KR20120060449A - 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치 및 그 방법 - Google Patents

초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배관이나 부품의 초기 미세균열을 비파괴적으로 조기 진단할 수 있는 장치 및 기술에 관한 것으로, 더 상세하게는, 압전 초음파 센서를 부품이나 배관에 부착하여 주파수를 변화시키면서 가진하고, 다른 압전 초음파 센서로 수신하여 공명 패턴을 측정하는 장치에 관한 것으로서, 종래의 진단장치는 대부분 결함탐지능이 균열 크기 1mm ~ 0.1mm 정도로써 배관이나 부품 수명의 50 ~ 70% 정도 경과한 이후에 결함이 발견되었던 단점을 해결하기 위해, 본 발명에 따르면, 가진용 압전초음파 센서를 시험체에 부착하여 주파수를 변화시키면서 가진시키고 수신용 압전 초음파 센서를 사용하여 공명 패턴을 측정함으로써, 가진 전압을 변화시키면서 측정되는 시험체의 음향학적 비선형성을 공명주파수의 미시적 천이 특성과 정규화된 공명진폭의 변화를 측정하여 0.01mm(10㎛)급의 초기 미세균열의 존재를 탐지할 수 있는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치 및 그 방법이 제공된다.

Description

초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치 및 그 방법{Apparatus and method for detecting the micro-scale crack using nonlinear characteristics of ultrasonic resonance}
본 발명은 배관이나 부품의 초기 미세균열을 비파괴적으로 조기 진단할 수 있는 미세균열 탐지장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 배관 및 부품에서 발생하는 균열을 탐지하는 한계를 종래의 비파괴 검사기술보다 획기적으로 개선함으로써, 미세한 초기균열까지 조기진단이 가능하도록 구성되는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치 및 그 방법에 관한 것이다.
종래, 배관 및 부품의 결함을 검사하기 위해, 미세균열 탐지장치와 같은 비파괴 검사기술이 이용되고 있다.
이러한 종래의 비파괴 검사장치의 예로서는, 예를 들면, 한국 공개특허 제10-2009-0047274호(2009.05.12. 공개)에 개시된 "배관, 배관의 누수감지 장치, 그를 이용한 시스템 및 동작방법"과 같은 것이 있다.
더 상세하게는, 상기한 공개특허 제10-2009-0047274호의 누수감지 장치는, 종래 기술에 따른 누수감지 구조의 경우 금속선의 저항을 정상적으로 측정하기 위해서는 부식에 의해 금속선이 단선되는 것을 방지하여야 하므로 부식이 거의 이루어지지 않거나 부식 진행 속도가 느린 금속물질이 금속선으로 이용되어야 하나, 금속선은 물을 전해질로 하여 전류가 흘러야 하므로 유출된 물은 최소한 금속선의 양 단에 모두 닿을 정도의 양으로 유출되어야 하며, 이에 따라 그보다 적은 양으로 유출된 경우에는 누수 여부를 전혀 감지할 수 없으며, 실제로 누수를 감지하기까지 상당한 시간이 소요되는 문제점이 있고, 저항값의 차이를 이용해 누수 지점을 추정하더라도 그 위치가 부정확하여 넓은 범위로 매몰된 배관을 파내어야 했던 문제점을 해결하기 위한 것이다.
이를 위해, 공개특허 제10-2009-0047274호는, 이온화경향이 높아 부식이 잘 되는 금속물질을 누수감지선으로 이용함으로써, 미세한 균열에 따른 누수에도 신속하게 이를 감지할 수 있으며, 배관 내에 삽입되는 누수감지선에 소정의 펄스를 전송하고 전송된 펄스의 반사파를 감지하여 배관의 누수 여부를 판단함으로써 배관의 길이에 관계없이 간단하게 누수감지 시스템을 설치할 수 있을 뿐만 아니라, 설치 작업에 소요되는 시간 및 비용이 크게 절감할 수 있는 배관, 배관의 누수감지 장치, 그를 이용한 시스템 및 동작방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 상기한 바와 같은 종래기술의 다른 예로서는, 예를 들면, 한국 등록특허 제10-0950805호(2010.03.25. 등록)에 개시된 바와 같은 "초음파 탐지를 이용한 가공 배전 선로 전력 설비의 불량 개소 검출 시스템 및 방법"이 있다.
