KR20220041157A - 휴대용 폴리머 시험기 및 시험 방법 - Google Patents

Abstract

폴리머 또는 탄성 중합체 재료의 물리적 특성을 측정하기 위한 휴대용 시험 장치 및 방법이 제공된다. 본 시험 장치는 압자 프로브(indenter probe); 프로브의 운동을 제어하기 위한 것이고, 동력화된 선형 슬라이드를 포함하는 구동 시스템 - 선형 슬라이드는, 프로브를 제1 위치로부터 제2 위치로 전진시켜 폴리머 또는 탄성 중합체 재료를 변형시키고 또한 제1 위치와 제2 위치 사이의 미리 결정된 중간 위치로의 프로브의 즉각적인 또는 신속한 후퇴를 용이하게 해주도록 프로브와 작동적으로 관련되어 있음 -; 폴리머 또는 탄성 중합체 재료와 접촉하는 동안에 프로브의 팁에서의 힘을 측정하기 위한 제1 센서 및 프로브의 변위를 측정하기 위한 제2 센서를 포함하는 힘/변위 측정 시스템; 및 힘/변위 측정 시스템과 구동 시스템에 제어를 제공하도록 구성된 제어기를 포함한다.

Description

휴대용 폴리머 시험기 및 시험 방법

본 출원은 2019년 8월 2일에 "PORTABLE POLYMER TESTER AND TESTING METHOD" 이라는 발명의 명칭으로 출원된 미국 특허 출원 62/882,469에 대한 우선권을 포함하는 모든 이익을 주장하고, 해당 출원의 전체 내용은 참조로 원용된다.

본 개시는 폴리머 재료 시험의 분야, 특히, 폴리머계 구성품의 현장 모니터링을 위한 휴대용 폴리머 시험기의 분야에 관한 것이다.

그러한 폴리머의 예상하지 못한 실패는 인간의 안전, 플랜트 작업 및 유지 보수 비용 및 가동 중단 시간에 상당한 부정적인 영향을 줄 수 있다는 점에서, 폴리머의 노화는, 특히, 항공 우주, 오일 및 가스, 산업 작업자, 발전소 작업자, 또는 예상 밖의 실패가 공공 안전을 위험하게 하거나 심각한 재정적 영향을 줄 수 있는 산업에서 상당히 중요하다. 폴리머는 산업 플랜트 및 발전소의 안전하고 신뢰적인 작동에 관련된 핵심 구성품에 사용된다. 구체적으로, 폴리머는 케이블, 펌프, 밸브 및 시일에서 발견되지만 그에 한정되지 않는다.

전력, 제어, 기구 사용 및 데이터 전송과 같은 전기 케이블 및 광케이블은, 전통적으로, 그의 일반적으로 높은 수준의 신뢰성과 구성의 단순성으로 인해 예방적 유지 보수 또는 조건 모니터링에 있어서 이득이 거의 없는 긴 수명의 구성품인 것으로 생각되었다. 그러나, 모든 다른 구성품 처럼, 그러한 케이블은 작업적 및 환경적 스트레스 요인의 결과로 노화된다. 케이블 노화로 인한 전형적인 열화(degradation) 모드는 균열, 유전 강도의 상실 및 증가된 누전을 야기하는 취화(embrittlement)이다. 노화 관련 열화를 야기하는 주 스트레스 요인은, 높은 온도, 이온화 방사선 및 중성자 방사선으로 인한 열적 노화이다. 케이블의 다른 열화 스트레스 요인은 기계적 스트레스, 습도, 탄화수소 유체 및 오존을 포함한다.

전술한 바에 근거하여, 폴리머 케이블의 노화를 모니터링하고 예측하기 위한 방법 및 장치에 대한 필요성이 남아 있으며, 그 방법과 장치는 휴대용이고 비파괴적이며 또한 단지 폴리머 강성 외의 다른 특성의 최적화와 측정을 가능하게 해준다.

본 개시는 휴대용 폴리머 시험기를 설명한다. 한 양태에 따르면, 폴리머 재료, 예컨대 케이블 절연재 또는 케이블 재킷 재료를 압입하여 피시험 폴리머 재료의 점탄성 특성을 특성화하는 압입 및 압입후 파라미터를 생성하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 점탄성 특성은 폴리머 노화와 열화의 지표(indicator)로서 사용된다. 본 개시의 방법과 장치는 폴리머 재료의 강성(힘과 변위의 측정) 및 폴리머 재료가 초기 변형의 설정된 부분을 회복하는 데에 걸리는 시간을 측정한다. 이 기간은 폴리머 재료 열화의 지표로서 사용될 수 있다.

다른 양태에 따르면, 폴리머 재료, 예컨대 케이블의 폴리머 재킷의 물리적 특성을 측정하기 위한 폴리머 시험기가 제공되며, 그 폴리머 시험기는 시험 동안에 샘플, 예컨대 케이블 또는 평평한 탄성 중합체 샘플을 유지하기 위한 죠오 어셈블리; 프로브를 케이블의 폴리머 재킷과 접촉하여 그 재킷을 변형시키도록 전진시키기 위한 것이고, 모터와 선형 슬라이드를 포함하는 구동 시스템; 및 폴리머 재킷과의 접촉 동안에 프로브의 팁에서의 힘을 측정하기 위한 기구 및 프로브의 변위를 측정하기 위한 수단을 포함하는 힘/변위 측정 시스템을 포함한다.

일 실시 형태에서, 시험 장치는 폴리머 또는 탄성 중합체 재료의 시험 위치를 설정된 온도로 가열하도록 구성된 가열기를 포함한다.

다른 실시 형태에서, 시험 장치는 구동 시스템의 비편향 부분에 위치되는 선형 인코더를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 선형 인코더는 압자 프로브의 위치를 측정하기 위해 그 압자 프로브의 팁 근처에 위치된다.

다른 실시 형태에서, 시험 장치의 동력화된 선형 슬라이드는 직류 서보 구동기 및 볼 스크류 구동기이다.

다른 실시 형태에서, 시험 장치의 동력화된 선형 슬라이드는 압전 모터 및 볼 스크류 구동기 또는 선형 액츄에이터이다.

다른 실시 형태에서, 시험 장치는 시험 동안에 재료의 전부 또는 일부분을 고정화하기 위한 클램프를 포함하는 샘플 유지 어셈블리, 및 클램프와 재료 사이의 힘을 나타내는 클램프력 데이터를 로드 셀(load cell)로부터 수신하고 또한 클램프를 움직여 설정된 힘을 유지시키도록 구성된 클램프 제어 모듈을 포함한다.

다른 실시 형태에서, 폴리머 시험기는 힘/변위 측정 시스템과 구동 시스템에 제어를 제공하기 위한 제어 소프트웨어 프로그램을 포함하는 제어기를 포함할 수 있다. 이 제어기는, 사용자가 휴대용 시험 장치를 사용하기 전에 힘 측정 범위, 최소 위치 결정 분해능, 진폭, 진동수, 작동 온도, 클램핑력, 후퇴 깊이, 압입 깊이 또는 프리로드(preload) 깊이 중의 적어도 하나를 설정하기 위해 작동 파라미터로 시험에 앞서 로딩되도록 구성될 수 있다.

다른 실시 형태에서, 제어기는,

a. 압자 프로브를 사용하여 폴리머 재료의 일 부위를 변형시키고;

b. 변형 동안에 또는 폴리머 재료의 최대 압입에서 프로브의 측정된 변위 및 프로브의 팁에서의 측정된 힘으로부터 폴리머 재료의 비(specific) 압축 강성을 계산하며;

c. 힘이 이완될 수 있도록 프로브를 미리 결정된 압입 깊이까지 유지시키고; 그리고

d. 변형된 폴리머 재료와의 접 촉에서 벗어나는 미리 결정된 중간 위치로 프로브를 후퇴시키며, 그리고 폴리머 재료와 프로브의 접촉이 다시 일어날 때까지 변형의 회복 시간을 측정하도록 구성되어 있고,

비 압축 강성과 변형의 회복 시간은 폴리머 노화도의 지표이다.

다른 양태에 따르면, 폴리머 노화, 예컨대 케이블 폴리머 노화를 시험하기 위한 방법이 제공되며, 이 방법은, 폴리머 재료(예컨대, 케이블 노화를 시험하는 경우에 폴리머 재킷)를 고정화하는 단계; 프로브를 사용하여 폴리머의 일 부위를 변형시키는 단계; 변형 동안에 프로브의 측정된 변위 및 프로브의 팁에서의 힘으로부터 폴리머의 강성을 계산하는 단계; 프로브를 미리 결정된 위치로 후퇴시키고 변형의 회복 시간을 측정하는 단계를 포함하고, 강성과 변형의 회복 시간은 폴리머 노화도의 지표이다.

일 실시 형태에서, 본 방법은 폴리머의 시험 위치를 설정된 온도로 가열하는 단계를 포함한다.

본 방법의 다른 실시 형태에서, 폴리머 재료와 프로브의 접촉이 다시 일어날 때까지 회복 시간을 측정하는 단계는, 프로브를 후퇴시킬 때와 0보다 큰 통계학적으로 유의미한 힘 값을 기록할 때 사이의 시간을 확인하는 것을 포함한다.

본 방법의 다른 실시 형태에서, 비 압축 강성을 계산하는 단계는 선형 인코더의 변위를 측정하는 것을 포함한다.

다른 실시 형태에서, 본 방법은 재료를 클램프로 고정시키는 단계, 및 설정된 힘을 유지시키기 위해 클램프와 재료 사이의 힘을 변경하는 단계를 포함한다.

다른 실시 형태에서, 본 방법은 제로(zero) 위치를 확인하기 위해 프로브를 폴리머 재료에 접촉하도록 연장시켜 폴리머 재료의 표면을 검출하는 단계를 포함한다.

다른 실시 형태에서, 본 방법은, 프로브를 제로 위치로부터 폴리머 재료 안으로 일정 거리 만큼 프리로딩(preloading)하는 것을 포함하는 프리로드 페이즈, 및 변형 동안에 프로브의 팁에서의 힘을 측정하면서 폴리머 재료를 변형시키기 위해 프로브를 전진시키는 것을 포함하는 압입 페이즈를 포함한다. 프로브가 프리로딩되는 거리는 프로브와 샘플 사이의 최대 힘 값에 의해 결정될 수 있다.

다른 실시 형태에서, 본 방법은 시험기 장치를 폴리머 재료에 대한 시험 파라미터로 프리로딩하는 단계를 포함하고, 그 시험 파라미터는 압입 깊이, 온도, 클램핑력, 프리로드 거리 및 후퇴 깊이 중의 적어도 하나를 포함한다.

다른 양태에 따르면, 폴리머의 잔여 수명을 예측하는 방법이 제공된다. 이 방법은 압자 계수(IM) 또는 회복 시간(RT) 값을 결정하기 위해 폴리머를 시험하는 단계; 그 IM 또는 RT 값을 폴리머의 벤치마크(benchmark) 데이터와 비교하는 단계; 및 폴리머의 잔여 수명의 예측 값을 계산하는 단계를 포함한다. 일 실시 형태에서, 벤치마크 데이터는 IM 또는 RT 값으로 업데이트된다.

