진동소음센서의 사용용도별 분류

진동소음센서의 사용용도별 분류

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진동소음 및 초음파관련 센서들의 사용도는 제조생산을 위한 연구용측정, 환경법규적용을 위한 측정, 상태모니터링을 위한 측정 등 여러 분야에 적용되고 있다. 센서의 원리별로 분류한 방법은 센서의 이론에서 이미 다루었듯이 출력값을 어떻게 활용해야 하는가를 고민해야 하지만 만약 어느 분야에서는 어떤 센서를 사용해야 하는지를 묻는다면 해당분야에 익숙하지 않은 담당자라면 곤란할 질문이 될 수도 있을 것이다. 따라서 진동, 소음, 초음파 센서류 어떻게 보면 저, 중주파수 대역의 센서를 활용측면에서 사용용도별로 정리해 보았다. 해당분야 담당자는 이를 참조하여 센서의 종류를 선택할 수도 있을 것이다.

진동, 소음, 초음파 센서류의 사용도별 분류

센서는 측정을 위한 것으로 측정을 사용도별로 구분한다고 목적에 저해하지 않는다. 우선, 제조연구용, 모니터링용, 평가용으로 분류하였다.

측정용도	사용처의 예	사용용도	센서류
제조 연구용	일반기계, 전자제품, 건설기계, 자동차-철도-항공 등 수송기계, 군사용	품질확인, 성능확인, 동특성설계, 동적거동확인	무선방식 strain gauge(회전, 비틀림), 레이져(극고주파, 비접촉), 소형가속도(고주파, 고속설비용), 일반중형가속도(중대형기계), 탐침형가속도(충격, 폭굉), 압력센서(동압력측정, 가스설비, 연소설비), 정밀마이크로폰 소음센서(미세압력감지, 이상소음분석)
상태, 위험 감시형, 모니터링용, 검사용	발전, 수송기계, 건축구조물, 철강-제지-정유화학-시멘트 등 플랜트 산업현장	위험관리용, 검사용, 상태관리용(유지보수용)	와이어변위(파이프 및 대형구조의 변위거동), 접촉식 변위(중형구조, 도어), 비접촉식 변위(초간극변위, 터빈축 및 고속대형기계의 축거동감시), 중저감도 마이크로폰(이상소음모니터링), 접촉식 일반 가속도센서류(일반기계 모니터링), 접촉식 저주파, 고감도(반도체 등 초정밀기계), 접촉식 고주파(초고속 회전기계), 비접촉식 초음파(누설, 구조 모니터링, 베어링, 전기코로나)
환경측정용, 평가용	엔지니어링, 환경영향평가(도로, 철도, 항공, 건설, 실내외생활)	기상 및 지반, 환경평가(발파, 건물지반), 소음진동영향의 평가	접촉식 저주파, 고감도(지진, 반도체 등 초정밀기계), 자유음장형 마이크로폰, 일반접촉식 가속도진동센서

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키워드	진동센서, 변위센서, 가속도센서, 모니터링용센서, 연구용 진동센서

Non Synchronous 비동기성분 결함들-Order analysis

Non Synchronous 비동기성분 결함들-Order analysis

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TS(Turning speed, 회전주파수)와 정수배로 계산이 되는 않는 하모닉성분을 비동기성분이라고 한다. 회전수와 관련이 있기도 하고 회전수와 전혀 관련이 없기도 한 주파수 성분을 의미한다. 회전수와 관련이 있는 경우는 구름베어링과 벨트, 체인 등으로 인해 발생하는 주파수로서 정수배로 맞아 떨어지지 않기 때문에 비동기성분이다. 반면에 회전수와 전혀 관련이 없는 주파수는 공진이나 전기적인 결함, 유체에 의한 가진과 마찰에 의한 주파수 군에 해당하며 비동기성분이다.

비동기차수 결함들

주파수가 TS의 정수배가 아닌 또는 전혀 관련이 없는 결함의 패턴과 신호는 회전 이벤트와 관련이 없는 것들을 찾으면 된다. 즉 구름베어링의 내륜 및 외륜은 축이 한 번 회전할 때 어떠한 패턴의 공식으로 계속 자전을 하므로 정수배로 맞아 떨어지지 않는다. 또한 벨트로 연결된 다른 축의 경우이거나 오일의 공전(Whirl)의 경우에도 회전수의 증감과는 관련이 있기는 하지만 정수배로 이벤트가 정확히 맞을 수가 없다. 또한 마찰(Rub)이나 유체관련(Cavitation, surge) 성분도 회전수의 증감과는 관련이 있지만 정수배를 차지하지 못한다. 왜냐하면 이벤트에 따라가는 수준이지 이벤트를 유발하지 않기 때문이다.  그리고 또 다른 패턴이 있는데 공진(Resonance)나 전기(Electrical)적인 주파수 군은 회전수와 관련이 있다기 보다는 회전수와 관련이 되면 안 되는 성분들이다. 다음 표에는 이러한 비동기차수 결함들에는 어떠한 것들이 있는지 나열하였다.