즉, 상기한 등록특허 제10-0950805호는, 종래, 배전 선로 순시원을 통해 육안으로 점검하는 배전 선로 순시 방법, 활선 상태에서 활선 버켓 트럭을 타고 활선 배전 설비에 접근하여 육안 및 포크형 현수 애자 분담 전압 측정기를 사용하여 분담전압을 측정하는 활선 기별 점검 방법, 전력 설비에서 열화가 진행될 때 발생되는 열을 측정하여 배전 선로의 고장을 예방하기 위한 열화상 카메라 측정 방법, RFI(RADIO FREQUENCY INTERFERENCE)를 이용한 순시 방법의 문제점을 해결하고자 하는 것이다.
더 상세하게는, 육안에 의한 방법은 전력설비가 지상으로부터 10m 이상의 거리를 두고 있기 때문에 육안으로 설비의 이상을 측정하는 것은 불가능하며, 활선 기별점검 방법은 활선 작업자가 활선 버켓 트럭을 타고 점검을 하기 때문에 가까운 거리의 설비는 육안으로 보는 것은 가능하지만 애자와 애자 사이의 좁은 지역이나 점검자로부터 반대편에 존재하는 미세한 균열 등의 경우에는 점검하는 것이 매우 어렵고, 또한, 활선 기별점검은 점검에 많은 시간이 소요되며 상대적으로 더 많은 비용이 소모되므로 비효율적인 측면이 있으며, 열화상 카메라 측정 방법은 전력 설비에서 열화가 진행될 때 발생되는 열을 측정하여 고장을 예방하는 것이기 때문에 열이 발생되지 않는 설비의 경우에는 적출이 불가능하고, RFI를 이용한 순시 방법은 도심지나 공장이 밀집된 지역 등의 경우에는 주변의 주파수 잡음이 너무나 심하기 때문에 전력 설비에서 나오는 노이즈와 구별이 어렵고 구별한다 하여도 고장 가능성이 있는 설비를 정확하게 구별하는 것이 불가능하며 파형의 분석이 불가능하기 때문에 고장의 유형의 파악이나 정도의 파악이 어렵다는 단점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 상기한 등록특허 제10-0950805호는, 가공 배전 선로 전력 설비의 불량 개소에 발생하는 초음파를 탐지하여 전력 설비의 불량 개소를 효과적으로 검출할 수 있는 가공 배전 선로 전력 설비의 불량 개소 검출 시스템 및 방법을 개시하고 있다.
아울러, 상기한 바와 같은 초음파를 이용한 종래기술의 또 다른 예로서는, 예를 들면, 한국 등록특허 제10-0262912호(2000.05.09. 등록)에 개시된 바와 같은 "공명 원주파와 두께 공명을 이용한 얇은 튜브의 직경의 미세 변화 및 두께 측정 방법과 그 장치"가 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허 제10-0262912호는, 초음파 공명 현상을 이용하여 평균 직경의 미세 변화를 측정하고 두께 공명의 발생 위치 이동을 측정하여 튜브의 평균 직경의 상대적 변화와 튜브 두께를 측정하는 방법과 장치에 관한 것으로, 종래의 방법 및 장치는 초음파 펄스의 도달 시간 차이를 계산하고, 센서 전면에 딜레이재를 부착하여 두께를 측정해야 하므로 측정방법 및 장치구성이 복잡하다는 단점이 있으며, 또한, 시간차를 측정하는 기준점을 정확하게 설정하기 어렵기 때문에 그 두께를 정밀하게 측정하기가 어려웠던 문제를 해결하기 위한 것이다.
