KR100626228B1 - 교류자기장을 이용한 유도자속 탐상장치 및 그 방법 - Google Patents

교류자기장을 이용한 유도자속 탐상장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 유도자속 탐상 장치는 원자력 발전소에서의 증기발생기의 전열관 재료 등과 같은 비자성체로 구성된 설비의 내부 및 외부의 결함을 검사하는 비파괴검사 장치의 일종으로서,
피검체와 비접촉하는 자화요크(2)와, 자화요크의 외부에 권취되어 자화요크에 교류 자기장을 형성하는 코일부(6)와, 코일부에 적절한 주파수의 교류전원을 공급하는 전원공급장치(10)를 포함하는 교류자기장 인가 장치와; 자화요크에서 생성된 교류자기장에 의해 피검체 시편을 따라 유도되는 자속을 탐지하고 측정신호를 발생하는 자기 센서(3)와, 자기 센서에서 발생된 측정 신호를 증폭 및 필터링을 행하는 증폭회로(11)와, 증폭 및 필터링된 측정신호를 처리하여 피검체내의 결함의 위치 및 크기를 산출하는 신호처리부(12)를 포함하는 탐촉자와; 내부 또는 외부에 결함(4)이 존재하는 피검체(1)로 구성되어 있다.
교류자기장, 자기 유도, 유도자속, 결함, 와전류 탐상, 전열관

Description

교류자기장을 이용한 유도자속 탐상장치 및 그 방법{Apparatus and Method for detecting defect with magnetic flux inducted by AC magnetic field}
도 1은 종래의 와전류 탐상방법의 원리를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 교류자기장을 이용한 유도자속 탐상방법의 원리를 설명하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 교류자기장을 이용한 유도자속 탐상장치의 개략도이다.
도 4a, 5a, 6a, 7a는 본 발명에 따른 교류자기장을 이용한 유도자속 탐상방법을 이용하여 검출한 다양한 피검체의 결함 크기와 측정된 전압간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4b, 5b, 6b, 7b는 각각 도 4a, 5a, 6a, 7a의 신호를 미분한 값을 나타낸 그래프이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1: 피검체(전열관 재료) 6: 코일
2: 자화요크 7: 자기장
3: 자기센서 10: 전원공급장치
4: 결함 11: 자기센서 구동 및 증폭장치
5: 결함에 의한 유도자속의 변화 12: 신호처리부
본 발명은 원자력 발전소의 증기발생기 전열관 등의 비자성체 재료의 결함을 탐지하기 위한 결함탐상장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 교류자기장에 의해 발생되는 자기유도를 이용하여 비자성체인 전열관의 결함을 탐상하는 교류자기장을 이용한 유도자속 탐상장치 및 방법에 관한 것이다.
현재 발전소에 사용되는 산업설비에서 평면부나 모서리부, 요흠부 등의 단면을 갖는 피검체 및 복수기, 열교환기 및 급수가열기 튜브 등의 표면에서 결함을 탐상하기 위해 피검체를 파괴하지 않고서도 그 제품의 결함유무를 확인하는 데에는 비파괴검사법이 사용되며, 이러한 비파괴검사법에는 와전류 탐상법, 방사선검사법, 초음파 검사법, 육안 검사법 등의 여러 가지 종류의 검사법이 있다. 그 중에서도 현재 전자기 유도(electro magnetic induction) 이론을 응용한 와전류 탐상법이 가장 많이 사용되고 있다.
도 1은 발전소의 증기발생기의 전열관 등의 결함을 탐상하기 위한 종래의 와전류 탐상방법의 원리를 나타낸 개략도로서, 교류가 흐르는 코일(6)을 도체(1)에 가까이 하면 코일 주위에 발생된 자기장(7)이 도체에 작용하게 된다. 코일의 자기 장(7)은 교류에 의해 생긴 것이므로 도체를 관통하는 자속의 방향은 시간에 따라 변화한다. 이 때 도체(1)에는 도체를 관통하는 자속을 방해하려는 기전력이 생기며 이것을 전자기 유도라 한다. 도체(1)는 이 기전력에 의해 와전류라는 교류전류가 발생하고, 이 와전류의 크기 및 분포는 주파수, 도체의 전도도와 투자율, 피검체의 크기와 형상, 코일의 형상과 크기, 전류, 도체와의 거리, 균열 등의 결함(4)에 의해 변화한다. 따라서, 피검체에 흐르는 와전류의 변화를 검출함으로서 피검체에 존재하는 결함의 유무, 재질 등을 검사할 수 있다.
