도의 데이터베이스 형성을 하는 과정에서 부착된 위치와 AE센서(200)의 위치와 일치하여야 한다. 모니터링 중에 손상에 의한 탄성파가 발생하여 에너지가 AE센서(200)에 의해 측정되면 측정된 AE신호를 데이터베이스 구축과정과 동일한 방법으로 신호처리하여 에너지 값(Eo)으로 변환한다.
다음으로 분석에 적합한 AE센서(200)를 선택한다. 풍력블레이드(3)의 경우 한쪽으로 길이가 매우 길기 때문에 임의 부위에 손상이 발생했을 때 구조물 전체에 배치된 센서를 모두 사용하여 분석하는 것은 비효율적이다. 따라서 손상과 충분히 근접해 있는 AE센서(200)만을 선별하여 표정에 사용하는 것이 정확도를 높이는데 유리하다. 임의의 AE신호 발생시 사용되어질 AE센서(200)는 각 센서별로 측정되는 탄성에너지를 비교하여 가장 크게 측정된 센서들을 선택하거나 크기가 가장 큰 센서로 구성할 수 있는 사각형의 영역을 이루는 센서를 선택하여 손상위치의 표정을 실시한다.
표정에 사용할 AE센서(200)가 선정되면 그에 해당하는 감쇠지도 데이터베이스 N을 추출한다. 다음으로 N에 저장되어 있는 탄성에너지 값들 중 상기 Eo와 같은 값을 갖는 (m, n) 좌표를 추출하여 손상예측지역, L를 확정한다. AE센서(200)별로 별도의 감쇠지도를 데이터베이스로 가지고 있으므로 손상예측지역, L도 AE센서(200)별로 확정된다.
이와 같은 과정을 AE센서(200)별로 반복하면 각각 센서에 대한 손상예측지역이 모두 결정된다. 이 손상예측지역을 그룹별로 오버레이(겹치기) 하여 AE센서(200) 모두의 후보지역이 만나는 곳이 바로 손상이 발생한 지역 (x,y)가 된다.
도 6에 이 과정에서 도출되는 손상예측지역과 손상발생지역을 도시하였다. 도 6의 (a) 내지 (d)는 특정 AE센서(200)별의 N으로서 손상에 의해 발생한 탄성에너지 Eo를 이용하여 N에 저장된 값으로부터 손상발생 예측영역(920,930,940,950)을 찾은 것을 나타낸다. 각 손상발생 예측영역(920,930,940,950)들이 실제 풍력블레이드(3)의 상의 (x, y) 좌표값들을 나타내므로 이렇게 찾아진 손상발생지역도 실제 좌표값을 의미하게 된다.
감쇠지도의 데이터베이스를 구축하는 과정에서 시험위치(910) 이외의 지역은 모두 보간을 통해 가상의 데이터로 채워져 있으므로 측정된 손상 신호의 에너지 값, Eo에 해당하는 L는 중첩을 하더라도 만나지 않을 가능성이 있다. 따라서 높은 신뢰도를 보장하기 위해 Eo에 일정한 오차범위를 적용한 E값을 이용하여 손상예측지역을 넓힐 필요가 있다. 여러 가지 E값을 이용하여 구해진 L은 더 넓은 범위를 가지게 되어 다른 AE센서(200) 들로부터의 손상예측지역들과 겹칠 가능성이 높아지므로 손상위치를 찾는데 더욱 유리해 진다. 오차범위를 점차 증가시켜 모든 AE센서(200)의 L이 가장 먼저 중첩되는 위치가 손상발생지역으로 확정된다.
도 7에 오차범위를 적용하여 구한 Eo값을 나타내는 손상예측 영역(920)의 일례를 도시하였다. 오차범위를 늘려 가면 늘려갈수록 손상발생후보지역(980)이 점점 더 넓어져 가는 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 감쇠지도의 데이터베이스를 구축할 때 시험위치(도 4의 910)에서 탄성파의 에너지 크기를 다양하게 변화시키며 데이터를 획득하였는바, 어떤 탄성에너지로 테스트한 감쇠지도 데이터베이스 그룹을 사용할 것인가는 상기에서 설명한 오차범위의 크기로 정할 수 있다.
