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어떤 물체의 두께를 측정하는 데는 버니어 캘리퍼스가 많이 사용됩니다. 하지만 일방향에서만 접근이 가능한 경우는 초음파를 사용한 방법이 가장 효율적이고 간편한 방법으로서 각광을 받고 있습니다. 특히 파이프나 대형 탱크, 베셀 같은 구조물 내에서의 부식을 측정 상태를 검사하는 데는 초음파 두께 측정기가 많이 사용됩니다. 또한 버니어로 측정할 수 있다하더라도 초음파에 의한 두께 측정으로 양산품을 신속하게 검사할 수 있는 경우 매우 유용합니다.
초음파를 이용한 비파괴 검사는 2차 세계 대전 이후로 급속한 발전을 보여 왔습니다. 1947년에 General Motors사에 의해 Sonigage라는 공명 방식의 초음파 두께 측정기가 나오고 곧이어 Norman Branson은 Audigage와 Vidigage를 발표하게 됩니다. 1955년 이후로는 초음파 측정 장비의 발전이 급속화되면서 초음파에서 파생되는 여러 방법의 검사 장비가 선보이게 되고 따라서 초음파 두께 측정기도 보다 작아지고 정밀해지게 됩니다. |
현재로서는 초음파 두께 측정기를 제조하는 것이 대단한 기술이라고 할 수 없을 만큼 보편화되었고 중국이나 인도에서도 많은 업체들이 시장에 상품을 내놓고 있습니다. 초음파 두께 측정기를 잘 사용하기 위해서는 측정하고자하는 재료를 정확하고 신속하게 검사할 수 있는 적합한 모델의 초음파 두께 측정기를 선택해야 하고 또한 측정 분야에 맞는 탐촉자가 선택되어야 합니다. 특히 탐촉자는 신호를 받는 부분이기 때문에 신호를 취득하지 못하거나 깨끗한 신호를 얻지 못하면 아무리 전자 회로가 좋아도 무용지물이 된다는 점을 염두에 두어야 합니다. 그러기 위해서는 초음파의 전달에 관한 이론, 재질의 음속 (sound velocity)과 두께 측정과의 관계, 두 가지 재질에서의 초음파의 전달 특성, 초음파가 전달될 수 있는 범위, 카플런트의 역할, 측정하고자 하는 검사물에 대한 사전 지식 및 적용성을 파악해야 하며 구입하고자 하는 장비의 특성과 사양 및 기기의 작동 방법을 터득해야 합니다. |
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대부분의 초음파 두께 측정기는 압전 소자를 사용한 탐촉자를 사용하고 있는데, 이것은 전기적 펄스를 주게 되면 진동 혹은 음파를 발생하게 됩니다. 이 음파의 주파수는 사람의 귀로 들을 수 있는 범위를 벗어나 있기 때문에 초음파(超音波)라고 불리우며 초음파 두께 측정에서 일반적으로 사용되는 주파수는 1~20MHz입니다. 이 주파수 대역에서의 음파는 공기 중에서 잘 진행되지 않으므로 탐촉자와 검사물 사이에 카플런트(글리세린, 물 혹은 오일)를 사용하여야 합니다. 탐촉자에서 발생한 음파는 카플런트를 통과하여 검사물을 지나 검사물의 저면에서 반사되어 돌아오게 됩니다. 탐촉자는 돌아오는 음파를 받아서 전기적인 펄스로 변환시키게 됩니다. 초음파 두께 측정기는 검사물에서 돌아오는 첫 번째 에코의 시간차(時間差)를 정확하게 측정하게 됩니다. 각 재료에서의 초음파의 전달 속도는 각기 다르기 때문에 검사물이 바뀔 때마다 검사하고자하는 재질의 음속을 입력해 주어야 합니다. 흔히 사용하는 탄소강의 음속값은 5,920 meter/sec이나 각 제품마다 약간의 차이가 있을 수 있습니다. 검사물의 음속으로 세팅된 측정기는 다음 공식에 따라 검사물의 두께를 전산하게 됩니다.  |
