[논문]승강기 와이어로프 진단을 위한 누설자속기법 기반 국부손상 진단

김주원; 박주영; 박승희

doi:10.7734/coseik.2015.28.4.417

승강기 와이어로프 진단을 위한 누설자속기법 기반 국부손상 진단
Magnetic Flux Leakage Method based Local Fault Detection for Inspection of Wire Rope 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.28 no.4, 2015년, pp.417 - 423

김주원 (성균관대학교 미래도시융합공학과) , 박주영 (성균관대학교 건설환경시스템공학과) , 박승희 (성균관대학교 건축토목공학부)

초록
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본 연구에서는 와이어로프의 국부손상 검색을 위해 누설자속기법을 적용하였다. 와이어로프 구조물에 적용하기 위해 리프트오프의 발생을 최소화한 4채널 누설자속 센서헤드를 제작하였고, 이를 사용하여 와이어로프의 국부손상 검색실험을 수행하였다. 국부손상 검색실험을 위해 와이어로프를 준비하였고, 다양한 원주방향을 가지는 부분 단선 손상들을 발생시켰다. 제작된 자속누설 센서헤드를 이용하여 와이어로프 시편의 자속신호를 스캔하였고, 노이즈의 영향을 최소화하고 자속신호의 해상도를 향상시키고자 자속 신호를 미분하여 순간변화량을 손상 검색에 활용하였다. 객관적인 손상 판단을 위해 각 채널에서 계측된 자속신호를 GEV분포를 이용해 설정된 임계값과 비교하였다. 최종적으로 임계값을 초과한 부분의 길이방향 및 원주 방향 위치를 실제 손상과 비교함으로써 본 기법의 국부손상 검색 가능성을 살펴보았다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, Magnetic Flux Leakage(MFL)-based inspection system was applied to detect the local fault of wire rope. To verify the feasibility of the proposed damage detection technique, an 4-channel MFL sensor head prototype was designed and fabricated. A wire rope with several types of cross-sectional damages were fabricated and scanned by the MFL sensor head to measure the magnetic flux density of the wire rope specimen. To interpret the condition of the wire rope, magnetic flux signals were used to determine the locations of the flaws. To improve the resolution of signal, the instantaneous variation value of magnetic flux was utilized. Measured signals from the damaged specimen were compared with thresholds set for objective decision making. Finally, the results were compared with information on actual inflicted damages to confirm the accuracy and effectiveness of the proposed cable monitoring method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

누설자속센서를 이용한 와이어로프의 국부손상의 검색 가능성을 살펴보기 위해 실험적 연구를 수행하였다. 이를 위해 Fig.
본 연구에서는 국부손상의 검색을 위해 누설자속 센서를 이용하여 자속의 누설을 계측하였다. 와이어로프와 같은 강자성체가 자화되어 있을 때 자석과 같은 특성을 띄게 되는데, 이러한 시편에 국부손상이 발생했을 때 손상 틈의 공기는 자석만큼의 자기장밀도를 가지지 못하기 때문에 Fig.
본 연구의 피시험체인 와이어로프의 자기특성을 측정하고, 측정된 자기특성을 활용하여 대상체를 충분히 포화자화시키면서 효과적으로 자속신호의 계측이 가능한 누설자속 센서헤드를 설계하고자 하였다. 이를 위해 Fig.
16kG이며, 인가 자기장 50 Oe에서 포화되기 시작하여 70 Oe정도에서 충분히 자기포화되는 것을 확인하였다. 이에 본 연구에서는 100 Oe이상의 자화부를 구성하여 대상 시험체인 와이어로프를 충분히 포화자화시킬 수 있게 센서헤드를 제작하고자 하였다.

