누설현상 (Leakage)

누설현상 (Leakage)-진동소음 신호

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물리적인 신호를 취득하는 것을 샘플링(sampling)이라고 했다. 이 샘플링 과정은 매우 세밀한 샘플링 주기를 가지고 선을 점으로 표현(이산화과정, Digitizing)하게 되는데 이때 샘플링하게 되는 구역을 하나의 블록(Block)으로 설정하여 받아들이는 공정을 거쳐야 한다. 이 때 그 구역 또는 구간을Block size라고 해서 ‘sampling’ 또는 ‘초당 sampling point’, ‘샘플수’, ‘sampling number’라고도 부른다. 이 구역은 어떤 연속신호를 어쩔 수 없이 잘라서 구역화 하므로 구역의 처음과 끝이 맞지 않을 수도 있는 오류가 있을 수 있겠다는 것을 예측할 수 있을 것이다.

신호취득시 오류, 누설현상Leakage

신호를 디지털하기위해 데이터 샘플링시Block size의 처음과 끝이 일정하지 않아서 생기는 주파수 및 진폭의 오류는 Leakage(누설현상)이라고 한다. 연속파형으로부터 시간길이 T 동안의 데이터를 추출하여 분석하는 것은 절취해낸 파형을 주기적으로 연결하여 합한 연속파형을 분석하는 것이 된다. 따라서 절취된 파형의 처음과 끝이 매끄럽게 접속되지 않고 불연속 파형으로 되는 경우 오차가 발생하여 본래 한 개의 주파수 주위에 사이드로브 (Side lobe) 가 나타나며 Leakage가 발생하는 것이다. 취득시간 T 가 신호주기의 정수배가 되면 절취된 데이터의 시작과 끝이 매끄럽게 연결되어 원래 파형에 대한 주파수 분석 결과가 정확하게 구해지므로 누설 현상을 최소화 시키기 위해서는 파형 특성에 맞는 창함수(Window)를 사용한다.

참고로 소음진동분야에서 사용되는 leakage(누설)은 또 다른 의미를 갖는데, 음교(Sound bridge)가 생기는 구조, 즉, 판을 고정해주는 벽면 고정대를 통해서 고체음(Structure borne noise)이 전달되어 다시 반대편 벽면에서 공기음(airborne noise)으로 재 생성되는 소음의 전달과정이 되는 현상을 부르기도 하며 이 것은 층간소음의 원인을 설명해 주기도 한다. 또 다른 의미로 방음벽이나 창호에 투과손실(Transmission loss)을 설명할 때 사용되기도 하는데 방음벽의 재료 설치시 틈새가 있는 경우를 ‘누설’이라고도 하는데 이 것은 전체 방음성능에 큰 지장을 준다.

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키워드	누설신호, leakage, window, hanning, 해닝, 샘플링 오류, 디지털, 진동신호, 샘플링

FFT 진동계측기 사용시 기본용어 및 상식

FFT 진동계측기 사용시 기본용어 및 상식

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서로 사용하는 용어가 같지 않으면 전혀 다른 이해와 결과가 나올 수 있다. 그런데 실제로 계측기 제조사들은 국가도 다르고 기술범위도 약간씩 차이가 있어서 용어를 달리 사용하는 경우가 많다. 즉, 많은 자료나 많은 종류의 계측기를 사용해본 후에야 용어의 차이를 알게 된다는 것이다. 따라서 간단하게라도 FFT 진동계측기 사용시 측정 관련자들과 서로 공유하고 나누는 대화 중에 기본용어 및 상식을 정리하였다.

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기본용어 정리(윈도우, 피크홀드, 트리거, 오더, 리키지)​

 

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용어	의미
Leakage	누설, 신호를 Block size로 취득할 때, Block의 시작과 끝점이 일치하지 않아서 발생하는 오류결과(스펙트럼 상 진폭과 주파수에 오류 및 부신호 발생)
Window	Leakage오류를 최소화하기 위해 가상신호(윈도우함수)를 곱해서 Block의 시작과 끝점을 기준점(0)으로 수렴하게 하는 함수
Averaging	신호를 여러 번 취득하고 평균하는 방법, 산술평균, 지수평균 등이 있다. 불규칙신호 측정시 노이즈제거 등에 사용된다 이 종류 중에 Synchronous Averaging은 차수만 평균하는 것을 의미한다.)
Overlap	신호평균 처리시 수집한 신호의 일부를 중복 처리하여 생략하는 방법, 0%~50% 가 일반적이고 75%이상이면 오류신호가 발생할 가능성이 증가, 총 신호수집시간이 빨라짐.
Trigger	신호를 수집하도록 하는 시점 또는 종점의 시작을 알리는 기능. Level, Time, Delay 등 조정하여 신호 평균 처리시 자주 사용함.
전달함수	2개의 신호의 비를 취한 것으로 입력/출력 신호간의 상대진폭과 상대위상을 알 수 있다. 예를 들어 속도/힘은 모빌리티라 하고 힘/속도는 임피던스라고 한다. 주파수응답함수는 전달함수의 일종으로서 주파수로 출력되는 힘과 진폭의 비를 말한다.
Order tracking	회전수가 변동할 때 그 회전수 성분 차수만 추적하여 그 해당 진동특성(크기, 주파수)를 그리는 방법.
EU	Engineering unit, 물리단위로 전압출력신호(0~5V) 또는 전류출력신호(4~20mA)를 해당 공학물리단위로 표기할 때 사용할 수 있는 임의 유닛(변위, 가속도, 힘, 압력 등
Aliasing	신호의 취득, 즉 샘플링이 Nyquist 한계주파수(Fs/2)에 미치지 않을 경우, 오류신호가 표기되는 오류, 일반적인 계측기는 이를 이미 Anti-Aliasing filter(Low pass filter)처리 하였음.

