2.1 최적 감시시스템 구현

영구 자기 테이프로는 SrFeO에 카본(carbon)이 섞인 페라이트 물질을 사용하였다. 원통형 배관 파이프의 모양에 맞게 잘 휘어지고 폭, 너비, 두께의 조절이 용이하다. 자기 테이프의 두께는 윗면이 N극이고 아랫면이 S극인 자기 테이프을 N-S- N-S-N-S 극으로 여러 겹 적층하였으며 결과로써 윗면이 N극이고 아랫면이 S극인 단일의 두꺼운 자기테이프를 얻을 수 있었다 (그림 2(a)). 두께가 1mm인 자기테이프 5개를 연속적으로 적층할 경우 자기 테이프 한 개가 발산하는 자기장의 5배에 달하는 자기장 세기를 얻었다. 이음 커플러 관 (PE 폴리에틸렌) 두께에 따라 자기 테이프의 적층 개수를 다르게 함으로써 원하는 자기장 세기를 얻을 수 있다. 배관 파이프 절단면에 붙일 자기 테이프의 접착력을 증대시키기 위해 적층 개수는 4개(4mm) 이상으로 설정하였다. 커플러 내부 파이프 사이의 간격은 5mm로 매우 좁기 때문에 폭이 매우 좁은 자기 테이프를 사용해야 한다. 그러나 자기 테이프의 폭이 좁아지면 N 극에서 센서 쪽으로 발산하는 자기장 세기가 현저히 감소하므로 적절한 자기 테이프 폭 선택이 중요하다. 충분한 자기장 세기 확보 및 자기 테이프를 절단하는 과정에서 양쪽 에지면에서 자기 특성 파괴를 최소화하기 위하여 3mm 폭으로 결정하였다. 파이프라인 절단면에 붙여지는 자기테이프의 길이도 또한 중요한 파라미터이다. 정렬과정도 용이하게 만들며 또한 자기 테이프 길이에 상관없이 센서의 출력신호가 일정케 하는 50mm 이상의 길이를 사용하였다. 배관작업에 사용되는 파이프

및 커플러는 내구성이 매우 뛰어난 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 사용한다. HDPE의 자화율($\chi$)은 $\chi =\dfrac{\mu -\mu_{0}}{\mu_{0}}=-9.67\times 10^{-6}$으로 알려져 있다. 이를 통해 계산한 HDPE의 투자율은 $\mu =1.25662\times 10^{-6}$이고, 상대 투자율은 $\mu_{r}=\dfrac{\mu}{\mu_{0}}=0.99999$이므로 공기의 상대투자율인 1과 같다. 그림 2(b)는 폭이 3mm, 길이가 50mm, 두께가 5mm인 자기 테이프를 이용하여 16mm 두께의 PE 에틸렌 커플러를 사이에 두고 홀 자기센서에서 읽혀진 자기장 세기 및 PE 커플러를 제거하고 공기 매질에서 센서와 자기 테이프 거리에 따른 센서에서 읽혀진 자기장 세기 변화를 보이고 있다. 커플러와 파이프의 구성물질인 HDPE의 상대투자율이 공기의 상대투자율과 동일하므로 자기 테이프와 센서간 16mm 간극에서 측정된 두 자기장의 세기는 동일함을 확인하였다. 즉 자기 테이프의 자기장 세기는 센서까지의 거리에 의한 영향을 받을 뿐 커플러 물질 그 자체에 의한 자기장 감쇄는 일어나지 않는다^(9,10). 삽입하는 파이프라인의 절단면이 규정 위치에 도달했는지를 판별하기 위해선 최소 두 개 이상의 자기 테이프 및 센서 설치가 필요하다^(11-13). 본 연구에서는 센서 출력신호의 복잡성을 최소화하기 위하여 두 자기 테이프 및 센서만을 설치하여 정렬(alignment) 실험을 진행하였다. 자기 테이프로부터 발산하는 자기장의 크기를 측정하는 센서로는 소형화에 유리한 홀 센서를 이용하였다^(14,15). 0.002mT의 높은 분해능을 가지는 Vernier 사의 홀 자기 센서를 사용하였다⁽¹⁶⁾. 센서 물질은 GaAs이였고 센서의 크기는 지름이 약 3.1mm인 원 모양을 가진다.

