단일 요소 탐촉자를 사용한 초음파 시험에서 긴 케이블의 효과

탐촉자 케이블은 초음파 결함 탐상 또는 두께 측정 시스템의 필수 부품이지만 파손, 마모 또는 기타 결함이 없는지 확인하는 것 외에는 작업자가 크게 주의를 기울이지 않을 때가 많습니다. 대부분의 초음파 시험은 길이가 약 2미터(6피트)를 초과하지 않는 탐촉자 케이블을 사용하여 500KHz~20MHz의 기존 주파수 범위에서 이루어집니다. 그러나 더 높은 시험 주파수나 더 긴 케이블이 관련된 응용 분야에서는 케이블 길이 증가로 인한 잠재적인 영향을 인식하고 필요에 따라 조정하는 것이 중요합니다.

이 애플리케이션 노트에서는 약 20MHz 이하의 테스트 주파수에서 탐촉자와 함께 매우 긴 케이블을 사용하는 방법에 대해 설명합니다. 초고주파 탐촉자(50MHz 이상)와 관련된 특수 케이블 문제는 고주파 초음파 탐촉자 지정 시 적용 고려사항 백서에서 논의합니다.

케이블 길이 증가에 따른 고려 사항

고려해야 할 네 가지 요소는 케이블 반사, 케이블 감쇠, 케이블 지연, 케이블 잡음 유입입니다. 이들 요소는 모두 케이블 길이가 증가함에 따라 점점 더 중요해지고 있으며, 특히 약 20미터(65피트)보다 긴 케이블의 경우 더욱 그렇습니다.

케이블 반사

모든 초음파 시스템에서 여기 펄스 또는 '주포'는 일반적인 동축 케이블에서 광속에 근접하는 속도로 장비의 펄서에서 탐촉자로 이동합니다. 여기 펄스가 탐촉자에 도달하면 전기 에너지의 대부분이 음파로 변환됩니다. 그러나 전기 에너지의 일부는 펄서로 다시 반사됩니다. 펄서에 도달하면 해당 에너지의 일부가 탐촉자 쪽으로 다시 반사됩니다. 케이블의 끝 부분에서 반사되는 에너지의 양은 주로 전기 임피던스의 일치 또는 불일치와 관련이 있습니다. 반사된 펄스가 탐촉자에 다시 도달하면 케이블의 왕복 전기 전달 시간과 동일한 시간 간격으로 원래 펄스를 따르는 두 번째의 더 작은 여기 펄스 역할을 합니다.

짧은 케이블을 사용한 일반 시험 설정에서 이 반사 펄스는 초기 여기 펄스 이후 매우 빠르게 도착하며 탐촉자 성능에 큰 영향을 미치지 않습니다. 그러나 케이블을 통한 전기 전달 시간이 탐촉자의 공진 주기(1/주파수)에 가까워지면 반사 펄스는 여기 펄스의 길이를 연장하고 탐촉자를 다시 구동합니다. 이 추가 링잉은 표면 근처 해상도를 때로는 크게 제한합니다. 딜레이 라인 탐촉자의 경우 반사된 펄스는 딜레이 라인 인터페이스 에코를 다시 구동하여 표면 근처 해상도를 다시 감소시킵니다. 매우 긴 케이블의 경우 두 번째 여기 펄스 뿐만 아니라 케이블의 전기 길이와 동일한 시간 간격으로 분리된 중복된 후벽 에코도 관찰됩니다.

일부 응용 분야에서는 단일 요소 탐촉자에서 이중 요소 탐촉자로 전환하여 케이블 반사의 부정적인 영향을 피할 수 있습니다. 이중은 별도의 송신기 및 수신기 요소를 사용하고 이중 설정은 보통 대상에서 처음 도달하는 에코만 확인하기 때문에 여기 펄스 증가 및 에코 링잉은 일반적으로 문제가 되지 않습니다(단, 감쇠, 지연 및 잡음 유입 문제는 남아 있을 수 있음).

어떤 경우에는 계측기 댐핑을 50Ω으로 설정하고 케이블 탐촉자 끝에 50Ω 터미네이터를 연결하여 케이블 반사를 줄일 수 있습니다. 그러나 이는 에코 형태에 바람직하지 않은 영향을 미칠 수 있으며, 어떤 경우에도 모든 일반적인 NDT 탐촉자는 복잡한 전기 임피던스 프로파일을 갖기 때문에 전기 임피던스를 펄서와 완벽하게 일치시키는 것은 불가능합니다.

케이블 감쇠

긴 케이블의 전기 저항으로 인해 길이가 길어질수록 신호 소실이 증가합니다. 이러한 이유로 에코 진폭의 정확한 추적이 중요한 결함 탐상 설정에서는 항상 시험에 사용되는 실제 케이블을 사용하여 계측기 감도를 교정해야 합니다. 케이블 손실은 일반적으로 계측기 이득을 간단히 조정하여 보상할 수 있을 정도로 작습니다. 극단적인 경우에는 케이블의 탐촉자 끝에 프리앰프를 사용하는 것이 좋습니다.

케이블 지연

탐촉자 케이블을 통한 전기 전달 시간은 접촉식 및 이중 요소 탐촉자를 사용할 때 총 거리 또는 두께 측정의 일부입니다(에코-투-에코 모드에서 두께를 측정하는 경우는 아님). 긴 케이블은 측정에 측정 시간을 상당히 길어지게 할 수 있으며 0에 맞추지 않으면 오류가 발생할 수 있습니다. 이러한 이유로 두께 또는 거리 측정이 시험편의 첫 번째 후벽 에코 타이밍을 기반으로 하는 모든 설정에서는 항상 시험에 사용되는 실제 케이블을 사용하여 기기 영점 교정을 수행해야 합니다. 이는 일반적으로 적절한 교정 절차를 따르면 해결 가능한 간단한 문제입니다.

케이블 잡음 유입

위에 나열된 세 가지 조건보다 덜 흔하지만, 긴 케이블을 통한 환경 RF 잡음 유입은 매우 긴 케이블, 높은 이득 및 모터나 용접기에 근접한 것과 같은 전기적으로 잡음이 많은 환경이 결합된 응용 분야에서 문제가 될 수 있습니다. 이러한 경우 케이블 잡음이 관심 에코를 잠재적으로 가릴 수 있습니다. 여기서 제시할 수 있는 해결책에는 이중 차폐 동축 케이블, 케이블 탐촉자 끝에 있는 원격 프리앰프, 고주파 잡음 구성 요소를 필터링하는 저역 통과 수신기 필터링 등이 포함됩니다.

초음파 시험의 케이블 효과—예시

다음 일련의 파형은 10mm 두께의 강철 기준 블록의 두께를 측정하기 위해 10MHz 광대역 접촉 탐촉자를 사용하는 간단한 결함 탐상기 설정에서 케이블 길이 증가의 효과를 보여줍니다. 케이블 길이는 6단계를 거쳐 1미터(약 3피트)에서 60미터(200피트)로 늘어납니다. 이러한 파형은 긴 케이블 효과의 일반화된 예를 보여주기 위한 것입니다. 특정 결과는 탐촉자 주파수와 대역폭이 변경됨에 따라 달라집니다. 높은 주파수에서는 효과가 더욱 뚜렷해지고, 낮은 주파수에서는 효과가 덜해집니다.