[논문]압연롤 검사를 위한 다중 센서 와전류 탐상 검사 시스템 개발

이재호; 박태성; 박익근

doi:10.7735/ksmte.2017.26.3.306

[국내논문] 압연롤 검사를 위한 다중 센서 와전류 탐상 검사 시스템 개발
Development of Multi-channel Eddy Current System for Inspection of Press Rolls 원문보기

한국생산제조학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.26 no.3, 2017년, pp.306 - 312

이재호 (The Graduate School of NID Fusion Technology, Seoul National University of Science & Technology) , 박태성 (Department of Mechanical & Automotive Engineering, Seoul National University of Science & Technology) , 박익근 (Department of Mechanical & Automotive Engineering, Seoul National University of Science & Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

Press rolls are constantly exposed to physical and heat stresses on their surface and are prone to crack, bruise, and spall if the accumulated stress goes beyond the critical point. Such surface phenomenon can cause them to lose their functionality and eventually lead to a halted production line. Eddy current testing can be considered a useful method to investigate the surface of the roll. The method involves the application of a high intensity magnetic field onto the surface of the roll, and thereby finding any early stage of possible defects. When the method was applied for roll inspection, the cross section of the sensor was regulated as per the overall testing speed. A smaller cross sectional area implied a better resolution but a longer testing time. In this paper, a convenient method to increase both overall system resolution and inspection speed of eddy current roll inspection is suggested by using a devised array sensor structure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

롤탐상시스템에서 와류전류검사방식은 현재까지 검사속도의 신속성과 검사결과의 높은 신뢰도로 인해 초음파검사방식과 함께 주로 채용되어지는 방식이다. 본 연구세서는 검사의 속도를 높이고 결함검사의 정밀도를 높이기 위해 다채널을 가지는 어레이 센서를 설계/제작하고 어레이 센서를 구현할 수 있는 최적의 롤탐상검사시스템을 설계/제작하고 인공 결함시험편을 제작하여 제작된 시스템의 성능 및 활용가능성을 평가하여 결론을 얻었다.
본 연구에서는 롤 탐상 검사에 적합한 어레이 구조를 가지는 센서를 설계/제작하고 특화된 하드웨어를 통해 획득된 데이터를 분석하고 그 유용성을 검증하였다.

제안 방법

각각의 센서에서 수집된 신호들은 2채널의 A/D 변환기(AD7366BRUZ)를 거쳐 디지털신호로 변환되고 다시 DSP(TMS320C6516)에서 디지털 필터링을 거친 뒤 디바이스와 PC와의 통신을 위하여 cross cable 형식의 TCP/IP를 통해 PC 프로그램에 전달되어 가상의 이차원 롤 표면 어레이에 대한 검사결과를 표현할 수 있도록 하였다.
개발된 센서와 하드웨어는 크랙 및 브루즈 평가를 위하여 Fig.9와 같이 구성하였으며 두 종류의 센서로부터 취득된 신호를 분석하여 크랙 및 부루즈 평가를 수행하였다.
따라서 브루즈 센서 역시 온도나 습도의 변화 없이 일정한 값을출력하도록 설계하였다. 제작된 브루즈 검사용 센서는 drivepickup absolute 타입으로 설계하였다.
롤 탐상용 하드웨어 시스템은 Fig. 8과 같이 어레이센서를 수용하는 8채널 보드와 브루즈 센서를 수용하는 레벨 센싱용 8채널 보드로 구성하였고 구동신호는 채널 1의 드라이브에서 받도록 연결하였다. 각 채널은 구동신호로부터 임피던스 값을 측정할 수 있도록 채널 1로부터 동기신호를 받는 구조로 구성하였다.
브루즈 결함이 발생된 시험편을 검사하기 위해서 와전류의 침투깊이를 고려하여 구동주파수는 150 kHz로 하여 실험을 진행하였다. 브루즈가 발생하지 않은 정상표면에서는 약 4.
또한, 제작 시 각각의 채널에 대해 구동코일을 권선하지 않아도 되므로 센서의 제작이 훨씬 용이한 장점을 가진다. 수신코일은 적은 량의 권선으로도 높은 임피던스를 가질 수있도록 높은 투자율을 갖는 망간아연계의 중심코어를 사용하였으며 결선은 차동법으로 하여 높은 민감도와 신호 대 잡음비를 가질수 있도록 하였다.
결함검출을 위하여 드라이버 신호는 와전류의 침투깊이를 고려하여 200 kHz로 선정하여 시험편의 인공결함을 대상으로 신호를 취득하였다. 수평방향 및 사선방향의 결함에 대하여 총 10회 반복실험을 수행하여 각 채널별로 이득값을 측정하였다.
어레이센서의 구현은 총 8개의 차동 센서를 Fig. 4와 같이 배열하였고 1개의 드라이버 코일을 차동센서 어레이의 외곽으로 배열하여 1개의 드라이버 코일에서 생성된 자기장이 동시에 총 8개의차동 센서들 모두에 여기 신호를 줄 수 있도록 하였다. 이렇게 1개의 드라이버 코일로 배열할 경우 각 채널별로 구동 코일이 존재할 경우에 비해 구동코일 간의 위상차로 인해 간섭이 발생되는 문제를 해결할 수 있고 각 채널별로 들어오는 이득 값을 동일하게 조절하기가 용이하다.
이론적으로 구한 코일의 직경과 turn 수를 기반으로 제작을 수행한 뒤 실험을 통하여 최적의 구동코일의 직경 및 turn 수를 도출하였다. 이 때 도출된 구동코일은의 직경은 0.
10과 같이 자체 제작한 시험편을 사용하였다. 인공결함은 길이가 모두 40 mm로 방향에 따라 크게 수평방향 결함과사선방향 결함으로 구분되며 수평방향 결함은 각각 0.1 mm 깊이에 결함폭을 0.1 mm, 0.3 mm, 0.5 mm, 그리고 1.0 mm로 달리하여 방전가공하여 제작하였다. 사선결함도 마찬가지로 0.
따라서 브루즈 센서 역시 온도나 습도의 변화 없이 일정한 값을출력하도록 설계하였다. 제작된 브루즈 검사용 센서는 drivepickup absolute 타입으로 설계하였다. 코일의 turn 수와 직경은 맥스웰 방정식으로부터 전기장 및 자속밀도를 구하고 이 때 시험체표면에 발생되는 와전류를 이론적으로 구하여 개략적인 코일의 직경과 turn 수를 구하였다^[6].
제작된 브루즈 검사용 센서는 drivepickup absolute 타입으로 설계하였다. 코일의 turn 수와 직경은 맥스웰 방정식으로부터 전기장 및 자속밀도를 구하고 이 때 시험체표면에 발생되는 와전류를 이론적으로 구하여 개략적인 코일의 직경과 turn 수를 구하였다^[6].