즉, 각 탄성파의 에너지 크기별로 구축된 데이터베이스를 선택하여 손상발생지역을 확정하는 과정에서 오차범위를 증가시켜 가는데 그 중 가장 작은 오차범위로 손상발생지역이 확정되는 탄성파 에너지가 적합한 데이터베이스에 해당하는 것으로 볼 수 있다. 이와 같은 알고리즘은 본 발명의 신호분석유닛(800)에 탑재되어 적절하게 활용된다.
본 발명의 풍력블레이드 손상위치 표정 방법 및 장치는 종래의 추적기법과 방법론적으로 크게 달라지지 않으면서도 정확도가 높다는 장점이 있다. 따라서 기존의 측정장비를 그대로 활용하면서도 소프트웨어만 변경하여 구현이 가능하다는 장점을 갖는다.
다음으로 본 발명의 풍력블레이드 손상위치 표정 방법의 장점을 설명하기 위해 실물에 적용하여 구한 실제 데이터를 제시한다.
테스트용 구조물은 풍력블레이드(3)의 일부를 절단한 형상으로 실물과 같은 제작 방법으로 복합재료로 제작하였으며 그 크기는 (길이, 폭, 높이)가 (1500 mm, 1000 mm, 160mm)이다. AE센서(200)로는 비교적 저주파 대역에 속하는 30kHz 대의 PAC의 R3I 4개를 사용하였으며 시편 전영역을 측정할 수 있도록 네 구석에 배치하였다. 좀 더 구체적으로 각 센서의 위치는 (0, 100), (0, 700), (1500, 100) 및 (1500, 700)이다.
테스트용 탄성파를 인가하기 위한 시험위치(910)는 가로, 세로 100mm의 간격으로 144개를 선정하였다. 각각의 위치에서 탄성파의 크기를 3개로 변경하면서 감쇠지도 데이터베이스를 구축하였다.
다음 표는 본 발명의 풍력블레이드의 손상위치 표정 방법에 의해 도출된 손상발생지역을 실제 발생한 지역과 대비하여 도시한 것이다. 본 발명의 장점을 강조하기 위해 종래의 음향방출을 이용한 손상위치 표정 방법과 비교하였다. 종래의 표정 방법은 탄성파의 전파속도를 입력할 필요가 있는바 재료의 불균일로 특정하기 용이하지 않아 3개의 속도를 달리하며 측정하여 그 결과를 모두 표시하였다.
<표 1> 본 발명과 종래 기법과의 손상위치 표정 오차 비교
Figure pat00001

비교 시험결과 본 발명의 손상위치 표정 방법은 종래의 기법에 비해 더 높은 정확도를 보여주고 있으며, 10가지의 실험에서 모두 손상위치 표정에 성공하였다는 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 중요한 효과 중 하나로 CASE 1 및 CASE 2를 들 수 있는데 4개의 AE센서(200)로 구성되는 영역의 외부에서 발생한 손상에 대하여 종래 기법은 모두 실패하거나 상당히 큰 오차를 보인 반면, 본 발명의 손상위치 표정 방법은 모두 성공하였고 상당히 정확한 결과를 주고 있다는 것을 알 수 있다. 이는 본 발명은 실물 풍력블레이드(3)에 적용 시 센서의 위치와 배열에 구애받지 않고 자유롭게 배치하여 활용할 수 있다는 것을 의미한다.
도 8은 본 발명의 풍력블레이드의 손상위치 표정 방법의 탄성에너지 감쇠지도를 만들기 위한 방법을 설명하는 절차 흐름도이다. 도 8을 참조하면, 시편(도 4 (a)의 900)상에 복수의 AE(Acoustic Emission)센서(200)를 표정의 대상이 되는 부분을 둘러싸도록 부착시키고 표정의 대상이 되는 이 시편(900)의 구조물에 시험위치(910)를 생성한다(단계 S800). 물론, 이 경우 격자형으로 구획하고 각 격자의 교차점을 시험위치(910)를 선정하는 과정이 포함된다. 이를 보여주는 도면이 도 4a에 도시된다.