도 1은 본 개시의 장치의 선구 도구인 엘라스토-동적 스폿 시험기(Elasto-Dynamic Spot Tester)의 사진이다.
도 2a 및 2b는 본 개시의 한 실시 형태에 따른 휴대용 폴리머 시험기의 헤드의 각각의 사시도이다. 도 2c는 헤드 및 배터리에 연결되는 휴대용 폴리머 시험기의 제어기를 도시하는 휴대용 폴리머 시험기의 사시도이다. 휴대용 폴리머 시험기의 헤드는, 운동 제어기로부터 전기 신호, 제어 명령을 받고 또한 스케일링될 수 있고 제어기에 되전달될 수 있는 프로세스 데이터를 수집하도록 제어기에 연결되어 있다.
도 3a는 본 개시의 한 실시 형태에 따른 압자 시험 사이클을 그래프로 나타내고, 도 3b는 본 개시의 한 실시 형태에 따른 압자 시험 사이클을 그래프로 나타내며, 또한 시험 사이클의 표면 검출, 프리로드, 압입, 힘 이완, 및 변형 회복 페이즈 동안에 압자 프로브의 위치를 도시한다.
도 4a ∼ 4d는 휴대용 폴리머 시험기의 구성품을 나타낸다. 도 4a는 예시적인 구동 어셈블리의 측면도이고, 도 4b는 그 예시적인 구동 어셈블리의 상면도이고, 도 4c는 케이블 및 죠오 어셈블리의 고정된 죠오에 있는 구멍 내에 위치되는 프로브를 유지하는 죠오 어셈블리를 나타내는 시험기의 일부분의 측단면도이다. 도 4d는 후퇴 위치에 있는 프로브를 도시하는 도 4a의 휴대용 폴리머 시험기의 단면도이다. 도 4e는 연장 위치에 있는 프로브를 도시하는 휴대용 폴리머 시험기의 단면도이다.
도 5는 시험 사이클의 예시적인 프리로드 및 초기 압입 페이즈를 그래프로 나타낸다.
도 6은 시험 사이클의 예시적인 힘 이완 페이즈의 일부분을 그래프로 나타낸다.
도 7a는 시험 사이클의 예시적인 회복 페이즈를 그래프로 나타내고, 도 7b는 예시적인 PVC 재킷의 압자 계수 값을 그래프로 나타내고, 도 7c는 도 7b의 예시적인 PVC 재킷의 회복 시간을 그래프로 나타낸다.
도 8은 진동 모드에서 본 개시에 따른 휴대용 폴리머 시험기를 사용하여 얻어진 한 진동 주기에 대한 예시적인 압자 프로브 변위 및 반작용력을 그래프로 나타낸다.
도 9는 열적으로 노화된 PVC 케이블 재킷의 압자 시험으로부터 얻어진 강성 결과를 그래프로 나타낸다.
도 10은 열적으로 노화된 PVC 케이블 재킷의 압자 시험으로부터 얻어진 변형 회복 데이터를 그래프로 나타낸다.
도 11은 조사된(irradiated) PVC 케이블에 대한 파단 연신율 데이터를 그래프로 나타낸다.
도 12는 조사된 PVC 케이블 재킷의 압자 시험으로부터 얻어진 강성 결과를 그래프로 나타낸다.
도 13은 조사된 PVC 케이블 재킷의 압자 시험으로부터 얻어진 변형 회복 데이터를 그래프로 나타낸다.
도 14는 도 11의 파단 연신율 데이터 및 도 13의 변형 회복 데이터 사이의 상호 관계를 나타낸다.
도 15는 마운팅과 배선을 나타내는 제어 샤시의 후방 패널의 도를 나타낸다(도 15a는 정면도이고 도 15b는 사시도임).
도 16은 마운팅과 배선을 나타내는 제어 샤시의 측면 패널의 도를 나타낸다(도 16a는 정면도이고 도 16b는 사시도임).
도 17은 마운팅과 배선을 나타내는 제어 샤시의 내부 구성품의 도를 나타낸다(도 17a는 내부 측면 사시도이고 도 17b는 상부 측면 사시도임).
도 18은 본 개시의 한 실시 형태에 따른 휴대용 폴리머 시험기의 도를 나타내며, 하우징은 개방되어 있다(도 18a는 상부 사시도이고 도 18b는 하부 사시도임).
도 19는 실리콘 도어 시일 재료에 대한 힘과 변위 사이의 위상 변이를 그래프로 나타낸다(Lissajous 선도).
도 20은 본 개시의 일 실시 형태에 따른 휴대용 폴리머 시험기를 제어하기 위한 제어 시스템의 개략도이다.

이하의 설명은 주로 케이블, 예컨대 전기 케이블을 논의할 것인데, 하지만, 여기서 설명되는 노화 및 분석의 원리는 대개 와이어, 광케이블 또는 폴리머 재료로 만들어진 다른 구성품에도 적용 가능함을 알 수 있다.

다르게 정의되지 않는다면, 여기서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가지고 있는 자에 의해 일반적으로 이해되고 있는 바와 동일한 의미를 갖는다.

문맥에서 명확히 다르게 지시되어 있지 않다면, 여기서 사용되는 바와 같은 용어의 복수형은 단수형을 포함하는 것으로 해석되며, 그 반대도 마찬가지다.

여기서 사용되는 바와 같은 "포함하는"이라는 용어는, 이하의 열거는 비포괄적이며 다른 추가적인 적절한 항목, 예컨대, 적절하다면 하나 이상의 추가 특징(들), 구성품(들) 및/또는 부품(들)을 포함하거나 그렇지 않을 수 있음을 의미하는 것으로 이해될 것이다.

케이블을 형성하는 폴리머에 대한 노화 효과는 공간적으로 널리 퍼져 있을 수 있거나(즉, 주어진 케이블, 예컨대, 균일한 온도의 단일 방 내부에 완전히 위치되는 케이블의 대부분 또는 모든 부분에 동등하게 영향을 줌) 또는 국부적으로 있을 수 있다(예컨대, 매우 국부화된 열원 근처에서 안내되는 케이블의 경우에 케이블의 매우 제한된 부분에만 영향을 줌). 이들 노화 효과의 심각성은 스트레스 요인의 심각성, 케이블의 구성 재료와 설계, 및 케이블의 주변 온도에 달려 있다. 전기 케이블 노화에 대한 상세한 논의는, Kim, J-S., "Evaluation of Cable Aging in Degradation Based Plant Operating Condition" (2005) J. Nucl . Sci . Technol . 42(8) 745-753 및 1996년 9월 Sandia National Laboratories/U.S. Department of Energy에 의해 준비된 SAND96-0344 "Aging Management Guideline for Commercial Nuclear Power Plants--Electrical Cable and Terminations"를 포함하는 많은 공보에서 발견될 수 있다. 광케이블 노화에 대한 논의는, 특히, Electric Power Research Institute (EPRI) 공보 및 통신 산업 문헌에서 발견될 수 있다.

전형적인 기구 사용 및 제어(I&C) 케이블은, 방화 재료로 절연되고 전체적인 차폐부 및 외측 재킷을 갖는 멀티-컨덕터 어셈블리로 이루어진다. 추가로, 원자력 발전소와 같은 플랜트에서 사용되는 케이블은 전기적, 기계적 또는 방화 특성을 향상시키는 테이프 랩(wrap)을 포함할 수 있다.

I&C 케이블에 사용되는 절연 및 재킷 재료는, 내노화성, 전기적, 기계적 및 방화 특성을 개선하기 위해 첨가제와 충전제(filler)를 포함하는 폴리머이다. 널리 사용되고 있는 재킷 및 절연 재료는 염화폴리비닐(PVC), 클로로술포네이티드 폴리에틸렌(CSPE)(재킷 및 가교결합 폴리에틸렌/폴리올레핀(XLPE/XLPO)에 대해 Hypalon^TM으로도 알려져 있음), 및 절연을 위한 에틸렌-프로필렌계 탄성 중합체(EPR, EPDM)를 포함한다.

노화로 인한 절연 및 재킷 재료의 열화의 레벨은 사용되는 폴리머 화합물(적당한 첨가제 등의 존재), 서비스전(보관) 및 서비스 환경 조건(온도, 방사선, 기계적 스트레스, 습도) 및 경과된 서비스 수명(시간 인자)에 달려 있다. 폴리머의 주요 화학적 노화 기구는 분자 레벨에서의 절단, 가교결합 및 산화 반응으로 인한 것이다. 알콕시 또는 과산화물 라디칼의 절단에 의해, 일반적으로, 하나의 거대 분자 사슬이 2개의 새로운 사슬로 절단된다. 가교결합은 인접하는 거대 분자 사이의 공유 결합의 형성 및 밀집 사슬 네트워크의 형성을 지칭한다. 산화 반응(자유 라디칼의 형성으로부터 시작됨(온도 및/또는 방사선의 영향 하에서 공유 결합의 초기 단절 때문에))은 사슬 절단 또는 가교결합을 야기할 수 있다. 유기 재료는 일반적으로 열과 방사선에의 노출의 결과로 경화 및 가요성의 상실과 같은 물리적 변화를 겪게 된다. 열적 노화로 인한 다른 종류의 물리적 노화 기구는 PVC 재료에 있는 가소제(plasticizer)의 증발 및 가능한 이동이다.

어떤 재료의 열화의 레벨은 재료 특성의 변화를 추적하여 평가될 수 있다. 사용되는 일부 표준 기술은, 시각적 및 촉각적 검사, 인장 시험, 압입 시험, 시차 주사 열량 측정, 푸리에 변환 적외선 반사(FTIR) 분광법, 팽창비의 측정, 질량 손실, 가소제 함량, 유전성 측정 또는 밀도 변화를 포함한다.

열화를 평가하는 가장 일반적으로 사용되는 실험실 기술 중의 하나가 인장 시험인데, 이 시험은 비노화 샘플과 노화된 샘플에 대한 파단 연신율(EAB) 또는 인장 강도를 비교하는 것으로 이루어진다. EAB는 입증된 열화 표시 인자이고 또한 케이블의 잔여 수명의 평가를 위한 인정된 파라미터이다. 이 파라미터에 근거한 수명 종료 기준은 잘 정립되어 있다. 50%의 극한 EAB가 통상적으로 종료점 기준으로서 사용된다[International Atomic Energy Agency, 2000, "Assessment and Management of　Ageing of Major Nuclear Power Plant Components Important to Safety: In-Containment Instrumentation and Control Cables", Volume 1, IAEA-TECDOC-1188, December.]. 주요 단점은, 큰 샘플 크기가 요구되고 또한 기술이 파괴적인 양상을 갖는다는 것이다.

비파괴적이고 비침입적인 기술을 사용하고자 하는 발전소 인원의 강한 요구 때문에, 현장 모니터링에 이용 가능한 기술의 수는 제한된다. 다른 어려움은, 전형적으로 실험실 환경에서 사용되는 기구 중의 일부는 현장에 쉽게 보내질 수 없다는 것이다. 기존의 데이터 및 현재 조건 모니터링 기술의 발전 상태를 검토하기 위해 다양한 국제 전문가 패널이 형성되었다[IAEA-TECDOC-1188, 2000 (위) 및 Nuclear Energy Agency, Committee on the Safety of Nuclear Installations, 2004, "Research Efforts Related to Wire Systems Aging in NEA Member Countries", Report NEA/CSNI/R, (2004)12, August 11]. 이들 패널은 케이블 노화 문제를 처리하기 위한 연구 및 개발(R&D) 프로그램의 방향에 대한 가이드라인 및 권고사항을 제공하였다. 이 문제를 처리하기 위한 미래의 연구 및 개발 노력에 대한 권고 사항은 다음과 같았다[보고서 NEA/CSNI/R, 2004 (위)]:

● 와이어 시스템의 현재 조건을 결정하고 또한 그의 사용 가능한 수명을 예측하기 위해 사용될 수 있는 설치된 와이어 시스템을 위한 새로운 효과적인 현장 조건 모니터링 기술의 개발을 계속한다. 이와 관련하여, 진보된 전기적, 광학적, 초음파 및 항공 우주 기술이 원자력 발전소에서의 이용을 위해 평가되고 개발되어야 한다.

● 노화된 절연 재료에 대한 기계적 특성의 한계에 도달하는 중요성을 더 잘 이해하기 위해 기계적 와이어 시스템의 특성을 전기적 특성과 상호 관련시킨다.