제안 방법

이어서 자동화된 손상의 판단을 위해 객관적으로 손상과 정상상태를 구분해 줄 수 있는 기준이 되는 정상상태의 임계값을 설정하였다. 기준이 되는 하나의 임계값을 구하기 위해 자속의 변화값을 절대값으로 양수화하였다. 본 연구에서는 통계학적 방법인 일반극치분포(GEV)를 이용하여 99.
누설자속 신호의 계측에 있어 센서와 시편과의 거리인 리프트오프(Lift-off) 값이 계측결과의 해상도에 매우 큰 영향을 미치기 때문에, 이를 최소화하면서 센서모듈을 충격으로 부터 보호하고자 프레임과 모듈사이를 탄성을 가지는 스프링으로 연결하였고, 모듈이 프레임의 구멍을 통해 상하운동할 수 있게 설계하였다. 또한 하단부는 유선형의 케이스를 사용하여 자화요크와 계측부를 고정하여 모듈의 내구성을 확보함과 동시에, 스프링 구조와 함께 작동하여 Fig.
따라서, 노이즈의 영향을 최소화하고 누설자속 신호에 대한 가시성 향상을 위해 원 신호를 미분하여 순간 변화량을 활용하였다(Jun et al., 2011).
또한 이를 와이어로프에 적합한 형태로 개선하여 센서헤드를 제작하였고, 이를 통해 계측되는 신호를 신호처리과정을 통해 가공한 후, 통계학 기반의 GEV 분포를 이용한 임계값을 설정하여 비교함으로써 객관적으로 손상을 판단하고자 하였다.
, 2008). 마그네틱 센서는 그 종류가 다양하며 대상 구조물의 특성에 맞춰 사용하게 되는데(Lenz, 1990), 본 연구에서는 현재 파이프 및 철도레일 등의 연속체 구조물에 일반적으로 적용되고 있는 자속누설(Magnetic Flux Leakage: MFL)법을 와이어로프에 적합한 검사법으로 선정하여 그 가능성을 검증해 보았다(Weischedel, 1985; Atherton, 1987; Weischedel et al., 1991; Coktepe, 2001; Mandache et al., 2005; Kim et al., 2009; Park et al., 2012, 2014; Kang et al., 2014; Kim et al., 2014).
먼저 자화부는 안정적으로 일정한 자기장 형성이 가능하도록 영구자석을 사용하였고, 이는 전자석과 달리 자화를 위한 별도의 전력선이 불필요해 간단한 형상으로 경량화된 시스템 구성이 가능하다는 장점을 가진다. 본 연구에서 자화부의 구성은 Fig. 7과 같이 35N 등급의 네오디움 영구자석(neodymium magnet)과 이를 연결하는 탄소강(carbon steel)을 이용해 요크(york) 형태로 제작하여 말굽자석형태의 요크 하단으로 자기장이 형성되게 하였다.
11과 같이 갑작스러운 단면 변화에 대응하고 다양한 직경의 와이어로프에 대응할 수 있게 하였다. 본 연구에서는 10mm~20mm 직경의 와이어로프에 대응할 수 있게 설계하였다.
본 연구에서는 와이어로프의 국부손상 검색을 위해 다채널의 MFL 센서를 제작하였고, 이를 사용한 다양한 국부손상의 검색 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
센서헤드의 수평운동을 위해 직선운동장치가 활용되었으며, 자속신호의 계측을 위해 Terminal board 및 Compact DAQ가 구성되었고, Laptop에 설치된 UI를 통해 장비의 제어와 계측신호의 확인 및 저장을 수행하였다. 실험을 위해 Fig.
이렇게 제작된 독립된 센서모듈 4개를 Fig. 12와 같이 와이어로프의 단면의 원주방향을 따라 상,하,좌,우 총 4개의 채널로 배열하였다. 이와 함께 자화부 내 총 4개의 요크는 일정한 간격으로 같은 극성끼리 배치되어 센서헤드가 하나의 큰 자석형태와 같이 시편에 고르게 자기장을 형성하게 된다.
본 연구의 피시험체인 와이어로프의 자기특성을 측정하고, 측정된 자기특성을 활용하여 대상체를 충분히 포화자화시키면서 효과적으로 자속신호의 계측이 가능한 누설자속 센서헤드를 설계하고자 하였다. 이를 위해 Fig. 4와 같은 B-H 곡선 측정 시스템과, Fig. 5와 같이 1, 2차 코일로 이뤄진 센서를 이용하여 직경 10mm 와이어로프를 대상으로 자기특성을 측정하였다.
이어서 자동화된 손상의 판단을 위해 객관적으로 손상과 정상상태를 구분해 줄 수 있는 기준이 되는 정상상태의 임계값을 설정하였다. 기준이 되는 하나의 임계값을 구하기 위해 자속의 변화값을 절대값으로 양수화하였다.
제작된 센서는 1kg 이내의 가벼운 무게를 가지며, 상단부의 볼트 체결을 이용해 직선운동 검사장치와 연결할 수 있게 하였다. 한편, 누설자속의 측정은 우선 터미널 보드의 SMPS (Switching Mode Power Supply)를 이용해 각 홀센서로 안정적인 정전류(DC)를 흘려주고 각 홀센서에서 계측된 신호는 터미널 보드 및 DAQ를 통해 디지털 신호로 동시 수집한 후 TCP/IP 통신을 통해 컨트롤러로 전송하였다. 본 제작 장비의 구동 및 제어는 LabVIEW® 기반의 UI(user interface)를 구성하여 사용하였다.

