이상적인 계측시스템 (현실적 계측시스템과 이상적 계측시스템)

이상적인 계측시스템 (현실적 계측시스템과 이상적 계측시스템)

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측정, 어려운 것이 무엇이 있나? 센서를 구입하여 컴퓨터에 꼽으면 되지… 세상에 이렇게 계측이 쉬우면 무슨 연구가 필요하고 시스템 회사가 왜 필요 하겠는가? 현실적으로 측정 결과는 필요한데 막상 찾으려면 많은 선택을 위한 공부를 해야 한다. 센서, 케이블, DAQ, 소프트웨어, 파워공급 등 알지 못하면 쉽고 알면 어려운 것이 계측이다. 그런데 이러한 이상적인 ‘요구’에서 답을 찾을 수 있다. 어렵지 않도록 계속 연구하면 된다.

현실적 계측을 탈피한 최적의 이상적 계측시스템의 구상

통신의 기술도 계속 변해가고 메모리, 소프트웨어의 후처리 연산, 밧데리의 진보가 빨리 발전하고 있다. 그러나 현실적인 계측시스템은 녹록하지 않다. 센서는 주파수의 한계, 케이블의 길이 노이즈의 함입, 온도의 제한 등으로 선택이 필요하고 DAQ는 공간의 제약, 전원의 한계성 등에서 측정의 제한을 받는다. 소프트웨어는 일률적이지 못하고 하드웨어 제조사의 노하우와 독점으로 제작되어 있어서 흉내내기도 어렵다. 컴퓨터 프로세서의 발전은 신호의 후처리 기술(측정 데이타를 컴퓨터에서 처리함)의 속도증가를 불러왔어도 아직 하드웨어 기업의 아성을 깨뜨리지 못한다. 이러한 한계는 계측의 전문성을 반드시 필요로 하는데 세상은 항상 유져가 더 쉬운 방향으로 진보하게 되어 있다. 아마도 다음이라면 이상적인 계측시스템일 것이다.

-센서는 강력한 밧데리를 내장하고 있으며 다용도로 활용할 수 있으며 위치에 제약이 없다.

-무선통신은 빠르고 정확하게 신호를 전달한다.

-DAQ는 센서의 위치에 더욱 가깝고 데이터를 가볍게 한다.

-연산은 컴퓨터에서 모두 후처리 된다.

-소프트웨어는 통합된 몇 가지 제품으로 상용화, 공유된다.

-영상과 소리신호는 항상 기록 저장되어 활용된다.

현실적으로, 재구성해 예상해보면, 다양한 센서(MEMS, 열화상, 소리, 냄새, 진동 등)는 USB단자로 연결된다->USB허브는 7일 밧데리 또는 유선파워와 무선통신모듈을 포함하고 있고 정밀 타임클락을 탑재하고 있다->wifi 네트워킹 컴퓨터에 연결->1차 소프트웨어는 채널관리와 설정 및 저장만을 담당한다->2차 후처리 소프트웨어에서 다양한 연구에 필요한 연산을 수행한다.

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키워드	계측, 센서, 케이블, DAQ, 후처리, 계측시스템

승차감과 진동1 (진동 진폭이 작으면 승차감은 좋게 느껴지는가?)

승차감과 진동1 (진동 진폭이 작으면 승차감은 좋게 느껴지는가?)

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자동차를 타고 주행을 하면 승차감을 느낄 수 있다. 실내의 소음상태나 시트의 안락함 또는 실내 내장재와 공기질에서도 느낀다는 사람이 있지만 대부분은 진동의 전달상태에 승차감의 좋고 나쁨을 판단한다는데 큰 이견은 없을 것이다. 대형트럭이나 버스운전자의 좌석을 유심히 살펴보면 승용차의 완충장치보다 훨씬 좋아 보이는 것을 확인할 수 있다. 요철을 통과할 때 그 성능이 제대로 발휘되는데 반면에 사실 옆에서 운전자를 보는 우리입장은 “너무 혼자 많이 움직이는 것 아닌가?” 하는 것이다.

운행차량의 진동전달요인과 승차감

승차감과 진동에 관련된 사항을 정리하여 보았다.

-사람은 진동의 진폭에는 크고 작음의 비교를 느끼지만, 주파수에는 짜증을 느낀다. 사람은 0.1~500Hz(초당반복수, Hz)정도까지 밖에 감지하지 못한다. 자동차의 4기통은 RPM의 2X에 해당하는 주파수를 발생하고 8기통은 RPM의 4X에 해당하는 고주파를 발생하기 때문에 고주파 진동에는 둔감한 사람이므로 8기통은 더 좋은 승차감을 가졌다고 느끼게 된다.

-타이어의 종류, 노면의 상태, 스프링의 종류, 승차인원(중량)의 크기, 발바닥과 핸들에 전달되는 고주파진동, 기타 자동차 진동원인들은 모두 승차감과 관련이 있다.

-스프링은 충격을 차단하고 저주파를 차단하며, 고무는 고주파를 차단하고, 댐퍼는 진동의 충격진동을 감쇠하는 구조로 사람은 이러한 경로를 통해서 진동이 차단되고 있는 상태인 것이다. 자세히 살펴보면 지면과 타이어간의 마찰로 시작한 진동은 고주파+저주파를 차내의 저주파로 바꾸는 서스펜션(고주파를 차단하고 점차진폭을 줄이는 감쇠 구조)을 통해서 어떤 승차감이 좋다는 주파수로 변환하고자 하려 한다. 이때 탄성구조도 능력이 있는데 스프링은 1Hz이하를 줄일 수 없으나 공기스프링은 가능하다. 0.3Hz까지..그래서 좋은 것이다.