절연 재료의 인장 강도 또는 파단 연신율의 측정과 같은, 케이블 폴리머 노화를 분석하기 위해 사용되는 물리적 기술 중의 일부는 본래 파괴적이고 시험을 위한 노화된 케이블의 시편을 필요로 한다. 그러나, 압축 계수, 비틀림 계수 또는 굽힘 강성의 측정을 포함하는 일부 비파괴적인 물리적 기술이 있는데, 이는 케이블의 노화와 측정된 파라미터 간의 상호 관계를 보여주며(특히 저전압 케이블의 대해) 작업 조건 동안에 적용하기에 실용적일 수 있다. 예컨대, Indenter Polymer Aging Monitor와 같은 기구에 의한 압축 계수의 측정은 케이블 폴리머 노화의 측정에 유용할 수 있다(외측 재킷과 컨덕터의 물리적 측정값 간의 상호 관계의 논의에 대해서는, 예컨대, 1996년 1월에 Electric Power Research Institute에 의해 준비된 EPRI TR-104075, "Evaluation of Cable Polymer Aging Through Indenter Testing of In-Plant and Laboratory Aged Specimens" 참조요).

휴대용 압자가 재료의 강성 또는 경도를 측정할 수 있다. 그러나, 일부 폴리머계 재료의 경우에, 파단 연신율과 같은 기본적인 재료 특성이 이 스트레스 요인으로 인한 연속적인 열화를 명확히 나타내더라도, 강성/경도는 방사선 레벨의 증가에 따라 변하지 않고 유지된다. 마찬가지로, 추가의 열화가 계속 일어나는 것으로 알려져 있지만, 폴리머 구성품이 열적 노화를 받을 때, 강성은 가끔 처음에 증가하지만 신속하게 포화 값에 도달하게 된다. 그러므로, 현재 이용 가능한 압자는 케이블 노화의 모니터링에 이상적으로 적합하지는 않다.

전력 연구원(EPRI)에 의해 만들어진 압자에서, 압입 깊이의 한계는 측정되는 힘의 값에 근거하여 제어된다. 그러므로, 압입 깊이는 비노화 탄성 중합체와 노화된 탄성 중합체 사이에서 변한다. 이는 고정된 기준 압입 깊이에 대해 탄성 중합체의 회복의 연구를 방지한다. EPRI 압자는, 최대 힘이 도달되고 또한 힘이 이완되어 감쇠되기 시작한 후에 힘 신호의 일부분을 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 프로브는 분석되고 있는 비교적 짧은 이완 기간 동안에 위치 유지될 수 있다. 그러나, 힘 이완 특징은 재료의 증가하는 노화에 따라 크게 변하지 않는다.

EPRI 압자로, 일단 이완 정보가 얻어지면, 프로브는 천천히 구동되어 원래의 위치로 되돌아 가고 추가의 조사는 일어나지 않는다. 구동 시스템의 특성 때문에, 프로브는 주어진 기준 위치로부터 즉각적으로 시 또는 신속하게 후퇴될 수 없다. 그러므로, EPRI 압자를 사용할 때 힘 이완 페이즈 이후에 변형의 회복의 평가를 가능하게 해주는 조건을 생성할 수 없다.

추가로, 이전의 휴대용 압자는 여기(excitation) 신호의 종류를 변경하고 또한 압자 프로브에 대한 이벤트의 다양한 시퀀스를 프로그래밍하는 유연성을 제공하지 않는다. 이는 폴리머 열화에 대한 민감성에 있어서 최적의 입력 파라미터, 셋업 및 출력 파라미터의 체계적인 확인에 유해하다.

본 개시의 휴대용 폴리머 시험기("PPT")는, 다양한 입력 파라미터, 프로브 변위에 대한 이벤트의 다양한 시퀀스 및 다양한 출력 파라미터에의 접근을 프로그래밍하고 제어하는 옵션을 포함하는 압입 기술을 이용하기 위해 개발되었다. 본 개시의 PPT는, 폴리머계 구성품의 열화를 추적하는 경향이 가장 큰 파라미터를 측정하도록 구성될 수 있고 완전히 휴대용이어서 현장에서 이들 파라미터의 측정을 가능하게 하는 제어 가능한 도구이다(현재 사용 중인 도구와 비교하여).

본 개시의 PPT는, (일단 프로브가 샘플 표면 상으로 약간 프리로딩되었으면) 재료 안으로 들어가는 압자 프로브의 선형 구동을 통한 재료 강성(또는 계수)의 전통적인 측정을 위한 수단을 포함한다. 강성 파라미터는 압입 페이즈 동안에 프로브 반작용력 및 프로브 변위의 동시적인 획득으로부터 유도된다. PPT는 또한 힘 이완 및 변형 회복과 같은 압입후 파라미터의 측정을 위한 수단을 포함한다.

폴리머 또는 탄성 중합체 재료의 열화를 모니터링하기 위한 압입 기술은, 프로브 팁을 폴리머 또는 탄성 중합체 재료, 예컨대 케이블 재킷 또는 케이블 절연 재료의 표면 상으로 구동시키는 것을 기본적으로 포함하는 정량적인 비파괴 모니터링 기술이다[IAEA-TECDOC-1188, 2000 (위)]. 그 기술은 다음과 같은 이점 중의 하나 이상을 제공한다:

- 휴대용 기구가 개발될 수 있음,

- 측정이 신속함,

- 데이터를 분석하기가 쉬움, 및

- 전기적으로 활성이고 작동 중인 전기 장비에서 측정이 행해질 수 있음.

PPT는 IEC/IEEE 국제 표준 IEC/IEEE 62582-2에 따른 그리고 회복 시간(RT)의 측정을 위한 압자 계수(IM)를 사용하는 케이블 절연재의 파라미터 측정을 제공할 수 있다.

압입 페이즈 동안에, 힘 및 프로브 변위가 측정되어 비 압축 강성 파라미터(압자 계수(IM)라고도 함)를 유도한다. 이 파라미터는 예컨대 원자력 발전소에서 사용되는 대부분의 케이블 재료에 대해 폴리머 또는 탄성 중합체 열화와의 어떤 상호 관계를 나타내지만, 기술의 민감성은 제한될 수 있다. 2개의 주목할 만한 예외는, 압자 계수 값이 일정하게 유지되거나(예컨대, 조사된(irradiated) PVC) 또는 심하게 열화된 재료에 대해서만 변하는(예컨대, 열적으로 노화된 XLPE) 경향이 있는 재료이다.

현장 실험실 압자(Elasto-Dynamic Spot Tester(EDST)이라고 함)가 이전에 개발되었다. 처음에, EDST를 사용하여 압입 동안에 탄성 중합체 점(spot) 강성을 유도하였고 또한 다양한 압입후 점탄성 특성, 예컨대 주어진 시간 후에 이완되는 힘의 비율 및 초기 변형의 주어진 비율을 회복하는 데에 걸리는 시간을 조사하였다. 현장에서의 케이블 노화 평가에 사용되는 EDST의 사진이 도 1에 나타나 있다.

EDST의 어떤 특징이 본 개시의 PPT에 포함되었다. 본 개시의 휴대용 폴리머 시험기는 컴팩트하고, 어떤 배향으로도 사용될 수 있으며 또한 구동기, 제어부, 피드백 및 힘/변위 측정 시스템을 포함한다. PPT는 비 동적 강성 및 힘 신호와 변위 신호 사이에 측정되는 지연(또는 위상)의 양과 같은 파라미터에 접근하기 위해 진동 모드에서 압입 프로브를 사용하기 위한 방법을 통합한다.

PPT는 압입후 파라미터를 유도하기 위해 압자 프로브 변위 프로파일을 프로그래밍하고 또한 프로브 위치를 제어하기 위한 시스템을 포함한다. 압입 파라미터는 EDST를 사용하여 평가되는 것과 유사하다. 압입 파라미터는 힘 이완(일단 재료가 압입되었으면), 및 설정된 초기 변형율을 회복하는 데에 걸리는 시간(일단 압자가 이완 페이즈 후에 미리 설정된 위치로 신속하게 후퇴하면)을 포함한다. 전형적인 PPT 시퀀스가 도 3a 및 3b에 개략적으로 나타나 있고, 아래에서 더 상세히 설명된다. 본 개시에 따른 PPT의 사용으로 얻어진 결과는, PPT는 양호한 반복성을 가지고 있으며 또한 시험 결과는 EDST를 사용하여 얻어진 결과와 일치함을 보여준다.

PPT는, 원자력 발전소와 같은 극한 조건 하에서 사용될 때 오염된 그리고 주변 온도 보다 높은 환경에의 가능한 도구 노출을 고려하여 구성된다. 예컨대, 본 개시의 특정한 실시 형태에 따라, 휴대용 폴리머 시험기는 구동기, 제어부, 피드백 및 힘/변위 측정 시스템을 내장하는 하우징을 포함하고, 이 하우징은 시험 조건에 견디고 또한 내부 구성품을 시험 조건으로부터 보호하는 데에 적합한 재료로 만들어진다.

휴대용 폴리머 시험기의 구성품

위에서 언급한 바와 같이, 본 개시의 PPT는 구동기, 제어부, 피드백 및 힘/변위 측정 시스템을 포함한다. 일반적으로, PPT의 구성품은 엄빌리컬 케이블에 의해 제어기(35)에 연결될 수 있는 PPT(10)의 헤드(11) 내부에 포함된다. 헤드(11)는, 케이블과 접촉하고 이를 측정하는 PPT의 일부분이고, 제어기는, 사용자의 벨트에 부착되거나 어깨 스트랩 또는 백팩 또는 다른 수단에 보유될 수 있다. PPT는 사용자의 허리 주위에 체결되는 벨트에 있는 배터리 팩에 의해 전력 공급을 받거나 또는 연속적인 사용을 위한 ac/dc 전력 공급부에 의해 전력 공급을 받을 수 있다.

제어기는 메모리 카드, 2개의 모터 제어기 및 이더넷 및 USB 연결부를 포함할 수 있다. 헤드는 클램핑 어셈블리 및 샘플을 도구에 유지시키고 정렬하기 위한 일 세트의 쉽게 상호 교환 가능한 클램프를 포함한다. 클램프는 샘플 형상과 크기에 따라 한번에 하나 사용될 수 있다. 클램프는, 클램프가 샘플에 대한 특정한 힘에 도달하면 자동적으로 멈추도록 셋업될 수 있는 모터에 의해 앞뒤로 움직일 수 있는 아암에 부착될 수 있다. 다양한 형상과 크기를 갖는 클램프가 제공되어, 상이한 형상/크기를 갖는 샘플을 고정시킬 수 있다. 예컨대, 클램프는 평평한, 둥근, 원통형인, 타원형인 또는 사다리꼴인 단면 또는 다른 형상을 갖는 샘플을 고정시키도록 구성될 수 있다.

PPT의 헤드는 구동기, 제어부, 피드백 및 힘/변위 측정 시스템, 시험 동안에 케이블과 같은 샘플을 제자리에 유지시키기 위한 죠오(jaw) 어셈블리 및 프로브를 둘러싸는 하우징을 포함할 수 있다. 프로브는 상이한 특성을 갖는 폴리머 재료를 시험하는 데에 적합한 다양한 팁 크기의 프로브와 상호 교환될 수 있다. 한 예에서, 프로브는 상이한 직경과 폴리머 재킷을 갖는 폴리머 함유 케이블의 시험을 수용하도록 상호 교환될 수 있다. PPT는 내부 전원(예컨대, 배터리) 또는 외부 전원(예컨대, AC 파워 플러그)에 부착되기 위한 수단을 더 포함한다.

PPT의 헤드는 카메라 삼각대와 같은 표준적인 지지 장비를 수용하기 위해, 나사산이 형성된 장착점을 제공할 수 있다. 이는 작업자가 헤드를 유지할 필요 없이 측정 동안에 PPT 헤드를 지지하기 위해 사용될 수 있다. 이는 PPT 헤드를 지지하는 더 안정적인 방법을 제공하고 또한 시험 동안에 움직임 또는 진동을 제거하는 데에 도움을 준다.

본 개시의 PPT의 구성품은 도면을 참조하여 아래에서 더 상세히 설명된다.