이를 위해, 상기한 등록특허 제10-0262912호는, 센서 전면에 딜레이재를 부착하지 않고 피측정물의 두께를 초음파 진행시간이 아닌 두께 공명이 발생하는 공명 주파수를 측정하여 두께를 결정하고, 튜브 직경의 미세 변화는 튜브 주위를 회전하는 공명 원주파를 이용하여 측정하는 방법과 장치를 개시하고 있다.
상기한 바와 같이, 배관 및 부품의 결함을 검사하기 위해 사용되는 비파괴검사 기술에로는 여러 가지가 있으나, 여기에는 다음과 같은 문제점들이 있는 것이었다.
즉, 더 상세하게는, 종래, 배관 및 부품의 결함을 검사하기 위해 사용되는 비파괴검사 기술들은, 일반적으로, 초음파 검사기술의 경우는 결함탐지 한계가 균열크기 0.5 ~ 1mm의 범위이고, 방사선투과 검사기술의 경우는 0.5mm이며, 와전류 검사기술의 경우는 1mm 이하 정도이다.
또한, 배관 및 부품의 수명은 균열의 발생 및 성장, 파괴의 과정으로 결정되는데, 상기한 바와 같이, 현재 널리 사용되고 있는 종래의 비파괴 검사기술로는, 그 균열 탐지의 한계 때문에 이미 사용수명의 50 ~ 70%가 경과한 뒤에서야 결함이 탐지되고 있고, 따라서 결함이 발견된 시점에서 취할 수 있는 수명연장을 위한 조치가 매우 제한적이었던 문제가 있었다.
따라서 상기한 바와 같은 종래의 비파괴 검사기술의 문제점을 해결하여, 균열 탐지의 한계를 개선하여 보다 조기에 결함을 발견하고 조치를 취할 수 있도록 하는 새로운 검사장치 및 검사방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 기존의 초음파 검사기술과는 그 물리적 원리가 전혀 다른 초음파공명을 이용하여 재료의 비선형적 초음파 특성을 측정함으로써, 기존의 비파괴 검사기술의 균열 탐지한계를 훨씬 능가하는 10㎛ ~ 100㎛급의 미세균열을 탐지할 수 있을 뿐만 아니라, 배관 및 부품 수명의 20 ~ 50% 시점에서 균열을 탐지할 수 있도록 하기 위한, 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치 및 그 방법을 제공하고자 하는 것이다.
즉, 본 발명은, 피검체의 비선형 특성인자를 구하기 위해 가진 전압을 변화시키면서 공명주파수의 천이와 정규화된 공명신호의 진폭을 측정하며, 이를 비선형 특성인자로서 초기 미세균열의 상태와 연관지을 수 있는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치 및 그 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 발전소에서 자성체 및 비자성체로 구성되는 배관 또는 각종 부품과 같은 피검체의 초기 미세균열을 탐지하기 위하여 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치에 있어서, 가진 주파수를 변화하면서 초음파 공명 패턴을 측정하기 위해 상기 피검체와 접촉하도록 설치되는 가진용 압전센서와, 상기 가진용 압전센서에 의한 초음파 공명신호를 수신하기 위해 상기 피검체와 접촉하도록 설치되는 수신용 압전센서와, 상기 가진용 압전센서에 교류전압을 공급하기 위해 초음파 주파수에 해당하는 교류전압을 발생시키는 함수발생 및 증폭기와, 상기 수신용 압전센서에서 획득한 초음파 공명신호를 필터링하고 증폭하는 증폭기와, 신호처리를 행하는 신호처리부 및 상기 탐지장치 전체를 제어하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치가 제공된다.
