VISOPE-진동소음음향방출분석-진단모니터링-한국CBM

2015년 9월 21일 월요일

진동센서의 감도 (Vibration Transducer Sensitivity)

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물리적인 신호인 진동을 전기적인 신호(Voltage or Current)로 변환해주어야 계측기에서 물리적인 신호의 크기와 위치로 환산할 수 있으므로 측정하고자 하는 위치에 닿는 그 것은 사실 ‘센서’가 아닌 ‘트랜스듀서(Transducer)’라고 명칭하는 것이 맞다. 이 트랜스듀서(진동센서)의 종류와 진동의 진폭단위는 물리적으로 같이 구분되는데 트랜드듀서가 변위의 변화에 비례하는 것, 속도의 변화 그리고 가속도의 변화에 따라 비례하는 것으로 각각 존재한다

진동센서(Vibration Transducer)

진동측정을 위해서 반드시 갖춰야 하는 것 중에서 센서의 선택을 빼놓을 수 가 없는데 센서를 선택하는 가장 첫 번째 기준은 감도(Sensitivity)일 것이다. 그리고 두 번째 기준은 센서의 선형성이 해당된다. 우선, 진동센서의 감도에 관한 사용 예를 정리하면 다음과 같다.

이 중에서 가속도센서(Accelerometer)의 사용이 매우 보편적이고 측정방법이 편리하여 매우 다양하게 사용되고 있으며 변위센서(Proximity probe)는 대형고속 슬리브베어링 타입의 실시간 모니터링시스템에 주로 사용된다. 속도센서(Velocity transducer)는 특정대역(10Hz이하)에 고유주파수가 있어서 사용이 제한적이고 매우 정밀하지만 고가이므로 사용이 보편적이지 못하다.

진동센서는 대체적으로 감도가 좋을수록(높을수록) 저주파 진동의 취득측정이 좋고 크기가 크고 가격이 비싸고 대신에 고주파 측정은 선형성이 좋지 못하다. 반면에 감도가 낮을수록 동적범위(Dynamic range)가 크고 센서의 크기가 작고 매우 고주파까지 선형성(Linearity)이 좋은 편이다. 여기서 감도는 센서의 최대진폭측정능력(동적범위)과도 관련이 있는데 예를 들어 5V의 출력을 가지는 센서이고 감도가 100mV/g라면 50g까지 측정할 수 있다는 뜻이다. 다시 말하면 50g이상은 하드웨어에서 구현되지 않으므로 소프트웨어에서도 보이지 않는 값(Over range)이 된다.

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키워드	진동센서, 가속도센서, Accelerator, Transducer,, 진동센서감도

계측편람- 소음원 분석용 및 추적감시용 포터블 음향카메라 MSV

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2015년 9월 13일 일요일

진동의 진폭 단위 (진폭을 표현하는 방법-변위, 속도, 가속도, RMS, PEAK)

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진동은 어떤 기준위치를 기준으로 교번(반복)하는 운동형태를 말한다. 기준위치란, 예를 들어 축의 중심선이나, 흔들리는 물체의 최고위치와 최저위치의 중간점이라고 할 수 도 있겠다. 또한 진동은 최초의 힘(Force) 또는 지속적인 힘이 있어야만 움직임이 가능하므로 진폭을 표현한다고 하는 것은 힘 또는 힘과 관련된 변수를 표현한다고 해야 맞는 표현이다. 즉, 진동의 진폭은 변위, 속도 그리고 가속도로 표현되며 진동하는 물체 또는 평가를 위한 대상에 따라서 달리 적용해야 한다.

변위, 속도, 가속도

진폭은 변위-속도-가속도의 ‘주단위’에 더하여 ‘부가적인’ 단위로 반드시 당연히 알고 있거나 추가표현을 해주어야 하는데 바로 실효치(RMS)와 최고값(Peak)이다. 일반적으로 진동의 거동을 해당 단위의 실선으로 표기할 때에 최고값으로 진폭을 표현하지 않고 그 실효치(Root Mean Square)로 표현하는 이유는 속도나 가속도의 경우에 그래프의 뽀족한 개념보다 면적개념이 에너지와 관련이 더 깊고 에너지가 힘의 단일 최고치보다 파손에 더 깊은 관련이 있다는 공학적 해석과 성문기준(ISO 등)으로 정해져 있기 때문이다. 물론 이 해석은 동하중(Dynamic Load)일 경우에 해당된다.