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초음파 두께 측정의 원리는 초음파가 재질을 통과하여 저면으로부터 반사되어 돌아오는 Flight Time(초음파의 왕복 여정 시간)을 측정하여 이에 재질의 음속을 곱한 것입니다. 우리가 잘 알고 있는 공기 중에서의 음파의 속도는 340m/sec입니다. 이를 응용하여 우리는 높은 산을 향하여 소리를 보낸 후 2초 후에 메아리를 수신한 경우 그 산까지의 거리는 340미터라고 추정하게 됩니다. 일반적으로 초음파 두께 측정기를 사용하여 측정하고자 하는 재료 및 재질은 아주 다양하며 재질의 음속은 합금 상태, 주조 방법 등에 따라 달라지므로 대부분의 초음파 두께 측정기에는 초음파의 음속을 조정하고 세팅할 수 있는 기능이 들어 있습니다. 따라서 정확한 측정값을 얻기 위해서는 측정하고자 하는 그 재질의 음속값으로 기기가 세팅되어야 합니다. 그러기 위해서는 검사물과 꼭 같은 재질로 만들어진 기준 시편이 있어야 하는데, 이 시편은 표면이 편평하고 매끈해야 하며 검사하고자 하는 검사물의 최대 두께와 같거나 약간 더 두꺼워야 합니다. 파이프와 같이 둥근 모양의 두께를 측정하기 위해서는 같은 모양의 시험편을 만드는 것이 바람직합니다. 예를 들면 5~10mm 두께 근처를 측정하고자하는 경우 2.5, 5.0, 7.5, 10.0, 12.5, 15.0과 같은 단계별 블록을 만든 후 그 시편을 사용하여 측정기를 calibration하거나 calibration이 잘되었는지를 확인하면 매우 유용할 수 있습니다. |
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사용자는 또한 어떤 재질에서 음속이 항상 일정하지 않다는 것을 염두에 두어야 합니다. 예를 들면, 열처리를 한 후 음속이 현저히 달라질 수 있습니다. 또한 같은 강종이라도 메이커나 제조국가에 따라 달라지며 여러 가지 요소에 의해 음속이 다를 수 있다는 점을 항상 염두에 두어야 합니다. 실수를 최대한 줄이기 위해서는 두께 측정 작업을 마친 후 세팅이 제대로 되어 있었는지를 확인해 보는 것도 필요합니다. 대부분의 경우 초음파 두께 측정기는 금속을 측정하도록 만들어져 있으므로 FRP나 고무, 플라스틱, 주물과 같은 감쇄가 심한 재질을 측정하고자 할 때는 사용주파수가 낮고 침투력이 강한 특수한 두께 측정기를 사용하여야 합니다. FRP나 고무, 주물 등은 특성이 다양하므로 가급적이면 시험편을 만들어 두께 측정이 제대로 되는지 확인한 후 구입하는 것이 좋습니다. 1mm 이하의 경우와 같이 박판을 측정하는 경우에는 지연재를 사용하는 탐촉자를 구비하고 초음파 펄스폭이 작은 측정기를 선택해야 합니다. |
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초음파 탐촉자 내부에는 초음파를 발생하기 위한 압전 소자가 있어 전기적인 신호를 진동으로, 진동을 전기적으로 바꿔주는 역할을 하게 됩니다. 이 압전 소자는 부숴지기 쉬운 구조로 제작되어 있으므로 물체와 접촉하는 면에는 일반적으로 엔플라와 같은 재질을 사용하여 접촉면으로 사용하게 됩니다. 이 재료는 마모나 온도에 따라 두께가 달라질 수 있으며 특히 탐촉자를 새 것으로 혹은 다른 것으로 교체한 경우는 초음파가 발생한 압전 소자 지점에서 표면까지의 전달 시간에 대한 세팅이 현저히 달라지게됩니다. |
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따라서 이 지연된 거리를 제대로 가감해주어야 검사물의 표면이 0으로 세팅될 수 있습니다. 이 작업을 탐촉자의 영점 조정이라고 하는데 검사를 시작하기 전에 가급적 조정해주는 것이 좋습니다. 하지만 같은 작업일에는 한 번의 조정으로 충분할 수 있습니다. 영점 조정을 위한 시편은 깨끗하고 좋은 상태로 유지되어 있어야 하고 많이 마모되어 있지 않아야 합니다. 0점 조정을 제대로 하지 않으면 두께 측정이 시초부터 부정확하게 됩니다. 대부분 제품의 경우에는 기기에 붙어 있는 블록을 사용합니다. |