2.2 COMSOL 시뮬레이션

자기 테이프 파라미터(폭, 두께, 길이)에 따른 센서에서 읽혀지는 자기장 크기를 예측하기 위하여, 그리고 센서 위치에 기준하여 자기 테이프 접근에 따른 자기장 크기를 분석하기 위하여 COMSOL 시뮬레이션을 수행하였다^(17,18). 배관 정렬작업은 특수한 환경이 아닌 일반적인 상황에서 이루어지므로 배경 매질은 공기이며 이음 커플러의 물질은 HDPE로 설정하였다. 시뮬레이션 구조 파일에서 메쉬(mesh)는 자기 테이프 주변에 집중시켰으며 자기 테이프의 폭, 길이, 두께를 변조시키며 주변으로 발산하는 자기장 분포를 시뮬레이션하였다. 그림 3은 자기 테이프의 두께를 3mm에서 5mm로 변조시킬 경우 외부로 발산하는 자기장 분포를 보인다. 그림은 또한 두께 3mm, 폭 3mm를 가진 자기 테이프가 센서와의 정렬 시 외부로 발산하는 자기장 분포를 보인다. 시뮬레이션 결과 자기 테이프의 폭, 두께가 커질수록 발산하는 자기장의 크기가 선형적으로 증가함을 알 수 있었다. 또한 자기 테이프의 윗면의 넓이가 넓을수록 자기선속의 직진성이 큰 특징을 보임을 확인하였다. 두께가 16mm인 PE 커플러를 중간에 두고 센서와 자기 테이프의 수평 거리 이동(misalignment)에 따른 자기장 분포 변화를 시뮬레이션 하였다. 자기 테이프의 수평 이동에 따른 센서에서 읽혀지는 자기장 분포는 큰 차이가 있음을 확인하였다. 즉 본 센서 시스템을 도입하여 파이프 절단면이 목표한 지점에까지 도달하였는지는 관찰 가능함을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.

그림 2 (a) 영구 자기테이프를 여러 겹 적층하면 각 조각의 자기장 세기를 합한 단일 영구 자기 테이프를 얻는다. (b) 거리에 따른 영구 자기 테이프로부터 발산하는 자기장 세기 감쇄율. 공기 중에서의 자기장 세기 감쇄율과 PE 커플러(magnetic permeability~1) 두께에 따른 감쇄율은 동일하다.

Fig. 2 (a) Stacking multiple layers of permanent magnetic tape yields a single permanent magnetic tape that is the sum of the magnetic strengths of each piece. (b) The rate of attenuation of the magnetic strength emanating from a permanent magnetic tape over distance. The attenuation rate of magnetic strength in air and the attenuation rate in the PE medium (magnetic permeability~1) are the same.

그림 3 COMSOL 시뮬레이션 결과. 자기 테이프의 두께, 폭, 길이 그리고 센서와 자기 테이프와의 수평 이동에 따른 자기센서에서 읽혀지는 자기장 세기를 시뮬레이션 하였다 (Case 1: aligned. Case 2: misaligned, 자기 테이프 끝면이 홀 자기센서 에지에 위치한 경우)

Fig. 3 COMSOL simulation results. The magnetic flux in terms of the thickness, width and length of the magnetic tape and the lateral misalignment between the sensor and the magnetic tape were simulated (Case 1: aligned. Case 2: misaligned, and the end of the magnetic tape is located at the edge of the Hall magnetic sensor)

그림 4 단일 및 5층이 적층된 자기 테이프. PE 파이프 절단면에 적층된 자기 테이프 부착 및 홀 자기센서는 PE 커플러 표면 위, 안내 돌기 바로 위에 위치시킴