그러나, 이러한 와전류 탐상방법은 코일의 위치를 조절할 때 코일과 피검체의 거리의 변동에 의해 잡음이 발생되어 이상신호가 발생될 수 있다. 또한, 탐상조건의 설정인자로서 주파수 선택, 탐촉자 선택, 위상조절, 탐상감도 설정, 평형조정, 필터의 주파수 범위조정 등 매우 많은 인자가 존재하여, 탐상조건 설정에 있어서도 전문성이 요구되고, 피검체가 바뀌면 인공시험편을 준비하여 측정한 후 검사를 진행해야 하며, 그 결과해석에 있어서도 사람에 따라 좌우되는 경향이 많다. 따라서, 현재 전열관의 결함탐상에 사용되고 있는 와전류 탐상방법은 전문적으로 숙달되지 않으면 그 탐상 결과가 전혀 다르게 나올 수 있다는 큰 문제점을 지니고 있다.
또한, 포항종합제철주식회사의 한국 실용신안등록번호 제0107873호는, 박강판 등의 강자성체 재료를 직류 자기장을 인가하여 자화시키고, 자화된 상기 강자성체 재료에 존재하는 비금속개재물 또는 결함 주위에 발생하는 누설 자속을 자기 센서로 검출하는 누설자속 탐상법을 개시하고 있으며, 이러한 탐상법에서는 자기 센 서를 이용함으로서 상기 와전류 탐상법보다 탐상조건의 설정에 있어 간편하고 정확한 탐상이 가능하다. 그러나, 이러한 방법은 직류 자기장에 의해 자화가 가능한 박강판 등과 같은 강자성체 재료에만 적용이 가능한 바, 원자력 발전소에서 사용되는 증기발생기 전열관은 일반적으로 비자성체로 이루어져 있음로 종래에 직류누설자속 탐상법을 적용하여 결함을 탐상하는 것이 불가능하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 교류 자기장을 인가하여 전열관 재료와 같은 피검체에 자속을 유도하고 피검체에서의 유도된 자속의 변화를 자기센서로 검출함으로서 비자성체의 피검체내에 포함된 결함의 크기를 정량적으로 검사할 수 있을 뿐 아니라 전문적인 조작이 필요없이 간단한 조작으로 결함을 탐상할 수 있고, 시험체에서 얻어진 신호로부터 직접적으로 결함의 종류를 확인할 수 있는 교류자기장을 이용한 유도자속 탐상장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본원발명에 따른 비자성 피검체의 내부 또는 외부의 결함을 검사하는 교류자기장을 이용한 유도자속 탐상장치는, 피검체와 비접촉하는 자화요크와; 상기 자화요크의 외부에 권취되어 상기 피검체에 교류 자기장을 형성하는 코일부와; 상기 코일부에 미리정해진 주파수의 교류전원을 공급하는 전원공급장치와; 상기 자화요크 및 코일부에 의해 형성된 교류 자기장에 의해 상기 피검체에 유도된 자속을 탐지하고, 결함에 의한 유도자속의 변화를 검출하여 측정신 호를 발생하는 자기 센서와; 상기 자기 센서에서 발생된 측정 신호를 수신하여 증폭 및 필터링을 행하는 증폭회로와; 상기 증폭 및 필터링된 측정신호를 수신 및 처리하여 상기 결함의 위치 및 크기를 산출하는 신호처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의해 본원발명은 자기 센서를 사용하면서도 교류자기장을 형성하여 비자성체에서 자기 유도를 행하여 유도된 자속에 있어서 결함에 의해 발생된 자속변화를 검출함으로써, 기존의 와전류 탐상장치보다 탐상조건 설정에 있어서 주파수 선택, 위상 조적, 탐상감도 설정, 평형조정, 필터의 주파수 범위 조절 등의 전문적인 조작이 필요없이 간단한 조작으로도 정확하게 결함을 탐상할 수 있다. 또한 피검체에서 얻어진 측정신호로부터 직접적으로 결함의 종류를 판단할 수 있게 된다.
또한, 본원발명에 있어서 상기 자기센서는 홀센서 또는 GMR 센서인 것이 바람직하다.