또한, 상기 탐지장치는, 측정된 신호의 정밀도 향상을 위해 상기 탐지장치 전체를 밀폐하도록 구성되는 이중 차폐 시험편 용기와, 온도 변화에 따른 측정신호를 보정하기 위해 상기 피검체와 동일하게 구성되는 모의 시험편 및 온도 변화를 측정하기 위한 온도계를 더 포함하여 구성되고, 그것에 의해, 상기 증폭기에 의해 필터링 및 증폭된 측정신호를 온도 보정 처리하여 상기 피검체의 초기 미세균열을 탐지하고 그 크기를 산출하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 신호처리부는, 가진 전압의 변화에 따른 정규화된 공명신호 패턴을 산출하여 상기 피검체의 초기 미세균열을 탐지하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 탐지장치는, 상기 모의 시험편의 온도를 오차 한계 0.1℃로 측정하고, 이를 표준 측정온도인 25℃에서 측정한 것으로 보정하며, 그것에 의해, 비선형 특성인자의 측정 정확도를 향상시킴으로써, 크기 0.1mm 이하의 초기 미세균열을 탐지할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또, 상기 피검체는, 탄소강 배관재나, 원자력발전소의 배관 또는 부품 재료인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 발전소에서 자성체 및 비자성체로 구성되는 배관 또는 각종 부품과 같은 피검체의 초기 미세균열을 탐지하기 위하여 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지방법에 있어서, 압전센서에 교류전압을 공급하여 상기 피검체를 가진하는 단계와, 상기 압전센서에 의해 상기 피검체에서 발생하는 초음파 공명을 탐지하는 단계와, 상기 피검체에 미세균열이 존재할 경우 가진 전압의 차이에 따른 정규화된 초음파 공명신호 패턴을 중첩시키는 단계와, 상기 중첩된 초음파 공명신호를 온도 보정하여 미세균열의 존재와 그 크기를 산출하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지방법이 제공된다.
여기서, 상기 방법은, 상기 가진 전압의 변화에 따른 공명주파수 천이와 정규화 공명진폭의 변화를 비선형 특성인자로 산출하고, 공명주파수의 천이량을 산출하여 초기 미세균열의 존재 및 그 크기를 평가하는 단계를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 발전소에서 자성체 및 비자성체로 구성되는 배관 또는 각종 부품과 같은 피검체의 초기 미세균열을 탐지하기 위하여 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지방법에 있어서, 상기에 기재된 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치를 이용하여 탐지를 행하는 것을 특징으로 하는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 발전소에서 자성체 및 비자성체로 구성되는 배관 또는 각종 부품과 같은 피검체의 초기 미세균열을 탐지하기 위하여 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치에 있어서, 가진 주파수를 변화하면서 초음파 공명 패턴을 측정하기 위해 상기 피검체와 접촉하도록 설치되는 가진용 압전센서와, 상기 가진용 압전센서에 의한 초음파 공명신호를 수신하기 위해 상기 피검체와 접촉하도록 설치되는 수신용 압전센서와, 상기 가진용 압전센서에 교류전압을 공급하기 위해 초음파 주파수에 해당하는 교류전압을 발생시키는 함수발생 및 증폭기와, 상기 수신용 압전센서에서 획득한 초음파 공명신호를 필터링하고 증폭하는 증폭기와, 신호처리를 행하는 신호처리부와, 상기 탐지장치 전체를 제어하는 제어부와, 측정된 신호의 정밀도 향상을 위해 상기 탐지장치 전체를 밀폐하도록 구성되는 이중 차폐 시험편 용기와, 온도 변화에 따른 측정신호를 보정하기 위해 상기 피검체와 동일하게 구성되는 모의 시험편 및 온도 변화를 측정하기 위한 온도계를 포함하여 구성되고, 그것에 의해, 상기 증폭기에 의해 필터링 및 증폭된 측정신호를 온도 보정 처리하여 상기 피검체의 초기 미세균열을 탐지하고 그 크기를 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치가 제공된다.
