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문제 정의
- 기존의 실험실적 수준의 선행 연구수준을 넘어 현장 적용성을 고려한 배열형 유도초음파 검사시스템을 개발하고자 하드웨어, 소프트웨어, 집속기법(focusing technique)까지 고려한 개발을 수행하였다. 본 논문에서는 배열형 유도초음파 검사시스템의 개발과 집속성능에 대하여 기술한다.
- 본 연구는 이러한 연구의 일환으로 배열화된 초음파 탐촉자 채널들에 개별 가진지연(delayed pulsing)을 적용한 유도초음파를 전파하여 배관의 원주방향 전 영역에 대한 결함검출능(detectability)을 향상시킴과 동시에 신호대잡음비(signal to noise ratio)도 향상시킬 수 있는 시스템을 개발하고자 수행되었다.
제안 방법
- Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6에 보인 것과 같이 배열형 유도초음파 검사시스템의 구성과 사양설계, 블록설계에 따라 초음파 펄서/리시버 모듈과 ADC 모듈에 대한 회로설계와 아트워크 설계를 수행했다. 초음파 펄서/리시버 모듈과 ADC 모듈은 하나의 PCB(printed circuit board)에 통합된 형태의 보드(이후 "Array GWUT 보드")로 아트워크했고, 제어용 FPGA와 PCI 칩도 함께 실장되도록 설계했다.
- 하드웨어 아이디를 통해 보드를 인식하기 위해 inf 파일 작성을 작성했다. WINDDK(microsoft windows driver development kits)와 visual studio 2008 을 사용해 제작했다. 개발된 device driver 기본 사양은 32/64bit 지원, verisign code 서명, 전송률 5MB 이상이다.
- 개발된 배열형 유도초음파 검사시스템은 배관의 모든 부위에 대한 결함을 검출할 수 있도록 다수의 유도초음파 탐촉자를 원주방향으로 배열하고 유도 초음파검사를 수행할 수 있게 했다.
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II. 배열 유도초음파 검사시스템 하드웨어 개발
개발하려는 배열 유도초음파 검사시스템의 제작에 앞서 해외의 주요 배열 유도초음파 검사시스템에 대한 장단점을 분석하고 이를 기반으로 개발할 시스템의 기본 구성과 사양을 설계하였다. 설계된 사양에 맞추어 회로설계와 아트워크 설계, 디바이스 드라이버 설계, 소프트웨어 설계 등을 수행했다.
- 본 연구는 이러한 연구의 일환으로 배열화된 초음파 탐촉자 채널들에 개별 가진지연(delayed pulsing)을 적용한 유도초음파를 전파하여 배관의 원주방향 전 영역에 대한 결함검출능(detectability)을 향상시킴과 동시에 신호대잡음비(signal to noise ratio)도 향상시킬 수 있는 시스템을 개발하고자 수행되었다. 기존의 실험실적 수준의 선행 연구수준을 넘어 현장 적용성을 고려한 배열형 유도초음파 검사시스템을 개발하고자 하드웨어, 소프트웨어, 집속기법(focusing technique)까지 고려한 개발을 수행하였다. 본 논문에서는 배열형 유도초음파 검사시스템의 개발과 집속성능에 대하여 기술한다.
- 디바이스 드라이버와 시스템 소프트웨어의 블록 설계 개념을 바탕으로 디바이스 드라이버와 시스템 소프트웨어 중 시스템 하드웨어 제어 및 신호수집 모듈을 개발했다.
- 배열형 유도초음파 검사시스템의 펄서/리시버 모듈은 Fig. 2에 보인 것과 같이 초음파 신호를 가진(pulsing)하기 위해 가진주파수에 부합하는 펄스폭(pulse width)을 가지는 고전압 펄스를 인가하는 펄서모듈과 수신된 초음파 신호를 증폭(amplifying), 필터링(filtering) 등의 과정을 거쳐 ADC로 인가하는 리시버 모듈로 구성했다.
