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문제 정의
- 본 논문에서는 4단자 탐촉자와 유사하지만 이동측정이 가능하고 접촉핀 사이의 간격을 조절할 수 있는 탐촉자를 제작하여 단자 간격에 따른 DCPD(Direct Current Potential Drop)를 관찰하고 효과적인 단자 간격을 선정하였다. 또한 이것을 이용하여 평판에서 결함의 위치와 DCPD와의 관계를 실험하였으며, 실험 결과를 전자기장 해석 결과와 비교 고찰하였다.
- 본 연구에서는 기존의 4단자 탐촉자를 개선하여 이동식 탐촉자를 개발하고 재료내의 결함의 위치를 찾아내기 위한 기초 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- (2) 탐촉자의 측정성능이 우수한 두 개의 단자간격 비율을 선정하였으며 이를 이용하여 결함의 위치에 따른 전압분포를 측정하였다.
- Fig. 3에서와 같이 탐촉자의 전류 공급핀 사이의 간격과 전압 측정핀 사이의 간격을 각각 Sb S2라할 때 제작된 탐촉자에서는 1CD1 단위로 간격을 조절할 수 있으므로 간격비 S/S2를 각각 3/1, 5/1, 5/3, 6/2 로 변화시키며 실험을 수행하였다.
- 간격비의 특성을 분석한 결과 민감도가 우수하고 측정범위가 넓은 간격비 5/1과 6/2인 탐촉자를 선정하여 평판에서의 결함의 위치 검출 실험을 수행하였다. 결함을 중심으로 전후좌우가 대칭이므로 결함을 원점으로 하여 탐촉자에 수평방향으로 5mm씩 25miii까지, 수직방향으로 5mm(혹은 2.
- 결함을 중심으로 전후좌우가 대칭이므로 결함을 원점으로 하여 탐촉자에 수평방향으로 5mm씩 25miii까지, 수직방향으로 5mm(혹은 2.5mm)씩 40nun까지 탐촉자를 이동하면서 제 1사분면에서만 총 60개 지점에서 전압을 측정하였다.
- 열기전력에 의한 전압변동은 최대 2“V까지, 스파크를 제외한 접촉관련 오차들은 최대 20创까지로 나타났으나 수정 후에는 그 오차가 모두 1/zV 이하로 나타났다. 그러나 이들 중 접촉핀 사이의 미소한 간격변화로 인한 오차를 줄이기 위하여 무척 정밀한 제작을 필요로 하였으며, 이러한 제작 한계를 보완하기 위하여 모든 실험에서 5회 반복 측정 후 절사 평균값을 취하였다. 또한 전류를 공급하면서 탐촉자를 이동시킬 때 탐촉자를 시편에 약하게 누르고 있으면 시편과 접촉핀이 단락되어 스파크를 발생시키고 강하게 누르고 있으면 접촉핀이 시편에 마모되는 문제점이 있어 주의를 요하였다.
- Current Potential Drop)를 관찰하고 효과적인 단자 간격을 선정하였다. 또한 이것을 이용하여 평판에서 결함의 위치와 DCPD와의 관계를 실험하였으며, 실험 결과를 전자기장 해석 결과와 비교 고찰하였다.
- 시편의 경계면이 측정결과에 미치는 영향을 알아보기 위하여 경계면 주위에서의 전압을 측정하였다. Fig.
- 3의 Vi, V2 단자) 사이의 전압을 측정하였다. 이때 측정전압이 미소하므로 3Hz 의 저영역 필터 (LPF)로 필터링 한 후, 10000 배의 증폭을 하여 오실로스코프로 전압을 측정하였다. 단, 표와 그래프에는 증폭시키지 않은 전압 값을 기재하였다.
