RPM신호가 있어야만 할 수 있는 분석

 RPM신호가 있어야만 할 수 있는 분석

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RPM신호를 단순히 그 때의 회전속도를 기록하고 확인하려는 목적이라면 작동과 운전 및 생산에 활용된다고 할 수 있으며 이 것은 분석을 위해서 사용한다고 할 수는 없다. RPM신호는 센서로부터 측정된 turning speed뿐만 아니라 phase(위상)정보도 포함하고 있으므로 차수분석에 기본적으로 사용되며 발란싱, 시간관련 필터링에 유용되기도 한다. 그러면 RPM신호가 있어야만 할 수 있는 분석의 종류들은 어떤 것들이 있을까? 질문해 본다.

RPM 을 참조로 한 필수분석

RPM신호가 없으면 처음부터 분석이 불가능한 것들이 많이 있다. 왜냐하면 지금의 문제는 회전에서 발생하고 그 위치와 크기가 모두 회전신호와 연관되어 있기 때문이다. 또한 위상도 원인의 위치를 알거나 수정할 수 있기 위해서는 반드시 필요하기 때문에 RPM과 관련된 정보는 아주 중요하다. 다음은 그러한 RPM신호가 필요성에 근거하여 분석법들을 비교해 보았다.

 

RPM신호의 필수분석	RPM신호의 참조분석
차수분석(Order Analysis)-복잡한 회전요소가 많은 구조의 경우.	차수분석(복잡하지 않은 구조의 경우, 1X TS를 추정할 수도 있다. )
Orbit의 key phasor마킹(회전방향, 위상)	Orbit의 궤적선도
Rotor Dynamics관련 분석 -Bode plot, peak and phase -Nyquist plot -Polar plot -Campbell	Rotor Dynamics 관련분석         -Shaft centerline         -Waterfall, Spectrogram, cascade         -full spectrum         -
Field balancing	Laser alignment
Order tracking	Waveform, spectrum, octave, trend
Phase plot	Cross channel phase
Time synchronous analysis	FRF, Demodulate                     bisope

 

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

 

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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

회전속도의 측정

회전속도의 측정

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회전기계는 원동기(모터, 터빈, 내연기관)로 인한 회전력(힘)을 이용하여 다양한 방식으로 활용되고 있다. 회전기계의 성능과 규격은 회전수와 관련되어 있는데 주로 유체용량, 플랜트내 공급동력, 전원, 설계 등과 더불어 회전수는 반드시 알고 있어야 하는 정보이다. 그래서 원동기에는 RPM(분당회전수)이 직접 표기되어 있다. 진동을 이용한 설비진단에도 물론 회전수 정보가 필수적이다. 단일 회전수로 구동되는 설비는 원동기에 적힌 정격회전수로 현재의 회전주파수를 추측할 수가 있으나 가변속 설비 및 수송기계(철도, 자동차, 철강, 항공)와 공작기계 등에서는 현재의 회전수(RPM, Hz)를 직접 측정할 수 있어야 이후의 분석이 가능하다.

Encorder, RPM센서, Tachometer, key phasor

회전수를 측정하는 방법을 부르는 센서의 명칭은 Encorder, RPM센서, Tachometer, key phasor등으로 부르고 검색할 수 있다.

우선, 자동제어, 생산현장에서 가장 많이 사용되는 ‘encorder’는 회전시 회전수와 회전자의 위치(phase)를 파악하여 문개폐, 개폐정도, 생산속도, 제어방향과 수준등을 파악할 때 사용하며 대체로 작고 다양한 형태와 다양한 정밀도를 산출한다.

RPM센서는 반복 정보가 필요한 회전하는 기계요소 표면에 반사판을 부착하여 적외선과 반사광의 횟수로voltage가 발생하는 pulse의 회수를 읽는 원리이며 다른말로 ‘tachometer’라고 부르기도 한다. 대체로 정밀도가 그렇게 높지는 않고 광신호가 송수신가능한 깨끗한 지역에 설치하며 설비진단 진동분석을 위해 설치가 간편하고 가격이 저렴하여 필요한 정보의 취득, 전원의 적용편리성에서 회전수를 진동신호와 같이 취득하는 방법으로 가장 많이 사용된다.

