Development of a Multichannel Eddy Current Testing Instrument(II)

다중채널 와전류탐상검사 장치 개발(II)

Development of a Multichannel Eddy Current Testing Instrument(II)

이희종* ^✝ ,남민우**, 조찬희*, 유현주*, 김인철*

Hee-Jong Lee* ^,✝ , Min-Woo Nam**, Chan-Hee Cho*, Hyun-Joo Yoo* and In-Chel Kim*

초 록 전자기유도(electromagnetic induction) 현상을 이용한 비파괴진단기법으로서 최근까지 와전류탐상기 법, 교류장측정기법, 자속누설검사기법, 그리고 원격장검사기법 등이 개발되어 활용되고 있다. 이 기법 중 와 전류탐상기법은 오늘날 발전설비, 화학, 조선 및 군수설비 등의 열교환기 전열관 비파괴검사에 널리 적용되 고 있다. 와전류탐상검사 시스템의 구성은 기능별로 와전류신호 합성 모듈, 아날로그 모듈, 디지털 신호처리 를 위한 아날로그-디지털 변환 모듈, 전원공급장치 및 신호취득․평가 프로그램 등으로 구성되며, 선행 연구 (I)에서는 다중채널방식의 와전류탐상검사 시스템의 구성 요소 중 1차로 와전류신호 합성 모듈, 아날로그 모 듈을 설계․개발하였으며, 2차로 와전류 신호 취득․평가 프로그램을 개발하였다. 2차 연구에서 개발한 와전 류 신호취득․평가 프로그램의 운영체제는 “Windows 7”로서 국내 사용자를 위해 최적화 하였으며, 주요 특 징은 검사자가 “setup wizard”를 이용하여 검사에 필요한 검사 조건 및 변수를 용이하게 설정하고 이를 이용 하여 신호취득 및 평가를 수행할 수 있다. 본 논문에서는 개발된 와전류신호 수집 및 평가 프로그램의 구성 과 각 기능을 설명하고자 한다.

주요용어: 와전류탐상검사

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Abstract Recently, the eddy current testing(ECT), alternating current field testing, magnetic flux leakage testing and

Keywords: Eddy Current Testing, Data Acquisition & Analysis, Lissajous Signal, Eddy Current Calibration, Frequency

[기술논 문] - 비 파 괴 검 사 학 회 지

Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing Vol. 31, No. 5 (2011. 10)

[

: 2011. 8. 19,

: 2011. 10. 4,

: 2011. 10. 7] *

, **

Corresponding Author: KHNP Central Research Institute, Yusung-Gu, Daejeon 305-343, Korea (E-mail:

[email protected]) 1. 서 론

현재 산업 현장에서 사용되는 비파괴검사기술 중 전자기검사법(electromagnetic testing)은 와전류

탐상검사기법, 교류장측정기법, 자속누설검사기법

및 원격장검사기법 등의 기법이 개발되어 적용되

고 있다[1]. 이들 기법은 각각의 특성에 맞는 적

용분야를 가지며 기법 간에 서로 구분되는 장점

을 가지고 있다. 각 기법에 사용되는 검사장치의 기본개념은 전자기유도현상에 기초한다. 와전류 탐상검사 장치의 목적은 여자전류로 와전류탐촉 자 코일을 구동하고, 검사대상체에 대한 정보를 얻기 위해 탐촉자 코일에 의해 변조된 신호를 분 석하는 것이다. 와전류탐상검사는 금속의 열처리 정도를 판단하는 것에서부터 원자력발전소 증기 발생기 전열관 검사까지 산업체에 중요한 비파괴 검사기술로 널리 적용되고 있다[2,3]. 본 연구에 서는 다중채널방식의 와전류탐상검사 시스템의 개발을 위해서 와전류신호 합성 모듈, 아날로그 모듈을 설계․개발하였으며, 하드웨어 제어 및 운영에 관하여는 와전류 신호 취득․평가 프로그 램을 개발하였다.