- 본 연구에서 개발한 배열형 유도초음파 검사시스템은 Fig. 1에 보인 것과 같이 8채널의 배열형 탐촉자, 배열형 유도초음파 검사용 시스템 하드웨어와 하드웨어의 제어와 신호수집/평가 등을 담당하는 시스템 소프트웨어로 구성되도록 했다. 시스템 하드웨어는 배열형 탐촉자의 각 채널에 별도의 지연시간을 적용하여 유도초음파 신호를 송수신하고 처리할 수 있도록 지연 트리거와, 펄서/리시버, ADC(analog to digital converter), 신호전처리 로직(preprocessing logic), 신호전송로직 등을 설계했다.
- 개발하려는 배열 유도초음파 검사시스템의 제작에 앞서 해외의 주요 배열 유도초음파 검사시스템에 대한 장단점을 분석하고 이를 기반으로 개발할 시스템의 기본 구성과 사양을 설계하였다. 설계된 사양에 맞추어 회로설계와 아트워크 설계, 디바이스 드라이버 설계, 소프트웨어 설계 등을 수행했다.
- 시스템 하드웨어는 배열형 탐촉자의 각 채널에 별도의 지연시간을 적용하여 유도초음파 신호를 송수신하고 처리할 수 있도록 지연 트리거와, 펄서/리시버, ADC(analog to digital converter), 신호전처리 로직(preprocessing logic), 신호전송로직 등을 설계했다. 시스템 소프트웨어는 시스템 하드웨어에 대한 제어와 신호 수집, 디스플레이, 신호후처리, 신호평가, 리포팅(reporting) 등이 가능하도록 설계했다.
- 3에 보인 것과 같이 ADC와 전처리, 전송 인터페이스의 제어를 위해 ADC 모듈에 별도의 FPGA를 실장하고 제어로직을 구현하도록 설계했다. 시스템 제어 컴퓨터와의 인터페이스는 compact PCI 인터페이스를 사용하도록 설계했다.
- 1에 보인 것과 같이 8채널의 배열형 탐촉자, 배열형 유도초음파 검사용 시스템 하드웨어와 하드웨어의 제어와 신호수집/평가 등을 담당하는 시스템 소프트웨어로 구성되도록 했다. 시스템 하드웨어는 배열형 탐촉자의 각 채널에 별도의 지연시간을 적용하여 유도초음파 신호를 송수신하고 처리할 수 있도록 지연 트리거와, 펄서/리시버, ADC(analog to digital converter), 신호전처리 로직(preprocessing logic), 신호전송로직 등을 설계했다. 시스템 소프트웨어는 시스템 하드웨어에 대한 제어와 신호 수집, 디스플레이, 신호후처리, 신호평가, 리포팅(reporting) 등이 가능하도록 설계했다.
- 아트워크 설계에 따라 제작된 PCB 기판에 부품을 실장하여 array GWUT 보드를 제작했다. Fig.
- 에너지, 석유화학 배관 내에 존재하는 CUI 결함을 검출하기 위하여 배열형 유도초음파 검사시스템을 설계하고 시스템 하드웨어 회로와 시스템 소프트웨어를 개발했다.
- 원주방향 결함이 가공된 시험편에 Fig. 14와 같이 배열 탐촉자를 장착하고 array GWUT 시스템과 시스템 소프트웨어를 이용해 탐촉자에 가진되는 펄스의 시간지연을 조정하였다. 그리고 가공 결함이 존재하는 위치에서 송신집속을 적용한 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여 각각 유도초음파 신호를 수집했다.
- 유도초음파 검사시스템의 대표적인 타입 2가지를 선정하고 비교하여 개발하려는 배열형 유도초음파 검사시스템의 목표 항목을 설정했다. Table 1에 비교 대상시스템 A, B와 개발하려는 시스템을 비교한 표를 보였다.
- 시스템 소프트웨어는 검사시스템을 직접 조작하고 신호를 수집하여 평가하기 위한 수단으로써 데이터 수집을 위한 통신, 데이터 전송, 데이터 관리, 다중 프레임 신호 디스플레이, 신호/이미지 후처리, 리포트 모듈 등으로 구성된다. 이 소프트웨어를 이용해 외부의 컴퓨터에서도 검사 데이터의 평가가 가능하도록 설계했다.