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온도의 변화는 검사물의 재질과 탐촉자 지연재의 음속을 변화시키게 하므로 영점 조정도 달라지게 됩니다. 그러므로 온도 변화에 따른 오차를 최대한 줄이기 위해서는 모든 세팅을 기기를 사용하기 직전 현장에서 하는 것이 가장 좋으며 시편으로서 같은 재질의 같은 온도의 것을 사용하는 것이 좋습니다. 대부분의 경우 검사물의 온도는 탐촉자의 사용 온도 범위 내에 있어야 합니다. 일반용 탐촉자로 고온에서 측정하게되면 측정이 부정확할 뿐 아니라 탐촉자를 영구히 망가뜨릴 수 있습니다. 고온용 탐촉자라 하더라도 고온에서의 측정은 상당한 기술을 요하므로 주의해야 합니다. 뒷부분에 나오는 고온용 탐촉자 사용법을 참조하시기 바랍니다. |
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측정에 사용되는 탐촉자는 전면이 마모되지 않은 좋은 상태에 있어야 합니다. 전면이 약간 마모되어 있다면 일반적인 측정에는 문제가 없지만 측정 범위가 줄어들게 되며 심하게 마모된 경우에는 두께값을 제대로 표시하지 못하게 됩니다. 탐촉자의 표면이 고르지 않게 마모되었다면 고르게 만드는 작업이 필요할 수 있습니다. 하지만 일반적인 사포 작업으로는 평면을 만드는 것이 불가능하므로 전문가에게 의뢰하는 것이 좋습니다. 측정하고자 하는 검사물의 표면이 매끄럽지 않다면 측정할 때마다 측정값이 달라지거나 정밀도가 떨어질 수 있습니다. 이때는 사포나 줄을 사용하여 표면을 매끄럽게 하는 작업이 필요한데 가능하다면 금속 가공업체에 맡기는 것이 바람직합니다. 어떤 경우 두께값이 표시될 수는 있지만 정밀도는 현저히 떨어지게 됩니다. 측정 시에 검사물의 두께는 탐촉자 사양이 가지고 있는 유효 측정 거리 이내에 있어야 하며 검사물에 적합한 주파수 혹은 크기의 탐촉자를 선정해야 합니다. 분할형 탐촉자는 한 개의 탐촉자에 두 개의 압전 소자가 들어있고 두 부분이 흡음재에 의해 분리되어 있는데 이 흡음재는 물기를 흡수할 수 있으므로 탐촉자를 사용한 후에는 탐촉자의 표면에 묻어있는 카플런트나 물기를 완전히 제거하여 이물질이 탐촉자에 스며들지 않도록 해야 합니다. |
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사용자는 카플런트(접촉 매질)를 능숙하게 사용할 줄 알아야 합니다. 카플런트에 따른 오차를 최대한 줄이기 위해서는 항상 같은 양의 카플런트가 사용되어야 하며 탐촉자를 누르는 압력도 항상 일정해야 합니다. 기기를 세팅할 때와 실제 측정 시 같은 양의 카플런트를 사용해야 측정이 정확하게 됩니다. 가능하면 카플런트를 적게 사용하는 것이 바람직하며 점도가 높은 것이 신호를 잘 수신하고 오차를 적게 합니다. 점도가 높은 카플런트를 사용할 경우에는 탐촉자를 꼭 눌러서 카플런트의 두께가 최소가 되도록 해야 합니다. |
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가능하면 초음파 두께 측정용으로 제조된 제품을 사용하는 것이 좋습니다. 하지만 일반 약국에서 판매하는 글리세린을 사용해도 큰 문제가 없으며 물을 사용해도 측정에는 문제가 없습니다. 하지만 물을 사용하게 되면 물이 탐촉자 사이로 스며들어 탐촉자를 못 쓰게 만들 수 있으며 기계유를 사용하면 케이블의 경화를 초래하여 케이블이열화되어 쉽게 망가질 수 있고 묽은 카플런트를 사용하면 점도가 약해 아래로 흘러내릴 가능성이 있으므로 바람직하지 않습니다. 최근에는 옥션에서 저렴한 가격에 품질 좋은 카플런트를 구입할 수 있습니다. 어쨌든 카플런트의 영향을 최소화하는 것이 관건이며 카플런트를 잘 사용하지 못하면 카플런트의 두께가 추가되어 실제 두께보다 더 두꺼운 것으로 표시하게 되므로 같은 설정값에서는 가장 작은 두께값이 정확한 측정이라고 보아야 하며 작은 두께값이 계속 반복될 때 제대로 된 측정이라고 볼 수 있습니다. 만약에 두께 측정 잘하기 대회가 열린다면 같은 조건에서는 가장 작은 두께값을 얻은 사람이 "장원"이 된다고 보아야 합니다. |
