36 상태 모니터링 측정시 적절한 센서의 선택진동센서를 중심으로

상태 모니터링 측정시 적절한 센서의 선택(진동센서를 중심으로)

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상태를 모니터링하여 메인트넌스(유지보수)를 효율적으로 수행하고 안전 고장을 줄이고 고장시점을 예측하는 목적으로 사용되는 시스템(Online, Offline)에는 반드시 상태를 관찰하는 센서를 선택해야 한다. 이러한 물리적인 특성을 전기적인 양으로 변환하는 변환기(Transducer, 센서)에는 온도센서, 압력센서, 힘센서, 유량센서, 위치센서, 초음파센서, 전류센서 등 여러 가지가 있지만 그 중에서도 진동센서는 가장 많은 정보를 포함하고 있으므로 매우 중요하며 자체의 안정 또는 이상 상태를 확인할 수 있는 오감(눈, 코, 입, 촉감, 맛)의 역할을 하는 첫 번째 게이트로 볼 수 있다. 따라서 이 센서의 선택을 적정하게 하지 못하면 상태를 대변할 수 없을 뿐만 아니라 알람의 설정도 오류가 있으므로 필요없고 중요한 값을 신뢰할 수 없는 무용지물의 시스템이 된다.

 상태 모니터링용 진동센서의 선택시 고려사항

 

진동센서의 설치위치와 방향 그리고 설비방법도 중요하지만 우선 센서의 선택이 너무나 중요하다. 감시하는 대상에 따라서 센서를 선택하는 것이 기본이나 기타 고려사항을 살펴보면 다음과 같이 정리할 수 있다.

1.     고속 대형의 Critical한 설비가 아니며 분해조립이 잦고 중간주파수를 충분히 담고 있으며 하우징을 측정하는 방식의 자석 부착식 가속도센서를 선택하면 편리하다.

2.     대정비기간에 분해조립을 하거나 센서의 재설치가 빈번하지 않은 경우, 특히 축(shaft)거동을 직접 비접촉으로 측정하려면 Proximity probe를 사용하고 이 때 케이블의 고정이나 초기셋팅(gap voltage)에 특히 주의하여야 한다.

3.     평가해야 하는 단위에 따라서 적절한 센서를 선택할때 변위를 측정해야 한다면 변위센서로, 가속도나 속도를 측정해야 한다면 가속도센서를 선택하는 것이 최적이다.

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진동과 기계의 상태

진동과 기계의 상태

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사람에게서 측정한 체온이 지나치게 높다거나 낮다면 누구라도 지금 몸이 좋지 않다는 것을 동감한다. 이 전제는 과학을 알지 못해도 오랫동안 수많은 결과를 통해서 학습해 왔기 때문에 당연하다고 생각한다. 어떤 청강생이 질문을 하였다. 중급연구원으로 보였는데 처음 듣는 참신한 생각이었다. “진동이 높으면 기계의 상태가 나쁜가요? 왜 그런 전제가 당연하다고 하시나요?” 옆에 있던 다른 모든 청강생들도 그를 이상하게 보았지만 나는 “진동도 온도처럼 상태를 표현한다”라고 에둘러 대답할 수 밖에 없었다.

진동신호에는 기계의 상태가 포함되어 있다.

진동으로 설비진단을 수행하는 저명한 전문기업체의 기본교제의 제일 앞장에는 이런 말이 적혀있다. ‘당신이 지금 기계로부터 측정하는 진동신호에는 기계의 모든 결함신호를 내포하고 있습니다. 이 신호를 잘 분석하면 기계가 어디가 아픈지 알 수 있습니다.’