압자 구동 시스템

PPT에 포함되는 압자 구동 시스템("구동 시스템")(20)은, 샘플(예컨대, 케이블 샘플)과 접촉하여 압입하는 프로브(50), 및 변형의 회복 시간을 측정할 수 있도록 프로브의 즉각적인 또는 신속한 후퇴를 위한 모터(30)를 포함한다. 일 실시 형태에서, 도 4d를 참조하면, 구동 시스템(20)의 모터(30)는 선형 레일, 볼 스크류 구동기 또는 선형 유도 모터를 갖는 전기적인 직류 서보 구동기일 수 있다. 프로브의 정밀한 운동을 위해 피에조 액츄에이터가 사용될 수 있다. 일 실시 형태에서, 모터는 대략 10 mm/sec의 속도로 프로브를 후퇴시킬 수 있다.

다른 실시 형태에서, 구동 시스템은 모터, 선형 슬라이드, 고분해능 광학 인코더 시스템, 운동 제어기 및 모터 구동기/증폭기를 포함한다. 이들 구성품의 배치는 폐쇄 루프 제어 시스템을 형성한다. 더 구체적으로, 모터는 선형 슬라이드에 고정되는 제조자 특정 표면에 대해 프리로딩된다(preloaded). 이 프리로드력에 의해모터는 어떤 배향에서도 슬라이드의 논슬립(non-slip) 운동을 제공할 수 있다. 더욱이, 선형 슬라이드는 위치 측정을 가능하게는 눈금(scale)을 포함한다. 광학 선형 인코더 시스템은 판독 헤드 센서를 포함하는데, 이 센서는 위치 결정 정확도를 증가시키기 위해 눈금을 "읽고" 기록값을 인터폴레이터(interpolator)에 보낸다. 그런 다음에 이 위치 정보는 전기적 수단에 의해 운동 제어기에 전달된다. PPT의 용례에 따라 위치 오차가 사실상 영이거나 허용 공차 내에 있을 때까지 운동 제어기는 알고리즘을 사용하여 모터 구동기/증폭기를 통해 모터에 명령을 준다.

본 개시의 한 실시 형태에 따르면, 구동 시스템은 다음과 같은 사양에 따라 제조된다:

- 적어도 5 mm의 스테이지 이동량

- 약 0.010 ㎛ 내지 약 0.1 ㎛의 스텝 분해능

- 약 0.010 ㎛ 내지 약 0.1 ㎛의 측정 분해능

- 약 30N 내지 약 34N의 모터 동적 실속(stall)력

- 약 26N 내지 약 30N의 모터 정적 유지력

- -10 내지 50℃의 모터 작동 온도

다른 실시 형태에 따르면, 구동 시스템은 다음과 같은 사양에 따라 제조된다:

- 대략 40 mm의 스테이지 이동량

- 약 10 nm의 스텝 분해능

- 측정 분해능: 대략 10 nm

- 모터 동적 실속력: 약 32N

- 모터 정적 유지력: 약 28N

- 모터 작동 온도 범위: 약 0 내지 50℃

구동기를 위한 부품을 선택함에 있어서, PPT의 손에 잡히는 부분의 전체 크기와 중량이 PPT의 크기와 중량 모두에 영향을 줄 구성품으로 고려될 필요가 있다. 적절한 모터 종류는 음성 코일 모터, 선형 축 모터 및 세라믹 서보 모터를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.

도 4a-4c를 참조하면, 본 개시의 PPT(10)의 구동 시스템(20)의 특정한 예는 모터(30)(예컨대, 세라믹 서보 모터)를 나노스테이지(40)에 통합하고, 이 나노 스테이지는 PPT(10)의 사용 동안에 프로브(50)의 즉각적인/신속한 후퇴를 용이하게 해준다. 나노스테이지(40)는 스테이지 테이블(42) 및 스테이지 기부(44)를 포함한다. 패키징된 구동 시스템이 다수의 부품을 제조하거나 조립할 필요성을 없애준다. 스테이지 구성은 교차 롤러 베어링을 갖는 선형 슬라이드(60) 및 선형 광학 인코더(나타나 있지 않음)를 이용한다. 나노스테이지(40)는 완전히 조립되어 제공된다. 이상적으로, 사용되는 세라믹 서보 모터(30)는 고분해능과 높은 동적 성능을 가능하게 하는 최신 기술 장치이다.

힘/변위 측정 시스템

도 4a, 4b, 4d 및 4e에 나타나 있는 바와 같이, 힘/변위 측정 시스템은 슬라이드의 전방부에 장착되는 소형 로드 셀(load cell)(110) 및 시험 동안에 프로브 팁에 대한 힘을 측정하기 위해 사용되는 로드 셀 신호 조절기(나타나 있지 않음)를 포함한다. 구동 시스템 내의 선형 인코더는 프로브 위치 측정치를 제공할 수 있다.

일 실시 형태에서, 선형 인코더(111)가 구동 시스템(20)의 비편향 부분에 제공된다. 구동 시스템 내의 편향을 설명하지 않는 이전의 PPT 시스템은 부정확한 측정치를 주기 쉽다. 일 예에서, 선형 인코더(111)가 로드 셀(100)과 프로브(50)의 팁 사이에 또는 구동기(예컨대, 선형 스테이지(40))와 프로브(50)의 팁 사이에 있다. 일 예에서, 선형 인코더(111)는 프로브(50)의 선두 가장자리 가까이에(예컨대, 팁에 또는 팁 근처에) 있을 수 있고, 이는 프로브의 팁의 위치와 움직임을 측정한다. 구동 시스템의 선형 인코더(111)를 프로브(50)의 팁(프로브 팁을 포함하여)과 편향되는 구성품(예컨대, 로드 셀(110) 및 선형 스테이지(40)) 사이의 위치에 둠으로써, 프로브 팁 위치의 절대 측정치가 제공되며, 이에 의해, 프로브(50)가 사용 중일 때 편향을 받는 구동 시스템 내의 다른 위치에 선형 인코더를 배치하는 경우와 비교하여 더 큰 측정 정확도가 얻어질 수 있다. 사용시에, 프로브(50)는 로드 셀(110)에 힘을 주고, 이는 어떤 거리 만큼 편향될 수 있다. 유사하게, 프로브(50)가 샘플을 시험하기 위해 사용될 때 구동 시스템(20) 내의 다른 구성품(예컨대, 선형 스테이지(40))이 또한 어떤 거리 만큼 편향될 수 있다. 따라서, 편향되는 위치에서 구동 시스템(20)에 위치되는 선형 인코더는 로드 셀(110) 및 구동기의 편향에 의해 야기된 거리를 포함하는 그의 위치를 기록할 것이다. 선형 인코더(111)를 구동 시스템(20)의 비편향 부분(예컨대, 프로브(50))에 위치시키면, 그렇지 않은 경우에 로드 셀(110) 및 구동기의 편향에 의해 야기될 수 있는 측정 부정확성을 제거할 수 있다.

샘플 유지 어셈블리

본 개시의 APPT를 사용하여 시험하는 동안에, 샘플을 제자리에 유지시키는 것이 종종 필요하다. 따라서, 본 개시의 APPT는 샘플 유지 어셈블리를 선택적으로 포함한다. 이 샘플 유지 어셈블리의 구성과 구성품은 APPT의 용례 및 시험 대상 샘플의 종류에 따라 달라질 수 있다.

도 2a, 2b, 4c 및 4d를 참조하면, PPT(10)는 시험 동안에 케이블 등을 유지하는 데에 적합한 샘플 유지 어셈블리를 제공할 수 있다. 도 4c 및 4d에 나타나 있는 바와 같이, 그러한 샘플 유지 어셈블리는, 가동 클램핑 죠오(92)와 정지 클램핑 부재(94)를 포함하는 죠오 어셈블리(90)일 수 있다. 이 죠오 어셈블리는 시험 동안에 케이블(100)을 클램핑하는 가동 클램핑 죠오(92)의 위치를 조절하기 위한 기구를 더 포함한다. 예컨대, 도 4c 및 4d에 나타나 있는 바와 같이 케이블이 클램핑 죠오(92)와 정지 부재(94) 사이에 클램핑될 수 있다. 클램프(92)는, 샘플, 예컨대 도 4c에 나타나 있는 케이블(100)을 고정시키거나 해제하기 위해 클램프(92)를 프로브(50) 쪽으로 또는 그로부터 멀어지게 움직일 수 있는 아암(93)의 원위 단부에 장착될 수 있다. 아암(93)은 정밀한 위치 결정 클램프(92)를 제공하기 위해 모터, 선형 액츄에이터 또는 다른 적절한 장치에 의해 구동될 수 있다. 클램프(92)는 또한 케이블을 수용하거나 해제하기 위해 드럼(93) 주위로 회전 가능하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 클램프(92)는 도 4d에 있는 피봇("R") 주위로 회전 가능할 수 있다. 도 4c 및 4d에 나타나 있는 바와 같이, 정지 클램핑 부재(94)는 관통 구멍(96)을 포함하며, 프로브(50)가 그 관통 구멍을 통해 전진하여 케이블(100)의 폴리머 재킷과 접촉하여 압입하게 된다.

클램프력 측정 시스템

클램프(92)가 제공되어, PPT(10)에 의해 시험될 샘플(예컨대, 케이블)을 고정시킨다. 클램프(92)는 다양한 크기의 샘플을 고정시키도록 움직일 수 있다. 예컨대, 클램프(92)는 샘플을 PPT의 클램프(92)와 정지 클램핑 부재(94) 사이에 고정시키기 위해 원위 또는 근위 방향으로 움직일 수 있는 아암(93)의 원위 단부에 연결될 수 있다(도 2b 및 4c 참조요). 클램프(92)는 다양한 크기와 형상의 샘플을 수용하기 위해 다른 크기 또는 형상의 클램프와 상호 교환 가능하다. 샘플에 가해지는 클램핑력은 측정의 일관성에 큰 영향을 준다. 너무 강한 클램핑력을 가하면, 샘플, 예컨대 케이블(100)의 표면이 구멍(96) 안으로 볼록하게 되어, 샘플점에서 폴리머의 장력이 증가되고 또한 잘못 된 결과가 나타나게 된다. 너무 약한 클램핑력을 가하면, 샘플, 예컨대 케이블(100)이 시험 중에 움직일 수 있고, 그래서, 샘플에 대한 프로브의 움직임이 부정확하게 측정될 것임에 따라 잘못된 결과가 나타나게 될 것이다.

일 실시 형태에서, 시험을 위해 샘플을 고정시키기 위해 폐쇄 루프 제어 시스템이 제공된다. 이 폐쇄 루프 제어 시스템은 정지 클램핑 부재(94)에 대한 클램프(92)의 위치를 제어하기 위해 로드 셀, 및 액츄에이터(나타나 있지 않음), 예컨대 직류 모터 구동 볼 스크류 또는 선형 액츄에이터를 포함한다. 클램프(92)를 위한 폐쇄 루프 제어 시스템의 로드 셀(95)은 샘플에 대한 클램핑력을 측정하기 위해 죠오 어셈블리(90) 또는 다른 적절한 위치에 위치될 수 있다. 폐쇄 루프 제어 시스템은 샘플, 예컨대 케이블(100)에 가해지는 일정한 힘을 유지시키도록 구성될 수 있다. 사용시에, 폐쇄 루프 제어 시스템의 액츄에이터는, 설정된 힘이 도달될 때까지, 클램프(92)에 의해 샘플, 예컨대 케이블(100)에 가해지는 힘을 증가시킬 수 있다. 일부 샘플은 시간이 지남에 따라 이완되거나 변형되어 클램프(92)와 샘플 사이의 힘의 감소를 야기할 수 있는 폴리머 재료를 포함할 수 있기 때문에, 로드 셀(95)이 그 감소를 검출할 수 있고 또한 설정된 힘을 만족하기 위해 액츄에이터가 클램핑력을 증가시키게 할 수 있다.