표 1.Non Synchronous fault signal.

Sub Synch	Over Synch
•      Another machine •      Belt vibration •      Hydraulic instability (oil whip/oil whirl) •      Rotor or shaft rub •      Roller bearing cage frequency •      Driven component	•      Multiples of belt frequency •      Roller bearings •      Resonance •      Chain drives •      U-joints •      Electrical •      Compressor surge

비동기 성분의 관찰은 대체로 좋지 않다. 발생하는 자체가 결함일 경우가 많다. 과거에는 어떠했는지 유사기계와 비교했을 때 어떠한지도 중요하지만 추가적으로 시험을 통해 증명이 필요한 심각한 사항일 수 있다.

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키워드	Order, TS, 설비진단기본용어, 1X, 스펙트럼, 비동기성분, Non, SubSynchronous, 설비진단, 설비결함.

위상(phase)의 측정

위상(phase)의 측정

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진동을 통한 설비진단을 하기 위해서 기본적으로 알고 있어야 할 용어 중에서 진폭과 주파수 그리고 위상(phase) 등이 있다. 이 것은 수많은 설비진단을 위한 분석분야 용어 중에서 세가지를 꼽으라고 해도 아마 전혀 이상하지 않을 정도로 많이 사용되고 있다. 이 것이 의미하는 바는 이 세가지 용어를 알지 못한다면 분석을 할 수 있는 것이 아니라는 뜻이며 또한 이 것을 측정하지 못한다면 분석할 수 없다는 것으로 간주할 수도 있다는 것이다. 이 중에 위상(phase)을 어떻게 측정하는 지 그 방법을 알고 있는가?

위상의 측정방법

위상은 ‘기준에 대한 비교각도’를 의미한다. 각도는 원(circle)에 대해서 표시할 수 있으므로 degree(°)또는radian(π)으로 기록한다. 위상은 측정결과의 목적에 따라서 크게 두 가지로 분류할 수 있는데 절대위상과 상대위상이 그 것이다.

먼저 절대위상을 설명해 보면, 회전기계의 회전수는 원을 그대로 구현하였다 볼 수 있으므로 회전하는 축에 달린 어떤 반사판 혹은 돌출된 도체, 기어이빨의 반복여부를 인식하여 회전당 펄스(pulse)를 구하여 측정한다. Tachometer, key phasor, encoder 등으로 부르는 센서를 통해 이 펄스가 있는 기준위치를 0°로 하는데 이 기준위치와 비교하여 측정된 다른 파형(진동, 전기, 또는 다른 물리량)의 피크(peak)의 위치를 위상이라 하는 것이다. 즉, 절대위상은 회전센서의 기준점과의 위치를 비교한다고 할 수 있다. 따라서 우리가 흔히 ‘위상차이’를 위상이라고 혼용하기도 한다.

두 번째 상대위상이 있는데 이는 반복하여 거동하는(진동) 두 물체 사이의 동일지점에서의 각도차이를 의미한다고 할 수 있다.  이 상대적인 위상이 같으면 같은 거동, 다르면 반대거동을 추정할 수 있는데 이를 이용하여 ODS(Operational deflection shape)를 구해내기도 한다. 이 상대적인 위상도 진동을360로 표현하는 방법에서 출발 한 것으로 결국 절대위상이든 상대위상이든 어떤 ‘비교’를 통한 값의 표현이라고 할 수도 있을 것이다.

실질적으로 절대위상측정을 하는 방법의 구체적인 방법은 우선 RPM센서를 설치하고 원하는 센서(진동 등)를 읽어서 시간의 반복된 구간을 도시하여 비교지점을 체크하여 그 차이를 직접 각도로 환산하여 읽는 방법, 두 번째 이 두 센서를 모두 읽고 위상을 표시해 주는 계측기를 사용하는 방법이 있다.  상대위상은 마찬가지로 두 가지 센서로부터 출력되는 피크의 위치를 출력하여 비교각도를 읽는 수동적인 방법을 사용하거나 Cross channel phase analysis기능을 탑재한 계측기를 통해 읽는 방법이 있다.

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키워드	Trigger, 트리거, 진동 트리거, 회전수센서, RPM센서, tachometer, 타코, 스트로보스코프, 키페이져, Key phasor, 위상, phase

진동분석기술과 윤활유분석기술에 대한 우위관점

진동분석기술과 윤활유분석기술에 대한 우위관점

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진동(vibration)을 인체의 건강상태를 진단하는 기술로 사용하는 청진기나 심전도 검사 등을 이용하여 쉽게 그 차이점을 비교하듯이 윤활유 분석기술(lubrication analysis)은 마치 사람의 혈액검사와 비유할 수 있다. 그러나 사람의 문제는 회전하는 기계처럼 원심력에 의해 발생하는 가진력으로 하여금 발생한 것이므로 진동분석기술을 청진기 전도로 생각하기에는 너무 과소평가한 기술이라고 할 수 있다. 무엇보다도 진동분석기술은 진동이 발생하는 패턴을 분석하는 것이기 때문이다.