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초음파를 사용하여 두께를 측정하는 경우 두꺼운 재료보다는 박판에서 문제가 생기는 때가 많이 있습니다. 두께가 얇은 경우 초음파 두께 측정기는 실제 두께보다 두 배 혹은 세 배의 값을 디스플레이하게 됩니다. 이것을 다블링 현상이라고 하는데 탐촉자의 유효 측정 거리보다 검사물의 두께가 얇을 때 나타나게 됩니다. |
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예를 들면 탐촉자의 최소 측정 두께가 1mm이고 검사물의 두께가 0.8mm라면 1.6 혹은 2.4mm를 디스플레이하는 경우를 말합니다. 그러나 탐촉자의 저면이 심하게 마모된 경우는 탐촉자의 최소 유효 측정 거리에서도 이 현상이 나타날 수 있으므로 이러한 경우에는 탐촉자를 교환하거나 낮은 범위를 포기하고 사용하여야 합니다. 그러나 새 탐촉자인 경우 이현상이 나타난다면 이는 다블링 현상으로 초음파 탐촉자에 문제가 있거나 초음파 두께 측정기가 얇은 두께를 측정할수 있도록 만들어진 것이 아닐 수 있으므로 이런 경우는 초정밀용 두께 측정기를 사용하여 두께를 확인하여야 합니다. 일반적으로 딜레이 타입의 정밀용 두께 측정기를 사용하면 0.15에서 25mm까지의 측정이 가능합니다. |
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그 이하의 두께라면 초정밀용 초음파 두께 측정 시스템을 구성해야 하는데 예를 들면100 MHz의 주파수를 가진 초음파 펄서/리시버, 50 MHz 수침용 초음파 탐촉자와 500 MHz의 주파수 사용 범위를 가진 디지털 오실로스코프 를 사용하면 상당히 얇은 재료의 두께도 측정할 수 있습니다. 최근에는 미국 JSR Ultrasonics사에서 선보인 휴대용 초음파 코팅 두께 측정기는 5 MHz의 초음파 탐촉자를 사용하면서도 10 미크론 정도의 두께를 층별로 측정할 수 있도록 하였습니다. 초음파를 이용하여 측정할 수 없는 재료들은 XRF 방법이나 기타의 vision과 같은 방법을 사용하여 측정해야 합니다. 어떤 경우는 검사물 내에 크랙이나 기공이 존재하여 기대치보다 낮은 숫치를 표시할 수 있습니다. 이 경우는 파형을 볼 수 있는 초음파 두께 측정기나 초음파 탐상기를 사용하여 이를 확인하여야 합니다. |
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초음파 두께 측정기를 구입할 때는 검사물에 맞는 탐촉자를 선정하는 것이 중요합니다. 대부분의 경우 스탠다드 탐촉자가 초음파 측정기와 함께 공급되는데 이 탐촉자는 상당히 큰 범위를 커바할 수 있습니다. 이 스탠다드 탐촉자는 대량으로 생산되기 때문에 가격도 낮은 편이며 가장 견고한 구조로 제작되어 있습니다. 이 스탠다드 탐촉자로 검사물을 측정할 수 없는 경우라면 옵션의 탐촉자를 선택해야 합니다. 아래에 간단한 사양과 함께 설명이 나와 있습니다. |