2. 와전류탐상검사 시스템 구성

본 연구 수행을 통해 개발한 와전류검사 시스 템은 와전류 주파수 발생 장치(frequency generator), 와전류신호취득/평가 프로그램(data acquisition & analysis program)으로 구성된다. 와 전류 주파수발생장치는 특정 주파수에서 탐촉자 코일 구동에 필요한 전압을 공급하여 코일과 검 사대상체 사이에서 발생한 변조신호를 검출하고, 검출된 신호를 복조시켜 디지털화된 신호를 리 사주 신호 형태로 컴퓨터 모니터상에 나타냄으 로써 검사자가 신호를 평가할 수 있도록 하며, 장치의 구성은 주파수합성기, 아날로그 보드, 중 앙처리장치(CPU) 및 디지털신호변환장치로 대분 된다. 주파수발생장치의 핵심기기인 주파수합성 장치와 아날로그 보드의 블록도를 Fig. 1,2에 나 타내었다.

또한 와전류신호취득/평가 프로그램은 특정 검 사조건에서 요구되는 검사조건과 변수를 설정하 여 와전류 주파수발생장치를 제어하고 검사대상 체에서 발생한 신호를 취득하고 평가하는 기능을 갖는다. 컴퓨터 프로그램 운용체제는 Windows 7 을 기반으로 하며, 주 컴퓨터와 주파수발생장치 사이의 데이터통신은 TCP/IP 프로토콜을 사용한 다. 와전류검사 시스템의 구성을 Fig. 3에 나타내 었으며, Fig. 4에 와전류검사 시스템의 데이터와 제어 흐름도를 나타내었다.

Fig. 1 Frequency synthesizer block diagram

Fig. 2 Analog board block diagram

Hardware ECT POD

ADC/FPGA Board ECT Board

Analog Board

Synthesizer Board

16 Ch A/D Boards (16비트)

Control/DSP

Inspection PC

1. ECT POD Control 2. Data Acquisition 3. Analysis/Measurement 4. Integral System Operation 5. OS - Windows 7(64비트 기반)

ECT Probe

Main/CPU Board ethernet

Fig. 3 Configuration of eddy current testing system

Control

FPGA Clock Input Main FPGA

Control

Data Buffer Memory Control

(DDR2 SDRAM) 16CH ADC

Control Control

Digital I/O Input Synthesizer Board Analog Board

CPU Board MemoryPROM

Control

ethernet 010010001011001001011010000………

Fig. 4 Flow chart for EC data and control

와전류 주파수 발생장치는 주파수 합성기에서

탐촉자의 와전류 신호생성에 필요한 여기신호를

생성하고 아날로그 보드는 와전류 탐촉자 코일에

서 변조된 신호를 수집한다. 디지털신호변환기에

서 변환된 신호는 주파수발생장치의 CPU에서 주

ECT POD

ethernet kernel ECT data

Data call message

Message/Data Sending/Receiving

Module

Data mapping module Data processing

module ECT Software

A/D Board

Memory Data Saving Module

Strip chart Lissajous chart

Fig. 5 Data flow chart of EC program

컴퓨터로 송신되고 컴퓨터의 와전류 신호취득/평 가 프로그램에서 이 신호가 처리되어 검사자의 평가가 가능하도록 스트립/리사주 챠트로 디스플 레이된다. Fig. 5에 와전류탐상검사 프로그램의 개 략적인 모듈 구성과 데이터 흐름도를 나타내었다.

3. 와전류신호 취득/평가 프로그램 개발

와전류탐상검사 프로그램은 하드웨어 제어와 신호 수집을 위한 메시지 처리 모듈, 데이터 저 장 모듈, 신호 디스플레이를 위한 데이터 매핑 모듈, 신호 평가를 위한 데이터 프로세싱 모듈 등으로 구성된다. 와전류신호 취득/평가 프로그 램의 운용체제는 Windows 7을 기반으로 하며, 언어는 C/C++, 툴은 C++ Builder 2010을 사용하 였다. 연산과 그래픽 처리, 사용자 인터페이스처 리를 위한 전용 라이브러리를 이용하여 연산 정 확성과 신뢰성을 확보하고, 처리속도를 확보하였 다. 와전류탐상검사 프로그램은 다음과 같은 검 사조건 설정(setup), 신호취득(data acquisition), 신 호평가(analysis) 등의 3단계로 구성된다.