반사판이 불리한 밝은 현장, 지저분한 현장이라면, 정밀도가 높고 내구성이 좋은 센서를 원한다면‘proximity probe type, KEY phaser’를 사용하면 된다. 이 것은 ‘eddy current’의 원리를 이용한 것으로 초기설치를 감수하고 회전체가 도체라면 최고의 방법으로 볼 수 있다.

이러한 최전수 측정센서들을 이용하여 회전수를 산출하면 그 결과를 이용하여 타공정에 이용되는데 생산량, 부하율, 이동상태 등으로 활용되는 것이 그 예이며 분석용으로 사용되는때는 진동설비진단에서 ‘1xTS, 1xRPM’등으로 기준 회전수로 이용하여 ‘기계의 질량불평형(Imbalance), 축정렬불량(Misalignment), 기계적이완(Mechenical looseness)’등의 진단의 결과를 산출할 수 있는 것이다.

그런데 경험상 여기서 회전수센서의 사용에 주의할 사항이 있는데 설치와 신호의 셋팅에서 매우 정확히 확인하여야 한다. 왜냐하면 대체로 pulse 데이터를 신호로 사용하는데 세심한 조절이 필요하고 설비의 재가동이 어려운 현장이라면 자칫 회전수의 취득오류로 인해서 이 것에 trigger가 설정된 진동신호나 압력 및 온도신호의 취득장치까지 연이어 전혀 시동도 못할 수도 있기 때문이다.

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

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RPM의 측정 (Trigger rpm, Tachometer, Stroboscope)

RPM의 측정 (Trigger rpm, Tachometer, Stroboscope)

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Trigger는 방아쇠를 말한다. 방아쇠는 총을 발사하기 위해서 취하는 최초의 이벤트로 시작점을 알린다. 육상경기에서 시점을 알릴 때 사용하기도 한다. 진동, 소음, 힘, 열, 유체 등 시험을 위한 계측기는 어떠한 측정시점을 정해주고 데이터를 측정 또는 저장하도록 하여야 데이터를 검색할 필요가 없이 짧은 시간 동안 결과를 확인할 수 있다. 물론 시점을 마우스로 시작해도 되지만 결과가 그렇게 쉽게 얻을 수 있는 것은 많지 않다. 진동의 측정시작점은 대체로 크기와 시간으로 정한다. 즉 어떤 일정한 크기가 되면 측정 또는 저장을 시작하라는 의미이며 시간일 경우에는 일정한 시간으로 신호를 발생하면 측정하기 시작하라는 것을 의미한다. 회전기계의 이러한 시작이벤트는 보통 RPM(분당회전수)를 감지하는 센서류를 사용하게 된다.

RPM Trigger

회전기계의 회전수는 회전하는 축에 달린 어떤 반사판 혹은 돌출된 도체, 기어이빨의 반복여부를 인식하여 분당회전수와 주파수를 구한다. 때때로 이 정밀도를 이용하여 비틀림(Torsional)을 측정하기도 하지만 일반적인 기계의 회전수는 이러한 RPM센서를 이용한다.

대형회전기계의 경우에는 돌출된 도체와 Eddy current, 자기 pulse의 이벤트를 이용하는 ‘key phasor’를 사용한다. 즉, 갑자기 설정한 전압이상으로 발생하면 이 것을 이벤트로 보는 것이다. 진동감시용 온라인모니터링(VMS)에는 반드시 이 회전수신호가 연결되어 결과가 입력되고 후처리 설비진단용 연산과 상태감시용으로 활용하게 된다.

임시로 또는 깨끗한 환경의 경우에는 광학식 (Optical) 반사판형 ‘Tachometer’를 사용하며 이는 빛을 발광하고 회전하는 반사판에서 반사되는 빛을 수광하는 이벤트로 회전수를 확인하는 방법이다.

또다른 회전수의 이벤트는 사람의 시각에 도움을 받는 방법도 있다. ‘Stroboscope’는 밝은 빛을 일정한 반복수로 대상물에 쏘이고 사람이 회전하는 물체가 정지화면으로 보일 때까지 빛의 반복수를 조정하면 바로 그 때가 회전수가 된다. 이것은 프레임의 정지상태를 인식하는 사람의 수동작업이 필요하며 현장측정 및 진단참고용으로 사용된다.

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