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일반용 초음파 탐촉자 금속을 주로 측정하는 경우 5 MHz가 가장 많이 사용되며 대체적으로 1~300mm의 범위를 커버할 수 있습니다. 측정 범위는 검사하고자 하는 재질 및 표면 상태에 따라 크게 달라질 수 있으므로 탐촉자를 선정하기 전에 확인하여야 합니다. 초음파의 감쇄가 적은 재질에서는 500mm까지 가능할 수도 있으며 고무나 플라스틱 같은 재질에서는 10mm의 두께 측정도 불가능할 수 있습니다. 탐촉자의 표면이 마모되면 1mm 이하 혹은 근처의 두께를 측정할 수 없고 그 부근에서 다블링 현상이 일어나 혼돈을 가져올 수 있으므로 1mm 근처의 두께를 측정하는데는 문제가 있을 수 있습니다. 사용 온도는 200℃로 표시되어 있는 경우가 있는데 이는 순간적인 접촉을 기준으로 한 것이므로 주의해야 합니다. 표면 온도가 200℃ 이상인 곳에 수초 이상 탐촉자를 접촉하거나 모니터링용으로 고정하는 경우에는 특수한 |
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탐촉자를 사용해야 합니다. 탐촉자 사양에 "temporary", "instant" 등으로 표시된 경우는 접촉 시간이 0.5초 이내라고 보아야 합니다. |
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정밀용 초음파 탐촉자 정밀용 탐촉자는 일반적으로 8, 10, 15, 20 MHz의 주파수를 사용하는데 정밀도는 높아지는 반면 측정 범위는 줄어들게 됩니다. 어떤 경우는 접촉 면적을 작게 만든 탐촉자도 있는데 진동자 사이즈가 작아졌기 때문에 측정 범위가 많이 줄어들 수 있으므로 유의해야 합니다. 정밀용 탐촉자라도 스탠다드 탐촉자와 비교할 때 큰 차이가 없는 경우도 있으므로 실제로 얇은 두께의 검사물이 많은 경우는 탐촉자를 바꾸는 것보다 측정기 본체를 딜레이 타입의 정밀용 두께 측정기로 선정하는 것이 좋습니다. |
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고침투형 초음파 탐촉자 2.25 MHz의 주파수를 사용하게 되면 1 MHz보다는 약하지만 침투력이 다소 강해지므로 정밀도를 크게 희생하지 않으면서 플라스틱이나 고무, 주물과 같은 재료들을 비교적 정밀하게 측정할 수 있습니다. 1 MHz의 주파수를 사용하게 되면 침투력은 강해지지만 정밀도는 떨어지게 됩니다. 플라스틱이나 고무, 주물과 같은 재료들에서는 재료의 두께, 감쇄 상태 등에 따라 적정한 주파수와 진동자의 탐촉자를 사용하여야 합니다. 두꺼운 재질을 측정하기 위해서는 탐촉자 뿐 아니라 두께 측정기 본체에서 전압이 높으면서 펄스폭이 넓은 초음파 에너지를 탐촉자에 인가해야 하므로 일정 두께 이상의 FRP나 두꺼운 고무의 경우에는 이에 부합되는 측정기 본체와 탐촉자를 적정한 모델로 선정하여야 합니다. |
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고온용 초음파 탐촉자 이 고온용 탐촉자는 비교적 표면 온도가 높은 곳에서 탐촉자를 망가뜨리지 않으면서 온도에 따른 정밀도를 가능한 한 떨어뜨리지 않고 측정하는데 사용됩니다. 앞서 언급된 것처럼 사용 온도가 350℃ 혹은 500℃로 표시되어 있을 경우 "temporary", "instant"로 사용 가능한 것인지 혹은 "constant"로 사용이 가능한 것인지 확인해야 합니다. 두께 모니터링을 위한 "constant" 타입인 경우 가격이 수백만원을 홋가하는 경우가 많습니다. 따라서 대부분의 경우 "constant"가 아니고 순간적인 접촉을 기준으로 한 것으로 보아야 합니다. 대부분의 고온용 탐촉자인 경우에는 딜레이라인이 긴 구조로 되어 있습니다. 탐촉자를 고온에 오래 접촉하면 탐촉자를 망 |
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가뜨릴 뿐 아니라 딜레이라인이 늘어나서 이 두께가 포함되므로 정확도가 떨어지게 될 수 있습니다. 한 번 측정한 후에는 반드시 물로 상온까지 반드시 냉각시켜주어야 정밀도를 높일 수 있습니다. |