무엇이 먼저인가? 윤활 or 진동?

윤활유 검사는 매우 체계적이고 세분화할 수 있으며 일찌감치 기계가 나쁜 상태를 짐작케 하는 중요한 기계진단기법이다. 주로 베어링유 또는 그리스를 통해 마모입자, 원성분 오염도, 유전상수, 수분함유량, 마모성분분석 등 수 십 가지의 상태를 분석하여 그 결과를 비교한다. 그러나 때때로 너무 일찍 또는 너무 국부적인 분석결과가 나타날 수 있으며 변화가 미세하고 장기간 동안에 순식간의 변화를 감지해야 하는 실시간 온라인모니터링(real time online monitoring)을 적용하기에는 큰 의미가 없다는 것에 많은 설비감시 전문가들이 공감한다. 반면에 진동분석은 이에 비해 광범위 고장인자를 포함하고 있으며 즉각적인 위험감시에도 적합하므로 실시간 온라인 모니터링에 적절하다. 그러나 기계 또는 설비가 가동중일 경우에만 분석이 가능하다는 단점이 있다.

여기에서 한가지 중요한 배틀인자가 있다. 바로 누가 먼저이고 무엇이 더 확실한가?를 가릴 때이다. 예를 들어 베어링 윤활이 적절하지 못하여 마찰, 열이 발생하여 베어링이 파손하게 되면 진동이 발생한다는 윤활기법 관점(윤활이 나쁘면 순식간에 베어링이 파손된다.)과 조립불량, 부하부적절, 전기적문제, 공진문제 등으로 진동이 발생하게 되면 베어링에 피로파괴 또는 결함이 발생하여 마모, 파손, 열발생에 의해 윤활문제가 발생한다는 진동기법의 관점과의 차이이다. (진동이 크면 베어링수명은 크게 줄어든다.). 이 두 관점 모두 이해가 되지만 확률의 %로 우열을 가리라고 한다면 어떨까? 필자는 개인적으로 ‘윤활 사용메뉴얼’이 ‘기계정비기술’보다 오류나 예외가 작지만 ‘상태모니터링’과 ‘실시간 모니터링’은 분명 차이가 있다고 생각한다.

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키워드	모니터링, CMS, VMS, 온라인 모니터링시스템, 진동모니터링, 윤활모니터링, 상태기반모니터링

진동을 위한 기본단위

진동을 위한 기본단위

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진동을 표기하고 방법은 어떠한 단위가 사용되며 힘의 단위, 질량의 단위, 진폭의 단위, 탄성의 단위 등은 기본단위와 혼합단위로 구성된다. 또한 힘과 에너지 그리고 파워의 구분을 할 수 있어야 하며 주파수와 진폭의 종류는 반드시 알고 있어야 한다. 진동이 어렵다고 하는 것은 진폭의 표기가 여러 개로 나뉘고 있기 때문이라고 해도 맞다. 이를 모두 파악하기 위해서는 우선 질량으로 파생된 단위를 살펴보고 그 다음에는 그래프에 표기되는 X축과 Y축의 표현에는 어떠한 것이 있는지를 아는 것이 중요하다.  

Force, Energy, Power의 구분

질량에 가속도를 곱하면 힘(Force)가 된다. 힘은 관성력, 탄성력, 부력,.. 등으로 달리 부르며 사용되는데 힘에 거리를 곱하면 운동이 되면서 에너지(일)가 된다. 그리고 시간당 투입되는 에너지가 바로 동력(Power)가 되는 것이다. 진동의 표현은 보통 힘으로 균형을 맞추지만 에너지로 운동방정식을 표현할 때도 있으므로 적어도 진동을 공부하는 우리는 단어의 표현에 착오가 없어야 한다.

구분	질량(Mass)	힘(Force)	일(Energy)	동력(Power)
수식	m	F	E	P
단위	kg	N(SI단위=kgm/s²) , Kgf(공학단위=9.8N)	J (Nm)	W(Nm/s, J/s) HP(0.746w)
물리적의미	질량	F=ma, (질량으로 인한 관성력, 질량과 가속도의 곱)	운동과 진동의 움직임, 힘과 거리의 곱(운동과 위치, 탄성)	초당 발휘할 수 있는 에너지
용도	물체의 질량	운동방정식, 관성력, 탄성력, 감쇠력, 가진력, 원심력, 부력, …	에너지방법 운동방정식, 운동에너지, 위치에너지	엔진의 동력표기, 산업기계 및 가전기기 등 모든 기기의 소비동력표기

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힘, 파워, 에너지, 운동방정식