대상 데이터

계측부의 경우 Fig. 9와 같이 홀센서(HW300A, Honeywell)를 끝단에 부착한 홀센서 피그 형태로 제작한 후 플라스틱 소재로 패키징하였다.
10과 같이 프레임에 조립하였다. 센서헤드의 프레임은 자화 부에서 형성된 자기장에 영향을 주지않는 동시에 헤드부의 경량화를 위해 알루미늄 소재를 사용하였다.
실험을 위해 Fig. 15와 같은 단면을 가지는 직경 10mm, 길이 80cm의 7×19 와이어로프를 준비하였고, 국부손상의 모사를 위해 Fig. 15와 같이 부분 단선 손상을 발생시켰다.

데이터처리

기준이 되는 하나의 임계값을 구하기 위해 자속의 변화값을 절대값으로 양수화하였다. 본 연구에서는 통계학적 방법인 일반극치분포(GEV)를 이용하여 99.9% 신뢰도의 임계값을 구하였고 그 값은 0.182였다(Coles, 2001).

이론/모형

강자성체로 이루어진 와이어로프 부재에 적합한 NDE 기술로 마그네틱 센서를 선정하여 본 연구에 적용하였는데 마그네틱센서는 뛰어난 신뢰도와 재현성의 장점을 가져 항공, 선박 등을 포함한 다양한 구조물의 모니터링에 널리 사용되고 있다(Mandal et al., 1997; Son, 1997; Sumitro et al., 2002; Wang et al., 2005; Park et al., 2007; Lee et al., 2008). 마그네틱 센서는 그 종류가 다양하며 대상 구조물의 특성에 맞춰 사용하게 되는데(Lenz, 1990), 본 연구에서는 현재 파이프 및 철도레일 등의 연속체 구조물에 일반적으로 적용되고 있는 자속누설(Magnetic Flux Leakage: MFL)법을 와이어로프에 적합한 검사법으로 선정하여 그 가능성을 검증해 보았다(Weischedel, 1985; Atherton, 1987; Weischedel et al.

성능/효과

2. 손상부와 센싱 채널 사이의 거리에 따라 계측 감도가 달라졌다.
3. 4채널의 센서를 원주방향으로 배열함으로써 채널별 자속신호 값을 통해 손상의 원주방향 위치를 찾을 수 있었다.
4. 자속신호의 순간변화량을 이용할 경우 신호에 포함된 노이즈의 저감이 가능하여 누설자속신호의 해상도가 향상되었다.
5. 실제 국부손상위치에서 자속신호가 GEV분포를 이용하여 설정한 임계값을 초과하였고, 이를 이용하여 객관적으로 손상을 판단할 수 있었다.
ANSYS사의 Maxwell프로그램을 이용하여 설계된 자화요크의 자기장분포를 시뮬레이션해 본 결과, Fig. 8과 같이 와이어로프가 위치하게 될 하단부 중심에서 156 Oe의 충분한 자기장이 형성됨을 확인하였고, 이를 토대로 자화요크를 제작하였다.
이들은 실제 손상의 길이방향 위치와 정확히 일치하였고, 또한 원주방향으로 손상의 위치에 가장 근접한 계측 채널에서 보다 큰 누설자속 신호가 계측됨을 보였다. 이를 통해 누설자속센서를 이용해서 와이어로프의 부분단선 손상의 검색이 가능함을 확인할 수 있었고, 누설자속 신호의 감도는 손상과 센서사이의 거리에 따라 달라짐을 알 수 있었다.
이와 같은 사실을 통해 임계값 설정을 이용하여 와이어로프의 국부손상을 객관적으로 정상상태 및 노이즈신호로부터 분리할 수 있음을 확인할 수 있었고, 또한 원주방향으로 다채널의 센서를 배치함으로써 손상의 원주방향 위치를 추정할 수 있었다.
제작 후 가우스메터를 이용하여 중심부 자기장세기를 측정하였고 와이어로프를 포화자화시키기에 충분한 130 Oe 크기의 자기장이 형성됨을 확인할 수 있었다.

후속연구

추후 다양한 유형의 손상검색, 실제와 유사한 환경에서의 연구를 수행하고, 운용중 발생하는 다양한 노이즈에 대한 보상기법의 개발을 통해 실제 엘리베이터와 같은 구조물의 와이어로프 모니터링에 효과적으로 사용 가능한 기술이 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MFL 센서헤드는 어떻게 구분되는가?	MFL 센서헤드는 크게 자화부(magnetization part)와 계측부(measurement part)로 구분되며, 자화부는 탐상 대상체를 자화시키는 역할을 하고 계측부는 대상체에 결함이 있을 경우 누설되는 자속을 계측하는 역할을 한다.
	MFL 센서헤드의 장점은 무엇인가?	먼저 자화부는 안정적으로 일정한 자기장 형성이 가능하도록 영구자석을 사용하였고, 이는 전자석과 달리 자화를 위한 별도의 전력선이 불필요해 간단한 형상으로 경량화된 시스템 구성이 가능하다는 장점을 가진다. 본 연구에서 자화부의 구성은 Fig.
	MFL 센서헤드의 역할은 무엇인가?	MFL 센서헤드는 크게 자화부(magnetization part)와 계측부(measurement part)로 구분되며, 자화부는 탐상 대상체를 자화시키는 역할을 하고 계측부는 대상체에 결함이 있을 경우 누설되는 자속을 계측하는 역할을 한다.

