VISOPE-진동소음음향방출분석-진단모니터링-한국CBM: 8월 2015

2015년 8월 30일 일요일

주파수 분석(Frequency analysis), 옥타브분석(Octave)

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진동, 소음 등의 물리적 현상은 센서를 이용해서 측정하면 시간의 경과에 따른 파동에 따른 진폭을 확인할 수 있다. 진폭은 변위, 속도, 가속도의 값으로 표현되며 이와 같은 그래프를 ‘시간파형’ 또는 ‘waveform’이라고 말한다. 이 시간파형은 이상적인 정현파가 아닌 이상 항상, 복잡하고, 자연스러운 형태를 띄게 되는데, 이 형태를 분석해 보면 많은 파형이 중첩되어 함께 포함되어 있음을 알 수 있다. 그래서 수학자들은 이 복잡한 주기함수들을 단순한 여러 개의 조화함수의 합들로 분해할 수 있었고, 그 중에서도 다시 규칙적 항들을 생략하여 연산을 빠르게 한 FFT를 고안하여 시간-진폭’을 스펙트럼 (Spectrum) 그래프에 ‘주파수-진폭’으로 바꿔 표현하였다.

Spectrum (주파수-진폭 그래프)

이 스펙트럼을 분석하면 주파수분석을 수행할 수 있다. 즉, 여러 주파수 성분을 한 눈에 파악할 수 있고, 이상 거동상태를 쉽게 파악할 수 있기 때문에 설비진단 및 기타 진동분석에 대단히 많이 활용되고 있다. 가속도 센서에서 측정된 아날로그 신호를 디지털신호로 바꾸고, FFT연산 처리하는 DSP장치가 내장된 ‘FFT진동분석기’는 분석속도와 가로축(주파수)의 이웃 주파수간 간격, 세로축(진폭)의 상하 폭간 간격에 따라 성능이 좌우되는데, 주파수간 간격(Bandwidth)은 1Hz이하가 되어야 정밀분석이 가능하다.

또한 일반적인 스펙트럼 분석은 상하한 주파수간 간격이 동일한 정폭형(Constant Bandwidth)인 반면에, 정비형(Constant Percentage Bandwidth)그래프도 많이 사용되는데 이것이 바로 소음분석에 많이 사용되는 ‘옥타브;Octave’그래프이다. 즉 옥타브 그래프란? 하한주파수와 상한주파수와의 비가 일정하여 ‘2의 N승’의 비율로 표현되는데, (N= 1/1, 1/3, 1/12,..) 이에 따라 ‘Octave’, ‘1/3Octave’라고 정의한다. 이 왜 옥타브 분석은 주파수 간격도 정밀하지 않은데 소음분석에 많이 사용되는가?

소음평가는 인간이 느끼는 수준에 적합해야 하는 것이 우선되어야 하는데 사람은 소리의 높낮이 구분 능력이 정확하지 않고 그 차이를 일정 간격보다는 일정배율로 더 잘 구분하기 때문이다. 따라서 Octave는 인간의 고음과 저음의 구분능력과 비교적으로 잘 매칭되는 것으로 그 이유를 정리할 수 있다.

적용사례2-무선진동_온도 상태모니터링시스템(Wi-care): 크러셔 유성기어

Wi-care wireless vibration and temperature condition monitoring system

Friction and lubrication under control: fan in a chemical plant 화학공장에설치된 팬설비의 마찰과 윤활문제

Introduction

Vibration analysis online is the natural evolution of vibration analysis. Vibration analysis was first applied by the use of portable data collectors and data recording gathered from the route. Depending on the condition monitoring program, the manual data was collected periodically from 2 weeks to 6 months. With technology changes, the need to monitor machine status more closely and even to get data continuously is increasingly common. Online vibration monitoring systems were developed for this need. Their performance is at least equivalent or superior to portable systems. However their main advantage is the ability to access data at any time. Wireless vibration monitoring removes some of the major drawbacks of previous systems such as time and installation costs associated with a wired system. A wireless online condition monitoring system offers the possibility to extend your predictive maintenance strategy to the complete plant where wired systems typically protect production assets. The following case study describes and explains a typical remote analysis application of continuous friction/lubrication monitoring on a fan assembly. The continuous surveillance was set up in a very effective way for the customer and analyst : For the Customer: Easy detection, fast diagnosis and monitoring from the friction issue on a critical fan with low upfront investment and lower costs than manual/traditional online monitoring. For the analyst: Continuous data, instant trend data and 24/7 protection, higher confidence without any travel or measurement time spent The world is turning wireless, condition monitoring too! Equipment, plant overview, Context

