초음파의 응용분야-기계설비진단 및 배관의 누설진단

초음파는 높은 에너지를 가지고 있으며 진동시 발생되는 공동현상(Cavitation) 그리고 지향성(directivity)의 특유한 성질을 이용하여 응집작용, 분산작용, 화학작용, 생물학작용 및 각종 탐지에 응용되고 있으며, 의학적 목적(산부인과 외), 군사용 목적으로 그 활용도는 넓고 다양하다.

초음파 응용(고에너지, 직진성)

(응집작용)기체나 액체에 초음파를 통해주면 매질은 진동하게 된다. 이때 매질 속에 고체의 미립자가 있는 경우 이 미립자는 유체매질과 같은 속도로 진동하지 못하고 미립자끼리 뭉쳐지게 된다. 이와 같은 현상은 가스의 정화장치나 액체 속의 고체 미립자를 제거하는데 사용된다.

(분산작용)매질에 초음파를 연속적으로 통해 주면 매질의 진동으로 매질을 이루는 물질에 공동현상이 생겨나 보다 작은 입자나 분자로 나누어지는 현상을 이용한 것으로, 도료의 미립자화, 선광유와  물과의 혼합, 가습기 등 여러 곳에 응용되고 있다.

(파괴작용)초음파의 진동 에너지를  이용한 것으로 초음파드릴을 사용하여 유리, 도자기, 보석, 공구용 강철 등에 구멍을 뚫거나 가공하는데 사용된다.

(화학작용)액체에 강력한 초음파를 발생시키면 공동현상으로 물질이 분해되어 여러 가지 화학반응이 일어난다. 물에 강력한 초음파를 발생시키면 물이 분해되어 H+와 OH‾ 등으로 전리되고 이들이 다시 화합하여 질산(NHO₃)이나 과산화수소(H₂O₂) 등이 산출되기도 한다. 이와 같은 화학작용은 용액의 농도나 전리도를 변화시켜 여러 가지 화학반응에 이용된다.

(생물학적작용)강력한 초음파를 생물에 작용시키면 생리에 변화를 가져온다. 동물이나 곤충에 작용하면 평형감각을 잃거나, 심하면 생명을 잃는 수도 있다.

(비파괴검사)초음파의 지향성을 이용한 것으로 초음파를 검사하는 물체에 투과시켜 투과된 펄스나 반사된 펄스를 조사하는 것이며, 초음파 Holography를 이용한다.

(기타)해저탐사, 물체의 두께 및 거리측정, 어군탐사, 의학용, 군사용 사용.

(기계, 설비진단) 초음파의 지향성을 이용한 것으로, 기계나 설비에서 발생하는 마찰음, 공기 및 유체의 누설음, 파열음, 전기코로나 음을 채집하여 가청주파수로 변환하면 그 특성을 관찰하여 파손 및 누설 정도를 파악할 수 있는 기술.

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초음파설비진단기, 초음파설비진단카메라, 누설초음파

설비관리 및 진단용 진동계측기 TPI9080

설비관리는 온도로 할 수도 있고 윤활로 또는 전류로 할 수 도 있으나 가장 많이 사용되는 기술은 무엇보다도 진동관리라고 해도 과언이 아니다. 진동계측기는 단순히 값을 읽을 수 있는 것만이 아니라 상태값을 저장하고 오랜 시간 동안의 추이를 확인하는 ‘Trend’그래프를 확인할 수 있어야 하며 간단한 FFT는 최소한 저장되어야 한다.  이것을 ‘Condition based Monitoring(상태관리, 설비관리)’라 하는데 이 때 사용할 수 있는 진동계측기는 최근의 기본 기술의 흐름이다. 이는 고가의 스펙트럼(Spectrum)을 측정할 수 있는 정밀 진동 계측기(FFT)를 의미하는 것은 아니다. 즉, 간단하게 합리적인 가격으로 스펙트럼을 확인하며 설비진단도 할 수 있는 진동계측기가 바로 정답이다.

스펙트럼 설비관리용 진동계(TPI 9080)

•       진동 데이타 측정 Display 및 저장 (Trend)

•       스펙트럼 측정 분석(800line)

•       PC-USB도킹 시스템 크레들 제공

•       구름베어링 전용 관리기법 (BDU)

•       1X, 2X, 3X로 진단 즉시 및 실시간 표기

•       Route기능 (측정 루트 설계 후 측정, 관리)

•       스크로보스코프 설치

•       ISO10816-3규격에 맞는 자동절대평가

•       베어링 접촉 청음(이어폰)으로 가능

•       IP67, Water proof

•       96dB Dynamic range

•       최고 60G측정

•       측정 주파수 (2~1kHz, 2~10,kHz)

•       가속도센서 감도 조정(1mV/g~10V/g 조절)

•       주파수 해상도 800line(Route)

•       2AA 밧데리

•       Hz, 변위, 속도, 가속도, P-P, RMS, 0-P 표기

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진동계, 스펙트럼, FFT, 진동의 단위, 설비진단

진동계 기술검토서 (이제 스펙트럼 측정 못하는 진동계는 사절함.)

진동이 높다고 생각하거나 진동을 측정하기 위해서는 측정기가 있어야 한다. 이 때 사용하는 것이 진동계인데 이는 진동량(Overall) 값을 나타내주는 가장 기본적인 진동계측기이다. 진동가속도센서를 기계 또는 구조에 부착한 후, 계측기의 단위를 설정하고 측정하면, 액정화면에서 진동값(변위, 속도, 가속도, P-P, 0-P, RMS)을 선택하여 읽을 수 있다. 하지만 이는 고가의 스펙트럼(Spectrum)을 측정할 수 있는 계측기(FFT)는 아니다. 즉, 진동이 증가한 원인을 알 수 없다. 간단하게 합리적인 가격으로 스펙트럼을 확인하며 설비진단도 할 수 있는 진동계측기는 없을까?