시험위치(910)가 생성되면 시험위치(910)마다 탄성파를 인가한다(단계 S810).
탄성파 인가는 AE센서(200)를 이용할 수도 있고 탄성파를 인가하는 다른 탄성파 발생 수단을 사용하는 것도 가능하다.
탄성파가 인가되면 각각의 AE센서(200)가 AE신호를 측정한다(단계 S820).
물론, 이 단계에서 모든 시험 위치(910)로부터 AE신호가 다 측정되는 지를 확인하는 과정이 있게 된다(단계 S830). 부연하면, 모든 시험 위치(910)로부터 AE 신호가 제대로 측정되는 지를 확인한다.
확인 결과, AE신호의 측정이 제대로 되지 않으면, 시험 위치(910)를 변경시켜 다시 탄성파를 인가하게 된다(단계 S831). 물론, 이 경우 단계 S810부터 단계 S830이 다시 진행된다.
이와 달리, 확인결과, AE신호의 측정이 제대로 이루어지면, AE신호를 처리한 후, 측정 데이터를 확장하게 된다(단계 S840, S850). 여기서, AE신호처리는 시간 또는 주파수 변환 후 에너지 값을 구하는 과정이다. 예를 들면, FFT(Fast Fourier transform)를 이용하여 power spectrum으로 변환하는 것을 들 수 있다.
또한, 이 경우, 시험위치(도 4의 (a)의 910) 사이를 복수 간격으로 나누고, 이 시험위치(910)에서의 탄성 에너지값을 기초로 보간하여 확정한다.
변환된 탄성 에너지를 각 시험위치(910)에 대한 정보 파라미터로 데이터베이스화하여 저장하게 된다(단계 S860).
물론, 표본적으로 선택된 에너지 크기가 다른 다수의 탄성파에 대한 데이터베이스화가 되었는지를 판단하는 과정이 있게 된다(단계 S870). 부연하면 각 시험위치(910)에 대한 정보를 파라미터로 하여 데이터베이스화하게 되는데 모든 탄성파에 대한 데이터베이스화가 진행되었는지를 확인하게 된다. 부연하면, 탄성파의 세기를 10, 101, 102, 203, 204, 105 (J) 별로 인가하면 이들 탄성파의 세기별로 각각 5개의 그룹으로 데이터베이스를 구축하는 것을 들 수 있다.
확인 결과, 이들 탄성파에 대하여 데이터베이스화가 이루어지지 않으면 탄성파의 종류를 변경하고 탄성파를 인가하는 과정을 다시 진행하게 된다(단계 S871).
또한, 탄성파의 크기를 바꾸어 인가하는 것도 가능하다.
이와 달리, 단계 S870에서, 모든 탄성파에 대한 데이터베이스화가 완료되었다면 음향 방출을 이용하여 손상위치를 표정하기 위한 감쇠지도가 구축된다.
물론, 데이터베이스화된 탄성 에너지 데이터의 수를 확장하여 다시 데이터베이스화하는 단계를 추가로 더 구성할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 풍력블레이드의 손상위치 표정 방법의 손상위치 검출 방법을 설명하기 위한 절차 흐름도이다. 즉, 도 9는, 도 8에서 기술한 데이터베이스화에 의해 데이터를 이용하여 풍력블레이드의 손상위치 표정 방법을 수행하는 단계를 설명한다.
도 9를 참조하면, 실제 환경에 적용된 구조물에 복수의 AE센서(200)를 부착하고 음향방출을 모니터링 하게 된다(단계 S900).
이 모니터링 과정에서 손상에 의한 탄성파 신호 발생이 있었는지를 확인하게 된다(단계 S910). 즉, AE신호가 입력되었는지를 확인하는 과정이다.
AE신호가 입력되지 않으면 음향방출 모니터링이 진행된다.