기계로부터 측정한 온도가 평상시보다 높거나 지나치게 많이 상승하면 설비의 결함으로 판단하고 그 원인을 파악하기 위해서 많은 검토를 수행한다. 그런데 이 것은 회전하는 기계이건 회전하지 않는 기계이건 간에 동일한 예측과 현상의 검토가 당연하다. 왜냐하면 열을 표현한다는 것은 반드시 마찰로부터 출발하지 않더라도 열의 이동이 당연할 수 있기 때문이다. 여기서 온도는 정적현상과 동적현상에서 모두 관찰 될 수 있다는 것을 알 수 있다. 그런데 진동과 소음은 이와 달리 반드시 움직여야(동적현상) 신호가 발생한다. 즉, 진동은 시간에 따른 변동이 있는 힘을 가하고 물체나 공간이 구성하고 있는 강성과 질량에 달리 반응하는 것을 읽는 현상이다. 움직이지 않아도 된다는 다양한 물리적인 현상에 대해서 판단한다면 온도가 더 강력한 상태량이지만, 온도는 진동에 비해서 예측하거나 짐작하기에는 너무 늦고 자세하지 못한 점이 있다.

진동신호가 포함하는 기계의 상태는 ‘충격과 마찰’과 관련이 있다. 고체와 고체의 마찰(베어링, 기어 등), 고체와 기체에서 발생하는 힘의 불평형이나 마찰의 정도는 진동소음으로 측정되고 온도보다 더 자세한 신호의 원인분석의 근거가 되며 기계의 상태를 추정하며 수명을 예측할 수 있도록 한다. 추가로 진동의 용도가 부러지거나 파손되기 전의 위험의 상태를 이야기하거나 생산을 지속하지 못하는 상태를 미리 방지할 수 있는 곳으로 까지 쓰이기 시작하면서부터 중요한 상태진단요소가 되었다. 무엇보다도 진동은 온도처럼 하나의 값이 아닌 여러 가지 특성의 합으로 분리되었고 이를 수없이 다양하게 분리해 낼 수 있기 때문에 연구하고 학습하고 계측하고 진단하는 것이다.

이제 다시 한번 이야기 한다. ‘ 움직이고 있는 기계의 상태는 진동으로 판단할 수 있다. 

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키워드	PDM, 예지보전, 설비진단, 진동, 기계진단, 진동분석, 진동결함, 상태진단, CBM

회전기계설비진단의 진단기술별 특징

회전기계설비진단의 진단기술별 특징

기계가 아픈 상태의 그 위치와 원인을 알아내는 것은 사람의 건강 이상원인을 알아내는 것과 유사하므로 이러한 방법으로 결함을 찾아내는 방법을 설비진단이라고 한다. 청진기만 가지고 진단하던 한의학과는 최근의 건강의학은 많은 검사기술에 의존한다. 기계진단도 마찬가지이다. 진동진단기술에만 의존하던 진단기법은 다양성을 요구하며 초음파, 열화상, 전기분석 등 실제로 다양하게 사용되고 있다. 설비진단기술을 정리하여 본다.

설비진단기술의 종류 및 특징

종류	특징
초음파(Ultrasonic) AE	조기감지, 청취가능, 저속감지, 부속기능(누설감지)
진동(Vibration)	모든 신호를 포함하고 있는 광역진단기술, 전기결함취약, 저속측정취약, 측정시주의, 분석 후 판단에 전문가지식이 필요. 온라인모니터링과 상태모니터링에 필수적인 신호.
모터전류분석(MCSA; Current)	측정이 매우 쉽다. 분석은 어렵다. 일부 기계적 결함분석에 어려움
모터 자속 분석(Flux), 축전류분석(Shaft current)	조기발견, 축전류누설(모터분석)에 국한.
윤활분석(Lubrications)	마모, 수분, 오염상태를 분석, 비교적 조기발견, 측정과 분석이 복잡함, 온라인보다 간헐적인 상태진단에 적합.
열화상분석(Infrared thermography)	열분석, 전기장치분석가능, 고가의 장비, 육안분석으로 매우 쉬운 이해도, 오진(방사율 이해)가능성 있음.

아래의 그림은 Machine life bathtub curve 중 후반기를 표시하였는데, 그 위에 표시된 각 설비진단도구의 주요 활용 감지영역을 비교해 볼 수 있다.  진동은 거의 모든 결함신호를 검출할 수 있는 중요하고 최선의 기술이지만 조기 결함진단 측면에서, 그리고 정확성 측면에서 취약한 면이 있다. 이를 윤활이나 기타 전기결함분석 툴, 또는 초음파를 통해 기술을 보완할 수 있다.

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