클램핑력 설정점은, 예컨대, 샘플 재료의 종류에 근거하여 변할 수 있으며, 그리고 PPT 소프트웨어에 의해 미리 설정되고 제한될 수 있다. 일단 샘플, 예컨대 케이블(10)이 절절한 위치로 고정되면, 프로브(50)가 도 4c에 나타나 있는 출발 위치로 움직일 수 있다. 이 출발 위치는, 프로브가 샘플에 가까이 있지만 그에 접촉하지 않는 미리 설정된 위치이다. 출발 위치로부터 프로브는 앞으로 이동하여 샘플 표면을 검출한다.

표면 검출

출발 위치(도 4d에 나타나 있음)로부터, PPT(100)는 정확한 결과를 제공하고 또한 손으로 조절되는 표면 검출 시스템과 관련된 인간의 실수를 감소시키기 위해 표면 검출을 위한 자동화된 시퀀스를 갖도록 구성될 수 있다. 일 실시 형태에서, 프로브(50)는 샘플, 예컨대 케이블(100) 쪽으로 전진되어 그 샘플의 표면(도 4e에 나타나 있음)을 검출할 수 있다. 표면 검출 작동 모드 동안에, 압자 프로브 팁은 전진되어 샘플의 표면과 접촉될 수 있다. 그 표면과의 접촉은 검출력(예컨대, 0.2 N)이 도달될 때 결정될 수 있다. 검출력은 로드 셀(110)에 의해 측정될 수 있다. 일단 표면이 검출되면, 프로브의 위치가 기록되고 선형 인코더(111)는 영의 눈금에 맞춰진다. 샘플의 표면의 정확한 측정에 의해 더 정확하고 반복 가능한 데이터가 제공되고, 이로써, 더 정확하게 계산된 RT 및 IM 값이 얻어진다.

일단 샘플의 표면이 검출되면, PPT(10)는 샘플 표면 안으로 또는 힘 한계가 도달될 때까지 어느 거리로 프리로딩되도록 구성될 수 있다. 수 미크론의 차이라도 측정에 영향을 줄 수 있음에 따라 샘플 표면 위치와 프리로드 거리의 정확한 측정이 중요하다.

제어 시스템

제어 시스템은 힘/변위 측정 시스템을 위한 제어 및 피드백을 제공하기 위해 사용되는 운동 제어기 및 제어 소프트웨어 프로그램(112)을 포함한다. 작동 파라미터는 시험될 샘플 종류(예컨대, 케이블 종류(들))(예컨대, 크기, 폴리머 등) 및 시험 위치(들) 또는 환경(들)을 고려하여 선택된다. 본 개시의 특정한 실시 형태에 따르면, PPT를 위한 작동 파라미터는 다음과 같을 수 있다:

- 약 0 내지 약 20 N의 힘 측정 범위

- 약 5 mm/s의 최소 위치 결정 속도

- 약 0.1 ㎛의 최소 위치 결정 분해능

- 약 1 내지 약 100 ㎛의 진폭

- 약 0.1 내지 약 100 Hz의 진동수

- 약 15 내지 약 50℃의 작동 온도

- 클램핑력

- 압입 깊이의 60% ∼ 90%의 후퇴 깊이

- 압입 깊이

- 프리로드 깊이

시험 시퀀스 파라미터 및 데이터 수집은, PPT의 헤드 또는 제어기와 통합될 수 있는 컴퓨터를 사용하여 제어된다. 제어 소프트웨어 프로그램은 시간을 절약하기 위해 사용자가 현장에서 PPT를 사용하기 전에 작동 파라미터로 시험에 앞서 로딩될 수 있다. 작동 파라미터는 결과의 증가된 반복성을 제공하기 위해 시험 대상 케이블의 종류에 근거할 수 있다.

도 20은 PPT(10)를 위한 제어 시스템의 일 예를 나타낸다. 제어기(35)는 프로세서 판독 가능한 명령을 실행하도록 구성된 프로세서(102)를 포함하고, 그 명령은 실행되면 프로세서(102)가 여기서 설명되는 작업을 수행하게 한다. 프로세서(102)는 마이크로프로세서 또는 마이크로제어기, 디지털 신호 처리(DSP) 프로세서, 집적회로, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 재구성 가능한 프로세서, 프로그래머블 읽기 전용 메모리(PROM) 또는 이의 조합일 수 있다. 제어기(35)는, 다른 계산 또는 센서 장치와 연통하고 자원(resource)에 접근하거나 연결되고 또는 데이터를 전달할 수 있는 연결부에 접속되어 다른 계산 어플리케이션을 수행하기 위해 통신 인터페이스(104)를 포함한다. 어떤 예에서, 통신 인터페이스(104)는 하나 이상의 버스, 인터커넥트, 와이어, 회로 및/또는 다른 연결부 및/또는 제어 회로, 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 하나 이상의 버스, 인터커넥트, 와이어, 회로 등은 스마트 텍스타일의 전도성 및 비전도성 섬유의 네트워크일 수 있다. 여기서 설명되는 경보(16)는 보정 조치가 취해져야 함을 착용식 장치의 사용자에게 알려줄 수 있다. 경보의 비한정적인 예는 디스플레이상의 시각적 알림 또는 PPT(10)의 라이트(예컨대, 라이트(98)); 착용식 장치의 진동 액츄에이터로부터 오는 진동; 또는 착용식 장치의 스피커로부터 오는 청각적 알림이다.

제어기(35)는 PPT(10)의 구성품 중의 어떤 것에도 연결될 수 있다. 통신 채널(들)(150)은 유선 또는 무선 통신 경로, 예컨대 전기 회로를 포함할 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 통신 채널(들)(150)은 하나 이상의 버스, 인터커넥트, 와이어, 회로 및/또는 다른 연결부 및/또는 제어 회로 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 통신 채널(들)(150)은 유선 또는 무선 연결부, 이의 조합 등을 포함할 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 통신 채널(들)(150)은 블루투스® 연결부, 블루투스® 저에너지 연결부, 단거리 통신 연결부 등을 포함할 수 있다.

제어기(35)는 메모리(106)를 포함할 수 있다. 이 메모리(106)는 컴퓨터 메모리, 예컨대, 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 읽기 전용 메모리(ROM), 전자 광학 메모리, 자기 광학 메모리, 삭제 가능한 프로그래머블 읽기 전용 메모리(EPROM) 및 전기적으로 삭제 가능한 프로그래머블 읽기 전용 메모리(EEPROM), 강유전성 RAM(FRAM) 등 중의 하나 또는 그의 조합을 포함할 수 있다.

메모리(106)는 여기서 설명되는 작업을 수행하기 위한 프로세서 판독 가능한 명령을 포함하는 제어 소프트웨어 프로그램(112)을 저장할 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 제어 소프트웨어 프로그램(112)은 시험 시퀀스 파라미터 및 PPT에 의해 기록된 데이터가 다음 분석을 위해 메모리에 기록되게 할 수 있다.

어떤 실시 형태에서, PPT(10)는 하나 이상의 케이블 또는 다른 샘플 식별자를 스캔하기 위한 스캐닝 장치(21), 예컨대 태그 판독기, 바코드 스캐너, RFID 판독기, 촬영 장치 등을 포함한다. 예컨대, 케이블은 태그를 가질 수 있거나 바코드, RFID, 텍스트 식별자 등으로 각인될 수 있다. 샘플 식별자를 스캔할 때, 제어 소프트웨어 프로그램(112)은 데이터 저장부(114) 내의 PPT의 데이터베이스에 있는 그 식별자와 관련된 작동 파라미터를 선택 및/또는 이용하도록 구성된다.

어떤 실시 형태에서, 샘플 식별자는 샘플 시설, 그 시설 내에서의 위치, 환경 조건을 식별할 수 있고 그리고/또는 독특하게 특정한 샘플/케이블을 식별할 수 있다.

어떤 실시 형태에서, 제어 소프트웨어 프로그램(112)은 특정 샘플/케이블과 관련한 시험 결과를 저장하도록 구성되며, 그래서 그 결과는 시간에 따라 추적될 수 있다. 제어기(35)는 데이터 저장부(114)를 포함할 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 데이터 저장부(114)는 안전한 데이터 스토어일 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 데이터 저장부(114)는 받은 데이터 세트, 예컨대 측정 데이터, 온도 데이터 또는 다른 종류의 데이터를 저장할 수 있다. 어떤 예에서, 데이터 저장부(114)는 받은 데이터 세트를 분석하기 위한 기준과 관련된 데이터를 저장할 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 저장되는 기준은, 측정이 정확하게 또는 부정확하게 행해졌음을 알려주는 경보(16)를 발생시키기 위해 사용될 수 있는 기준을 포함할 수 있다.

일 실시 형태에서, 제어 소프트웨어 프로그램(112)은 IM 및/또는 RT를 계산하여, 기록된 시험 시퀀스 파라미터 및 데이터의 예비 시험을 수행할 수 있다. 사용자에게 IM 또는 RT 값을 제공하기 위해 IM 및/또는 RT 값은 즉시 계산될 수 있다. 측정이 정확하게 행해졌음을 사용자에게 알려주기 위해, 실험으로 얻어진 IM 및 RT 값은 IM 및/또는 RT 값 각각에 대한 예상 값과 즉시 비교될 수 있다. IM 또는 RT 값의 예상 값은 여러 가지 방식으로 결정될 수 있다. 기록된 IM 및/또는 RT 값은 컴파일링되어, 추세(trend) 데이터의 곡선을 나타내는 그래프(예컨대, 도 7a, 7b, 7c) 또는 공식의 형태로 그 추세 데이터에 대한 벤치마크를 생성할 수 있다. 따라서, 예상 IM 및 RT 값은 특정 케이블에 대한 이전에 수집된 시험 데이터로부터 추세를 외삽하여 결정될 수 있다. 그런 다음에, 계산된 IM 및/또는 RT는 데이터베이스에 있는 저정된 IM 또는 RT 값과 비교될 수 있다. 샘플로부터 결정된 특정한 IM 및/또는 RT 값은 통계적 분석으로 예상 IM 및/또는 RT와 비교될 수 있고, 그래서 샘플의 IM 및/또는 RT 값이 예상 값의 범위 내에 있으면, 실험은 정확하게 수행된 것으로 생각될 수 있다. 그런 다음에 사용자는 예컨대 경보(16)에 의해 정확한 실험을 즉시 통지받을 수 있다. 실험에서 얻어진 IM 및/또는 RT 값이 예상 값의 범이 밖에 있으면, 사용자는 정확한 시험 데이터를 얻기 위해 실험을 재시작할 것을 촉구받을 수 있다. IM 및/또는 RT 값에 대한 예비 시험의 수행은 정확한 데이터 질의 획득을 촉진한다.

회복 시간의 결정은 도 7a를 참조하여 설명될 수 있다. 회복 시간의 측정은 압자 프로브가 설정 위치로 후퇴될 때 시작된다. 시험 재료가 회복됨에 따라, 그 재료에 의해 프로브에 가해지는 힘은, 회복하는 샘플이 프로브와 다시 한번 접촉할 때까지 효과적으로 영으로 되어 회복 페이즈의 종료를 나타낸다. 그러나, 힘 측정은 통계학적으로 잡음이 많고 프로브와 회복하는 샘플 재료 사이의 정확한 접촉 순간을 결정하는 것은 해독이 어려울 수 있기 때문에, 회복 페이즈의 종료를 정확하게 기록하는 것은 어려울 수 있다. 일 실시 형태에서, 제어 소프트웨어 프로그램(112)은, 잡음 위쪽에 있는 통계학적으로 유의미한 힘 값이 복귀되면 회복 페이즈의 종료를 결정한다. 다른 실시 형태에서, 제어 소프트웨어 프로그램(112)은 잡음 값의 범위를 결정하고, 힘 값이 그 잡음 값의 범위 위쪽으로 복귀되면 회복 페이즈의 종료를 결정한다. 다른 실시 형태에서, 제어 소프트웨어 프로그램(112)은 측정된 데이터에 대한 가장 잘 맞는 선 또는 곡선을 결정하고 제로 힘 절편(intercept)을 계산한다.

