KR20210072625A - 비파괴검사장비 - Google Patents

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KR20210072625A
KR20210072625A KR1020190163124A KR20190163124A KR20210072625A KR 20210072625 A KR20210072625 A KR 20210072625A KR 1020190163124 A KR1020190163124 A KR 1020190163124A KR 20190163124 A KR20190163124 A KR 20190163124A KR 20210072625 A KR20210072625 A KR 20210072625A
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Abstract

본 발명은 회절파 시간차 분석법을 시행함에 있어서 피검사체를 파괴하지 않고 피검사체 내부에 존재하는 결함의 정확한 위치를 검출할 수 있는 비파괴검사장비이다.

Description

비파괴검사장비{Non-Destructive Testing Device}
본 발명은 회절파 시간차 분석법을 시행함에 있어서 피검사체를 파괴하지 않고 피검사체 내부에 존재하는 결함의 정확한 위치를 검출할 수 있는 비파괴검사장비이다.
종래의 비파괴 결함 검출 기술 중 하나인 펄스 에코 측정법(Pulse Echo Technique)은 피검사체 내부에 존재하는 결함으로부터 반사되어 돌아오는 에너지 크기(Amplitude)에 따라 결함을 검출하는 기술이다. 그러나, 반사 에너지 크기는 반사면의 표면 상태에 의존적이어서 정확한 결함 크기 측정이 어려운 단점이 있었다.
반면, 회절파 시간차 분석법(TOFD: Time Of Flight Diffraction)은 파동의 회절 현상을 이용한 결함 검출 기술로서 기존의 펄스 에코 측정법에 비하여 검사 수행 속도가 10배 이상 빠르며, 검사자가 쉽게 결함을 검출할 수 있으며, 결함의 방향성에 의존하지 않으므로 안정적인 검사 방법으로서 각광받고 있다.
회절파 시간차 분석법은 송신용 탐침기와 수신용 탐침기를 이용하여 피검사체 즉, 매질에 파동을 보내어 피검사체 내부의 불연속부 등의 결함의 위치를 분석하는 기술이다. 송신용 탐침기에서 송출되는 파동은 매질을 지나며 매질 내의 결함에 충돌하여 회절파를 발생시키게 된다. 발생된 회절파는 수신용 탐침기에 의하여 수신되며, 송신용 탐침기로부터 파동을 송출하는 시간과 수신용 탐침기에 회절파가 수신되는 시간을 측정하여 결함의 위치를 검출하게 된다.
그러나, 종래의 회절파 시간차 분석법의 경우 송출되는 파동과 이에 의하여 발생되는 회절파의 전체적인 이동 거리만을 측정할 수 있게 되어, 피검사체 표면 상에서의 결함 위치 및 피검사체 표면으로부터의 결함 깊이 등 피검사체 내부에 존재하는 결함의 3차원적인 위치를 정확하게 측정할 수 없는 문제점이 있었다. 이하, 도 1을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
회절파 시간차 분석법(TOFD: Time Of Flight Diffraction)은 음파의 회절 현상을 이용한 결함 검출 기술로서 송신용 탐침기(10)와 수신용 탐침기(20)를 이용하여 피검사체(1) 즉, 매질에 파동을 보내어 피검사체(1) 내부의 불연속부 등의 결함(P)의 위치를 분석한다.
회절파 시간차 분석법에서 송신용 탐침기(10)는 피검사체(1) 내부를 향하여 신호를 송출한다. 피검사체(1)의 내부에 결함(P)이 존재하는 경우 송신용 탐침기(10)에서 송출되는 신호는 피검사체(1) 내부의 결함(P)에 도달하여 회절 신호를 발생시키게 된다. 발생된 회절 신호는 수신용 탐침기(20)에 의하여 수신되며, 송신용 탐침기(10)로부터 신호를 송출하는 시간과 수신용 탐침기(20)에 회절파 등의 회절 신호가 수신되는 시간을 측정하여 각 시간의 시간차를 이용하여 결함(P)의 위치를 검출하게 된다.