Fig. 4 A single magnetic tape and 5 stacked magnetic tape. The stacked magnetic tape was attached to the cut surface of the PE pipe and the Hall magnetic sensor was placed on the top of the PE coupler, just above the guide protrusion located in the internal surface of the joint coupler

4.1 제작된 센서 시스템

그림 6(a, b)는 자기 테이프 표면의 전자현미경(SEM) 사진 및 EDS 성분 분석표이다. 자기 테이프는 자기물질인 SrFeO와 페라이트 파우더, 카본 소재가 섞여 있음을 확인하였다. 그림 6(c)는 제작된 토탈 센서 시스템을 보인다. 클램프를 이용하여 커플러 표면위에 자기 센서를 고정시켰고, 배관 파이프 절단면에 자기 테이프를 부착하였다 (그림 6(d)). 파이프를 커플러 내부로 삽입하면서 홀 센서에서의 자기장 크기 변화를 관찰하였다. 센서 출력신호는 실시간 PC에 전달되어 자기장 변화가 모니터 상에 플롯되었으며 값으로도 표기되었다.

4.2 파이프 정렬 측정 결과

두께 5mm, 폭 3mm, 길이 50mm 자기 테이프를 초고온 강력 접착제를 이용하여 배관 파이프 절단면에 부착하였다. 커플러 표면위에는 홀 자기센서가 클램프를 이용하여 고정되었다. 홀 센서의 위치는 커플러 내부면 안내 돌기 바로 위에 위치한다. 커플러 내부로 배관 파이프가 조심스럽게 삽입하며 측정을 진행하였다. 자기 테이프가 홀 센서와 수직으로 일직선을 형성할 때 (중심 일치 시) 최대 자기장 세기가 관찰되었다. 센서의 지름(3.1mm)과 자기 테이프의 폭(3mm)이 정렬상태로부터 조금씩 어긋남에 따라 자기장 세기는 비례하여 감소하였다. 최대 자기장 세기(중심 일치 시)는 5.5 gauss로 읽혀졌다. 자기 테이프의 폭이 센서 지름의 50% 정도에 겹쳐 있을 때 2.5 gauss, 그리고 20% 겹쳐 있을 시 1 gauss로 급격히 감소하였다 (그림 7(a)). 홀 센서와 자기 테이프가 일직선 정렬 상태에 있을 시 자기 테이프의 수직거리를 변화시키면서 센서의 출력신호를 관찰하였다. 자기 테이프의 수직거리 변화율은 1mm 단위로 변화시켰다. 자기 테이프의 수직 이동은 센서 출력값에 급격한 변화를 야기했으며 1mm 수직이동에 1 gauss의 출력값의 변화가 나타났다 (그림 7(b)). 원통형 이음 커플러 내부에 삽입된 파이프라인이 정 중앙에 위치해 있는지를 알기 위해서는 최소 두 센서 시스템이 필요하다. 즉 두 자기센서에서 읽혀지는 출력 값을 통해 파이프라인이 원통형 커플러 내부 정 중앙에 정렬해 있음을 확인할 수 있다. 그림 7(c)는 파이프라인이 커플러내로 삽입되어 정 중앙에 위치 후 커플러 내에서 배출될 때의 결과이다. 두 센서에서 동일한 출력 값이 읽혀졌으며 이는 센서와 자기 테이프 거리가 동일함을 의미한다.

그림 6 (a) 자기테이프 표면 위 SEM 사진, (b) 자기테이프 EDX를 통한 성분분석, (c) 자기센서 및 자기테이프를 이용한 포지셔닝 토탈 센서 시스템, (d) 절단하여 확대된 센서 시스템

Fig. 6 SEM view of the top surface of magnetic tape, (b) EDX analysis of the magnetic tape, (c) entire view of the completed sensor system, and (d) cross-sectional view of the sensor system