여기서, 상기 신호처리부는, 가진 전압의 변화에 따른 정규화된 공명신호 패턴을 산출하여 상기 피검체의 초기 미세균열을 탐지하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탐지장치는, 상기 모의 시험편의 온도를 오차 한계 0.1℃로 측정하고, 이를 표준 측정온도인 25℃에서 측정한 것으로 보정하며, 그것에 의해, 비선형 특성인자의 측정 정확도를 향상시킴으로써, 크기 0.1mm 이하의 초기 미세균열을 탐지할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 피검체는, 탄소강 배관재나, 원자력발전소의 배관 또는 부품 재료인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 발전소에서 자성체 및 비자성체로 구성되는 배관 또는 각종 부품과 같은 피검체의 초기 미세균열을 탐지하기 위하여 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지방법에 있어서, 상기에 기재된 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치를 이용하여 탐지를 행하는 것을 특징으로 하는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지방법이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 가진 전압의 변화에 따른 초음파공명 패턴의 변화를 측정하여 공명주파수 천이 및 정규화 공명진폭의 변화량을 측정하고, 이를 온도 변화에 따른 차이를 보정하여 비선형 특성 인자로 산출함으로써, 균열의 시작 또는 초기 미세균열을 탐지할 수 있으므로 배관 및 부품의 조기 결함 진단에 활용할 수 있으며, 그것에 의해, 배관 및 부품의 수명 연장에 중요한 역할을 할 수 있는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 미세균열을 모사한 시험편의 모습을 개략적으로 나타내는 도면으로, 미세균열의 발생 및 성장을 구현하는 1-1/2 CT 시험편 및 그것에 부착된 압전 초음파 센서를 나타내는 도면이다.
도 3은 시편의 온도보상을 위한 모조시험편 및 온도계를 나타내는 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 탐지방법을 이용하여 측정된 가진 전압 변화에 따른 초음파 공명 신호패턴 측정 사례를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지방법을 이용하여 검출된 시험편의 균열 크기와 정규화된 초음파 공명신호와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 균열 크기와 초음파 공명주파수 천이의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치 및 그 방법의 상세한 내용에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 배관 및 부품에 발생하는 초기 미세균열을 탐지하기 위한 새로운 기술에 관한 것으로서, 가진 주파수를 변화하면서 초음파공명 패턴을 측정할 수 있는데, 이때, 진폭에 따른 초음파 공명 패턴의 변화를 측정하여 공명주파수의 미시적인 천이현상과 정규화된 공명 진폭의 감소현상을 측정함으로써, 초기 미세균열의 발생 및 성장을 진단하는 기술에 관한 것이다.
더 상세하게는, 균열을 탐지하기 위한 종래의 기술들은, 일반적인 체적파 초음파를 이용하여 결함이나 균열에서 반사, 회절하는 펄스 에코 방식이나, 비행시간 측정방식을 이용하고 있고, 또한, 소구경 비자성 배관의 경우에는 와전류 검사법이 사용되고 있으며, 일반적으로 결함 탐지능이 균열 크기 1mm ~ 0.1mm 정도로써, 이러한 정도의 탐지능으로는 배관이나 부품 수명의 50 ~ 70% 정도 경과한 이후에나 결함이 발견되는 경우가 대부분이었다.
따라서 배관이나 부품의 수명을 연장하기 위해서는 현재의 비파괴 검사기술보다 작은 결함을 조기에 진단하기 위한 기술의 개발이 요구되고 있으며, 이를 위해, 본 발명은, 가진용 압전 초음파센서를 시험체에 부착하여 주파수를 변화시키면서 가진시키고, 수신용 압전 초음파센서를 사용하여 공명 패턴을 측정하는 장치를 제안하여, 가진 전압을 변화시키면서 측정되는 시험체의 음향학적 비선형성을 공명주파수의 미시적 천이 특성과 정규화된 공명진폭의 변화를 측정함으로써, 0.01mm(10㎛)급의 초기 미세균열의 존재를 탐지할 수 있도록 하는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치 및 그 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 피검체의 초기 미세균열을 탐지하기 위한 탐지장치는, 압전소자에 주파수 주사를 위한 함수발생기 및 증폭기와, 발생된 교류전압을 초음파 진동으로 변환하는 가진용 압전소자와, 측정된 초음파 진동을 교류전압으로 변환하는 수신용 압전소자와, 수신된 신호를 증폭하기 위한 증폭기 및 이러한 모든 동작을 제어하고 신호처리를 위한 PC 및 아날로그/디지털 변환기를 포함하여 구성된다.