이와 달리, AE신호가 입력되면 그 AE신호를 에너지 값으로 변환하고, 앞서 생성된 데이터베이스를 호출하여 이 탄성에너지에 대응하는 시험위치(910)를 AE센서(200)별 손상위치 예측 영역으로 추출하게 된다(단계 S920,S930).
예측 영역이 추출되면, 손상위치 예측 영역을 중첩시켜 교차점을 구하고 그 교차점을 손상발생위치로 확정하게 된다(단계 S940).
이때, 확정된 손상발생위치가 확실하게 충분한지를 확인하게 된다(단계 S950). 즉, 단계 S940에서 교차점이 구해졌는지를 확인하게 된다.
확인결과, 충분하지 않으면 변환된 탄성에너지값에 오차범위를 주어 새로운 탄성에너지값으로 변환한 이후 손상예측 영역을 확장하고 다시 생성된 데이터베이스를 호출하여 예측 영역을 추출하게 된다(단계 S951). 이 경우, 단계 S930 내지 단계 S950가 다시 진행된다.
이와 달리, 단계 S950에서 확인결과, 확정된 손상발생위치가 확실하게 되면 손상위치에 대한 위치 표정이 결정된다(단계 S960).
위에서 기술한 본 발명의 실시예는 본 발명의 용이한 이해를 위해 발전기의 풍력 블레이드를 참조하여 설명되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 다른 형태의 대형 복합재 구조물에서도 적용이 가능하다. 이러한 예로서는, 항공기 구조물, 건축 구조물, 요트 구조물 등을 들 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 표정장치 200 : AE센서
300 : 증폭유닛 310 : 전처리증폭기
320 : 메인증폭기 400 : 신호처리기
500 : 발신모듈 510 : 발신안테나
600 : 전원 700 : 수신모듈
710 : 수신안테나 800 : 신호분석유닛
900 : 시편 910 : 시험위치
920,930,940,950 : 손상발생 예측영역

Claims (12)

  1. 음향방출을 이용하여 비파괴식으로 손상위치를 표정하기 위해 감쇠지도를 구축하는 방법에 있어서,
    표정의 대상이 되는 부분 내에 적어도 2개 이상의 AE센서(200)를 부착시키는 제1단계; 표정의 대상이 되는 구조물에 시험위치(910)를 생성하는 제2단계; 시험위치(910)마다 탄성파를 인가하는 제3단계; 각각의 AE센서(200)로 AE신호를 측정하는 제4단계; 측정된 AE신호를 시간 또는 주파수 변환후 에너지값으로 변환하는 제5단계; 및 변환된 에너지 값을 시험위치(910)에 대한 정보를 파라미터로 데이터베이스화하는 제6단계를 포함하는 것이 특징인 음향방출을 이용하여 손상위치를 표정하기 위해 감쇠지도를 구축하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2단계는 AE센서(200)를 이용하여 격자형으로 구획하는 제2-1단계; 각 격자의 교차점을 시험위치(910)로 선정하는 제2-2단계를 포함하는 것이 특징인 음향방출을 이용하여 손상위치를 표정하기 위해 감쇠지도를 구축하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제2단계는 AE센서(200)를 이용하여 격자형으로 구획하고 상기 제6단계에서는 상기 격자의 교차점 좌표를 기초로 변환된 탄성에너지를 데이터베이스화하는 것이 특징인 음향방출을 이용하여 손상위치를 표정하기 위해 감쇠지도를 구축하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제7단계의 데이터 확장은 시험위치(910) 사이를 복수의 간격으로 나누고, 시험위치(910)에서의 에너지 값을 기초로 보간하는 것이 특징인 음향방출을 이용하여 손상위치를 표정하기 위해 감쇠지도를 구축하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3단계에서 시험위치(910)에 인가되는 탄성파의 크기를 바꾸며 인가하고 제6단계에서는 탄성파의 크기에 따른 데이터베이스인 것이 특징인 음향방출을 이용하여 손상위치를 표정하기 위해 감쇠지도를 구축하는 방법.