또한, 상기 자기센서는 상기 결함에 의해 발생한 유도자속의 변화에 의해 변경된 전압을 측정하는 측정부를 포함하고, 유도자속 탐상장치는 상기 측정된 전압레벨에 따라 상기 결함의 위치 및 크기를 산출할 수 있다.
상기 자화요크는 페라이트 또는 전기강판(SiFe)과 같은 고투자율의 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 신호처리부는 상기 증폭 및 필터링된 측정신호를 미분하여 결함의 위치 및 크기를 산출하는 미분처리기를 더 포함할 수 있다. 이러한 미분 처리를 통해 결 함의 위치 및 크기를 더욱 정확하게 산출할 수 있게 된다.
상기 피검체는 본원발명에 있어서 증기발생기의 전열관 재료일 수 있다.
또한, 본원발명에 따른 비자성 피검체의 내부 또는 외부의 결함을 검사하는 교류자기장을 이용한 유도자속 탐상방법은, 코일부에 교류전원을 공급하여 자화요크에 교류 자기장을 형성하는 단계; 상기 자화요크에 발생된 교류자기장에 의해 상기 피검체에 상호유도된 자속을 자기센서로 탐지하는 단계; 상기 결함에 의해 상기 피검체의 유도자속에서 변화가 검출되는 경우 상기 자기센서가 측정신호를 발생하는 단계; 상기 측정신호를 증폭 및 필터링하는 단계; 상기 증폭 및 필터링된 신호를 처리하여 상기 결함의 위치 및 크기를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 유도자속 탐상방법은 상기 증폭 및 필터링된 측정신호를 미분하여 결함의 위치 및 크기를 산출하는 미분처리 단계를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 비자성 피검체, 더 구체적으로는 발전소에서 증기발생기의 전열관 재료의 결함을 검사할 수 있는, 교류자기장을 이용한 유도자속 탐상장치 및 그 방법의 일 실시예에 대하여 상세하게 설명하고자 한다. 각 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 교류자기장을 이용한 유도자속 탐상법의 원리를 설명하는 개략도이다. 도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 교류자기장을 이용 한 유도자속 탐상장치의 개략도이다.
본 발명에 따른 유도자속 탐상 장치는 원자력 발전소에서의 증기발생기의 전열관 재료 등과 같은 비자성체로 구성된 설비의 내부 및 외부의 결함을 검사하는 비파괴검사 장치의 일종으로서, 피검체와 비접촉하는 바람직하게는 말굽 모양인 자화요크(2)와, 자화요크의 외부에 권취되어 자화요크에 교류 자기장을 형성하는 코일부(6)와, 코일부에 적절한 주파수의 교류전원을 공급하는 전원공급장치(10)를 포함하는 교류자기장 인가 장치와; 자화요크(2)의 하방 중간부에 위치하고, 자화요크(2)에서 생성된 교류자기장에 의해 피검체 시편(1)을 따라 유도되는 자속을 탐지하고, 피검체에 존재하는 결함(4)에 의한 유도자속의 변화를 검출하여 측정신호를 발생하는 자기 센서(3)와, 자기 센서에서 발생된 측정 신호를 증폭 및 필터링을 행하는 증폭회로(11)와, 증폭 및 필터링된 측정신호를 처리하여 피검체내의 결함(4)의 위치 및 크기를 산출하는 신호처리부(12)를 포함하는 탐촉자와; 내부 또는 외부에 결함(4)이 존재하는 예컨대 전열관 재료와 같은 비자성 피검체(1)로 구성되어 있다.
상기와 같은 교류자기장을 이용한 유도자속 탐상장치의 작동원리는 다음과 같다.
일단 전원공급장치(10)가 발생시키는 교류자기장에 의해 시간에 따라 변화하는 교류자속 Φ1이 자화요크(2)에 발생되어 피검체에 인가되면, 도체인 전열관과 같 은 비자성체인 피검체에 상호유도 현상을 일으키며 유도자속 Φ2가 형성되고 이 피검체에 결함(4)이 존재하는 경우 피검체의 임피던스가 변화하므로 유도자속 Φ2의 크기가 결함(4)의 주변에서 변화한다. 유도자속 Φ2의 크기는 또한 결함의 크기에 따라 변화(5)한다. 이러한 자속크기의 변화 및 변화의 위치를 자기센서(3)가 탐지하여 측정신호를 발생하면, 증폭회로(11)에서 상기 측정신호를 인가된 교류자기장과 동일한 주파수만 선택되도록 필터링하여 증폭하고, 증폭된 측정신호를 신호처리부(12)에서 처리하여 결함의 위치 및 크기를 산출함으로써, 피검체내 결함의 존재유무, 결함의 위치 및 크기를 검출할 수 있게 된다.