어떤 실시 형태에서, 제어 소프트웨어 프로그램(112)은 시험 받는 대상에 근거하여 제어 작업 파라미터를 조절하여 시험 시퀀스를 수행하도록 구성된다. 예컨대, 어떤 실시 형태에서, 제어 소프트웨어 프로그램(112)은 상이한 대상/재료에 대해 후퇴 깊이를 조절한다. 어떤 경우에, 이렇게 해서, 다소 탄력적인 재료에 대해 더 정확하거나 더 일관적인 결과가 얻어질 수 있다. 더 큰 후퇴 깊이를 제공하면, 신속하게 회복하는 재료에 대해 더 긴 RT 기간이 제공될 수 있고, 반면에, 더 작은 후퇴 깊이는 더 천천히 회복하는 재료에 대해 더 짧은 RT 기간을 제공할 수 있다. 어떤 경우에, 정확한 크기의 후퇴 깊이를 제공함으로써, 어플리케이션(112)은 더 양호한 분해능을 제공하거나 검출된 값에 대한 분산을 줄일 수 있다.

위의 예를 계속하면, 어떤 실시 형태에서, 제어 소프트웨어 프로그램(112)은 가열기(97)의 온도를 조절하도록 구성된다. 어떤 경우에, 동일한 온도에서 샘플의 악화가 시간에 따라 더 정확하게 측정될 수 있게 하기 위해 샘플이 시험될 때 마다 가열기(97)의 온도는 일정한(동일한) 값으로 설정될 수 있다. 온도는 IM 및 RT 값에 영향을 줄 수 있음에 따라, 샘플을 시간에 따라 동일한 온도에서 시험하면, 오차가 감소될 수 있고, 또한 반복 가능하고 이전의 시험과 비교될 수 있는 결과가 제공될 수 있다. 어떤 경우에, 제어 소프트웨어 프로그램(112)은 서로 다른 온도에서 다수의 시험의 시퀀스를 수행하고 또한 샘플을 각 시험 시퀀스를 위한 상이한 온도로 가열하기 위해 가열기(97)를 조절하도록 구성될 수 있다.

어떤 실시 형태에서, 제어 소프트웨어 프로그램(112)은 일정한 값을 유지하기 위해 클램프(92)와 샘플 사이의 클램프력을 조절하도록 구성된다. 예컨대, 클램프력은 상이한 대상/재료에 대해 조절된다. 어떤 경우에, 이는 정확도를 개선할 수 있고 또는 클램핑력에 노출될 때 시간에 따라 이완될 수 있는 재료에 대해 일관적인 결과를 제공할 수 있다. 설정된 힘을 유지하기 위해 증가/감소할 수 있는 동적 클램핑력을 제공해서 샘플을 고정시켜 시험 동안에 샘플의 움직임을 방지할 수 있으며, 이 움직임은 부정확한 결과를 초래할 수 있다.

어떤 실시 형태에서, 제어 소프트웨어 프로그램(112)은 샘플 표면의 위치를 검출하기 위해 프로브를 조절하도록 구성된다. 어떤 실시 형태에서, 제어 소프트웨어 프로그램(112)은 표면의 위치를 검출하기 위해 프로브를 샘플 쪽으로 전진시킨다. 샘플의 표면의 검출은 힘 측정치가 예컨대 로드 셀(110)에 의해 기록될 때 일어날 수 있다. 표면이 검출되면, 프로브의 위치가 기록되어 IM 및 RT 계산에 대한 근거를 제공한다.

어떤 실시 형태에서, 제어 소프트웨어 프로그램(112)은 샘플 표면 안으로 들어가는 설정된 거리로 또는 힘 한계가 도달될 때까지 프리로드 깊이를 조절하도록 구성된다. 수 미크론의 차이라도 IM 및 RT 측정치에 영향을 줄 수 있음에 따라 샘플 표면 위치와 프리로드 거리의 정확한 측정이 중요하다. 어떤 경우에, 제어 소프트웨어 프로그램(112)은 상이한 대상/재료에 대해 프리로드 깊이를 조절한다. 각 재료는 IM 및 RT 시험에 영향을 주는 표면 특성을 가짐에 따라, 샘플 재료에 근거하여 프리로드 거리를 조절함으로써 더 일관적이고 정확한 IM 및 RT 측정값이 제공될 수 있다. 샘플을 프리로딩하면 정확한 IM 및 RT 값이 제공될 수 있다.

데이터베이스

PPT(10)에 의해 저장되는 작동 파라미터와 IM 및/또는 RT 데이터는 추가 분석을 위해 중앙 데이터베이스에서 컴파일링될 수 있다. 케이블의 악화 케이블의 잔여 수명을 분석하기 위해 케이블, 또는 폴리머 재료를 포함하는 다른 장치의 수명 사이클 동안에 측정이 행해질 수 있다. IM 및 RT 시험 시에 추가적인 측정, 예컨대 방사선, 습도 및 온도의 측정이 행해질 수 있다.

압자 프로브

다양한 팁 크기를 갖는 상호 교환 가능한 프로브가 피시험 폴리머 또는 탄성 중합체 샘플(예컨대, 케이블)의 종류에 근거하여 사용될 수 있다. 팁의 움직임을 일으키기 위한 프로그래밍 옵션은 매우 넓고 또한 쉽게 조절된다. 제어되고 변화될 수 있는 입력 파라미터는 프리로드, 압입 깊이, 압입 속도, 구동 입력 신호의 종류(선형, 사인 곡선형 등), 힘 이완 파라미터, 변형 회복 파라미터를 포함한다. 폴리머 열화에 대한 민감성을 향상시키기 위해 새로운 시험 조건을 연구할 목적으로 맞춤형 신호 프로파일이 신속하게 개발될 수 있다.

HMI 스크린

인간 기계 통신 인터페이스 스크린(104)이 제공되어, PPT(10)를 작동시키기 위해 필요한 사용자 정보를 보여줄 수 있고 또는 측정 과정의 결과를 제공할 수 있다. 도구의 상태를 나타내기 위한 라이트(98), 예컨대 LED(들)(예컨대, 녹색 및 적색 라이트)가 HMI 스크린, 로커(rocker) 스위치 또는 다른 보이는 위치에 제공되어 특정한 작동 모드를 사용자에게 알려줄 수 있다.

가열기

PPT(10)에는, 샘플(예컨대, 케이블(100))이 클램프(92)에 의해 고정된 후에 그 샘플을 가열할 수 있는 가열기(97)가 제공될 수 있다. 도 2b에 나타나 있는 바와 같이, 가열기(97)는 프로브(50)를 바로 둘러싸는 샘플의 표면을 가열하도록 구성된 가열기 판이다. 가열기(97)는 샘플, 예컨대 케이블(100)의 폴리머 케이블 재킷을 제어 루프의 일부분으로서 시험 온도로 가열하도록 구성될 수 있다. 사전 가열 과정은 가열기를 켜거나 꺼서 시험 온도에 대한 설정점, 예컨대 ±2℃ 내에 도달하고 유지시킨다. 설정점 온도는 샘플에 대한 이전 측정값과 일관적인 미리 정해진 값일 수 있다. 시험 실행 사이의 일관적인 온도는 IM 및 RT 값에 영향을 줄 수 있는 샘플 재료 특성에 대한 온도 유도 변화를 완화시킨다. PPT는 IM 및/또는 RT가 온도에 따라 어떻게 변하는지를 측정하기 위해 상이한 온도에서 다수의 시험각각을 수행할 수 있다.

다른 실시 형태에서, 가열기(97)는 프로브(50)가 샘플을 압입하는 위치에 직접 열을 제공하도록 구성될 수 있다. 가열 판, 레이저, 고주파, 적외선 또는 다른 적절한 열원에 의해 열이 프로브(50)가 샘플을 압입하는 위치에 제공될 수 있다. 일 예에서, 관통 구멍(96)을 통해 전달되는 레이저에 의해 열이 프로브(50)가 샘플을 압입할 위치에 직접 제공된다. 레이저 또는 다른 직접적인 열원이 온도 측정을 간섭하지 않도록 구멍(96)에 의해 규정되는 평면에 대해 각도를 이루는 벡터를 따라 열을 투사할 수 있다(아래에서 논의됨).

온도 센서

PPT는 하나 이상의 온도 센서를 포함한다.

피시험 폴리머 재료를 특성화하는 데에 도움을 주는 PPT 출력 파라미터는 심지어 15 내지 30℃의 온도 범위 내의 온도에도 크게 영향을 받을 수 있다. 그러므로, 샘플의 피시험 부위에서의 온도가 정확히 모니터링될 수 있다. 제1 온도 센서가 사용될 수 있는데, 대부분의 경우에 그 온도 센서는, 압입을 수행하기 바로 전에 시험 대상 재료의 표면을 측정하도록 위치되는 비접촉식 센서, 예컨대 적외선 초소형 열전대이다. 다시 말해, 제1 온도 프로브는 샘플 온도를 측정한다. 일 실시 형태에서, 제2 온도 센서, 예컨대 저항 온도계(RTD)가 가열 판의 온도를 측정하고 또한 가열판 온도 제어기에 피드백을 제공할 수 있다. 제2 온도 센서는 가열 판(97) 내에 위치될 수 있다. 각 온도 센서로부터 나오는 온도 정보는 기록되어, 온도 변동을 보상하기 위해 또한 나중에 동일한 부위에 대한 다음 측정을 수행할 때 보정 인자를 압입 데이터에 적용하기 위한 수단을 제공한다. 온도 정보는 또한 압입 측정이 일정한 기준 온도에서 행해질 수 있도록 가열 또는 냉각 장치를 제어하기 위한 수단을 제공할 수 있다. 온도 센서를 포함함으로써 PPT 압입 출력 데이터의 신뢰적인 측정을 개선할 수 있다.

압입이 일어날 위치에 있는 샘플에 직접적인 열이 제공될 때, 방출기, 예컨대 가열 판, 레이저, 고주파 방출기, 또는 적외선 방출기로부터 나오는 열이 온도 센서에 의한 온도 측정을 왜곡시킬 수 있다. 일 예에서, 직접 열 방출기와 온도 센서 각각은, 왜곡된 측정을 야기할 수 있는 간섭을 피하기 위해 상이한 벡터들을 따라 방출하고 온도를 각각 측정할 수 있다.

추가 예에서, 다른 온도 센서가 PPT(10)에 장착되어 주변 공기 온도를 측정할 수 있다.

배터리

PPT(10)는 배터리(99), 예컨대 24 V 배터리 시스템에 의해 전력 공급을 받을 수 있다. 배터리는 재충전 가능하고, 또한 배터리에는, 현장에서 신속한 배터리 충전을 가능하게 하기 위해 신속 연결 시스템이 부착될 수 있다. 배터리는 AC 전원에 연결되는 전력 공급부로 재충전된다. 배터리 팩은 작동 효율이 유지되도록 PPT의 충분한 실행 시간을 제공하도록 크기 결정된다. 배터리 교체는 편리한 시간에, 예컨대 근무 교대 또는 휴식 시간 중에 행해질 수 있다.

휴대용 폴리머 시험기를 사용하는 압입 시험

본 개시는 폴리머 노화를 시험 또는 모니터링하기 위한 방법을 더 제공하고, 이 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:

(a) 압자 프로브 팁을 폴리머, 예컨대, 케이블의 폴리머 재킷에 접촉시키는 단계("프리로드 페이즈");

(b) 프로브 팁에서의 힘 및 프로브의 변위를 측정하면서 폴리머를 변형시키기 위해 압자 프로브를 전진시키는 단계("압입 페이즈");

(c) 미리 결정된 위치가 도달되면 프로브의 이동을 멈추는 단계,

(d) 강성 또는 압자 계수 파라미터를 유도하기 위해 최대 압입에서 프로브 팁에 가해지는 힘을 측정하는 단계;

(e) 예컨대 약 60초의 미리 결정된 시간 동안 폴리머 힘 이완을 허용하기 위해 프로브를 미리 결정된 최대 압입 위치에 유지시키는 단계;

(f) 프로브를 미리 결정된 중간 위치로 빠르게(대략 50 내지 100 mm/s의 속도로) 후퇴시키고, 프로브와의 접촉이 다시 일어날 때까지 회복 시간을 모니터링하는 단계("회복 페이즈"); 및

(g) 프로브를 폴리머 재킷과의 접촉에서 벗어나는 위치로 후퇴시키고 케이블을 제거하는 단계.