자기 테이프의 두께를 변화시키면서 동일 실험을 반복하였다. 자기 테이프의 두께는 적층의 수에 따라 결정된다. 단층 자기 테이프의 두께는 1mm이다. 자기 테이프의 두께가 증가함에 따라 센서 출력신호도 비례하여 상승하였다 (그림 8(a)). 16mm 두께의 PE 커플러에서 5개의 적층 자기 테이프 두께(5mm)로부터 충분한 자기장 세기를 감지할 수 있었다. 5개 적층구조를 가진 자기 테이프의 폭을 3~5mm로 변화시키며 센서 출력신호를 관찰하였다. 자기 테이프의 폭이 증가함에 따라 센서에서 읽혀지는 자기장 세기가 증가하였으며 또한 옆으로 퍼지는 자기장(stray magnetic field)도 감소함이 관찰되었다. 그러나 커플러 내부에 위치한 두 파이프 라인 사이의 갭이 단지 5mm인 관계로 자기 테이프 폭을 3mm로 제한함을 추천하며 이 경우에도 충분한 자기장 세기가 커플러 표면 위에서 감지되었다. 자기 테이프의 길이도 매우 중요한 파라미터이다. 자기 테이프의 정 중앙에 센서를 고정시키고 양 옆으로의 자기 테이프의 길이에 따른 센서 출력신호 변화를 관찰하였다 (그림 8(b)). 센서 가장자리로부터 20mm 이상의 여유분을 가진 자기 테이프 길이에서는 동일한 센서 출력이 관찰되었다. 그러나 20mm 이하의 길이에서는 센서의 출력신호가 급격히 변화함을 관찰하였다. 즉 자기 테이프의 길이는 센서 가장자리를 기준으로 양 옆으로 최소 20mm 이상의 길이를 추천한다. 따라서 센서의 지름(3.1mm)을 포함하여 최소 50mm 이상의 자기 테이프 길이가 정렬을 위해 필요하다. 파이프 삽입 속도에 따른 센서의 출력신호 변화를 관찰하였다. 매우 빠른 삽입 속도에서도 실시간 자기장 변화가 센서에서 관찰되었다.

그림 8 (a) 자기 테이프 적층 갯수 및 폭에 따른 센서에서 읽혀지는 자기장 세기 변화. (b) 자기 테이프 길이에 따른 센서에서의 자기장 세기 변화

Fig. 8 Changes in magnetic strength with respect to the number of the magnetic tape stack and the width. (b) Changes in magnetic strength with respect to the length of the magnetic tape

그림 9 (a) 센서시스템 주변 온도 변화에 따른 센서에서 읽혀지는 자기장 세기 변화, (b) 두 자기 테이프 간 각도에 따른 센서에서 읽혀지는 자기장 세기 변화

Fig. 9 The change in magnetic strength read by the sensor depending on ambient temperature change around the sensor system, (b) The change in magnetic strength depending on the angle between two magnetic tapes

주변 온도변화에 따른 자기장 세기 변화가 관찰되었다. 항온항습 챔버를 이용하여 센서 시스템 주변 온도를 변화시켰다. 상온 (room Temperature) 근처의 온도에서는 정렬 상태에 있던 센서 출력 값이 그대로 유지되었으나 50도 이상의 주변 온도로 변화할 시 센서 출력 값에서 약간의 변화가 나타났다 (그림 9(a)). 그러나 일반적으로 파이프 삽입과정은 50도 이하의 온도에서 이루어지므로 정렬 시 얻어진 센서 출력 값을 그대로 사용 가능케 된다. 수직 정렬을 알기 위해 파이프 절단면의 두 위치에 자기 테이프가 붙여진다. 두 자기 테이프의 위치는 180도를 유지하며 일직선상에 위치한다. 두 자기 테이프의 위치를 180, 135, 90도 각도를 형성시키고 정렬실험을 진행하였다 (그림 9(b)). 자기 테이프간 각도의 감소는 센서 출력신호에서 노이즈 레벨의 감쇄 효과가 있었다. 자기 테이프간 일직선 위치 시 N극의 자기장 세기가 상대 자기 테이프에까지 도달하여 센서 출력신호에 미세 영향이 있음을 확인하였다. 추후 16mm 이하의 커플러 사용 시 일직선상에 두 자기 테이프의 설치보다는 약간의 각도 감소가 추천된다. 하나의 커플러 내부로 두 파이프라인이 입사된다. 한쪽 파이프의 정렬 이후 또 다른 파이프의 삽입 정렬이 필요하다. 또 다른 파이프의 삽입 시 자기 테이프간의 근접은 센서 출력신호에 큰 변화를 야기했다. 따라서 상대 파이프의 삽입은 기존에 정렬된 자기 테이프의 부착 위치와는 어느 정도 거리를 두고 자기 테이프의 부착이 필요하다. 이 경우 정렬 시 센서 출력신호의 값에서 전혀 변화가 없음을 확인하였다.