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딜레이 타입 초음파 탐촉자 이 정밀용 탐촉자는 일반적으로 echo to echo 타입의 초음파 두께 측정기와 함께 사용되며 높은 10, 15, 25 MHz와 같은 높은 주파수를 사용하기 때문에 정밀도를 0.01 혹은 0.001 mm까지 최대한 올릴 수 있습니다. 정밀 측정에 가장 이상적이나 일반 듀얼 타입의 두께 측정기에 연결하여 사용할 수 없으며 가격도 비교적 높습니다. |
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수침형 초음파 탐촉자 아주 얇은 두께를 재거나 보다 정밀한 두께를 측정할 때 혹은 여러 복층의 두께를 분석할 때는 수침법을 이용하는데 이 때 사용되는 탐촉자는 보통 주파수가 15, 25, 50, 100 MHz 혹은 그 이상이 되기도 합니다. 일반적인 초음파 두께 측정기로는 높은 주파수에 적합한 초음파 펄스를 발생하고 수신하여 증폭하기 어려우므로 이 때는 초음파 펄서/리시버 모듈을 사용하여 오실로스코프 상에서 파형을 관찰하거나 A/D 변환 보드를 거쳐 컴퓨터 상에서 두께를 측정하게 됩니다. |
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두께 측정을 정확히 하기 위해서는 알맞은 시험편이 준비되어야 합니다. 두께 측정기 메이커나 공급처에서 기성 제품을 구입할 수도 있지만 실제 검사하고자 하는 재료를 가지고 제작하는 것이 가장 바람직하며 추후 정밀도에 대한 시비를 줄일 수 있는 가장 좋은 방법입니다. 시험편의 두께는 측정하고자하는 검사물의 두께와 같거나 약간 두꺼운 것이 좋습니다. 예를 들어 20 mm 두께의 304 스텐강을 검사하는 경우라면 아래와 같은 시험편을 제작하는 것이 바람직합니다. 재료: 304 스테인리스 스틸 크기: 25mm x 125mm 두께: 5단계; 2.5, 5.0, 10.0, 15.0, 25.0mm 정밀도: ±0.02mm 두께 측정을 시작하기 전 25mm 두께에 calibration하였다면 기기가 제대로 세팅되었는지를 확인하기 위해서 위의 스텝 블록을 사용하면 각 단계 별로 어떻게 표시되는지를 알 수 있으므로 매우 유용합니다. 파이프의 경우에는 판재의 블록에 calibration하는 것보다는 같은 직경, 재질, 두께의 파이프 시험편을 마련하여 세팅하는 것이 정밀도를 높일 수 있습니다. 일반적으로 많이 사용되는 스틸의 음속은 5900m/s 정도이나 같은 금속이라도 금속의 합금, 열처리 또는 제조 방법에 따라 달라질 수 있습니다. |
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10mm 두께의 일반적인 스틸을 검사하는 경우라면 우측과 같은 시험편을 제작하는 것이 바람직할 수 있습니다. 재료: 4340 혹은 일반 탄소강 크기: 25mm x 25mm x 5 steps 두께: 5단계; 2.5, 5.0, 10.0, 15.0, 25.0 mm 정밀도: ±0.02mm |
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두께를 알고 있는 시험편을 가지고 기기를 세팅하는 것이 가장 좋은 방법이기는 하지만 준비된 시편이 없다면 초음파의 음속을 기기에 입력하여 사용하여야 합니다. 각 재질의 음속에 관하여는 아래의 도표를 참조하시기 바랍니다. 초음파 두께 측정에 있어서는 음속값으로서 종파(m/s)를 사용합니다. 아래 도표에 나와있지 않은 재질의 음속을 측정한 경우에는 측정한 음속값을 맨 아래에 있는 공간에 적어두면 나중에 같은 검사물을 측정할 때 유용하게 사용할 수 있습니다. 