이 때 신호처리부(12)는 상기 증폭 및 필터링된 측정신호를 미분하여 결함의 위치 및 크기를 산출하는 미분처리기를 더 포함할 수 있다. 이러한 미분 처리를 통해 결함의 위치 및 크기를 더욱 정확하게 산출할 수 있게 된다.
또한, 자기 센서(3)는 유도자속의 정확한 측정을 위해 홀자기 센서 또는 GMR(Giant Magnetic Resistance) 센서인 것이 바람직하다. 일반적으로 홀자기 센서의 경우 경제적이고 사용이 간편하며, GMR 센서를 사용할 경우는 홀자기 센서보다 감도가 우수하므로 홀자기 센서를 사용할 경우보다 정밀한 측정이 가능하지만 감도가 예민하므로 사용에 주의를 요한다. 자기센서(3)는 상기 결함에 의해 발생한 유도자속의 변화에 의해 변경된 전압을 측정하는 측정부를 더 포함하여 유도자속 탐상장치가 상기 측정된 전압레벨에 따라 상기 결함(4)의 위치 및 크기를 산출할 수 있도록 할 수 있다.
상기 자화요크(2)는 피검체에 자기 유도 현상에 의한 유도자속을 보다 양호하게 발생시킬 수 있도록, 페라이트 또는 전기강판(SiFe)과 같은 고투자율의 재료로 이루어질 수 있으며, 증폭회로(11)는 측정신호를, 인가된 교류자기장과 동일한 주파수만 선택되도록 필터링하여야 하므로 Lock-In 앰프인 것이 바람직하다.
이상에서 설명된 유도자속 탐상장치 및 그 방법을 사용하여 증기발생기 전열관 재료와 동일한 몇가지 재료로 만들어진 시편들 내의 인공결함을 탐지한 결과는 도 4a, 5a, 6a, 7a의 그래프에 나타나 있다.
본 실험에서는 피검체로서 표 1과 같은 인공결함을 포함하도록 한 전열관 재료 시편들을 준비하였다. 이하의 표에서 A와 B는 사각형 결함이며, C와 D는 원형 결함이고, Φ는 mm단위로 표시한 결함의 직경을 나타낸다.
Figure 112004029758504-pat00001
도 4a는 A 시편, 도 5a는 B 시편, 도 6a는 C 시편, 도 7a는 D 시편에 대한 탐지결과 그래프이며, 도 4b, 5b, 6b, 7b는 각각 그 탐지된 측정 신호를 미분처리하여 산출한 결과그래프이다. 여기서 X축은 시편에서 측정된 길이(단위:mm)이고, Y축은 길이에 해당되는 부분에 대응되는 전압측정치(단위:V)를 나타낸다.
도 4a는 인공결함들간의 거리가 20mm인 A시편을 측정한 데이터로서, 인공결함들 간의 거리 및 결함의 크기에 따라서 전압에 있어서 차이를 나타내고 있는 바, 이것은 결함으로 인한 유도자속의 변화에 기인하여 전압이 변화한 것이다. X축의 각 전압치를 보면 피크가 발생되는 위치로부터 그에 대응된 시편의 길이에 따른 결함의 위치를 알 수 있고, 피크의 전압값의 크기에 따라 결함의 크기 또한 산출할 수 있다. 또한 도 4b는 A시편내 결함에 의한 유도자속에 대하여 측정된 신호를 미분한 결과그래프로서, 미분에 의하여 잡음신호 및 신호의 드리프트(drift)를 제거할 수 있으므로 결함의 위치 및 크기를 더욱 명확하게 알 수 있게 된다.
도 4 내지 도 7에서 측정된 결과데이터들로 볼 때, 인공결함의 길이, 폭, 깊이 각각과 측정된 전압의 크기가 비례하는 것을 알 수 있다. 따라서, 자기센서에서 검출되는 전압의 크기로부터 피검체에 존재하는 결함의 크기를 산출할 수 있다. 또한, 보다 정확한 결함의 분석을 위해 자기센서에 어레이(array)형 자기센서를 사용하는 경우 결함을 직접 눈으로 확인하는 것도 가능하다.