단계 (a) ∼ (f)는 도 3b에 개략적으로 도시되어 있다.

너무 연질이지 않은 폴리머 재료에 대해, 압입 동안의 힘 변화는 기본적으로 변위의 변화에 비례한다. 이 경우에, 폴리머의 결과적인 비 압축 강성은 힘 및 변위 데이터를 사용하여 직접 계산되고, 힘의 변화는 변위의 변화로 나누어진다.

위에서 언급한 바와 같이, 프로브를 폴리머 표면 안으로 일정 거리 만큼 이동시키기 위해, 압입 페이즈 이전에 짧은 작은 프리로드 페이즈가 있다. 이 단계 동안에 일어나는 힘 및 변위 변화가 도 5에 그래프로 나타나 있다.

본 개시의 PPT는 위에서 설명한 폴리머 시험 방법을 수행하기 위해 개발되었다. PPT는 힘 이완(재료가 압입되었으면) 및 초기 변형을 설정된 비율을 회복하는 데에 걸리는 시간(압자가 이완 페이즈 후에 빠르게 후퇴되면)과 같은 다른 압입후 파라미터를 유도하기 위해 압자 프로브 변위 프로파일을 프로그래밍하고 또한 프로브 위치를 제어하는 옵션을 제공한다. 힘 이완 레벨(및 힘 이완 곡선의 전체 형상)은 비노화 샘플 특성과 노화된 샘플 특성을 비교할 때 크게 변하지 않는다. 그러나, 이 힘 이완 페이즈는 회복 페이즈 동안에 비노화 샘플과 노화된 샘플 사이의 큰 차이를 보여주기 위해 재료를 사전에 조절할 것이다.

힘 이완 페이즈 동안에 일어나는 힘 및 변위 변화가 도 6에 그래프로 나타나 있다.

회복 페이즈 동안에 일어나는 힘 및 변위 변화가 도 7a에 그래프로 나타나 있다. 회복 페이즈 동안에, 제어기를 사용하여 팁은 미리 정해진 위치로 후퇴되며, 팁은 폴리머 표면이 접촉을 재개하도록 그 위치에서 기다린다. 이 후퇴는, 변형의 회복이 시작되도록 프로브 팁이 폴리머와의 접촉에서 잠시 동안 벗어나도록 신속하게 행해진다. 측정을 위해 설정된 기준 회복 비율은 재료 열화에 대한 기술의 감도에 근거한다. 이러한 페이즈 동안에, 관심 대상 파라미터는 회복 시간 또는 초기 프로브 팁 후퇴로부터 재료 표면이 후퇴된 프로브 팁과 접촉하는 데에 걸리는 시간이다. 일반적으로, 열적 노화 및/또는 조사(irradiation)의 결과로, 회복 시간은 크게 증가하는 경향이 있다. 그러므로, 이 파라미터는 이러한 종류의 스트레스 요인으로 인한 폴리머 열화에 매우 민감하다. 어떤 재료에 대해, 압자 계수는 케이블 노화를 검출할 수 없다. 도 7b에 나타나 있는 바와 같이, 방사선에의 노출은 PVC 재킷의 EAB%의 감소를 야기하는데, 하지만, IM 값은 동일하게 유지된다. 도 7c는 도 7b에 나타나 있는 동일한 실험에 대한 회복 시간을 도시한다. 도 7c에 나타나 있는 바와 같이, 회복 시간은 뚜렷한 증가의 척도가 되며, 재료 열화를 나타낸다.

회복 시간은 이제 특히 대략 35 내지 50%의 회복 비율에서, 증가하는 조사 레벨 및 증가하는 열적 노화로 인한 PVC 열화와 매우 잘 상호 관계가 있는 것으로 나타났다. 회복 시간의 변화는 조사의 영향으로 인한 재료의 인장 특성의 변화와 유사하다.

동적 진동 모드

본 개시의 PPT는 또한 동적 진동 모드를 사용하여 폴리머 특성을 분석하기 위해 사용될 수 있고, 그 동적 진동 모드에서 입력 프로브 변위는 사인 곡선형 여기(excitation)를 발생시키도록 제어된다. 더 연질인 재료에 대해, 프로브는 전체 진동 기간에 걸쳐 접촉 상태로 유지된다. 하나의 진동 기간에 걸쳐 압자 프로브에 대한 재료 반작용력과 변위가 동시에 얻어짐으로써, 추가 분석이 가능하고 또한 비 동적 강성 및 재료의 점탄성 특성을 특성화하는 파라미터와 같은 다른 파라미터에의 접근이 허용된다(이 파라미터는 점탄성 재료에서 힘 신호와 변위 신호 사이에 존재하는 지연(또는 위상)의 측정으로부터 유도됨).

사인 곡선형 변위(d)가 PPT를 사용하여 비교적 연질인 폴리머 재료에 가해질 때, 압자 프로브 팁에 작용하는 재료 반작용력(F)은 다음과 같은 식으로 나타나 있는 바와 같이 변위 보다 지연될 것이다:

여기서, t는 시간이고, F₀ 및 d₀는 최대 반작용력 및 각각 하나의 사인 곡선형 사이클 동안에 도달되는 최대 압입 깊이고, ω는 사인 곡선형 진동의 각속도이며, δ는 위상각(힘이 변위 보다 지연되는 양)이다. 전형적인 힘 및 변위 시간 이력 곡선이 도 8에 나타나 있다.

더 연질인 폴리머 재료에 대해, 동적 강성 파라미터는 진동 모드에서 PPT의 사용으로부터 유도될 수 있다. 이들 파라미터는 시험되는 재료의 열화에 상호 관련될 수 있다. 식(3)에 나타나 있는 바와 같은, 점탄성 재료에 대한 복합 동적 강성(k^*)은 실수 성분(k')(부과된 사인 곡선형 변위(d)와 동상임(in phase)) 및 허수 성분(k")(부과된 사인 곡선형 변위(d)와 90°의 위상차가 있음).

k^* = k' + ik" (3)

동적 강성 파라미터는 다음과 같이 유도될 수 있다:

절대 동적 강성:

(4)

동적 강성의 실수 성분:

(5)

동적 강성의 허수 성분:

(6)

열적 노화 및/또는 조사로 인한 재료 열화의 평가를 위해, 무차원 파라미터(D)가 다음과 같이 정의된다:

(7)

여기서 D는 피시험 재료의 점탄성 특성을 특성화하는 파라미터이다. 열적 노화 및/또는 조사로 인한 이들 특성의 변화는 일반적으로 이 점탄성 파라미터의 증가를 야기한다. 그러므로, 이 파라미터와 비 동적 강성은 더 연질인 폴리머 재료의 열화를 평가하기 위해 사용될 수 있다.

폴리머 시험의 이용

본 개시의 PPT 및 방법은 종종 폴리머 또는 탄성 중합체의 노화 또는 열화의 척도로서 폴리머 또는 탄성 중합체 특성을 시험 및/또는 모니터링하는 데에 유용하다. 다음은 본 개시의 PPT 및 방법을 사용하여 분석될 수 있는 폴리머 또는 탄성 중합체 함유 구성품의 비한정적인 열거이다:

- 케이블 절연재

- 케이블 재킷

- O-링

- 구동 벨트

- 다이어프램

- 장갑

- 시일

- 가스켓

- 호스

- 자격 작업을 위한 재료의 평평한 기준 슬래브

위에서 더 상세히 설명한 바와 같이, PPT의 샘플 유지 어셈블리는 제거되거나 상이한 샘플 종류의 분석을 용이하게 하도록 적합하게 될 수 있다. 예컨대, 샘플 유지 어셈블리는 관형 샘플에 대해서는 평평한 샘플과는 다른 구성을 가질 것이다.

더욱이, 더 연질인 탄성 중합체 재료(예컨대, O-링, 일부 가스켓 재료 등...)에 대해, 진동 모드는 전통적인 압자 시험 보다 더 양호한 재료 열화 평가를 제공한다. 진동 모드에서, 동적 파라미터 및 열화 계수가 사용된다. 이 경우에 전통적인 압입 시험이 사용되면, 압입 동안에 다양한 기준 시간에서 측정된 힘 데이터와 변위 데이터 사이에 선형적인 관계가 없을 수 있으므로, 강성을 유도하는 것이 가능하지 않을 것이다. 또한, 더 연질인 탄성 중합체 재료는 노화시에도 매우 탄력적이며, 그래서, 회복 시간이 매우 짧을 것이고 또한 비노화 샘플과 노화된 샘플 간에 회복 시간 변화를 식별하는 것이 더 어려울 것이기 때문에, 회복 시간을 측정하는 것이 매우 어려울 것이다.

더 경질인 탄성 중합체 및 폴리머 재료(케이블 절연재, 케이블 재킷, 호스, 일부 가스켓 재료, 일부 시일 재료 등)에 대해, 힘과 변위의 동시적인 측정에 근거하는 강성 측정으로 또한 회복 시간의 측정 내에서 전통적인 압입 시험이 사용될 것이다. 이 경우에는 진동 모드가 사용될 수 없는데, 왜냐하면, 강제 진동 운동을 발생시킬 때 재료는 일반적으로 압자 프로브를 항상 재료와 접촉한 상태로 유지시키기에 충분히 "탄력적"이지 않을 것이기 때문이다.

본 개시의 PPT 및 방법은 예컨대 재료 자격(제조), 수명 연장 및 모니터링 프로그램, 실험실 재료 연구, 예방적 유지 보수 등에 대한 넓은 용례를 갖는다. 결과적으로, 그 PPT 및 방법은 다양한 분야 및 산업, 예컨대, 에너지, 항공 우주, 재료 과학, 자동차, 군사, 화학 공정에 유용하고, 이들 모두는 폴리머 및 탄성 중합체 재료를 사용한다.

여기서 설명되는 개시의 더 양호한 이해를 얻기 위해, 이하의 예가 주어진다. 이들 예는 단지 실례를 들기 위한 것임을 이해해야 한다. 그러므로, 그 예들은 본 개시의 범위를 어떤 식으로도 한정하지 않는다.

예

예 1: 열적으로 노화만 된 PVC 케이블 재킷의 압자 시험

환기되는 오븐에서 일련의 PVC 케이블 재킷 샘플이 110℃에서 최대 200일의 기간 동안 열적으로 노화되었다. 그런 다음에, 노화된 샘플은 본 개시의 한 실시 형태에 따른 PPT를 사용하여 시험되었다.

비 압축 강성 결과가 도 9에 나타나 있다. 열적 노화 일수의 함수로 비노화 샘플에 대한 11.9 N/mm에서부터 110℃에서 200일 동안 열적으로 노화된 샘플에 대한 21.7 N/mm까지 강성의 점진적인 변화가 있다. 초기 변형의 35%를 회복하는 데에 걸리는 시간이 도 10에 나타나 있다. 회복 시간은 증가된 열적 노화 기간의 영향에 매우 민감함을 알 수 있는데, 50 일 후에 약 +75%의 변화, 75 일 후에 +167%의 변화, 100 일 후에 +392%의 변화, 및 200 일 후에 +788%의 변화가 있다.