참고문헌 (20)

Atherton, D.L. (1989) Magnetic Inspection in Key to Ensuring Safe Pipelines, Oil & Gas J., 87(32).
Coktepe, M. (2011) Non-destructive Crack Detection by Capturing Local Flux Leakage Field, Sensors & Actuator A-Physics, 91, pp.70-72.
Coles, S. (2001) An Introduction to Statistical Modeling of Extreme Values, Springer, Berlin Germany.
Jun, J., Choi, M., Lee, J., Seo, J., Shin, K. (2011) Nondestructive Testing of Express Train Wheel using the Linearly Integrated Hall Sensors Array on a Curved Surface, NDT & E Int., 44(5), pp.449-455.

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Kang, D.H., Kim, J.W., Park, S.Y., Park, S.H. (2014) Non-contact Local Fault Detection of Railroad Track using MFL Technology, J. Korean Soc. Hazard Mitig., 14(5), pp.275-282.

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Kim, J.W., Choi, J.S., Lee, E.C., Park, S.H. (2014) Field Application of a Cable NDT System for Cable-Stayed Bridge using MFL Sensors Integrated Climbing Robot, J. Korean Soc. Nondestruct. Test., 34(1), pp.60-67.

원문보기 상세보기
Kim, T.W., Rho, Y.W., Choi, D.H. (2009) Performance Comparison of Pipeline Defects' Length Estimation Using MFL Signals, J. Korean Soc. Nondestruct. Test., 29(2), pp.108-113.
Lee, J., Hwang, J., Jun, J., Choi, S. (2008) Nondestructive Testing and Crack Evaluation of Ferromagnetic Material by using the Linearly Integrated Hall Sensor Array, J. Mech. Sci. & Tech., 22, pp.2310-2317.

원문보기 상세보기
Lenz, J.E. (1990) A Review of Magnetic Sensors, Proc. IEEE, 78(6), pp.973-989.

상세보기
Mandache, C., Shiari, B., Clapham, L. (2005) Defect Separation Considerations in Magnetic Flux Leakage Inspection, Insight, 47(5), pp.289-293.

상세보기
Mandal, K., Dufour, D., Krause, T.W., Atherton, D.L. (1997) Investigations of Magnetic Flux Leakage and Magnetic Barkhausen Noise Signals from Pipeline, J. Phy. D: Appl. Phy., 30(6), pp.962-973.

상세보기
Park, H.W., Ahn, B.Y., Lee, S.S., Kim, J.W. (2007) Development of Magnetic Sensor for Measurement of the Cable Tension of Large Scale Bridge, J. Korean Soc. Nondestruct. Test., 27(4), pp.339-344.
Park, S., Kim, J.-W., Lee, C., Lee, J.-J. (2014) Magnetic Flux Leakage Sensing-Based Steel Cable NDE Technique, Shock & Vib., 2014, ID929341.
Park, S.H., Kim, J.W., Lee, C.G., Lee, J.J., Gil, H.B. (2012) Local Fault Detection Technique for Steel Cable using Multi-ChannelMagnetic Flux Leakage Senso, J. Comput. Struct. Eng. Inst. Korea, 25(4), pp.287-292.

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Ramsden, E. (2006) Hall-effect Sensors: Theory and Applications, Newnes, Oxford
Son, D.R. (1997) The Principles and Applications of Magnetic Sensor, J. Korean Magn. Soc., 7(6), pp.334-339.
Sumitro, S., Jarosevic, A., Wang, M.L. (2002) Elasto-magnetic Sensor Utilization on Steel Cable Stress Measurement, Proc. 1st fib Congress, pp.79-86.
Wang, M.L., Wang, G., Zhao, Y. (2005) Sensing Issues in Civil Structural Health Monitoring, Springer, Dordrecht, p.524.
Weischedel, H.R. (1985) The Inspection of Wire Ropes in Service: A Critical Review, Mater. Eval., 43(13), pp.1592-1605.
Weischedel, H.R., Chaplin, C.R. (1991) Inspection of Wire Ropes for Offshore Applications, Mater. Eval., 49(3), pp.362-367.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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