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관련키워드

FFT, Averaging, Leakage, Order tracking, Aliasing, Peakhold

 

컴프레샤(압축기)의 공기누출(누설)과 초음파

컴프레샤(압축기)의 공기누출(누설)과 초음파

 

SYNERGYS TECK사의 Leak shooter는 압축기실에서 발생하는 누설감지에 탁월한 기능이 보고되고 있다. 컴프레샤의 공기누설은 공장에서 발생하는 낭비요소 중에서 가장 무시할 수 없는 부분이라고 할 수 있다. 보이지도 않고 냄새도 없고 잘 들리지도 않는 이 누설소음은 소위 "hissing" 음이라고 불린다.  결국 보이지 않는 것은 관심도 멀게 되어 자칫 예지보전활동영역에서 제외될 수 있는 가능성을 방지하기 위해서는 적절한 기술적인 보강이 이루어져야 한다. Leak shooter technology 는 소음이 심한 현장에서도 심플하게 누설감지를 함으로써, 컴프레샤실에서 흘러나오는 비용을 절감시킬 수 있다. (2^nd profit center).  또한, 진보된 디지털 필터링 테크닉으로 인간이 들을 수 없는 고주파 음향대역인 초음파를 가청주파수 대역으로 변환하여 헤드폰으로 그 음을 들을 수 있다.

 

공기누설(air leaks)은 ‘가청주파수대역’과 ‘초음파대역’을 모두 발생

가청주파수대역은 보통 산업현장의 소음인 130 decibels 정도에서는 들을 수도 없을 뿐만 아니라 다른 요소에 반사되거나 간접적인 특성을 갖기 때문에 오히려 무의미하다.

하지만 초음파는 다르다. 누설의 초음파 감지는 직접적이고 Leak shooter는 현장의 많은 소음으로부터 디지털 필터링을 거치기 때문에 매우 유용하게 사용될 수 있다.

정규 PM(기간정비)을 통해 컴프레샤를 보수할 때 확인해 보면, 압축공기가 깨끗하지만은 않다는 것을 확인해 볼 수 있을 것이다. 즉, 파이프 스케일, 산화철, 다른 오염물질들이 발견되기도 하는데, 이러한 물질들이 반복적으로 설비시스템에 가해지게 되면 누설량이 커지거나 새로운 누설이 계속 발생하게 된다.  심지어는 압력이 떨어지면 작업이 불가능하다며 오히려 컴프레샤 압력을 높이다가 위험을 초래할 수도 있다. 따라서 누설위치와 양을 정확히 확인하여 근본적인 원인을 제거하는 것이 최선의 방법이다.

일반적으로 컴프레샤의 메인트넌스는 일년에 3~4번정도 정기적으로 완전히 점검하여 누설을 검사하는 것이 정상이다.

전세계적으로 이 컴프레샤들은 큰 대형모터에 의해서 기동하게 된다. 누설이 적다면 이 모터의 크기와 수량도 감소하게 될 것이고, 결국 에너지 절감에 직접적으로 관련이 있다. 전기적 소모량과 모터의 수명 등을 계산해 본다면 10 and 15%정도의 에너지 절감이 보고되고 있다.

 

결론적으로 초음파는 인간이 들을 수 없는 주파수대역(상위 20 kHz)에 존재한다. 시중에서 시판되고 있는 저렴한 초음파 측정기라고 불리는 것들은 기능측면에서 Leak shooter와는 완전히 다른 소음증폭기(noise amplifiers)라고 할 수 있다. 즉, 초음파를 감지할 수 있는 간단한 전기회로를 구성한 것이다. 그러나. 이것은 고도의 전문경험이 필요하며 ‘특정주파수대역’만을 감지하도록 구성하려면 추가비용이 발생하게 된다.

Leak shooter에는 세계적인 초음파 진단기의 축적된 초음파 탐지기술력이 내장되어 있다.

그러면, 산업환경의 고주파 노이즈와 컴프레샤의 누설음을 구별하는 가장 적합한 주파수는 무엇인가?  왜 40kHz 인가? 

누설공기는 넓은 광역 주파수대역을 발생시킨다. 일반적으로 누설음은 높은 주파수대역에서 더 높은 에너지를 발생시키게 된다. 그러나, 주파수 대역을 더 높게 할수록, 초음파와 관련 깊은 공기 전도성(conductive air)은 감소하게 된다. 만약 공기의 전도성(감쇠); conductivity (attenuation)과 함께 주파수 에너지(frequency energy)를 그래프에 같이 그려본다면 40 kHz 근처에서 두 선분이 만나는 것을 확인 할 수 있을 것이다. 그리고 Leak shooter는 이 주파수를 선택하고, 다른 성분을 필터링하는 작업, 즉, 다른 잡음으로부터의 방해를 최소화함과 동시에 원거리에서 발생하는 초음파의 감지를 최대화할 수 있는 잇점을 가지고 있다. 바로 이런 조합원리가 Leak shooter를 가장 효율적이고 가장 유명한 초음파 진단기로 만들고 있다.

 

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키워드	AE, 음향방출, 초음파감지기, 초음파 카메라, 초음파 설비진단기, 가스누출 초음파, 초음파의 원리, 공기누설, 공기누출, Leakage