스펙트럼 진동계 기술검토(TPI 9080)-별 4개

•       진동 데이타 측정 Display 및 저장 (Trend)

•       스펙트럼 측정 분석(800line)

•       PC-USB도킹 시스템 크레들 제공

•       구름베어링 전용 관리기법 (BDU)

•       1X, 2X, 3X로 진단 즉시 및 실시간 표기

•       Route기능 (측정 루트 설계 후 측정, 관리)

•       스크로보스코프 설치

•       ISO10816-3규격에 맞는 자동절대평가

•       베어링 접촉 청음(이어폰)으로 가능

추천 적용대상 사용자

•       설비진단교육 이수자

•       정밀진단기 구매 보류자(난위도, 예산 등)

•       진동관련 각 부서별 구매필요

•       간편한 진동관리 필요(1000개 설비 이내 보유 회사)

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초음파검사장치와 공기누설 (압축기로부터 누설되고 있는 것은 안전과 비용이다.)

컴프레샤의 공기누설은 공장에서 발생하는 낭비요소 중에서 가장 무시할 수 없는 부분이라고 할 수 있다. 보이지도 않고 냄새도 없고 잘 들리지도 않는 이 누설소음은 소위 "hissing" 음이라고 불린다.  결국 보이지 않는 것은 관심도 멀게 되어 자칫 예지보전활동영역에서 제외될 수 있는 가능성을 방지하기 위해서는 적절한 기술적인 보강이 이루어져야 한다. 

Leakshooter는 소음이 심한 현장에서도 심플하게 누설감지를 함으로써, 컴프레샤실에서 흘러나오는 비용을 절감시킬 수 있다.( profit center).  또한, 진보된 디지털 필터링 테크닉으로 인간이 들을 수 없는 고주파 음향대역인 초음파를 가청주파수 대역으로 변환하여 헤드폰으로 그 음을 들을 수 있으며 발생위치를 화면으로 볼 수도 있다.

컴프레샤의 공기누설(air leaks)은 ‘가청주파수대역’과 ‘초음파대역’을 모두 발생시킨다. 이중 가청주파수대역은 보통 산업현장의 소음인 130 decibels 정도에서는 들을 수도 없을 뿐만 아니라 다른 요소에 반사되거나 간접적인 특성을 갖기 때문에 오히려 무의미하다. 하지만 초음파는 다르다. 누설의 초음파 감지는 직접적이고 Leak shooter는 현장의 많은 소음으로부터 디지털 필터링을 거치기 때문에 매우 유용하게 사용될 수 있다.

정규PM을 통해 컴프레샤를 보수할 때 보면, 압축공기가 깨끗하지 만은 않은 것을 확인해 볼 수 있을 것이다. 즉, 파이프 스케일, 산화철, 다른 오염물질들이 발견되기도 하는데, 이런 물질들이 반복적으로 설비시스템에 가해지게 되면 누설량이 커지거나 새로운 누설이 계속 발생하게 된다.  심지어는 압력이 떨어지면 작업이 불가능하다며 오히려 컴프레샤 압력을 높이다가 위험을 초래할 수도 있다. 따라서 누설위치와 양을 정확히 확인하여 근본적인 원인을 제거하는 것이 최선의 방법이다.

일반적으로 컴프레샤의 메인트넌스는 일년에 3~4번정도 정기적으로 완전히 점검하여 누설을 검사하는 것이 정상이다.

전세계적으로 이 컴프레샤들은 큰 대형모터에 의해서 기동하게 된다. 누설이 적다면 이 모터의 크기와 수량도 감소하게 될 것이고, 결국 에너지 절감에 직접적으로 관련이 있다. 전기적소모량과 모터의 수명등을 계산해 본다면 10 and 15%정도의 에너지 절감이 보고되고 있다.

결론적으로 초음파는 인간이 들을 수 없는 주파수대역(상위 20 kHz)에 존재한다. 시중에서 시판되고 있는 초음파 측정기라고 불리우는 것들은 기능은 유사하나 화면으로 그 위치를 볼 수 있는 성능은 없다. (Leak shooter의 특허보유)

그러면, 산업환경의 고주파 노이즈와 컴프레샤의 누설음을 구별하는 가장 적합한 주파수는 무엇인가?  왜 40kHz 인가? 

누설공기는 넓은 광역 주파수대역을 발생시킨다. 일반적으로 누설음은 높은 주파수대역에서 더 높은 에너지를 발생시키게 된다. 그러나, 주파수 대역을 더 높게할수록, 초음파와 관련 깊은 공기 전도성(conductive air)은 감소하게 된다. 만약 공기의 전도성(감쇠); conductivity (attenuation)과 함께 주파수 에너지(frequency energy)를 그래프에 같이 그려본다면 40 kHz 근처에서 두 선분이 만나는 것을 확인 할 수 있을 것이다. 그리고 Leak shooter는 이 주파수를 선택하고, 다른 성분을 필터링하는 작업, 즉, 다른 잡음으로부터의 방해를 최소화함과 동시에 원거리에서 발생하는 초음파의 감지를 최대화할 수 있는 이점을 가지고 있다. 바로 이런 조합원리가 가장 효율적이고 현시적인(카메라를 이용하여 발생위치 표시)초음파 진단기를 만들고 있는 것이다.

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초음파, Ultrasonic, 카메라, 설비진단, 누설, Leak shooter