진동을 평가하는 방법과 절차- 측정부터 표현까지

진동을 평가하는 방법과 절차

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현재의 진동상태에 대한 수준을 평가하는 이유는 여러 가지가 있겠지만 아마도 크게 구분하자면 구조를 통해서 사람이 불평하거나 불안을 느낄 때나 또는 기계나 설비가 얼마나 더 정상적인 상태로 생산을 더 지속할 수 있을지에 대한 두 가지로 구분할 수 있을 것이다. 이때 현재의 상태를 객관적으로 표현할 수 있기 위해서는 ‘평가’라는 절차를 거치면 되는데 보통 이것은 전문가가 수행하게 된다. 왜냐하면 측정하는 방법과 계측기의 인증, 측정하는 사람의 자격과 면허, 적절한 기준의 선택이 그러하기 때문이다.

진동을 평가하는 일반적인 절차

진동을 평가하는 일반적인 절차를 대상선정부터 결과까지의 고려사항을 정리해 본다.

 

1.진동평가의 대상	사람(환경)	공장의 진동전달, 기계의 진동전달, 공사장, 도로, 철도진동
	구조(안전)	교량, 건물, 구조의 안전관련, 지진, 배관, 발파
	기계(자산보호)	기계설비, 전기설비, 생산설비 등 진동에 따른 파괴, 생산 저하
2.측정방법	진동주파수범위	저, 고주파
	진동진폭단위선정	주진폭단위(변위-속도-가속도), 보조진폭단위(rms, o-p, p-p)
	진동측정방향	수평, 수직, 축, 회전
	측정위치의 선정	주기적측정, 강성 높은 곳, 베어링의 특성을 잘 표현
3.평가방법의 선택	절대기준	사람(환경-법규), 구조(안전-DN4150, 발파기준, 각대상별 안전기준, 기계(ISO10816,7919), API6시리즈,
	상대기준	시간에 따른 추이, 모니터링(정기측정, 온라인, 2배-5배-10배)
	상호기준	제조사의 기준, 소유자의 기준, 수진자의 상태
4.결과의 표현	기준에 따라서 현재 최대진동값(Overall)을 평가하고, 참고로 추이를 상대기준으로 표현하여 모니터링하고 유사경험(설비종류, 설치조건, 환경과 상태 등)을 첨언한다.

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키워드	진동기준, ISO, 진동평가, 가속도, 변위, 적분, 진동량, overall

 

진동량과 실효치 (Overall과 RMS의 차이)

진동량과 실효치 (Overall과 RMS의 차이)

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진동을 측정한 결과를 그래프로 표시할 때 Y축을 나타내는 것은 대부분 ‘진폭(amplitude)’으로 이 값이 단위도 다르고 단위의 부가표시도 다르기 때문에 진동이 쉽지 않다고 했다. 그러나 또 달리 혼동을 유발하는 것이 있는데 실제로 진동을 평가할 때에는 이 진폭이 아닌 ‘진동량(Overall, 전체의 진폭합산)’으로 판단한다는 것이다. 즉, 진동계에서 선택하는 단위(변위, 속도, 가속도)와 부단위(P-P, 0-P, rms)를 선택하고 난 다음에 화면에 표시되는 값이 Overall이다.  이러한 과정 중에서 같이 사용하기 때문에 자칫 의미에 혼동을 갖는 Overall과 rms에 대해서 설명한다.

Overall과 RMS

진동을 표현하는 목적에는 소산되는 표현되는 ‘에너지’와 ‘파워’의 양을 평가한다는데 많은 부분이 내재되어 있다. 물리적으로 Overall(진동량)은 ‘파워(power)’의 합이며 RMS(실효치)는 에너지는 ‘일(Energy)’의 개념으로 힘과 거리의 곱인 면적의 의미를 가지고 있다. 수학적으로 두 가지 산출식은 다음과 같다.

다시 그 의미를 설명하면

우선, RMS(Root mean Square)는 신호의 진폭을 표현하는 부가개념으로 Peak와 대응된다. 정현파(sine wave)의 경우에는 Peak의 0.707배를 곱한 값(/√2)으로 사용할 수 있고 샘플링 한 블록신호의peak값의 자승평균제곱근으로 에너지를 나타내는 면적개념이 있다고 하겠다. 그래서 각종 기계류의 수명을 판단하거나 에너지 발산을 판단하는 양으로 또한 전기 및 통신에도 같은 의미로 사용된다. 특히 진동분야에서는 ISO의 평가기준(10816)에서 rms를 채택하고 있으며 소음분야에서도 dB(V), VL, VAL에 모두 rms가 기본적으로 적용된다. 

반면에 Overall(Overall Amplitude)은 진동량을 표현할 때 사용하는데 마찬가지로 ISO의 평가기준에 사용되는 평가량이다. 즉, ISO에 A등급 진동기준이 2.3mm/s rms라면 이 ‘2.3’은 적어도 10~1000Hz를 포함하는 주파수의 진폭의 전체량 합산을 의미하는 ‘진동량’인 것이다. 진동계에서 숫자로 표기되는 디스플레이 단일 값도 이 Overall값이다. 이 것은 원래 시간파형(Waveform)에서 샘플링 블록의 평균Peak값 또는 RMS값을 표현하였으나 진동계에서 주파수 별로 획일화된 Voltage출력에 의한 작은 값을 의미하기도 했으므로 FFT처리 이후 Spectrum상에서 주파수를 구한 다음 그 이후에 합산하여 구하는 방법을 더 많이 사용한다. 수학적으로 각 파워합(주파수별 진폭의 자승을 합하고 루트를 씌운 값)으로 이 식이 의미하는 바는 파워합산이 의미하듯이 대상의 크기 중 가장 큰 값의 작은 방향 수렴을 의미한다. 다시 말하면 1, 10, 100의 산술합산은 111인 반면 파워합산은 100.5가 된다. 여기서 주의할 점은window를 씌우는 경우인데 윈도우 별로 누설오차의 발생에 대한 보정 값을 나누어 주어야 한다. 예를 들어 Hanning윈도우의 경우 √1.5를 해주는 것이다.

위의 두 가지 용어가 이해가 어려운 부분은 다음 예로 설명한다.

 “Overall rms 값이 가장 Monitoring 기여도가 높다”라고 한다면 이 것은 무엇을 의미하는 것인가?

답은 이렇다.  단순진동계는 전압 샘플시 저주파 오류 및 누설이 많이 생기므로 waveform이지만 실제 진폭은 아날로그 적분이 저가로 완성할 만큼 쉽지 않다. 따라서 스펙트럼 분석을 할 수 있는 FFT 분석기에서 Digital 또는 Analogue적분을 하여 OL값을 구하는 것이 정확하다. 즉 Raw signal을 시간파형으로 취득한 다음, RMS를 직접 구하는 것보다 우선 FFT처리하고 원하는 단위로 적분한 후에 스펙트럼 값에서 일괄적으로 각 주파수 별로 *0.707하여 화면에 재 탄생시키는 방법, 그리고 다시 속도스펙트럼으로 변위스펙트럼으로 적분하여 보이는 방법이 현재 대부분의 계측기에서 사용하고 있는 방법이다. 따라서 ‘Overall rms’란 스펙트럼에서 rms의 부가단위로 나타난 주파수 별 진폭들을 파워합산한 값이며 이 것은 설비의 상태를 잘 Monitoring하고 평가하는데 사용하는 가장 적절한 척도로 사용된다.

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키워드	RMS, Spectrum, Overall, 오버롤, trend, hanning, 진동단위 Overall rms