The Chemical site is a Phosphoric Acid Plant operating 24 Hours 7 days a week, established for many years in Africa. The Equipment in question is a large mixer involved in the acid production and a very large fan for production air treatment. Routine measurement performed with potable data collector indicated friction on both of these machines bearings. Cage frequency issues were detected, indicating higher than normal levels of friction. These raised levels would not warrant an immediate replacement but the next planned shutdown was in 10 months time. I-Care suggest the installation of Wi-care wireless vibration/temperature monitoring system and the analysis/trending by its remote team to ensure no premature escalation in the evolution of the defect.

The Wi-care system is set up with two sensors, one on the bearing supporting the coupling disc and one on the fan bearing wheel side. 시스템은 두개의 센서로 구성되어 있으며 하나는 커플링측 베어링 지지대에 나머지 하나는 팬 베어링 반부하측에 설치하였다. Displayed below is the standard spectrum collected with the Wi-care wireless monitoring system on vertical direction on fan bearing. Display in acceleration unit G PK. The spectrum shows a random noise vibration indicating friction inside the bearing. Some peaks (including the dominant one at 375 Hz) are related to ball frequency. 스펙트럼은 랜덤 노이즈 진동현상을 나타내고 있으며 이 것은 베어링 내부에서 발생하는 마찰을 의미하고 있다. 375Hz를 포함한 주요 피크 주파수는 베어링 볼 주파수와 관련이 있다. The level of friction is low (3 times lower than 6 months before). 진동의 레벨은 6개월전 보다 3배정도 더 낮게 나타났다.

키워드	Wi care, I care, 방폭무선센서, 무선진동센서, 스펙트럼 무선전송, 인터넷기반, 설비진단, 진동문제, 원격진단

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2015년 8월 23일 일요일

진동을 측정하는 방법 (진동계와 FFT의 측정방법, 수준의 차이)

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섭씨, 화씨 만을 선택하고 버튼만 누르면 결과를 알 수 있는 온도와는 달리 진동을 측정한다는 것은 사전에 비교적 많은 것을 알고 있어야 한다. 진동을 측정하려는 대상에 맞춰서 단위는 어떻게 선택하고 주파수 범위는 어디까지 두고 센서의 종류와 부착방법은 또한 어디를 어떤 방향으로 측정하는 지, 하한값, 평균값과 해상도는 어떻게 설정하는지… 등 모두 알고 있어야 하는 사항이라고 할 수 있다. 알고 있어도 어려운 지혜와는 달리 알고 있는 사람에게는 쉬운 것이 바로 지식이다

진동측정방법(진동계와 FFT)

최근의 진동계는 간단한 Spectrum 주파수 분석과 Trend저장 등이 가능한 것도 저렴하게 판매되고 있지만 일반적으로 진동계는 간단히 단위의 변동이나 진동량(Overall)값만 나타낼 뿐, FFT(진동 주파수분석기)처럼 정밀하거나 다양한 기능을 포함하고 있지 않다. 따라서 확인할 수 있는 최적의 방법을 사용하여야 하는데 다음을 참조하도록 한다