․검사조건 설정 : “IP/port” 설정, 하드웨어, 검 사변수 설정(inspection setup) 및 교정(calibration) 등을 통한 신호취득 및 평가 준비 단계

․신호 취득 : 시스템에서 데이터를 취득하는 단계

․신호 평가 : 취득 데이터를 평가하는 단계

3.1. 검사 조건 설정(Setup)

와전류검사 시스템을 사용하여 검사 대상 열교 환기 전열관을 검사하기 위해서는 먼저 컴퓨터와 하드웨어를 연결시킨다. 즉, 와전류탐상검사 프로 그램의 “connect control” 창에서 IP와 port를 설정 하여 하드웨어 모듈에 연결시킨다. 연결 및 연결

해제시의 상태가 “state window”에 나타나게 된 다. “IP” 및 “port” 제어상자는 리스트형으로서 뒷 장에 설명된 “system window” 창에 저장된 IP주 소를 선택할 수 있다(Fig. 6 참조).

“Setup wizard control” 창은 “load”버튼과 “save”

버튼 그리고 “setup wizard”버튼으로 구성되어 있 으며, “setup wizard”버튼은 사용자가 데이터를 취득하기 위한 절차를 순서대로 진행시키는 기능 을 수행하고, “save”버튼과 “load”버튼은 설정된 변수를 저장하고 불러오는 기능이다(Fig. 7 참조).

“Inspection control” 디스플레이 창의 상부 메뉴 에는 “hardware setup", “connection”, “inspection”,

“analysis” 전환 버튼이 배치되어 있으며, 디스플 레이 창의 중앙에는 데이터를 취득할 때 디스플 레이 되는 스트립 챠트, 리사주(Lissajous) 차트, 우측에는 파일 관리 패널과 차트 스케일 조절 패 널 및 데이터 수집 컨트롤 버튼이 배치되어 있다 (Fig. 8 참조).

Fig. 6 Connection control window

Fig. 7 Setup wizard control window

Fig. 8 Inspection control main window

Fig. 9 Hardware control window

“Hardware control” 창은 와전류 주파수발생장 치의 주파수 합성기 보드와 아날로그 보드를 제 어하는 기능을 가지며, 네트워크와 A/D 보드, 타 임 슬롯의 변수를 설정한다. “Hardware control”

창의 주된 기능을 Fig. 9에 나타내었다.

3.2. 와전류신호 취득 프로그램

와전류신호 취득 프로그램은 검사조건 설정 (setup)에서 설정된 조건 및 변수에 따라 특정주 파수에서 탐촉자 코일을 여기하도록 주파수발생 장치를 제어하여 와전류신호를 수집하는 기능을 수행한다.

와전류신호 취득 프로그램의 시작 창을 Fig.

10에 나타내었다. “data acquisition” 창의 상부 메 뉴에는 “inspection setup”, “calibration setup”,

“landmark”, “material”, “summary”, “code editor”,

“list editor” 등의 버튼이 배치되어 있으며, 하단 우측에는 IP 포트 연결 버튼과 “setup”을 로드하 고 저장하는 버튼이 배치되어 있다(Fig. 10 참조).

Fig. 10 Data acquisition program main window

Fig. 11 Inspection setup window

“Data acquisition” 창의 상부 메뉴 중 첫번째인

“inspection setup” 버튼은 검사 대상 열교환기의 전열관 재질에 대한 전기적 특성을 선택하고 이 를 이용하여 최적 검사주파수를 계산하고, 신호 수집 샘플링 속도를 설정하는 기능이다(Fig. 11 참조).