대상 데이터

결함검출을 위하여 드라이버 신호는 와전류의 침투깊이를 고려하여 200 kHz로 선정하여 시험편의 인공결함을 대상으로 신호를 취득하였다. 수평방향 및 사선방향의 결함에 대하여 총 10회 반복실험을 수행하여 각 채널별로 이득값을 측정하였다.
브루즈 결함은 실제 압연롤 공정상에서 사용 중 브루즈가 발생한 롤과 브르즈 결함이 없는 시험편을 확보하여 시험을 진행하였다.
이론적으로 구한 코일의 직경과 turn 수를 기반으로 제작을 수행한 뒤 실험을 통하여 최적의 구동코일의 직경 및 turn 수를 도출하였다. 이 때 도출된 구동코일은의 직경은 0.5 mm, turn 수는 58이었으며, 센싱부 코일의 직경은 0.14 mm, turn 수는 430으로서 이를 적용하여 센서 코일을 제작하였다.

성능/효과

기존의 개개의 독립된 차동센서를 사용하는 어레이센서에 비하여 센서의 제조공정이 간단하여 센서 제작이 용이 하였고, 개개의 독립된 차동센서를 사용하는 어레이 센서에 비해 신호취득을 위한 하드웨어의 구성이 단순하며 구동코일간에 발생할 수 있는 위상간섭의 문제점을 해결하였다.
단일 구동코일을 적용한 어레이센서를 통해 획득한 데이터를 통해 롤 탐상에서 발생할 수 있는 균열결함의 검출 가능성을 확인하였으며, drive pickup absolute 타입의 브루즈센서를 제작하여 브루즈가 발생한 영역의 검사가 가능함을 확인하였다.
이러한 차이를 최소화하기 위해 본 연구에서는 가능한 구동 코일을 충분히 넓게 하여 차동센서 코일들이 영향을덜 받도록 배치함으로서 각 채널별로 거의 유사한 레벨의 신호가 측정된 것을 확인할 수 있다. 또한 사선방향(45도)으로 가공된 인공결함에 대해 동일 이득 조건하에 채널별로 취득된 신호에서 유사한 신호레벨의 결함신호가 측정되었는데 이는 방향성이 있는 결함(수평대비 45도까지의 결함)에 대해서도 결함 검출능이 좋음을 확인 할 수 있다. 수평대비 결함방향이 45도 미만인 방향성이 있는 결함은 이론적으로 45도 결함에 비하여 훨씬 검출이 용이하므로 0도 이상 45도까지의 방향성 있는 결함에 대해서도 동일한 결과를 기대할 수 있다.
브루즈 결함이 발생된 시험편을 검사하기 위해서 와전류의 침투깊이를 고려하여 구동주파수는 150 kHz로 하여 실험을 진행하였다. 브루즈가 발생하지 않은 정상표면에서는 약 4.47 V의 레벨값이 측정되었으며 브루즈 결함이 있는 부위에서는 약 8.24 V의 레벨 값이 측정되었다.
일반적으로 어레이 센서를 제작 시 단일 구동코일을 적용할 경우구동코일의 중심부에 비해 구동코일 주변으로 갈수록 자속밀도가 희박해 지며 검사대상금속에서 센서의 위치가 멀어질수록 그 차이는 더욱 심해진다. 이러한 차이를 최소화하기 위해 본 연구에서는 가능한 구동 코일을 충분히 넓게 하여 차동센서 코일들이 영향을덜 받도록 배치함으로서 각 채널별로 거의 유사한 레벨의 신호가 측정된 것을 확인할 수 있다. 또한 사선방향(45도)으로 가공된 인공결함에 대해 동일 이득 조건하에 채널별로 취득된 신호에서 유사한 신호레벨의 결함신호가 측정되었는데 이는 방향성이 있는 결함(수평대비 45도까지의 결함)에 대해서도 결함 검출능이 좋음을 확인 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	롤의건전성 테스트에 주로 사용되는 기법은 무엇인가?	따라서 정기적인 압연롤 검사와 더불어 롤 표면연마를 통해 압연롤의 건전성 확보는 압연 생산시설에서 반드시 실행되어야 하는 필수적 절차이다. 이러한 롤의건전성 테스트는 다양한 비파괴적 검사 수단을 조합하여 진행될 수 있는데 그 가운데서도 검사의 신속성과 비접촉식 방법에 의해 다양한 결함에 대한 정보를 줄 수 있는 와전류탐상 검사기법이 초음파 검사기법과 함께 주로 많이 사용된다. 와전류 탐상검사의 경우 특히 센서의 구조와 구동 주파수를 달리하여 표면 결함의 3차원이미지생성도 가능해 롤탐상기의 표면 근방에서 발생한 결함에 대한 유용한 정보를 확보할 수 있고 이를 토대로 크랙, 재질검사, 브루즈(bruise), 자화 등의 평가가 가능하다.