항목	진동계	FFT 다채널 주파수 분석기
계측기선정	자석부착식 또는 탐침봉식	동시측정 채널수, FRF(공진)측정여부, 기계진단용, Long term recording용(DAQ), Rotor dynamics용, Portable 등 측정대상 및 용도에 맞도록 선택
센서선정	-자석부착식이 측정안정과 고주파가 가능하여 탐침봉식보다 우수 -감도를 수정할 수 있는 계측기는 감도가 높은 센서를 선택할 수 있음.	-저주파 감지용 (변위센서 및 DC센서이용, 또는 가속도 500mV/g이상 급 이용) -일반형 가속도센서(100mV/g) -고충격용 가속도센서(10mV/g)
단위설정	변위(µm p-p), 속도(mm/s rms), 가속도(G rms)	변위(µm p-p), 속도(mm/s rms), 가속도(G rms), AC/DC, Volt, 4~20mA
측정기법 (신호처리)	Slow(환경측정용), Fast(일반기계측정).	-Trend측정(Route기법적용) -Transient(과도기법적용, Rotor dynamics) -Averaging, Overlapping, Window, AC/DC
측정위치	강성이 강한 위치, 안전주의, 베어링의 진동전달을 가장 잘 확인할 수 있는 위치.	Noise주의, 진동의 특성을 잘 확인할 수 있는 위치, 공진요소를 최소화 하거나 또는 잘 확인할 수 있는 위치 등 선택.
측정방향	수평, 수직, 축 각각(부하측, 반부하측) 매 번 측정할 때 같은 위치	수평, 수직, 축 각각(부하측, 반부하측) 매 번 측정할 때 같은 위치, -3축센서이용
주파수범위	-없거나 기본최대 셋팅	-측정대상의 Fmax주파수선택(70X 기본) -저주파일 경우 Sampling time길어야함. -Line수 설정(선명도) -Cut off설정(Noise)
측정시기, 시간	평균상태를 나타내는 시기와 순간진동 시기를 비교	-부하상태(속도, 하중, 압력)를 동시에 같이 입력 측정
기타	Spectrum, Stroboscope, Temperature 및 Trend저장 기능이 있는 계측기 우수	-후처리 S/W기능이 우수한 것 선택 -데이터의 Output출력형식이 다양한 것, Dynamic Range가 높고 측정속도가 빠른 것 선택
예

핵심단어	진동측정, 진동가속도계, 부착방법, 접촉공진주파수, FFT, 진동계, 진동센서

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적용사례4-초음파 누출진단기 Leak shooter-밸브 및 스팀트랩

초음파의 음향방출(Acoustic emission)을 이용한 계측카메라인 Leak shooter는 밸브나 스팀트랩분야에 활용할 수 있다. 그 발생위치를 헤드폰으로 가청음을 통해서 진단할 뿐만 아니라 카메라를 통해서 육안으로 직접 확인하는 방법으로 화면에 그 위치와 크기가 표기된다. 다음의 사례를 통해서 그 적용을 알아본다.

스팀밸브와 트랩에 결함감지 Fault detection on Steam Valve& Trap

A steam trap is a device used to discharge condensate and non-condensable gases with a negligible consumption or loss of steam. 스팀트랩은 스팀의 손실이나 무작위 소비경향을 보이는 비충전가스나 충전된 가스의 방출시 사용되는 장치이다. Most steam traps are nothing more than automatic valves. 대부분의 스팀트랩은 자동방식이다. They open, close or modulate automatically. Steam trap failures can affect process operations and reduce profits. The movement of fluid in a closed system develops ultrasonic noise. 스팀트랩이 문제가 발생했을 때 공정상의 손실을 유발하는데 유체의 이동시 초음파 노이즈를 발생하게 된다. Our ultrasonic testing camera LEAKSHOOTER LKS1000 recognize the noise created by flowing condensate or steam, and can be used to check a trap operating condition. 리크슈터는 스팀이나 충전가스에 의해 발생하는 초음파를 감지하여 트랩의 작동상태를 체크할 수 있다.

Defaults results in a Steam Trap:

Defaults (mechanical blocking, wear, obstruct…) in Steam Trap can generate: - Harmful water hammer for plants and people working nearby (explosion of pipe, valve, trap ...!) - Regulation process problem: temperature, pressure… - Rust and corrosion problem due to a bad condensates discharge - Energetic performance loss (financial loss of several thousand of € per year and per faulty trap) 스팀트랩의 문제: 워터햄머링, 충전배출방식의 오류로 부식과 분진의 오류, 연간 발생하는 재정적 손실.

How to detect these defaults in a steam trap? : 스팀트랩에 결함을 알아내는 방법

With the new ultrasonic vision/detection combined technology LEAKSHOOTER LKS1000 and with a special contact probe, it is possible to detect and listen to these defaults (open, closed, leak…) which create ultrasonic wave due to presence of steam and condensate flow during the running cycle. It is then possible to detect and listen to the normal condition (almost cycling) of the steam trap and detects anomalies (permanent leak of steam for example). 밸브 가동 싸이클을 잘 관찰하여 보상류와 스팀의 현재 상태에서 초음파가 발생하는 상태를 측정하므로써 정상적인 상태와 비정상적인 스팀트랩의 상태를 구분할 수 있게 된다. (컨택프루브, 탐침봉을 이용하여 스팀트랩이 닫혔는지 열렸는지 혹은 누설상태인지를 듣고 계측하는 것) When the default is detected, it is possible to take a photo to make a report on PC for future reparation. All this procedure can be done with or without the headphone, thanks to a colored barograph showing the RMS and MAX RMS ultrasonic values. 문제가 감지되었을 때 컴퓨터에 촬영된 사진을 저장하고 보고서에 삽입하게 되는데 이러한 과정은 헤드폰 없이 수행할 수 있을 뿐만 아니라 밸브로부터 발생하는 초음파 발생량을 RMS와 MAX RMS로 막대그래프 형식으로 표기함으로써 매우 효과적이다.