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소음진동, 생활소음, 데시벨, 층간소음, 공기음, 고체음

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유동유체 속에 있는 고체의 고유진동수 (바람과 물 또는 스팀 속에 있는 횡으로 가로지르는 튜브나 배관 등의 고유주파수 산출방법)

유동유체 속에 있는 고체의 고유진동수 (바람과 물 또는 스팀 속에 있는 횡으로 가로지르는 튜브나 배관 등의 고유주파수 산출방법)

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고체와 유체간의 마찰에 의해 발생하는 자려진동(Self-Excited)이 있다. 스스로 가진되는 진동을 말하지만 진정한 의미는 유체의 유동력에 기인(Flow induced)한다. 이 자려진동은 비선형 진동의 일종으로서 예측이 어렵고 다양한 원인과 결과를 동반한다. 근본원인은 유체에도 동하중(질량과 속도)이 존재하기 때문이다. 예를 들면, 바람 속에 흔들리는 프래카드나 전기줄(Galloping), 비행기날개(Flutter), 물속에서 흔들리는 프로펠러나 노, 열교환기 스팀속에서 특이속도가 될 경우 강하게 진동이 유발되는 튜브(Tube)나 밸브(Valve)가 모두 해당된다. 자세히 살펴보면 어떠한 고유한 주파수와 관계가 있음을 알 수 있다.

유동유체속 횡봉의 고유주파수

유체의 거동이 발생하여 어떠한 법칙으로 특정용기나 물체가 가지고 있는 고유주파수(natural frequency)를 건드리게 되면 진동이나 소음이 발생되고 배관의 길이나 다른 고유주파수 또는 기타 송풍기 및 펌프 등의 회전주파수 등과 일치하게 되면 공명 또는 공진이라 하여 더욱 강한 소음 또는 진동을 유발하게 된다. 예를 들어, 원형봉을 유체의 흐름에 횡방향으로 배치했을 경우 원형봉의 지름과 유체의 속도에 따라 크게 흔들릴 때가 있는데 이 것을 설명할 수 있다.

즉, 유체의 흐름을 저해하는 고체의 후면 중심방향으로 회전하여 흐르는 와류에 의해 일정주파수에서 고체가 강하게 진동하는 현상을 와유기 현상을 Karman vortex라고 한다. 흔들려서 강

하게 진동하는 이때를 Lock-in되었다고도 한다. 이는 다음의 규칙을 따른다. 이때 스트로홀수(St)는 고체의 단면형상이나 고체간 배열을 통해 정해지는 상수로서 실험이나 해석을 통해 유추할 수 있다.

이 현상이 발생하면 고체의 피로파괴는 순식간에 진행이 되므로 실험과 해석을 통해 설계상 대책을 세우는 것이 적절한 방법이다. 이 때 대책으로는 고체단면의 형상을 Fairing(덮게)과 같은 유선형 타입으로 설계하거나 Strake(가이드) 등 다양한 설계를 통해 고체의 유속마찰을 줄이는 방법이 있다.

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키워드	고유주파수, 유체진동, Karman vortex, 배관진동,

Rolling Bearing의 진동문제-8-베어링수명계산

Rolling Bearing의 진동문제-8-베어링수명계산

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하중이 증가하면 구름베어링의 수명이 감소할 것이라는 것에는 예측할 수 있지만 얼마나 빨리 또는 나머지 수명은 어느 정도일까를 예측하는 것은 쉽지 않다. 또한 무엇보다도 진동이 증가할 경우의 베어링의 수명은 또 다른 변수를 포함한다. 이 것은 베어링의 교체시기의 설정과 메인트넌스의 주기등과도 관련이 되어 있다. 왜냐하면 기계의 수리작업과 대정비 기간 중에 취하는 조치의 상당부분은 베어링을 교체하는 업무가 차지하고 있기 때문이다. 그만큼 베어링의 상태관리는 특히 베어링의 진동관리는 매우 중요하다. 따라서 베어링의 일반적인 수명계산방법과 진동을 포함한(동하중이 가미된) 베어링의 수명계산방법을 정리하면 다음과 같다.

베어링 수명계산 방법

우선 통용되는 베어링의 수명 중 10%의 잔존수명(L10)을 나타내는 상태의 볼베어링의 수명은 다음과 같이 표시한다.

C=Capacity of bearing in lbs. (베어링용량부하,베어링제조사 제공)

RPM=분당회전수

b=3(ball베어링)또는 10/3(Roller베어링)

P=작용하중

그리고 진동하중을 받고 있는 상태의 베어링 수명계산(H, hour의 방법은 다음과 같다. (CSI사 발췌)

H=베어링잔존수명(시간),

L=베어링서비스부하(베어링이 받고 있는 정하중, lbs)

M=진동에 저항하는 질량의 무게, lbs  ,V=진동속도(in/s),   F=분당회전수(RPM)

예를 들어 볼베어링일 경우Dead Load(L) = 1000 lbs, Bearing capacity(C) = 20,000 lbs, Mass(M) = 13,000 lbs, RPM(F) = 1800일 때 진동(V)이 0.6IPS일 때 베어링의 수명은 1.14년으로 계산되고 진동이0.3IPS일때는 2.63년, 진동이 없을 때는 8.46년으로 결과가 됨을 알 수 있다.

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키워드	베어링진동, 구름베어링, 베어링결함, 스펙트럼, 베어링결함주파수, 베어링고유주파수, 베어링수명계산법