그러나, 회절파 시간차 분석법의 경우 송신용 탐침기(10)와 수신용 탐침기(20) 사이에서 결함(P)의 정확한 위치를 검출할 수 없는 문제점이 있었다. 즉, 회절파 시간차 분석법은 송신용 탐침기(10)로부터 신호를 송출하는 시간과 수신용 탐침기(20)에 회절파가 수신되는 시간의 시간차를 이용하여 결함(P)의 위치를 검출하는데, 이러한 시간차는 송신용 탐침기(10)로부터 송출된 신호가 결함(P)까지 이동하는 데 걸리는 시간과 결함(P)으로부터 회절 신호가 수신용 탐침기(20)까지 이동하는 데 걸리는 시간의 합이 된다. 따라서 이러한 시간차를 이용하는 경우 송신용 탐침기(10)로부터 결함(P)까지의 거리와 결함(P)으로부터 수신용 탐침기(20)까지의 거리를 합한 거리만을 측정할 수 있게 된다. 이 경우, 피검사체(1) 내부의 결함(P)은 도 1에서 점선으로 도시된 타원의 경로를 따른 다양한 위치에 배치되는 것으로 측정될 수 있어, 피검사체(1) 표면 상에서의 결함 위치 및 피검사체(1) 표면으로부터의 결함(P) 깊이 등 피검사체(1) 내부에 존재하는 결함(P)의 3차원적인 위치를 정확하게 측정할 수 없는 문제점이 있었다.
이에 대하여, 송신용 탐침기(10)로부터 일정 각도로 신호를 송출하고, 송출되는 신호가 피검사체(1) 표면과 이루는 각도로부터 결함(P)의 위치를 검출하는 방법이 제안되고 있으나, 송신용 탐침기(10)로부터 송출되는 신호는 피검사체(1) 내부에서 원호의 형상으로 확산되어 이동하며, 반드시 송출되는 신호의 중심에 결함(P)이 위치하는 경우에만 상기의 방법이 적용될 수 있게 되는바, 피검사체(1) 내부에서 결함(P)의 정확한 위치를 측정할 수 없는 문제점은 여전히 존재한다.
특허출원 제10-2012-0028254호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 회절파 시간차 분석법을 시행함에 있어서 피검사체를 파괴하지 않고 피검사체 내부에 존재하는 결함의 정확한 위치를 검출할 수 있는 비파괴검사장비를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 비파괴검사장비는, 신호를 피검사체의 내부로 송출하고, 상기 피검사체의 내부에서 발생하는 신호를 수신하기 위한 제1 탐침부; 상기 제1 탐침부와 이격 설치되어, 상기 피검사체의 내부에서 발생하는 신호를 수신하기 위한 제2 탐침부; 상기 제1 탐침부와 제2 탐침부를 연결하여 결합시키기 위한 연결 부재; 및 상기 제1 탐침부로부터 수신되는 신호 및 상기 제2 탐침부로부터 수신되는 신호를 이용하여 상기 피검사체 내부의 결함 위치를 결정하는 위치 결정부;를 포함한다.
상기 제1 탐침부와 제2 탐침부는 상기 연결 부재에 의하여 일정한 간격을 유지하면서 동일한 방향으로 동일한 거리만큼 이동하여 상기 피검사체의 내부에서 발생하는 신호를 수신한다.
상기 결함 위치는 상기 제1 탐침부와 제2 탐침부를 연결하는 검사 면으로부터 결함까지의 결함 깊이(H) 및 상기 제1 탐침부 또는 제2 탐침부로부터 상기 검사 면을 따른 결함까지의 평면 결함 거리(D1 또는 D2)의 정보를 포함한다.
상기 위치 결정부는 상기 제1 탐침부로부터 송출되는 신호의 송출 각도와 무관하게, 상기 제1 탐침부와 제2 탐침부 사이의 간격(L), 상기 제1 탐침부로부터 결함까지의 거리(S1) 및 상기 제2 탐침부로부터 결함까지의 거리(S2)를 이용하여 상기 피검사체 내부의 결함 위치를 결정하고, 상기 제1 탐침부 또는 제2 탐침부의 위치 좌표에 상기 결함 깊이(H) 및 상기 평면 결함 거리(D1 또는 D2)의 정보를 부가하여 결함의 위치 좌표를 3차원적으로 결정한다.
상기 피검사체 내부에서 발생하는 신호는, 상기 제1 탐침부로부터 송출되는 신호가 결함에 의하여 회절되는 회절신호를 포함한다.
상기 제1 탐침부로부터 결함까지의 거리(S1)는, 상기 제1 탐침부로부터 송출되는 신호의 송신 시간과 상기 제1 탐침부로부터 수신되는 신호의 수신 시간의 차이 및 상기 피검사체 내부에서의 신호의 이동 속도를 이용하여 계산된다.