	와전류 탐상검사의 장점은 무엇인가?	이러한 롤의건전성 테스트는 다양한 비파괴적 검사 수단을 조합하여 진행될 수 있는데 그 가운데서도 검사의 신속성과 비접촉식 방법에 의해 다양한 결함에 대한 정보를 줄 수 있는 와전류탐상 검사기법이 초음파 검사기법과 함께 주로 많이 사용된다. 와전류 탐상검사의 경우 특히 센서의 구조와 구동 주파수를 달리하여 표면 결함의 3차원이미지생성도 가능해 롤탐상기의 표면 근방에서 발생한 결함에 대한 유용한 정보를 확보할 수 있고 이를 토대로 크랙, 재질검사, 브루즈(bruise), 자화 등의 평가가 가능하다.
	정기적인 압연롤 검사와 롤 표면 연마를 통한 압연롤의 건전성 확보가 필수적인 이유는 무엇인가?	압연롤 생산공정에서 생산되는 제품의 품질은 압연롤의 형태에 직접적 영향을 받는다. 압연롤은 생산공정 특성상 상당한 열적 물리적 스트레스에 지속적으로 노출되고 이로 인해 생성된 결함은 지속적인 열적 물리적 스트레스와 함께 성장하게 되고 최종적으로는 압연롤의 기능 상실을 야기한다. 따라서 정기적인 압연롤 검사와 더불어 롤 표면연마를 통해 압연롤의 건전성 확보는 압연 생산시설에서 반드시 실행되어야 하는 필수적 절차이다.

참고문헌 (6)

Hurley, D. C., Hedengren, K. H., Young, J. D., 1992, Eddy Current Arrays for Defect Detection, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, 28 1137-1144.
Benhadda, N., Bouchala, T., Guettafi, A., Abdelhadi, B., 2014, Study of the Influence of Conductive Defect Characteristics on Eddy Current Differential Probe Signal, Journal of Electrical Eng., 14 350-357.
Stucky, P. A., 1991, Diffusion Effects in Eddy Current Nondestructive Evaluation, A Thesis for Master of Science, Iowa State University, USA.
Drobne, M., Vuherer T., Samardzic, I., Glodez, S., 2014, Fatigue Crack Growth and Fracture Mechanics Analysis of a Working Roll Surface Layer Material, Metallurgy, 53:4 481-484.
Theodoulidis, T. P., 2003, Model of Ferrite-Cored Probes for Eddy Current Nondestructive Evaluation, Journal of Applied Physics, 93:5 3071-3078.

상세보기
Upda, S. S., Moore, P. O., 2004, Nondestructive Testing Handbook 3rd Edition: Electromagnetic Testing, American Society for Nondestructive Testing.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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