“Data acquisition” 창의 상부 메뉴 두 번째의

“material” 버튼에서 검사대상 전열관의 재질 종류 와 두께를 선택할 경우 “inspection setup” 창에 해 당 전열관의 재질명, 비저항, 두께, 최적 검사주파 수 등이 나타나게 된다. 먼저 우측의 “set option”

에서 추가 및 삭제할 항목을 선택한다. 검사대상 전열관의 “material property”를 선택하게 되면

“thickness” 항은 활성화 되지 않으며, 반대로

“thickness”를 선택하면 “material property” 항은 활 성화 되지 않는다. 이것은 위에 리스트 구조에도 동일하게 적용된다. 데이터 목록에서 삭제하고자 하는 항을 선택한 후 “remove” 버튼을 누르면 항 이 삭제되며, 추가할 경우에는 “material property”

및 “thickness”의 “edit” 상자에 값을 적고 “add”

버튼을 누르면 해당 항에 추가된다. 이 항들은 저장 및 되불러오기가 가능하며, 전부 삭제할 경 우에는 “clear” 버튼을 누른다(Fig. 11 및 12 참조).

“Data acquisition” 창의 “summary control” 버튼 은 검사에 필요한 여러 가지 검사 정보를 기록 한다. “Connection” 창을 클릭하여 기록할 수 있 으며, “setup wizard”로 진행시 자동으로 진행되어 기록이 가능하다. 검사자가 자주 사용하는 검사 정보는 ”save/load“ 버튼으로 용이하게 기록이 가 능하다(Fig. 13 참조).

Fig. 12 Material control window

Fig. 13 Summary control window

Fig. 14 List editor control window

“List editor control” 창은 데이터 파일을 열교 환기 종류에 따라 미리 생성하고 저장 및 불러오 기가 가능하다. 데이터 파일을 생성할 때는 각각 의 개수와 열교환기 식별번호를 입력하여 자동으 로 생성시키는 방법과 수동으로 추가 및 삭제하 는 방법이 있다. 생성된 검사파일 목록을

“inspection window”에서 불러와서 쉽게 생성시킬 수 있다(Fig. 14 참조).

“Chart scale control” 창은 데이터를 취득할 때 모니터 상에 디스플레이 되는 차트의 크기를 조 절하는 기능을 가진다. “Strip scale”은 취득 데이 터의 디스플레이 되는 차트의 길이를 나타내며,

“Visual scale”은 디스플레이 되는 신호 세기를 나 타낸다. “Strip scale”은 신호취득 중에는 비활성 화되기 때문에 신호 취득 시작 전에 설정해야하 고, “visual scale”은 신호를 취득하는 도중에도 변 경이 가능하다(Fig. 15 참조).

Fig. 16의 “acquisition data list control”창은 취 득된 데이터를 관리하는 기능을 가진다.

Fig. 15 Chart scale control window

Fig. 16 Acquisition data list control window

“Acquisition control” 버튼은 데이터 취득에 관 련된 모든 검사 변수의 설정이 완료된 후 취득을 시작하고 저장하는 것으로서, 각 버튼의 기능은 다음과 같다(Fig. 17 참조).

․“Start” 버튼은 장비로부터 데이터를 취득하 여 각 차트에 출력을 시작한다.

․“Nulling” 버튼은 데이터의 offset을 조정하여 차트에 출력한다.

․“Record” 버튼은 데이터를 저장하며, 이 버튼 을 클릭하면 차트가 초기화되며 데이터를 저 장한다.

․“Stop” 버튼은 데이터를 수집하거나 저장을 종료한다.

3.3. 와전류신호 평가 프로그램

와전류신호 취득 프로그램에서 취득한 와전류 신호를 평가하기 위한 신호평가 프로그램의

“analysis control” 창은 상단부에 데이터를 분석하 고 차트 구성을 변경하기 위한 버튼으로 구성되 며, 우측에는 차트의 사이즈 조절 기능 및 디렉 토리, 파일 리스트로 구성된다. 우측 하단부 버튼 은 파일을 변경하고 landmark를 설정하기 위한

“up/down” 기능이다(Fig. 18 참조).

평가 프로그램의 “strip chart”는 와전류 임피던 스 신호를 구성하는 실수부(X) 및 허수부(Y) 성 분을 각각 나타내는 차트로서 전열관 길이방향에 대한 정보를 나타내며, 해당 채널의 전체 검사데 이터가 디스플레이된다. “Lassajous” 신호 창은 임피던스 신호의 진폭, 위상각 및 궤적에 대한 정보를 나타낸다(Fig. 19 참조).