변위(Displacement), 속도(Velosity), 가속도(Acceleration)에 대한 특징과 적용분야를 정리하면 다음과 같다.

단위(Units)	변위(Displacement)	속도(Velocity)	가속도(Acceleration)
주요사용단위	µm	mm/s	m/s² ,G
부가표기단위	P-P (peak to peak)	RMS(기계), Peak(구조)	RMS
주요주파수(관찰대역)	100Hz이하 저주파	10~3000Hz	3000Hz~(고주파대역)
주요주파수(센서)	LVDT, Proximity probe ~1000Hz	Seismic, Capacity 10~1000Hz	Accelerometer 0~20,000Hz
적용원리	실제거동표현, 응력 및 힘에 관련(σ=Eε, F=kx)	에너지/피로(Fatigue), 기계진동심각도 (E=1/2mv²)	힘, 결함 (F=ma)
주요적용대상	대형고속기계 축거동감시, 파이프	회전기계진단(ISO), 구조안전, 발파	기계 및 구조진동, 인체반응
기계적용상세	터빈, 배관, 유막베어링	모터, 펌프 및 팬, 전기, 유체	구름베어링, 기어박스

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키워드	진동의 단위, 진폭단위, 변위속도가속도, rms, peak, 진동에너지, 진폭

적용사례5-초음파 누출진단기 Leak shooter-압축공기의 손실비용

초음파의 음향방출(Acoustic emission)을 이용한 계측카메라인 Leak shooter는 압축가스(공기, 질소, 산소 등)의 누출위치의 검사에 활용할 수 있다. 그 발생위치를 헤드폰으로 가청음을 통해서 진단할 뿐만 아니라 카메라를 통해서 육안으로 직접 확인하는 방법으로 화면에 그 위치와 크기가 표기된다. 다음의 사례를 통해서 그 적용을 알아본다.

누출되고 있는 압축공기의 비용으로 환산

Do you know the cost of compressed air leaks? Calculated with an around 6000 hours / year running plant (3x8 without week end), with a 150 Wh/Nm³ air production consumption under 7 Bar pressure and with a 0.065 €/kWh electrical cost. 주말에도 가동하는 조건으로 연간지속 6000시간가동조건에 7bar압력으로 150의 체적유량을 소비하며 전기사용료가 0.065 €/kWh라고 가정한다면 Imagine now, if you find around 100 x 0.6 mm leaks + 30 x 1mm leaks + 10 x 3.4mm leaks, the leaks cost is around 45.500 €/year. 일반적인 누설부위가 있는 조건의 손실비용은 무려 연간 45.500 €/year까지 추정할 수 있다.

Our leak detection camera LEAKSHOOTER LKS1000

Do not hesitate, buy a LEAKSHOOTER LKS1000, find the leaks easily, make the repairs, save a lot of money and avoid energy waste!!! 쉽게 누출부위를 발견하여 에너지 손실을 줄이고 비용을 절약할 수 있다.

LEAKSHOOTER LKS1000, the first leak detection camera easy to use, efficient, with photo capture capabilities, to find compressed air leaks and to save money and energy. 우선 카메라로 쉽게 누출위치를 알 수 있다는 점, 그리고 사진을 캡쳐하여 저장하고 압축공기의 누설위치를 발견하여 에너지를 보존하도록 한다.