따라서 상기한 바와 같은 구성에 의해, 본 발명은, 가진 전압의 변화에 따른 공명주파수의 천이와 정규화된 공명신호의 진폭을 비선형 특성인자로 결정하고, 이를 초기 미세균열의 발생과 연관지음으로써 초기 미세균열을 탐지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서 도출된 비선형 특성인자인 공명주파수의 천이와 정규화 공명신호의 진폭을 측정할 경우, 균열의 크기가 증가할수록 가진 전압 증가에 따라 상기한 바와 같이 하여 측정된 공명주파수와 정규화 공명진폭에 따라 결함의 크기를 산출할 수 있다.
아울러, 본 발명은, 압전센서를 통하여 획득된 신호를 필터링하는 신호처리를 수행하는 신호처리부를 더 포함하여 결함의 크기를 더욱 정확하게 산출할 수 있다.
또한, 본 발명은, 측정의 정확도를 향상시키기 위해, 피검체와 동일한 모의 시험체의 온도를 오차 한계 0.1℃로 측정하고, 이를 표준 측정온도인 25℃에서 측정한 것으로 보정함으로써, 비선형 특성인자의 측정 정확도를 향상시킬 수 있도록 구성된다.
아울러, 본 발명은, 피검체에 균열이 존재하지 않을 경우, 균열에 의한 비선형 초음파 특성이 나타나지 않고 선형 초음파 특성을 나타내므로, 가진 전압을 변화시키더라도 공명주파수의 천이나 공명 진폭의 변화가 나타나지 않으며, 이는 정규화된 공명신호 패턴을 중첩시킴으로서 알 수 있다.
여기서, 상기한 피검체는 탄소강 배관재 및 원자로 재료일 수 있다.
또한, 피검체의 초기 미세균열을 탐지하기 위한 본 발명에 따른 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지방법은, 압전소자에 교류전원을 공급하여 진동을 생성함으로써 시험편의 공명을 형성하는 단계와, 시험편의 공명을 수신용 압전소자로 수집하여 공명신호 패턴을 획득하는 단계와, 획득된 공명신호 패턴을 가진 전압에 대하여 정규화하고 이를 중첩시키는 단계와, 상기 중첩된 초음파 공명신호를 온도 보정하여 미세균열의 존재와 그 크기를 산출하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명은, 균열이 존재할 경우, 가진 전압의 변화에 따른 공명주파수 천이와 정규화 공명진폭의 변화를 비선형 특성인자로 산출하고, 공명주파수의 천이량을 산출하여 초기 미세균열의 존재 및 그 크기를 평가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
계속해서, 이하, 첨부된 도면을 참조하여, 피검체, 더 구체적으로는 배관 또는 부품의 초기 미세균열을 검사할 수 있는, 본 발명에 따른 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치 및 그 방법의 구체적인 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
또한, 이하의 본 발명에 따른 실시예에 대한 설명에 있어서, 각 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명에 따른 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
즉, 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치(10)는, 발전소에서 자성체 및 비자성체로 구성된 배관 또는 부품의 초기 미세균열을 탐지하는 비파괴검사 장치의 일종으로서, 피검체(12)에 접착된 가진용 압전센서(11)와, 공명신호 수신용 압전센서(13)와, 초음파 주파수에 해당하는 교류전압을 발생시키는 함수발생기 및 증폭기(14)와, 수신된 초음파 공명신호를 필터링하고 증폭하는 증폭기(15)와, 장치 전체를 제어하고 신호처리를 행하는 PC 및 아날로그/디지털 변환기(16)를 포함하여 구성되어 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 도 2는 미세균열을 모사한 시험편(20)의 모습을 개략적으로 나타내는 도면으로, 더 상세하게는, 미세균열의 발생 및 성장을 구현하는 1-1/2 CT 시험편 및 그것에 부착된 압전 초음파 센서를 나타내는 도면으로서, 피검체(12)를 컴팩트 텐션(compact tension) 시험편으로 사용할 경우, 가진용 압전센서(17)와 수신용 압전센서(18)를 시험편에 부착한 상태를 나타내고 있다.