이상에서 서술된 교류자기장을 이용한 유도자속 탐상장치 및 그 방법은 본발명의 일실시예에서 발전소 증기발생기의 전열관 재료의 결함을 탐지하는 데 사용되었으나, 스테인레스강으로 이루어진 배관이나 가스관의 결함탐지에도 사용될 수 있으며, 일반적으로 도체 또는 비자성체로 구성된 재료의 결함을 탐지하는 데 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본원발명은 상기와 같은 바람직한 일실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 교류자기장을 이용한 유도자속 탐상장치 및 그 방법은, 교류자기장을 형성하여 비자성체의 피검체에서 자기 유도를 행하여 유도된 자속에 있어서 결함에 의해 발생된 자속변화를 자기센서로 검출함으로써, 기존의 와전류 탐상장치보다 탐상조건 설정에 있어서 주파수 선택, 위상 조적, 탐상감도 설정, 평형조정, 필터의 주파수 범위 조절 등의 전문적인 조작이 필요없이 간단한 조작으로도 정확하게 결함을 탐지할 수 있게 되어, 비자성체 및 기타 도체에 속하는 피검체의 결함을 손쉽고도 실시간으로 탐지할 수 있고, 결함의 크기를 정량적으로 평가할 수 있을 뿐 아니라, 기존의 와전류 탐상장치에서 코일에 의해 와전류를 검출하는 것과 달리 자기센서를 도입함으로서 신호해석이 더 용이하다.
또한, 본 발명에 따른 유도자속 탐상장치는 결함의 크기에 맞게 제작이 가능하기 때문에 크기를 축소시켜 탐촉자의 이동이 편리하도록 제작하여 사용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 비자성 피검체의 내부 또는 외부의 결함을 검사하는, 교류자기장을 이용한 유도자속 탐상장치에 있어서:
    피검체와 비접촉하는 자화요크와;
    상기 자화요크의 외부에 권취되어 상기 피검체에 교류 자기장을 형성하는 코일부와;
    상기 코일부에 미리정해진 주파수의 교류전원을 공급하는 전원공급장치와;
    상기 자화요크 및 코일부에 의해 형성된 교류 자기장에 의해 상기 피검체에 유도되는 자속을 탐지하고, 결함에 따른 유도자속의 변화를 검출하여 측정신호를 발생하는 자기 센서와;
    상기 자기 센서에서 발생된 측정 신호를 수신하여 증폭 및 필터링을 행하는 증폭회로와;
    상기 증폭 및 필터링된 측정신호를 수신 및 처리하여 상기 결함의 위치 및 크기를 산출하는 신호처리부를 포함하는, 유도자속 탐상장치
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 자기센서는 홀센서 또는 GMR 센서인 것을 특징으로 하는 유도자속 탐상장치
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기센서는 상기 결함에 의해 발생한 유도자속의 변화에 의해 변경된 전압을 측정하는 측정부를 포함하고,
    상기 측정된 전압레벨에 따라 상기 결함의 위치 및 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는 유도자속 탐상장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자화요크는 페라이트 또는 전기강판(SiFe)과 같은 고투자율의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 유도자속 탐상장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호처리부는 상기 증폭 및 필터링된 측정신호를 미분하여 결함의 위치 및 크기를 산출하는 미분처리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도자속 탐상장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 피검체는 증기발생기의 전열관 재료인 것을 특징으로 하는 유도자속 탐상 장치.
  7. 비자성 피검체의 내부 또는 외부의 결함을 검사하는 교류자기장을 이용한 유 도자속 탐상방법에 있어서:
    코일부에 교류전원을 공급하여 자화요크에 교류 자기장을 형성하는 단계;
    상기 자화요크에 발생된 교류자기장에 의해 상기 피검체에 상호유도된 자속을 자기센서로 탐지하는 단계;
    상기 결함에 의해 상기 피검체의 유도자속에서 변화가 검출되는 경우 상기 자기센서가 측정신호를 발생하는 단계;
    상기 측정신호를 증폭 및 필터링하는 단계;
    상기 증폭 및 필터링된 신호를 처리하여 상기 결함의 위치 및 크기를 산출하는 단계를 포함하는, 유도자속 탐상방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 증폭 및 필터링된 측정신호를 미분하여 결함의 위치 및 크기를 산출하는 미분처리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도자속 탐상방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 자기센서는 어레이형 자기센서인 것을 특징으로 하는 유도자속 탐상장치
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