예 2: 조사만 된 PVC 케이블 재킷의 압자 시험

일련의 PVC 케이블 재킷 샘플이 감마 셀 안에서 2 내지 60 MRad의 선량(dose)으로 조사되었다. 그런 다음에, 본 개시의 한 실시 형태에 따른 PPT 및 표준적인 파단 연신율 방법을 사용하여 샘플이 시험되었다. 아령형 PVC 케이블 재킷 시편이 Lloyd LR5K 인장 시험기의 공압 그립에 배치되어 끊어질 때까지 당겨 졌다. EAB 파라미터는 파단시의 연신 증가율로 정의된다.

이들 조사된 PVC 케이블에 대한 기준 파단 연신율 데이터가 도 11에서 조사 선량의 함수로 나타나 있다. 그래프에 나타나 있는 바와 같이, 60 MRad에서 파단 연신율은 50%(절대값)까지 낮아지는데, 이는 케이블에 대한 통상적으로 인정된 수명 종료 점에 대응하는 열화 레벨이다[IAEA-TECDOC-1188, 2000(위)].

조사된 PVC 케이블 재킷 샘플에 대한 비 압축 강성 결과가 도 12에 나타나 있다. 강성 파라미터는 조사로 인한 열화에 민감하지 않다. 이는 문헌[IAEA-TECDOC-1188, 2000(위)]에서 보고된 앞선 연구에서 발견된 바를 확인시켜 준다.

동일한 조사된 샘플에 대한 변형 회복 데이터가 도 13에 나타나 있다. 초기 변형의 35%를 회복하는 데에 걸리는 시간은 조사 선량의 함수로 거의 선형적으로 증가한다. 비노화 조건으로부터, 10 MRad에서 33%의 평균 회복 시간 증가, 20 MRad에서 86%의 평균 회복 시간 증가, 30 MRad에서 165%의 평균 회복 시간 증가 및 60 MRad에서 320%의 평균 회복 시간 증가가 있다. 그러므로, 회복 시간을 이용하는 이 새로운 접근 방안은 압입 방법을 사용하여 조사된 PVC의 열화를 평가하기 위한 수단을 처음으로 제공한다. 더욱이, 변형의 회복 시간은 다양한 조사 레벨에 대해 측정된 EAB 값과 매우 잘 상호 관계가 있으며, 양 파라미터는 재료 열화에 극히 민감하다. 파단 연신율과 초기 변형의 35%를 회복하는 데에 걸리는 시간 사이의 양호한 상호 관계가 도 14에 나타나 있다.

예 3: 비노화 실리콘 샘플과 조사된 실리콘 샘플에 대한 진동 모드에서 PPT를 사용한 동적 파라미터의 유도

원자력 발전소에서 사용되는 실리콘 도어 시일 재료의 비노화 샘플과 60 Mrad 조사된 샘플에 대해 동적 강성 파라미터와 점탄성 파라미터(D)가 표 1에서 비교되어 있다. 조사의 결과로, 동적 강성의 실수 성분(k')은 4.88에서 7.81 N/mm로 증가한다. 허수 성분(k")은 0.89에서 0.45 N/mm로 감소한다. 점탄성 파라미터(D)는 5.48에서 17.3으로 증가한다. 힘은 비노화 샘플과 조사된 샘플에 대해 도 19에 변위의 함수로 나타나 있다.

표 1: 비노화 실리콘 샘플과 조사된 실리콘 샘플에 대해 PPT 진동 모드를 사용하여 유도된 동적 파라미터의 비교

5Hz 사인 곡선형 운동에 대해 유도된 동적 파라미터	비노화 실리콘 샘플	70 Mrad 조사된 실리콘 샘플
동적 강성의 실수 성분:k'(N/mm)	4.88	7.81
동적 강성의 허수 성분:k''(N/mm)	0.89	0.45
절대 동적 강성 k* (N/mm)	4.96	7.82
점탄성 파라미터	5.48	17.3

본 명세서에서 언급된 모든 공보, 특허 및 특허 출원은 본 개시가 속하는 기술에 숙련된 자의 기술 수준을 나타내며, 또한 마치 각 개별적인 공보, 특허 또는 특허 출원이 참조로 원용되는 것으로 명확히 또한 개별적으로 나타나 있는 것처럼 동일한 정도로 여기서 참조로 원용된다.

본 개시는 그렇게 설명되었지만, 본 개시는 많은 방식으로 변화될 수 있음이 명백할 것이다. 그러한 변화는 본 개시의 정신과 범위에서 벗어나는 것으로 간주되지 않으며, 본 기술에 숙련된 자에게 명백할 모든 그러한 수정은 이하의 청구 범위 내에 포함되도록 되어 있다.

Claims (18)

1. 폴리머 또는 탄성 중합체 재료의 물리적 특성을 측정하기 위한 휴대용 시험 장치로서,
   (a) 압자 프로브(indenter probe);
   (b) 상기 프로브의 운동을 제어하기 위한 것이고, 동력화된 선형 슬라이드를 포함하는 구동 시스템 - 상기 동력화된 선형 슬라이드는, 상기 프로브를 제1 위치로부터 제2 위치로 전진시켜 상기 폴리머 또는 탄성 중합체 재료를 변형시키고 또한 상기 제1 위치와 제2 위치 사이의 미리 결정된 중간 위치로의 상기 프로브의 즉각적인 또는 신속한 후퇴를 용이하게 해주도록 상기 프로브와 작동적으로 관련되어 있음 -;
   (c) 상기 폴리머 또는 탄성 중합체 재료와 접촉하는 동안에 프로브의 팁에서의 힘을 측정하기 위한 제1 센서 및 프로브의 변위를 측정하기 위한 제2 센서를 포함하는 힘/변위 측정 시스템; 및
   (d) 상기 힘/변위 측정 시스템과 구동 시스템에 제어를 제공하도록 구성된 제어기를 포함하는, 휴대용 시험 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 폴리머 또는 탄성 중합체 재료의 시험 위치를 설정된 온도로 가열하도록 구성된 가열기를 포함하는 휴대용 시험 장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 압자 프로브의 위치를 측정하기 위해 상기 구동 시스템의 비편향 부분에 위치되는 선형 인코더를 포함하는 휴대용 시험 장치.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 동력화된 선형 슬라이드는 직류 서보 구동기 및 볼 스크류 구동기인, 휴대용 시험 장치.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 동력화된 선형 슬라이드는 압전 모터 및 볼 스크류 구동기 또는 선형 액츄에이터인, 휴대용 시험 장치.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
   시험 동안에 상기 재료의 전부 또는 일부분을 고정화(immobilizing)하기 위한 클램프를 포함하는 샘플 유지 어셈블리, 및 상기 클램프와 재료 사이의 힘을 나타내는 클램프력 데이터를 로드 셀(load cell)로부터 수신하고 또한 상기 클램프를 움직여 설정된 힘을 유지시키도록 구성된 클램프 제어 모듈을 포함하는 휴대용 시험 장치.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어기는, 사용자가 상기 휴대용 시험 장치를 사용하기 전에 힘 측정 범위, 최소 위치 결정 분해능, 진폭, 진동수, 작동 온도, 클램핑력, 후퇴 깊이, 압입 깊이 또는 프리로드(preload) 깊이 중의 적어도 하나를 설정하기 위해 작동 파라미터로 시험에 앞서 로딩되도록 구성되어 있는, 휴대용 시험 장치.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어기는,
   (a) 상기 압자 프로브를 사용하여 폴리머 재료의 일 부위를 변형시키고;
   (b) 변형 동안에 또는 상기 폴리머 재료의 최대 압입에서 프로브의 측정된 변위 및 프로브의 팁에서의 측정된 힘으로부터 폴리머 재료의 비(specific) 압축 강성을 계산하며;
   (c) 힘이 이완될 수 있도록 상기 프로브를 미리 결정된 압입 깊이까지 유지시키고; 그리고
   (d) 변형된 폴리머 재료와의 접 촉에서 벗어나는 미리 결정된 중간 위치로 상기 프로브를 후퇴시키며, 그리고 상기 폴리머 재료와 프로브의 접촉이 다시 일어날 때까지 변형의 회복 시간을 측정하도록 구성되어 있고,
   상기 비 압축 강성과 변형의 회복 시간은 폴리머 노화도의 지표(indicator)인, 휴대용 시험 장치.
9. 폴리머 재료 노화를 시험하기 위한 방법으로서,
   (a) 프로브를 사용하여 폴리머 재료의 일 부위를 변형시키는 단계;
   (b) 변형 동안에 또는 상기 폴리머 재료의 최대 압입에서 프로브의 측정된 변위 및 프로브의 팁에서의 측정된 힘으로부터 폴리머 재료의 비(specific) 압축 강성을 계산하는 단계;
   (c) 힘이 이완될 수 있도록 상기 프로브를 미리 결정된 압입 깊이까지 유지시키는 단계; 및
   (d) 변형된 폴리머 재료와의 접 촉에서 벗어나는 미리 결정된 중간 위치로 상기 프로브를 후퇴시키며, 그리고 상기 폴리머 재료와 프로브의 접촉이 다시 일어날 때까지 변형의 회복 시간을 측정하는 단계를 포함하고,
   상기 비 압축 강성과 변형의 회복 시간은 폴리머 노화도의 지표인, 폴리머 재료 노화를 시험하기 위한 방법.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 폴리머 재료의 시험 위치를 설정된 온도로 가열하는 단계를 포함하는, 폴리머 재료 노화를 시험하기 위한 방법.
11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 폴리머 재료와 프로브의 접촉이 다시 일어날 때까지 회복 시간을 측정하는 단계는, 상기 프로브를 후퇴시킬 때와 0보다 큰 통계학적으로 유의미한 힘 값을 기록할 때 사이의 시간을 확인하는 것을 포함하는, 폴리머 재료 노화를 시험하기 위한 방법.
12. 제 9항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비 압축 강성을 계산하는 단계는 선형 인코더의 변위를 측정하는 것을 포함하는, 폴리머 재료 노화를 시험하기 위한 방법.
13. 제 9항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료를 클램프로 고정시키는 단계, 및 설정된 힘을 유지시키기 위해 클램프와 재료 사이의 힘을 변경하는 단계를 포함하는, 폴리머 재료 노화를 시험하기 위한 방법.
14. 제 9항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    제로(zero) 위치를 확인하기 위해 프로브를 폴리머 재료에 접촉하도록 연장시켜 폴리머 재료의 표면을 검출하는 단계를 포함하는, 폴리머 재료 노화를 시험하기 위한 방법.
15. 제 14항에 있어서,
    상기 프로브를 상기 제로 위치로부터 상기 폴리머 재료 안으로 일정 거리 만큼 프리로딩(preloading)하는 것을 포함하는 프리로드 페이즈(phase), 및 변형 동안에 상기 프로브의 팁에서의 힘을 측정하면서 폴리머 재료를 변형시키기 위해 상기 프로브를 전진시키는 것을 포함하는 압입 페이즈를 포함하는, 폴리머 재료 노화를 시험하기 위한 방법.
16. 제 9항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1항의 시험기 장치를 폴리머 재료에 대한 시험 파라미터로 프리로딩하는 단계를 포함하고, 상기 시험 파라미터는 압입 깊이, 온도, 클램핑력, 프리로드 거리 및 후퇴 깊이 중의 적어도 하나를 포함하는, 폴리머 재료 노화를 시험하기 위한 방법.
17. 폴리머의 잔여 수명을 예측하는 방법으로서,
    (a) 압자 계수(IM) 또는 회복 시간(RT) 값을 결정하기 위해 폴리머를 시험하는 단계;
    (b) 상기 IM 또는 RT 값을 상기 폴리머의 벤치마크(benchmark) 데이터와 비교하는 단계; 및
    (c) 폴리머의 잔여 수명의 예측 값을 계산하는 단계를 포함하는, 폴리머의 잔여 수명을 예측하는 방법.
18. 제 17항에 있어서,
    상기 벤치마크 데이터를 상기 IM 또는 RT 값으로 업데이트하는 단계를 포함하는, 폴리머의 잔여 수명을 예측하는 방법.

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