“Calibration setup” 창은 취득 신호를 평가하기 전에 교정 조건을 설정하기 위한 기능으로서 교 정에 사용될 교정시험편내 결함을 선택하고 신호 혼합 채널을 선택하는 창과 “channel calibration”

창으로 나눠진다(Fig. 20 참조).

“Calibration view” 창은 calibration 설정 정보를 나타내는 창으로서, calibration setup 정보에 대한 예를 Fig. 21에 나타내었다.

“Calibration control” 창은 channel 선택과 position setting, cal curve 차트로 나뉘어진다. 조건 선택 후 calibration 버튼을 클릭하면 설정이 완료된다.

설정이 완료된 후 cal curve chart를 통해 Fig. 22 에서와 같이 각 채널별로 확인 할 수 있다.

Fig. 17 Acquisition control button

Fig. 18 Analysis control window

Fig. 19 Strip chart and Lissajous display

Fig. 20 Calibration setup window

Fig. 21 Calibration view window

Fig. 22 Calibration control window

Fig. 23 Landmark control window

Fig. 24 Landmark display

Fig. 25 Landmark control

“Landmark control” 창은 저주파수의 차동코일 신호를 이용하며, 전열관 “end” 신호와 “TSP” 신 호의 기준값을 입력하면 그 조건에서 신호를 검 출하여 디스플레이한다. Landmark의 설정이 완료 된 후, 아래 Fig. 23에 표시된 landmark 버튼을 클릭하면 설정이 완료된다.

Landmark 설정이 완료된 화면은 Fig. 24에서와 같다.

완료된 후 수동으로 설정하려면, Fig. 25와 같 이 표시 영역에서 마우스 우클릭으로 “mark”를 하거나 수정할 수 있다. 평가 창 우측 하단의 up/down 버튼으로 “landmark” 위치 탐색이 가능 하다(Fig. 25 참조).

“Report control” 창은 검사신호의 위치와 정보 를 보고하는 기능으로서, 사용 예를 Fig. 26에 나 타내었다.

Lissajous 창의 하단 “measurement”가 표시되는 부분에서 마우스 왼쪽 클릭으로 “editreport” 기능 을 활성화 시키면 자동으로 해당 위치의 신호 정 보가 입력되며, “add” 버튼을 누르면 입력된 신 호 정보가 “report control” 창에 추가된다(Fig. 27 참조).

Fig. 26 Report control window

Fig. 27 Edit report window

Fig. 29 Code editor control window

Fig. 30 System control window

“Code editor control” 창은 지시 신호의 종류를 나타내며, “report control” 창과 연동된다(Fig. 28 참조).

“System control” 창은 프로그램의 연결 IP, 자 동/수동 저장기능과 스킨색상을 변경하는 기능 으로서, “system control” 창의 현재 상태를 저장 하고 저장중인 상태를 불러온다.

4. 결 론

본 연구에서는 다중채널방식의 와전류탐상검사 시스템의 개발을 위해서 와전류신호 합성 모듈, 아날로그 모듈 등의 하드웨어를 설계․개발하였 으며, 하드웨어 제어 및 운영에 필요한 와전류 신호 취득․평가 프로그램을 개발하였다. 연구과 제 수행을 통해 와전류검사 시스템 구성에 필요 한 하드웨어 및 소프트웨어의 개발을 성공적으로 완료함으로서 현재까지 외국사에 의존해 온 와전 류검사기술의 자립에 기여할 것으로 예상되며, 향후 현장 적용검사를 수행하여 도출된 개선사항 보완으로 최고 성능의 와전류검사 시스템을 완성 할 예정이다.

참고문헌

[1] ASNT, "Nondestructive Testing Handbook"

3rd Ed., : Vol. 5, Electromagnetic Testing, Columbus, OH : American Society for Nondestructive Testing, (2004)

[2] 이희종, 남민우, 조찬희, 최성남, 유현주, 윤 병식, 양승한 "원전 주요기기 가동중검사 고 유기술개발", 최종연구보고서, 전력연구원 (2010)

[3] 이희종, 남민우, 김용식, "원자력발전소 제어

봉 상태 진단기술 개발", 최종연구보고서,

전력연구원 (1997)