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키워드	초음파, 공기누출, 밸브, Leak shooter, Synergy, 전기코로나 험음, Corona, electrical ultrasonic, acoustic emission

2015년 9월 7일 월요일

가속도센서의 교정방법 (Accelerometer calibration)

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가속도센서는 진동측정에 가장 많이 사용되는 센서로서 진동의 단위(변위, 속도, 가속도) 중에서 가속도에 비례하는 값(전압, 전류)으로 변환 출력해 주므로 ‘Acceleration pick up’, ‘Transducer’로 불리우기도 한다. 가속도센서를 신규로 구매하면 제작사에서 교정된 감도(Sensitivity)가 적힌 자료를 함께 받아서 계측기(FFT, Machine analyzer)에 그 자료를 입력하여 측정하게 된다. 이미 정해진 보통의 감도는 10mV/g, 20, 100, 200, 1000등이며 교정된 감도는 예를 들어 0.97mV/g, 19.8, 99,197, 998.5등으로 표기된다. 일반적인 측정의 오차에 크게 위배되지 않을지라도 정밀측정에는 반드시 교정(Calibration)이 필요하다.

Accelometer calibration

측정결과에 오차를 주는 원인은 사용시간이 지난 후에 자연 퇴화된 센서뿐만 아니라 계측기, 센서부착방법, 온도, 케이블, 전기적노이즈 등 많은 이유가 있으며 센서나 계측기를 제외한 나머지 조건을 동일하게 한 후, 교정을 할 필요가 있다. 우선, 가장 많이 사용되는 방법은 다음에 정리하였다.

1. 표준가진기(Shaker)의 사용에 의한 절대교정

1G를 출력하는 hand shaker나 주파수와 진폭을 자유롭게 교정하는 Shaker calibrator 그리고 교정시험기관 등에서 사용하는 대형 Air shaker를 이용한 정밀교정기가 있다. 이러한 교정기에 가속도센서를 고정시켜 작동하여 출력을 비교하는 방법이다. 교정의 결과로 감도의 수정을 하게 된다.

2. 자유낙하 및 힘센서와의 비교를 통한 간이교정방법

타격량은 질량을 통해서 구할 수 있다. F=mg를 알고 있다면 가속도는 구하기 쉬운 변환 물리량이므로 자유낙하나 Impact force transducer를 통해서 피상체(단진자 등)에 부착된 센서로부터 결과를 읽고 교정한다.

3. 기준센서와의 비교교정

신규기준센서와 맞대기를 통한 두 센서와의 결과비교 후 교정한다.

실제로 측정현장에서 교정의 당위근거는 확실하지 않다. 물리적인 변수도 많을 뿐만 아니라 법규에서 반드시 측정전에 승인받아야 하는 환경진동계를 제외하고는 대체로 검사의뢰자의 승인의지에 의존하는데 대체로 이는 기본적으로 교정퇴화수준이 크지 않고 대상물의 진동이 항상 일정하지 않은데다가 정밀을 요할 만큼 진동량이 그리 작지 않은데 원인이 있다.

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키워드	진동센서, 가속도센서, Acceleration, Accelerometer, 교정, Calibration

눈으로 보는 초음파 (초음파 누설진단 카메라)

눈으로 보는 초음파 (들리지도 않는 초음파를 볼 수 있을까?)

초음파는 20kHZ이상의 고주파영역을 가지고 있는 소음과 진동 모두를 포함하여 지칭하는 파장의 종류로서 물론 사람의 귀로 들을 수 없으며 직진성을 특징으로 하므로 발생위치를 알게 되면 원인의 해결을 할 수 있으므로 다양한 방법으로 활용되는 기술이다. 인체에 해로움이 적어 누설진단, 기계이음진단, 전기코로나 , 임산부 유아확인, 차량후면 거리측정, 비파괴진단 기술, 세척 등에 매우 광범위하게 사용되고 있다.

그런데 귀로 들을 수 있는 기술을 가진 초음파 진단기는 있어도 눈으로 볼 수 있는 초음파 계측기 또는 카메라가 있을까? 과학은 점점 쉬워진다.

초음파 누출진단 카메라 (LEAK SHOOTER)

초음파가 발생하는 위치를 실시간으로 카메라 화상으로 확인해 볼 수 있는 초음파 계측기가 출시되었다.