상기 제2 탐침부로부터 상기 결함까지의 거리(S2)는, 상기 제1 탐침부로부터 송출되는 신호의 송신 시간과 상기 제2 탐침부로부터 수신되는 신호의 수신 시간의 차이, 상기 피검사체 내부에서의 신호의 이동 속도 및 상기 제1 탐침부로부터 결함까지의 거리(S1)를 이용하여 계산된다.
본 발명에 따르면, 피검사체의 내부로 신호를 송출하는 제1 탐침부가 결함으로부터 발생되는 회절 신호를 수신하여 피검사체 내부에 존재하는 결함의 위치를 정확하게 검출할 수 있다.
도 1은 일반적인 회절파 시간차 분석법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 구성 요소를 개략적으로 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 신호 이동 경로를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 따라 결함 위치를 결정하는 모습을 나타내는 도면.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 회절파 시간차 분석법을 시행함에 있어서 피검사체를 파괴하지 않고 피검사체 내부에 존재하는 결함의 정확한 위치를 검출할 수 있는 비파괴검사장비이다. 본 발명의 구성 및 작동원리는 도 2 내지 도 4와 같다.
도 2를 참조하면, 본 발명은, 신호를 피검사체(1)의 내부로 송출하고, 상기 피검사체(1)의 내부에서 발생하는 신호를 수신하기 위한 제1 탐침부(100); 상기 제1 탐침부(100)와 이격 설치되어, 상기 피검사체(1)의 내부에서 발생하는 신호를 수신하기 위한 제2 탐침부(200); 및 상기 제1 탐침부 (100)로부터 수신되는 신호 및 상기 제2 탐침부(200)로부터 수신되는 신호를 이용하여 상기 피검사체(1) 내부의 결함 위치를 결정하는 위치 결정부(300);를 포함한다.
도 3을 참조하면, 제1 탐침부(100) 및 제2 탐침부(200)는 피검사체(1)의 표면 상에 상호 이격되어 각각 설치된다. 제1 탐침부(100) 및 제2 탐침부(200)에 전원이 공급되면, 제1 탐침부(100)는 전기적 신호를 발생시키고, 전기적 신호는 파동 신호로 변환되어 피검사체(1) 내부로 송출된다. 피검사체(1) 내부에 결함(P)이 존재하지 않는 경우, 제1 탐침부(100)로부터 송출되는 신호에 대하여 피검사체(1)의 표면을 따라 전파되는 표면 신호와 저면에서 반사되는 저면 신호만이 수신되며, 회절 신호는 제1 탐침부(100) 및 제2 탐침부(200)에 수신되지 않는다. 이에, 제1 탐침부(100) 및 제2 탐침부(200)에 회절 신호가 수신되지 않아 결함(P)이 존재하지 않는 것으로 판단되면, 피검사체(1)의 표면을 따라 이동 가능하게 설치되는 제1 탐침부(100) 및 제2 탐침부(200) 중 적어도 하나를 이동시켜 계속적으로 결함(P)을 감지한다.
반면, 피검사체(1) 내부에 결함(P)이 존재하는 경우 피검사체(1) 내부로 송출되는 신호는 결함(P)에 의하여 회절 신호를 발생시키게 되고, 제1 탐침부(100) 및 제2 탐침부(200)는 회절 신호를 수신하게 되어 결함(P)을 검출한다. 여기서, 회절 신호는 일정한 크기를 가지는 결함(P)의 경우 결함(P)의 단부에서 주로 발생하며, 결함(P)의 단부에서 발생하는 회절 신호는 신호의 세기 또는 고조파의 성분 등을 비교하여 감지될 수 있다.
페르마(Fermat's principle)의 원리에 따르면 파동 신호는 최단 시간 및 최소 거리로 진행하게 되므로, 피검사체(1) 내부에 결함(P)이 존재하는 경우 제1 탐침부(100)로부터 송출되는 신호는 도 3과 같은 신호의 이동 경로를 가지게 된다. 즉, 제1 탐침부(100)로부터 송출되는 신호는 피검사체(1) 내부에서 부채꼴의 형상으로 확산되며, 이 중 결함(P)에 전달되는 신호는 제1 탐침부(100)와 결함(P)을 연결하는 직선의 경로를 따라 이동한다. 제1 탐침부(100)로부터 송출되는 신호가 결함(P)에 전달되면, 결함(P)에 의하여 신호는 전방향으로 회절하여 회절 신호가 발생된다. 전방향으로 회절하는 회절 신호 중 제1 탐침부(100)로 전달되는 회절 신호는 결함(P)과 제1 탐침부(100)를 연결하는 직선의 경로를 따라 이동하며, 제2 탐침부(200)로 전달되는 회절 신호는 결함(P)과 제2 탐침부(200)를 연결하는 직선의 경로를 따라 이동한다. 따라서, 제1 탐침부(100)로부터 송출되는 신호는 도 3에서 화살표로 도시된 바와 같은 신호의 이동 경로를 가지게 된다.