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고온에서의 초음파 두께 측정은 아주 어려우며 잘못하면 센서를 완전히 손상시킬 수 있습니다. 고온에서 사용하는 경우는 특별히 제작된 고온용 탐촉자를 튜브 타입의 고온용 카플런트와 함께 사용해야 합니다. 또한 고온용이라 하더라도 약 1초 이내에 측정을 마친 후 탐촉자를 식혀 주어야 합니다. a. 고온용 카플런트를 탐촉자의 저면에 얇게 바릅니다. b. 탐촉자를 검사물의 표면에 접촉시켜 1초 이내에 측정값을 얻은 후 탐촉자를 뗍니다. c. 측정 후 탐촉자를 물에 냉각시켜 상온까지 온도를 내립니다. 고온용 탐촉자 사용시 주의 사항 고온의 검사물의 두께를 측정하는 경우는 반드시 고온용 탐촉자를 사용하여야 합니다. 먼저 적외선 온도계로 검사하고자 하는 검사물의 표면 온도를 측정하여 검사에 문제가 없는지를 확인하여야 합니다. 기기를 세팅하고 카플런트를 바른 후 샘플에 접촉합니다. 뜨거운 부분에 먼저 접촉하는 일이 없어야 합니다. 탐촉자 표면이 뜨거워진 상태에서 과도하게 힘을 주어 누르면 엔플라가 물러져 탐촉자에 변형이 올 수 있으므로 적당한 힘을 유지해야 합니다. 탐촉자를 접촉한 후 측정값이 나타나면 0.5초 내에 탐촉자를 떼어야 합니다. 측정 후에는 탐촉자를 물에 적시거나 공기 중에서 충분히 냉각시켜 줍니다. 다음 측정 시에는 탐촉자에 묻어있는 카플런트를 완전히 제거한 후 다시 발라주어야 합니다. 보관 시에도 탐촉자의 표면에 묻어있는 카플런트를 깨끗이 제거해 주어야 카플런트가 탐촉자 내부로 침투하여 탐촉자를 망가뜨리는 것을 방지할 수 있습니다. 탐촉자의 내부 온도가 150℃ 이상이 되면 탐촉자에 변형이 오거나 감도가 떨어지는 등 이상 징후가 생길 수 있습니다. |
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파이프의 두께를 측정하는 경우는 우측 그림과 같이 탐촉자가 파이프의 표면에 수직으로 접촉할 수 있도록 해주어야 합니다. 그렇지 않으면 측정이 부정확하거나 측정값을 얻을 수 없습니다. 이중 분할형 탐촉자인 경우는 탐촉자가 둘로 나뉘어져 있으므로 아래 그림과 같이 방향을 맞추어 주어야 합니다. |
 그림 1: 분할형 탐촉자의 접촉 방법 |
| 파이프의 두께를 자주 측정하는 경우는 탐촉자 홀더를 만들거나 접촉 부분을 파이프의 R과 같이 가공해 주어야 정확한 측정이 가능할 수 있습니다. |
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| 사진 17. 독일 Sonotec 탐촉자 |
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초음파 두께 측정기를 선택하는데 있어서는 검사물의 재질, 두께, 형상, 일일 검사 수량, 작업자의 초음파 두께 측정 검사에 대한 수준, 보고서 제출 여부, 부가 가치 정도 등 여러 가지가 고려되어야 합니다. 측정 범위는 초음파 두께 측정기의 사양에 나와있는 것보다 약간의 여유를 가는 것이 좋습니다. 예를들어 10 MHz의 탐촉자를 사용하고자 한다면 15 MHz를 커바할 수 있다고 하는 장비를 사용하여야 10 MHz에서 깨끗하고 큰 신호를 얻을 수 있는 경우가 많습니다. 초음파 두께 측정기를 사양으로 검토하는 것도 중요하지만 어떤 경우 사양은 좋지만 내구성이라든가 신뢰도가 뒤지기 때문에 전문가나 사용자의 추천을 받는 것이 더 효과적인 경우가 많습니다. 또한 초음파 두께 측정기의 사용 및 보증 수리에 대한 서비스도 고려되어야 합니다. 특별한 경우 초음파 두께 측정기를 실제로 많이 사용하지 않으나 법정 장비로서 혹은 필수 등록 장비로서 구입해야 하는 경우 추후라도 자주 사용할 수 있는 기회가 있을 것으로 예상되면 초음파 두께 측정기를 쓸 만한 것으로 구입해 놓는 것도 바람직할 수 있습니다. 