여기서, 미세한 초음파 공명신호의 변화를 정밀하게 측정하기 위해서는 이중 차폐된 시험편 용기에서 측정해야 하며, 특히, 온도 변화에 따른 차이를 보정하기 위해, 도 3에 나타낸 바와 같이, 모의시험편(20)과 온도계(19)를 설치하여 보다 정확한 측정이 이루어지도록 구성한다.
따라서 상기한 바와 같은 구성을 통하여, 가진 전압별로 측정된 공명신호 패턴을 정규화하여 중첩시킴으로써 미세한 공명주파수의 천이와 공명진폭의 변화량을 정밀하게 측정할 수 있다.
또한, 상기한 이중 차폐용기 및 측정오차 0.1℃ 이내의 온도 변화를 보정함으로써, 기존의 방법으로는 불가능하였던 크기 0.1mm 이하의 초기 미세균열을 탐지할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치 및 그 방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. 미세균열 탐지장치 11. 가진용 압전센서
12. 시험편 13. 수신용 압전센서
14. 주파수발진기 및 가진 전압 증폭기 15. 필터 및 수신전압 증폭기
16. 제어용 PC 17: 시험편에 부착된 가진센서
18. 시험편에 부착된 수신센서 19: 온도계
20. 온도보정용 모의시험편

Claims (13)

  1. 발전소에서 자성체 및 비자성체로 구성되는 배관 또는 각종 부품과 같은 피검체의 초기 미세균열을 탐지하기 위하여 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치에 있어서,
    가진 주파수를 변화하면서 초음파 공명 패턴을 측정하기 위해 상기 피검체와 접촉하도록 설치되는 가진용 압전센서와,
    상기 가진용 압전센서에 의한 초음파 공명신호를 수신하기 위해 상기 피검체와 접촉하도록 설치되는 수신용 압전센서와,
    상기 가진용 압전센서에 교류전압을 공급하기 위해 초음파 주파수에 해당하는 교류전압을 발생시키는 함수발생 및 증폭기와,
    상기 수신용 압전센서에서 획득한 초음파 공명신호를 필터링하고 증폭하는 증폭기와,
    신호처리를 행하는 신호처리부 및
    상기 탐지장치 전체를 제어하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탐지장치는,
    측정된 신호의 정밀도 향상을 위해 상기 탐지장치 전체를 밀폐하도록 구성되는 이중 차폐 시험편 용기와,
    온도 변화에 따른 측정신호를 보정하기 위해 상기 피검체와 동일하게 구성되는 모의 시험편 및
    온도 변화를 측정하기 위한 온도계를 더 포함하여 구성되고,
    그것에 의해, 상기 증폭기에 의해 필터링 및 증폭된 측정신호를 온도 보정 처리하여 상기 피검체의 초기 미세균열을 탐지하고 그 크기를 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 신호처리부는,
    가진 전압의 변화에 따른 정규화된 공명신호 패턴을 산출하여 상기 피검체의 초기 미세균열을 탐지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 탐지장치는,
    상기 모의 시험편의 온도를 오차 한계 0.1℃로 측정하고, 이를 표준 측정온도인 25℃에서 측정한 것으로 보정하며,
    그것에 의해, 비선형 특성인자의 측정 정확도를 향상시킴으로써, 크기 0.1mm 이하의 초기 미세균열을 탐지할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 피검체는, 탄소강 배관재나, 원자력발전소의 배관 또는 부품 재료인 것을 특징으로 하는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치.