도 4를 참조하면, 피검사체(1) 내부에 결함(P)이 존재하는 경우, 위치 결정부(300)는 제1 탐침부(100)와 제2 탐침부(200) 사이의 간격(L), 제1 탐침부(100)로부터 결함(P)까지의 거리(S1) 및 제2 탐침부(200)로부터 결함(P)까지의 거리(S2)를 이용하여 피검사체(1) 내부의 결함 위치를 결정한다. 또한, 위치 결정부(300)에 의하여 결정되는 결함 위치는, 제1 탐침부(100)와 제2 탐침부(200)를 연결하는 검사 면(F)으로부터 결함(P)까지의 결함 깊이(H) 및 제1 탐침부(100) 또는 제2 탐침부(200)로부터 검사 면(F)을 따른 결함(P)까지의 평면 결함 거리(D1 또는 D2)의 정보를 포함한다.
제1 탐침부(100)로부터 결함(P)까지의 거리(S1)는 제1 탐침부(100)로부터 송출되는 신호의 송신 시간과 제1 탐침부(100)로부터 수신되는 회절 신호의 수신 시간의 차이 및 피검사체(1) 내부에서의 신호 및 회절 신호의 이동 속도를 이용하여 계산된다.
또한, 제2 탐침부(200)로부터 결함(P)까지의 거리(S2)는 제1 탐침부(100)로부터 송출되는 신호의 송신 시간과 제2 탐침부(200)로부터 수신되는 회절 신호의 수신 시간의 차이, 피검사체(1) 내부에서의 신호 및 회절 신호의 이동 속도 및 제1 탐침부(100)로부터 결함(P)까지의 거리(S1)를 이용하여 계산된다. 여기서, 제1 탐침부(100)로부터 송출되는 신호의 이동 속도와 결함(P)으로부터 발생되어 제1 탐침부(100) 및 제2 탐침부(200)로 수신되는 회절 신호의 이동 속도는 동일하다고 볼 수 있다.
예를 들어, 제1 탐침부(100)로부터 신호가 송출되고 결함(P)으로부터 회절 신호가 발생되어 제1 탐침부(100)로 회절 신호가 수신될 때까지 t11의 시간차가 발생한 경우, 피검사체(1) 내부에서 신호 및 회절 신호의 이동 속도를 v라고 할 때, 제1 탐침부(100)로부터 결함(P)까지의 거리(S1)는 v×t11/2 이다. 또한, 제1 탐침부(100)로부터 신호가 송출되고 결함(P)으로부터 회절 신호가 발생되어 제2 탐침부(200)로 회절 신호가 수신될 때까지 t12의 시간차가 발생한 경우, 제1 탐침부(100)로부터 결함(P)까지의 거리(S1)와 제2 탐침부(200)로부터 결함(P)까지의 거리(S2)의 합(S1+S2)은 v×t12 이므로, 제2 탐침부(200)로부터 결함(P)까지의 거리(S2)는 v×(t12-t11/2)가 된다.
제1 탐침부(100)와 제2 탐침부(200) 사이의 간격(L)은 조절 가능하다. 제1 탐침부(100)와 제2 탐침부(200) 사이의 간격(L)은 사용자에 의하여 조절되며, 결함(P) 검출시 조절된 제1 탐침부(100)와 제2 탐침부(200) 사이의 간격(L)에 의하여 결정된다.
검사 면(F)으로부터 결함(P)까지의 결함 깊이(H)는 이하의 수학식에 의하여 계산될 수 있다. 먼저, 제1 탐침부(100)로부터 송출되는 신호가 검사 면(F)과 이루는 각도를 θ라고 할 때, 검사 면(F)으로부터 결함(P)까지의 결함 깊이(H)는 수학식 1과 수학식 2에 의하여 계산된다.