그림 10 (a) 융착 온도 이상에서의 자기테이프 안정성 측정 및 (b) 자기테이프와 센서 간 거리 변조 시 센서에서 읽혀지는 DC 출력전압 변화

Fig. 10 Magnetic tape stability above fusion temperature and (b) changes in sensor output voltage depending on distance between magnetic taper and sensor

4.3 열선에 의한 센서 시스템 안정도 결과

자기 테이프의 정렬 이후 융착기로부터 높은 전류/전압(~40A/40V)의 인가는 커플러 내부의 구리 열선을 가열시키고, 커플러 내면과 파이프 외면을 녹여 두 면 사이의 강한 융착을 이룰 수 있다. 이때 생성되는 열은 200oC에 달한다. 높은 온도에서 자기 테이프는 떨어짐, 녹음, 변형이 전혀 없어야한다. 자기 테이프를 부착한 상태에서 커플러에 200도 이상의 높은 온도를 오랜 기간 인가하였다. 그림 10(a)에서 보는바와 같이 자기 테이프의 변형, 녹음, 연기 발생 등은 전혀 관찰되지 아니했으며, 특성을 그대로 유지하였다. 그림 10(a)는 정렬 이후 융착기로부터 구리 열선에 전류를 인가하여 파이프와 커플러를 녹여 접착하는 과정에서 생성되는 열에 의한 자기 테이프의 기계적/열적 안정성을 확인하는 과정이다. 파이프와 커플러의 구성물질인 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)의 녹는점은 약 140도이기에 핫플레이트에 직접 접촉 시 녹기 때문에 핫플레이트에서 약 1cm 떨어뜨려 측정을 진행하였다. 250도 이상의 핫플레이트 위에 센서 시스템을 20분간 올려두며 자기 테이프의 변형을 관찰하였다. 자기 테이프는 페라이트 분말과 고무를 섞여 만들어지므로 페라이트 자석의 퀴리온도인 460도보다 낮은 인가 온도에서는 전혀 자성 및 기계적 변형이 발생하지 아니했다. 자기 테이프와 배관 파이프의 접착력 향상을 위해 사용한 초고온용 강력 접착제도 인가 온도에서 안정한 접착특성을 그대로 유지하였다.

4.4 센서 분해 후 전기적 신호 전달

다음은 자기 센서의 출력신호를 자기장 크기인 gauss로 읽지 않고 전기적 신호인 전압(V, DC)으로 읽은 뒤 센서 시스템 뒷단의 시그널 처리부에 이송에 관하여 실험을 진행하였다. 센서 시스템 구동을 위해 입력단자에 2V를 인가했으며 출력단자에서 DC 전압 변화를 관찰하였다. 자기 테이프를 통한 자기장이 전혀 가해지지 않았을 때의 센서 출력전압은 약 2.4V이였고, 그러나 센서와 자기 테이프 간 정렬한 경우에는 약 2.6V로 상승하였다 (그림 10(b)). 센서와 테이프 간 수평/수직 거리가 비정렬 되는 경우 출력전압은 급격히 감소하였으며 약간의 수평/수직 거리 오차에도 큰 전압변화가 관찰되었다. 16mm 두께의 이음 커플러를 사이에 두고 정렬 시 출력되는 홀 전압은 약 2.6V로 확인되었으며 이는 정렬과 비정렬을 구분하는 지표로 삼는다.