- 초음파 펄서/리시버 모듈과 ADC 모듈은 하나의 PCB(printed circuit board)에 통합된 형태의 보드(이후 "Array GWUT 보드")로 아트워크했고, 제어용 FPGA와 PCI 칩도 함께 실장되도록 설계했다.
- 펄서/리시버 모듈을 거친 초음파 신호는 ADC 모듈을 거쳐 통신 인터페이스를 통해 시스템 제어 컴퓨터(CPU 모듈)로 전송되는데, Fig. 3에 보인 것과 같이 ADC와 전처리, 전송 인터페이스의 제어를 위해 ADC 모듈에 별도의 FPGA를 실장하고 제어로직을 구현하도록 설계했다. 시스템 제어 컴퓨터와의 인터페이스는 compact PCI 인터페이스를 사용하도록 설계했다.
- 개발된 디바이스 드라이버는 array GWUT 보드가 설치된 운영체제(Windows 7)를 기반으로 작동하도록 했다. 하드웨어 아이디를 통해 보드를 인식하기 위해 inf 파일 작성을 작성했다. WINDDK(microsoft windows driver development kits)와 visual studio 2008 을 사용해 제작했다.
- 초음파 검사시스템의 일반적 노이즈 문제를 최소화하기 위해, 아트워크 설계 시 아날로그 패턴과 디지털 패턴의 그라운드를 분리하고 신호 입력과 아날로그 입력 간, 아날로그 출력과 디지털 입력 간 임피던스 매칭에 주의를 기울였다. 한 개의 보드에 두 개 채널을 구성하고 필요한 만큼 백플레인(back plane)에 연결해 구동 가능하도록 했다.
대상 데이터
- 14와 같이 배열 탐촉자를 장착하고 array GWUT 시스템과 시스템 소프트웨어를 이용해 탐촉자에 가진되는 펄스의 시간지연을 조정하였다. 그리고 가공 결함이 존재하는 위치에서 송신집속을 적용한 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여 각각 유도초음파 신호를 수집했다.
- 그림에서와 같이 펄서와 리시버, ADC 칩이 각 채널별로 1개씩 상하로 배치되었으며, 제어를 위한 FPGA 칩과 전송 인터페이스를 위한 PCI 칩이 보드 우측에 위치한다. 인터페이스용 소켓은 compact PCI를 사용했다. Fig.
성능/효과
- 배열형 유도초음파 검사시스템은 신호대잡음비의 향상을 위해 시스템 하드웨어와 소프트웨어를 이용해 송신집속이 가능하도록 개발되었는데, 송신집속을 사용한 경우에서 결함신호의 에너지 향상은 30%이상, 피크전압 향상은 20% 이상임을 확인하였다.
- 배열형 유도초음파 검사시스템을 이용하여 배관에서 수행한 원주방향 인공노치 검출실험에서 결함을 검출할 수 있음을 확인하였다.
- 15에 송신집속 알고리즘을 사용한 경우와 사용하지 않은 경우에 대하여 유도초음파 결함신호를 비교하였다. 채널별 시간지연을 적용하여 송신집속을 수행한 경우의 유도초음파 결함신호가 그렇지 않은 경우의 신호보다 더 높은 신호대잡음비를 가지는 것을 확인할 수 있다.
- 초음파 검사시스템의 일반적 노이즈 문제를 최소화하기 위해, 아트워크 설계 시 아날로그 패턴과 디지털 패턴의 그라운드를 분리하고 신호 입력과 아날로그 입력 간, 아날로그 출력과 디지털 입력 간 임피던스 매칭에 주의를 기울였다. 한 개의 보드에 두 개 채널을 구성하고 필요한 만큼 백플레인(back plane)에 연결해 구동 가능하도록 했다.
후속연구
- 추가 연구를 통해 배열형 유도초음파 검사시스템의 회로성능을 개선하고 수신집속 알고리즘을 통합함으로써 신호대잡음비와 결함검출능을 향상시킬 계획이며 STFT(short fourier transform), 2D/3D 검사이미지 매핑, radial profile 매핑 등의 신호/이미지 후처리 기능을 개발할 계획이다.
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