  6. 발전소에서 자성체 및 비자성체로 구성되는 배관 또는 각종 부품과 같은 피검체의 초기 미세균열을 탐지하기 위하여 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지방법에 있어서,
    압전센서에 교류전압을 공급하여 상기 피검체를 가진하는 단계와,
    상기 압전센서에 의해 상기 피검체에서 발생하는 초음파 공명을 탐지하는 단계와,
    상기 피검체에 미세균열이 존재할 경우 가진 전압의 차이에 따른 정규화된 초음파 공명신호 패턴을 중첩시키는 단계와,
    상기 중첩된 초음파 공명신호를 온도 보정하여 미세균열의 존재와 그 크기를 산출하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 가진 전압의 변화에 따른 공명주파수 천이와 정규화 공명진폭의 변화를 비선형 특성인자로 산출하고, 공명주파수의 천이량을 산출하여 초기 미세균열의 존재 및 그 크기를 평가하는 단계를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지방법.
  8. 발전소에서 자성체 및 비자성체로 구성되는 배관 또는 각종 부품과 같은 피검체의 초기 미세균열을 탐지하기 위하여 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지방법에 있어서,
    청구항 1항 내지 5항에 기재된 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치를 이용하여 탐지를 행하는 것을 특징으로 하는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지방법.
  9. 발전소에서 자성체 및 비자성체로 구성되는 배관 또는 각종 부품과 같은 피검체의 초기 미세균열을 탐지하기 위하여 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치에 있어서,
    가진 주파수를 변화하면서 초음파 공명 패턴을 측정하기 위해 상기 피검체와 접촉하도록 설치되는 가진용 압전센서와,
    상기 가진용 압전센서에 의한 초음파 공명신호를 수신하기 위해 상기 피검체와 접촉하도록 설치되는 수신용 압전센서와,
    상기 가진용 압전센서에 교류전압을 공급하기 위해 초음파 주파수에 해당하는 교류전압을 발생시키는 함수발생 및 증폭기와,
    상기 수신용 압전센서에서 획득한 초음파 공명신호를 필터링하고 증폭하는 증폭기와,
    신호처리를 행하는 신호처리부와,
    상기 탐지장치 전체를 제어하는 제어부와,
    측정된 신호의 정밀도 향상을 위해 상기 탐지장치 전체를 밀폐하도록 구성되는 이중 차폐 시험편 용기와,
    온도 변화에 따른 측정신호를 보정하기 위해 상기 피검체와 동일하게 구성되는 모의 시험편 및
    온도 변화를 측정하기 위한 온도계를 포함하여 구성되고,
    그것에 의해, 상기 증폭기에 의해 필터링 및 증폭된 측정신호를 온도 보정 처리하여 상기 피검체의 초기 미세균열을 탐지하고 그 크기를 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 신호처리부는,
    가진 전압의 변화에 따른 정규화된 공명신호 패턴을 산출하여 상기 피검체의 초기 미세균열을 탐지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 탐지장치는,
    상기 모의 시험편의 온도를 오차 한계 0.1℃로 측정하고, 이를 표준 측정온도인 25℃에서 측정한 것으로 보정하며,
    그것에 의해, 비선형 특성인자의 측정 정확도를 향상시킴으로써, 크기 0.1mm 이하의 초기 미세균열을 탐지할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 피검체는, 탄소강 배관재나, 원자력발전소의 배관 또는 부품 재료인 것을 특징으로 하는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치.
  13. 발전소에서 자성체 및 비자성체로 구성되는 배관 또는 각종 부품과 같은 피검체의 초기 미세균열을 탐지하기 위하여 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지방법에 있어서,
    청구항 9항 내지 12항에 기재된 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지장치를 이용하여 탐지를 행하는 것을 특징으로 하는 초음파공명의 비선형특성을 이용한 미세균열 탐지방법.
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