키워드	초음파, 공기누출, 스팀트랩, 탐침봉, 밸브, Leak shooter, Synergy, 전기코로나 험음, Corona, electrical ultrasonic, acoustic emission

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2015년 8월 16일 일요일

고유주파수와 강제주파수 (소음과 진동의 주파수)

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통기타의 악보코드를 맞추고 기타줄을 튕기면 각기 코드에 맞는 다른 음색을 보이는 하모닉 음이 발생한다. 기타는 각 줄(현) 별로 독특하고 소리의 높낮이가 서로 다르다. 약간의 상식을 갖고 잘 살펴보면 튕기고 있는 기타줄의 길이와 기타줄의 종류 그리고 기타줄이 조여있는 정도에 따라서 소리가 다르다는 것을 이해 할 수 있다. 반면에, 선풍기를 작동시키면 발생하는 진동, 자동차의 엑셀을 밟을 때마다 변동하는 RPM(분당 회전수)은 위의 기타줄에서 발생하는 고유한 특성과는 다르다. 즉, 이 것은 새롭게 생성되는 것이며 반면에 기타줄은 원래 가지고 있었던 것, 쉽게 말하자면 손으로 튕기지 않으면 소리가 아예 나지 않는다는 것과의 차이이다.

강제주파수(Forced frequency)

힘을 가하면 고유주파수와 강제주파수는 모두 변동하지만 강제주파수는 만들어 생성된 값이고 고유주파수는 원래부터 있던 값이다. 이 두 개의 주파수가 중첩되면 큰 진폭을 유발하게 되는데 이를 공진(Resonance)이라고 한다. 이해를 돕기 위해 고유주파수와 강제주파수의 예를 들면 아래와 같다.

고유주파수

강제주파수

-튕기고 난 다음의 기타줄 발생음

-마찰을 하고 난 다음의 바이올린 현 발생음

-타격하고 난 다음의 컵의 물높이에 따른 발생음

-물체를 망치로 치고 난 다음의 물체의 방향별로 달리 발생하는 진동과 소음

-바람이 불 때 발생하는 교량의 고유한 움직임

-진자시계의 추가 움직이는 고유한 주기

-차 실내에 있는 동전이 움직이는 회전수

*회전력(협대역 주파수)-아래

-자동차 엔진 크랭크 회전수 변동

-각 종 기계설비의 축(shaft)의 회전수

-전기적인 가진(60Hz, 120Hz)

-모터나 터빈의 회전수

-각종 회전체(기계, 바퀴, 팬, 펌프, 벨트, 기어, 베어링 등)에서 발생하는 회전수

*유체력(광대역 주파수)

-바람, 스팀, 파도, 기포(캐비테이션), 액체유동(펌프), 고압기체(압축기)

*충격력(광대역 주파수)

-왕복동엔진, 망치, 장력, 프레스, 단조, 항타, 빗물, 불규칙랜덤

강제주파수가 고유주파수를 깨우는 것이 아니라 가진력이 고유주파수를 깨우는 것이라는 것을 기억해야 한다. 가진력은 뚜렷한 주파수(협대역, 사인파, 조화파)를 가질 수 도 있고 광대역의 주파수(불규칙파형, 충격파형)를 발생시킬 수 도 있다. 협대역 주파수는 공진을 발생시키려면 고유주파수와 일치시켜야 하지만, 광대역 주파수는 그냥 발생시키면 고유주파수가 일어난다. 이때 발생하는 고유주파수를 굳이 공진이라고 부르지는 않는다. 자연의 많은 현상처럼 잠재주파수가 드러난 것이지 심각한 상태는 아니기 때문이다.

키워드	공진, 고유주파수, 강제주파수, RPM, harmonic, 하모닉

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