- 접촉핀의 간격에 따른 특성을 알아보기 위하여 간격비 별로 결함이나 경계면의 영향을 받지 않는 부분에서의 측정전압(기준전압)과 결함에서의 전압을 측정하였다. 기준전압은 결함부와 경계면의 영향을 받지 않는 지점인 양쪽에서 150mm씩 떨어진 위치에서 측정하였다.
- 제작된 탐촉자를 사용하기에 앞서 신뢰성을 확보하기 위하여 Fig. 2와 같이 회로를 구성하여 시편과 탐촉자 접촉핀 사이의 접촉저항 변화가 측정전압에 미치는 영향을 조사하였다. 이 그림에서 %은 시편의 부분 저항으로 전압 측정핀 사이의 시편저항을 나타내며, Rz 역시 시편의 부분저항으로 전류 공급핀 사이의 시편저항을 나타낸다.
- 제작한 탐촉자의 양단 전류 공급핀(Fig. 3의 11, 12 단자)에 시편이 가열되지 않는 범위에서 전압측정이 가능한 5A의 직류 전류를 공급하고 측정핀(Fig. 3의 Vi, V2 단자) 사이의 전압을 측정하였다. 이때 측정전압이 미소하므로 3Hz 의 저영역 필터 (LPF)로 필터링 한 후, 10000 배의 증폭을 하여 오실로스코프로 전압을 측정하였다.
- 또한 접촉핀의 끝을 원뿔형으로 뾰족하게 가공하여 접촉점의 정밀도를 높였고 단자가 시편의 표면에 균일하게 접촉되도록 뒤쪽에 스프링을 내장시켰다. 추가적으로 몸체의 양 옆에는 받침대를 두어 측정시 좌우로 기울어지지 않도록 하였고 바닥에 imm 간격으로 눈금선을 그어 움직인 거리를 정확히 알 수 있도록 하였다.
- 탐촉자는 아크릴로 제작된 몸체에 1cm 간격으로 홈을 내고 그 안에 구리봉으로 만들어진 4개의 접촉핀들을 일렬로 배치하였다. 접촉핀에는 나사산을 내고 너트로 전선을 연결시켜 분해 조립이 쉽도록 하였다.
- 탐촉자의 측정범위를 알아보기 위하여, 직경 6mm 의 결함에 대하여 결함으로부터의 거리에 따른 전압을 측정하였다. Fig.
대상 데이터
- 두께 0.5mm, 면적 600mm x 600i皿인 3개의 철판을 준비하여 중앙에 각각 지름 3, 6, 如皿의 인위적인 결함을 내어 시편으로 사용하였다. 탐촉자는 이동측정이 가능하고 접촉핀 사이의 간격조절이 용이하도록 Fig.
데이터처리
- 실험과 같은 조건에서 맥스웰 2차원 시뮬레이터(Maxwell 2D Simulator)의 직류 전기장 해석기(DC conduction field solver)를 이용하여 전기장 해석을 수행하였으며 해석결과는 다음의 Fig. 10, Fig. 11과 같다.
성능/효과
- (1) 탐촉자에서 전류 공급핀 사이의 간격을 넓히면 측정가능한 범위가 넓어지고 전압변화량이 감소하며 전압변화율은 커진다. 또한 탐촉자에서 전압 측정핀 사이의 간격을 넓히면 측정 전압값은 커지지만 전압 변화량과 전압 변화율은 줄어든다.
- (3) 전기장 해석을 수행하고 그 결과를 탐촉자를 이용한 실험결과와 비교하여 두 경향이 거의 일치함을 확인하였다.
- 이는 &이 같으므로 결함위치의 전류밀도의 크기나 변화량은 같으나 S2가 증가하여 결함에서 멀어짐으로 인하여 그 영향이 작게 나타난 것으로 생각된다. 결과적으로 Si, S2가 클수록 전압변화량이 작아짐을 알 수 있었다.