하지만 초음파 탐촉자는 기본적인 것을 제외하고는 필요시 구입하는 것이 더 합리적일 수 있습니다. 초음파 두께 측정기를 실제로 거의 사용하지 않으면서도 법정 장비로서 혹은 필수 등록 장비로서 구입해야 하는 경우라면 중고 초음파 두께 측정기를 구입하는 것도 고려해 볼 수 있습니다. 국내에서는 2개의 회사만이 휴대용 초음파 두께 측정기를 제조하고 있는데 대체로 양호한 편입니다. 휴대용 측정기는 무게가 가벼우면서도 측정값이 안정적이고 정확한 두께를 표시하는 기기가 좋습니다. 전세계적으로 가장 보편적으로 쓰이고 있는 모델은 미국 Dakota Ultrasonics사의 MX-3입니다. 기본적인 기능을 가지고 있고 거의 고장도 나지 않습니다. 이 기기는 현재 Dakota Ultrasonics사의 CEO인 Philip Boyd가 개발한 것인데 전에는 StressTel사를 운영하다가 회사를 GE로 넘기고 그 후 개발한 두께 측정기로 30년 정도의 개발 경력을 가지고 있어 거의 흠잡을 데 없는 기기라고 볼 수 있습니다. 초음파 두께 측정에 있어 파형을 관찰할 필요가 있거나 데이터를 저장/관리해야 하는 상황이라면 다른 종류의 초음파 두께 측정기를 선정해야 합니다. 미국에서 제조되는 Olympus-ims의 제품이나 GE KrautKramer등 몇 개의 제조업체가 있는데 사용하고자 하는 용도에 따라 적절한 측정기를 선택하는 것이 좋습니다. |
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MX-3 Dakota, 미국 |
Sonowall-50, 독일 |
SC-20/피코소닉 |
WT-600/월텍 |
사진 18: 보편적으로 사용되는 초음파 두께 측정기 |
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| FRP나 고무, 연질 플라스틱의 경우는 초음파의 감쇄가 심하여 측정이 잘 되지 않으므로 특수한 초음파 두께 측정기와 전용 탐촉자를 사용하여야 합니다. 이 경우는 특히 시험편을 만들어 측정이 제대로 되는지 미리 확인한 후 구입하는 것이 필요합니다. | |||
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가스 배관용 파이프와 같이 비교적 재료가 고가인 경우는 온라인 상에서 두께를 모니터링할 필요가 있습니다. 이 경우 4개의 초음파 탐촉자를 90도 간격으로 설치하거나 45도 간격으로 8개를 설치하는 경우가 많고 위치별로 편차가 심할 수 있는 경우는 1개의 탐촉자가 370도 회전하였다가 제자리로 오는 것을 반복하는 방식으로 시스템을 구성할 수 있습니다. 온라인 두께 모니터링 시스템의 경우는 시간상에서의 두께 변화, 편차, 상한치, 하한치 설정 및 알람 등을 자동으로 기록할 수 있도록 만들어 놓은 것이 많습니다. |
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고온용 파이프의 두께를 측정하는 경우는 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 접근이 쉬운 경우에는 휴대용 초음파 두께 측정기에 고온용 탐촉자를 연결하여 사용하는 방법이 있고 보온재로 덮여있거나 접근이 어려운 경우에는 모니터링 시스템을 사용하여야 합니다. 모니터링 시스템인 경우에는 초음파를 송수신할 수 있는 장비 및 컴퓨터, 연결 케이블 등이 필요한데 중요한 부분은 역시 탐촉자 및 구조물입니다. 150도 이상의 고온에서는 액체 카플런트를 사용할 수 없으므로 카플링에 대한 디자인이 필요하고 일반적인 초음파 탐촉자는 80도 이상에서 견디지 못하므로 이에 대한 대책이 필요합니다. 또한 초음파는 온도 변화에 따라 전달 특성이 변하게 되므로 표면 온도를 측정하여 온도 변화를 보상해 주어야 합니다. |
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