[수학식 1]
Figure pat00001
[수학식 2]
Figure pat00002
따라서, 상기의 수학식 1과 수학식 2를 연립하여 계산하면 검사 면(F)으로부터 결함(P)까지의 결함 깊이(H)는 수학식 3으로 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
또한, 제1 탐침부(100) 또는 제2 탐침부(200)로부터 검사 면(F)을 따른 결함(P)까지의 평면 결함 거리(D1 또는 D2)는 수학식 4에 의하여 계산된다.
[수학식 4]
Figure pat00004
따라서, 수학식 4로부터 제1 탐침부(100) 또는 제2 탐침부(200)로부터 검사 면(F)을 따른 결함(P)까지의 평면 결함 거리(D1 또는 D2)는 수학식 5로 표현될 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00005
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 제1 탐침부
110: 제1 송신기
130: 제1 수신기
200: 제2 탐침부
230: 제2 수신기
300: 위치 결정부
400: 디스플레이부

Claims (4)

  1. 신호를 피검사체의 내부로 송출하고, 상기 피검사체의 내부에서 발생하는 신호를 수신하기 위한 제1 탐침부;
    상기 제1 탐침부와 이격 설치되어, 상기 피검사체의 내부에서 발생하는 신호를 수신하기 위한 제2 탐침부;
    상기 제1 탐침부와 제2 탐침부를 연결하여 결합시키기 위한 연결 부재; 및
    상기 제1 탐침부로부터 수신되는 신호 및 상기 제2 탐침부로부터 수신되는 신호를 이용하여 상기 피검사체 내부의 결함 위치를 결정하는 위치 결정부;를 포함하고,
    상기 제1 탐침부와 제2 탐침부는 상기 연결 부재에 의하여 일정한 간격을 유지하면서 동일한 방향으로 동일한 거리만큼 이동하여 상기 피검사체의 내부에서 발생하는 신호를 수신하고,
    상기 결함 위치는 상기 제1 탐침부와 제2 탐침부를 연결하는 검사 면으로부터 결함까지의 결함 깊이(H) 및 상기 제1 탐침부 또는 제2 탐침부로부터 상기 검사 면을 따른 결함까지의 평면 결함 거리(D1 또는 D2)의 정보를 포함하고,
    상기 위치 결정부는 상기 제1 탐침부로부터 송출되는 신호의 송출 각도와 무관하게, 상기 제1 탐침부와 제2 탐침부 사이의 간격(L), 상기 제1 탐침부로부터 결함까지의 거리(S1) 및 상기 제2 탐침부로부터 결함까지의 거리(S2)를 이용하여 상기 피검사체 내부의 결함 위치를 결정하고, 상기 제1 탐침부 또는 제2 탐침부의 위치 좌표에 상기 결함 깊이(H) 및 상기 평면 결함 거리(D1 또는 D2)의 정보를 부가하여 결함의 위치 좌표를 3차원적으로 결정하는 비파괴검사장비.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 피검사체 내부에서 발생하는 신호는 상기 제1 탐침부로부터 송출되는 신호가 결함에 의하여 회절되는 회절신호를 포함하는 비파괴검사장비.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 탐침부로부터 결함까지의 거리(S1)는,
    상기 제1 탐침부로부터 송출되는 신호의 송신 시간과 상기 제1 탐침부로부터 수신되는 신호의 수신 시간의 차이 및 상기 피검사체 내부에서의 신호의 이동 속도를 이용하여 계산되는 비파괴검사장비.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 탐침부로부터 상기 결함까지의 거리(S2)는,
    상기 제1 탐침부로부터 송출되는 신호의 송신 시간과 상기 제2 탐침부로부터 수신되는 신호의 수신 시간의 차이, 상기 피검사체 내부에서의 신호의 이동 속도 및 상기 제1 탐침부로부터 결함까지의 거리(S1)를 이용하여 계산되는 비파괴검사장비.
KR1020190163124A 2019-12-09 2019-12-09 비파괴검사장비 KR20210072625A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20120028254A (ko) 2010-09-14 2012-03-22 이준범 전자교환기 전화 링 신호를 이용한 누전차단기 원격 전원복구 시스템

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120028254A (ko) 2010-09-14 2012-03-22 이준범 전자교환기 전화 링 신호를 이용한 누전차단기 원격 전원복구 시스템

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