- 결함으로부터의 위치가 탐촉자에 수평인 방향에 대해서는 탐촉자의 전류 공급핀과 전압 측정핀에 대한 상대적인 위치에 따라서 다른 경향을 보였다. 결함의 위치가 전류 공급핀의 바깥쪽에 위치하는 경우 전압의 변화가 없었고 전압 측정핀의 안쪽에 위치하는 경우 양( + )의 전압이 측정되었으며 전압 측정핀과 전류 공급핀의 사이에 위치하는 경우 음(-)의 전압이 측정되었다. 또한 결함의 위치가 전압 측정핀 쪽에 근접할수록 전압변화량의 절대 값이 크게 나타났다.
- 그 이유는 Si이 증가할 때 기준전압이 크게 감소하였기 때문이라 생각한다. 또한 간격비가 5/1과 5/3에서 S2가 증가하면 전압변화율은 감소하는 것으로 나타났다.
- 이는 Si이 큰 경우가 Si이 작은 경우에 비하여 결함 위치의 전류밀도의 변화가 작으며 그 밀도도 작기 때문에 결함에 따른 전압의 변화가 작게 나타난 것으로 생각된다. 또한 간격비가 5/1인 경우와 5/3인 경우의 실험결과에서 S2가 증가할수록 전압변화량이 감소함을 볼 수 있다. 이는 &이 같으므로 결함위치의 전류밀도의 크기나 변화량은 같으나 S2가 증가하여 결함에서 멀어짐으로 인하여 그 영향이 작게 나타난 것으로 생각된다.
- 결함의 위치가 전류 공급핀의 바깥쪽에 위치하는 경우 전압의 변화가 없었고 전압 측정핀의 안쪽에 위치하는 경우 양( + )의 전압이 측정되었으며 전압 측정핀과 전류 공급핀의 사이에 위치하는 경우 음(-)의 전압이 측정되었다. 또한 결함의 위치가 전압 측정핀 쪽에 근접할수록 전압변화량의 절대 값이 크게 나타났다.
- 실제 실험에 사용할 5A의 전류를 가한 상태에서 Rv를 0Q 에서 200까지 변화시키며 실험을 수행한 결과 전체 구간에서 Rv에 따른 평균 전압 변화가 土 顶V를 넘지 않았다. 또한 실제 실험에서 Rv는 0.1Q 이하의 값만을 가지므로 접촉저항이 측정전압에 영향을 미치지 않음을 알수 있었다.
- 2에서 &의 경우 접촉부의 단락으로 인해 전류의 흐름이 끊기지만 않는다면 化의 값이 바뀌더라도 R, 구간을 흐르는 전류가 일정하므로 전압은 변하지 않는다. 실제 실험에 사용할 5A의 전류를 가한 상태에서 Rv를 0Q 에서 200까지 변화시키며 실험을 수행한 결과 전체 구간에서 Rv에 따른 평균 전압 변화가 土 顶V를 넘지 않았다. 또한 실제 실험에서 Rv는 0.
- 4는 간격비의 변화에 따라 시편의 경계면에서 결함이 있는 중앙 쪽으로 탐촉자를 수직방향으로 이동시키며 전압을 측정한 결과이다. 이 결과에서 경계면으로부터 80~100mm 이상 떨어진 지점에서는 탐촉자의 간격과 관계없이 경계면의 영향을 받지 않음을 알 수 있었다.
후속연구
- (49) 결함의 위치를 알 경우, 이 방법을 이용하여 결함 부분에 전선을 부착시키면 정밀하게 결함의 크기를 측정 할 수 있지만 선박이나 배관과 같은 대형구조물에서 결함의 위치를 모르는 경우에는 사용하기 어렵다는 단점이 있다. 이러한 결함의 측정에 4단자 탐촉자를 이용하여 재현성을 보장할 수 있다면 전선을 부착시키는 대신 탐촉핀을 접촉시켜 측정함으로써 이동측정이 가능해 질 수 있을 것이며, 결함의 위치검출에도 사용될 수 있을 것이다.
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