프랑스 SYNERGYS TECHNOLOGIS사의 ‘LEAK SHOOTER(초음파진단 카메라)’는 휴대용 초음파 계측기로서 초음파가 발생하는 위치를 LCD화면에서 실시간으로 표기하고 헤드폰으로 병행하여 초음파를 가청음으로 확인하는 방법으로 사용된다. 또한 본 초음파진단 카메라는 발생되는 초음파의 양을 dB와 색(노랑 및 적색)으로 표기하며 저장 및 컴퓨터로의 전송할 수 있는 기능도 제공한다.

기존에 초음파 설비진단기 제품군과 성능이 유사하고 화면에 위치를 표기하는 기술은 독보적인 특허기술로서 본 LEAK SHOOTER(초음파진단 카메라)만이 가지고 있는 방법이다.

초음파 진단 카메라의 사용용도는 기계진단, 공기누설, 전기코로나 음 등의 발생위치를 확인하고 정밀진단을 위한 초기검침기기로서 매우 획기적인 계측기라 할 수 있다.

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2015년 8월 30일 일요일

주파수 분석(Frequency analysis), 옥타브분석(Octave)

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진동, 소음 등의 물리적 현상은 센서를 이용해서 측정하면 시간의 경과에 따른 파동에 따른 진폭을 확인할 수 있다. 진폭은 변위, 속도, 가속도의 값으로 표현되며 이와 같은 그래프를 ‘시간파형’ 또는 ‘waveform’이라고 말한다. 이 시간파형은 이상적인 정현파가 아닌 이상 항상, 복잡하고, 자연스러운 형태를 띄게 되는데, 이 형태를 분석해 보면 많은 파형이 중첩되어 함께 포함되어 있음을 알 수 있다. 그래서 수학자들은 이 복잡한 주기함수들을 단순한 여러 개의 조화함수의 합들로 분해할 수 있었고, 그 중에서도 다시 규칙적 항들을 생략하여 연산을 빠르게 한 FFT를 고안하여 시간-진폭’을 스펙트럼 (Spectrum) 그래프에 ‘주파수-진폭’으로 바꿔 표현하였다.

Spectrum (주파수-진폭 그래프)

이 스펙트럼을 분석하면 주파수분석을 수행할 수 있다. 즉, 여러 주파수 성분을 한 눈에 파악할 수 있고, 이상 거동상태를 쉽게 파악할 수 있기 때문에 설비진단 및 기타 진동분석에 대단히 많이 활용되고 있다. 가속도 센서에서 측정된 아날로그 신호를 디지털신호로 바꾸고, FFT연산 처리하는 DSP장치가 내장된 ‘FFT진동분석기’는 분석속도와 가로축(주파수)의 이웃 주파수간 간격, 세로축(진폭)의 상하 폭간 간격에 따라 성능이 좌우되는데, 주파수간 간격(Bandwidth)은 1Hz이하가 되어야 정밀분석이 가능하다.

또한 일반적인 스펙트럼 분석은 상하한 주파수간 간격이 동일한 정폭형(Constant Bandwidth)인 반면에, 정비형(Constant Percentage Bandwidth)그래프도 많이 사용되는데 이것이 바로 소음분석에 많이 사용되는 ‘옥타브;Octave’그래프이다. 즉 옥타브 그래프란? 하한주파수와 상한주파수와의 비가 일정하여 ‘2의 N승’의 비율로 표현되는데, (N= 1/1, 1/3, 1/12,..) 이에 따라 ‘Octave’, ‘1/3Octave’라고 정의한다. 이 왜 옥타브 분석은 주파수 간격도 정밀하지 않은데 소음분석에 많이 사용되는가?

소음평가는 인간이 느끼는 수준에 적합해야 하는 것이 우선되어야 하는데 사람은 소리의 높낮이 구분 능력이 정확하지 않고 그 차이를 일정 간격보다는 일정배율로 더 잘 구분하기 때문이다. 따라서 Octave는 인간의 고음과 저음의 구분능력과 비교적으로 잘 매칭되는 것으로 그 이유를 정리할 수 있다.