  6. 음향방출을 이용하여 비파괴식으로 손상위치를 표정하는 방법에 있어서,
    표정의 대상이 되는 구조물의 시험위치(910)에 탄성파를 인가하여 측정된 에너지 값을 AE센서(200)별 시험위치(910)로 데이터베이스화하는 제1단계; 실제 환경에 적용된 구조물에 복수의 AE센서(200)를 부착하고 음향방출을 모니터링 하는 제2단계; AE신호가 입력되면 그 신호를 에너지 값으로 변환하는 제3단계; 상기 제1단계의 데이터베이스를 호출하여 상기 에너지 값에 대응하는 AE센서(200)별 손상위치 예측 영역으로 추출해 내는 제4단계; 손상위치 예측 영역을 중첩시켜 교차점을 구하고 그 교차점을 손상발생위치로 확정하는 제5단계를 포함하는 것이 특징인 음향방출을 이용하여 손상위치를 표정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제5단계에서 교차점이 구해지지 않는 경우 제3단계의 탄성에너지 값에 오차범위를 주어 새로운 에너지 값으로 한 후 다시 제4단계로 돌아가는 손상예측 영역 확장의 제6단계가 포함되는 것이 특징인 음향방출을 이용하여 손상위치를 표정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제1단계의 탄성파는 크기를 달리하여 인가되어 각각 데이터베이스화되었고, 상기 제6단계의 손상예측 영역 확장 또한 탄성파의 크기 데이터베이스별로 이루어져, 최종 손상발생위치는 최소오차범위를 가지는 데이터베이스로부터 결정되는 것이 특징인 음향방출을 이용하여 손상위치를 표정 방법.
  9. 음향방출을 이용하여 비파괴식으로 손상위치를 표정하는 장치에 있어서, 상기 표정 장치는 음향방출신호를 검출하는 AE센서(200); 검출된 AE신호를 분석이 가능한 크기로 증폭시키는 증폭유닛(300); 증폭된 AE신호를 처리하는 신호처리기(400); 신호처리된 AE신호를 유선 또는 무선으로 발신하는 발신모듈(500); 발신모듈(500)로부터의 AE신호를 수신 받아 신호분석유닛(800)에 전달하는 수신모듈(700); 및 수신모듈(700)로부터 AE신호를 전달받아 손상위치를 표정해 내는 신호분석유닛(800)을 포함하는 것이 특징인 음향방출을 이용하여 비파괴식으로 손상위치를 표정하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 발신모듈(500)에는 AE신호를 무선으로 발신하기 위한 발신안테나(510)가 포함되는 것이 특징인 음향방출을 이용하여 비파괴식으로 손상위치를 표정하는 장치
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 수신모듈(700)에는 AE신호를 무선으로 수신하기 위한 수신안테나(710)가 포함되는 것이 특징인 음향방출을 이용하여 비파괴식으로 손상위치를 표정하는 장치
  12. 음향방출을 이용하여 비파괴식으로 손상위치를 표정하는 방법에 있어서,
    표정의 대상이 되는 부분 내에 적어도 2개 이상의 AE센서(200)를 부착시키는 제1단계; 표정의 대상이 되는 구조물에 시험위치(910)를 생성하는 제2단계; 시험위치(910)마다 탄성파를 인가하는 제3단계; 각각의 AE센서(200)로 AE신호를 측정하는 제4단계; 측정된 AE신호를 시간 또는 주파수 변환후 에너지 값으로 변환하는 제5단계; 및 변환된 에너지 값을 시험위치(910)에 대한 정보를 파라미터로 데이터베이스화하는 제6단계; 실제 환경에 적용된 구조물에 복수의 AE센서(200)를 부착하고 음향방출을 모니터링 하는 제7단계; AE신호가 입력되면 그 신호를 에너지 값으로 변환하는 제8단계; 상기 제6단계의 데이터베이스를 호출하여 상기 제8단계의 탄성에너지에 대응하는 AE센서(200)별 손상위치 예측 영역으로 추출해 내는 제9단계; 손상위치 예측 영역을 중첩시켜 교차점을 구하고 그 교차점을 손상발생위치로 확정하는 제10단계를 포함하는 것이 특징인 음향방출을 이용하여 손상위치를 표정 방법.
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