진동을 측정하는 방법 (진동계와 FFT의 측정방법, 수준의 차이)

진동을 측정하는 방법 (진동계와 FFT의 측정방법, 수준의 차이)

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섭씨, 화씨 만을 선택하고 버튼만 누르면 결과를 알 수 있는 온도와는 달리 진동을 측정한다는 것은 사전에 비교적 많은 것을 알고 있어야 한다. 진동을 측정하려는 대상에 맞춰서 단위는 어떻게 선택하고 주파수 범위는 어디까지 두고 센서의 종류와 부착방법은 또한 어디를 어떤 방향으로 측정하는 지, 하한값, 평균값과 해상도는 어떻게 설정하는지… 등 모두 알고 있어야 하는 사항이라고 할 수 있다. 알고 있어도 어려운 지혜와는 달리 알고 있는 사람에게는 쉬운 것이 바로 지식이다

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진동측정방법(진동계와 FFT)

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최근의 진동계는 간단한 Spectrum 주파수 분석과 Trend저장 등이 가능한 것도 저렴하게 판매되고 있지만 일반적으로 진동계는 간단히 단위의 변동이나 진동량(Overall)값만 나타낼 뿐, FFT(진동 주파수분석기)처럼 정밀하거나 다양한 기능을 포함하고 있지 않다. 따라서 확인할 수 있는 최적의 방법을 사용하여야 하는데 다음을 참조하도록 한다

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항목	진동계	FFT 다채널 주파수 분석기
계측기선정	자석부착식 또는 탐침봉식	동시측정 채널수, FRF(공진)측정여부, 기계진단용, Long term recording용(DAQ), Rotor dynamics용, Portable 등 측정대상 및 용도에 맞도록 선택
센서선정	-자석부착식이 측정안정과 고주파가 가능하여 탐침봉식보다 우수 -감도를 수정할 수 있는 계측기는 감도가 높은 센서를 선택할 수 있음.	-저주파 감지용 (변위센서 및 DC센서이용, 또는 가속도 500mV/g이상 급 이용) -일반형 가속도센서(100mV/g) -고충격용 가속도센서(10mV/g)
단위설정	변위(µm p-p), 속도(mm/s rms), 가속도(G rms)	변위(µm p-p), 속도(mm/s rms), 가속도(G rms), AC/DC, Volt, 4~20mA
측정기법 (신호처리)	Slow(환경측정용), Fast(일반기계측정).	-Trend측정(Route기법적용) -Transient(과도기법적용, Rotor dynamics) -Averaging, Overlapping, Window, AC/DC
측정위치	강성이 강한 위치, 안전주의, 베어링의 진동전달을 가장 잘 확인할 수 있는 위치.	Noise주의, 진동의 특성을 잘 확인할 수 있는 위치, 공진요소를 최소화 하거나 또는 잘 확인할 수 있는 위치 등 선택.
측정방향	수평, 수직, 축 각각(부하측, 반부하측) 매 번 측정할 때 같은 위치	수평, 수직, 축 각각(부하측, 반부하측) 매 번 측정할 때 같은 위치, -3축센서이용
주파수범위	-없거나 기본최대 셋팅	-측정대상의 Fmax주파수선택(70X 기본) -저주파일 경우 Sampling time길어야함. -Line수 설정(선명도) -Cut off설정(Noise)
측정시기, 시간	평균상태를 나타내는 시기와 순간진동 시기를 비교	-부하상태(속도, 하중, 압력)를 동시에 같이 입력 측정
기타	Spectrum, Stroboscope, Temperature 및 Trend저장 기능이 있는 계측기 우수	-후처리 S/W기능이 우수한 것 선택 -데이터의 Output출력형식이 다양한 것, Dynamic Range가 높고 측정속도가 빠른 것 선택
예

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핵심단어	진동측정, 진동가속도계, 부착방법, 접촉공진주파수, FFT, 진동계, 진동센서

 

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적용사례4-초음파 누출진단기 Leak shooter-밸브 및 스팀트랩

적용사례4-초음파 누출진단기 Leak shooter-밸브 및 스팀트랩

초음파의 음향방출(Acoustic emission)을 이용한 계측카메라인 Leak shooter는 밸브나 스팀트랩분야에 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.

스팀밸브와 트랩에 결함감지 Fault detection on Steam Valve& Trap

A steam trap is a device used to discharge condensate and non-condensable gases with a negligible consumption or loss of steam. 스팀트랩은 스팀의 손실이나 무작위 소비경향을 보이는 비충전가스나 충전된 가스의 방출시 사용되는 장치이다. Most steam traps are nothing more than automatic valves. 대부분의 스팀트랩은 자동방식이다. They open, close or modulate automatically. Steam trap failures can affect process operations and reduce profits. The movement of fluid in a closed system develops ultrasonic noise. 스팀트랩이 문제가 발생했을 때 공정상의 손실을 유발하는데 유체의 이동시 초음파 노이즈를 발생하게 된다. Our ultrasonic testing camera LEAKSHOOTER LKS1000 recognize the noise created by flowing condensate or steam, and can be used to check a trap operating condition. 리크슈터는 스팀이나 충전가스에 의해 발생하는 초음파를 감지하여 트랩의 작동상태를 체크할 수 있다.

Defaults results in a Steam Trap:







Defaults (mechanical blocking, wear, obstruct…) in Steam Trap can generate: - Harmful water hammer for plants and people working nearby (explosion of pipe, valve, trap ...!) - Regulation process problem: temperature, pressure… - Rust and corrosion problem due to a bad condensates discharge - Energetic performance loss (financial loss of several thousand of € per year and per faulty trap) 스팀트랩의 문제: 워터햄머링, 충전배출방식의 오류로 부식과 분진의 오류, 연간 발생하는 재정적 손실.

 

How to detect these defaults in a steam trap? : 스팀트랩에 결함을 알아내는 방법

 

With the new ultrasonic vision/detection combined technology LEAKSHOOTER LKS1000 and with a special contact probe, it is possible to detect and listen to these defaults (open, closed, leak…) which create ultrasonic wave due to presence of steam and condensate flow during the running cycle. It is then possible to detect and listen to the normal condition (almost cycling) of the steam trap and detects anomalies (permanent leak of steam for example). 밸브 가동 싸이클을 잘 관찰하여 보상류와 스팀의 현재 상태에서 초음파가 발생하는 상태를 측정하므로써 정상적인 상태와 비정상적인 스팀트랩의 상태를 구분할 수 있게 된다. (컨택프루브, 탐침봉을 이용하여 스팀트랩이 닫혔는지 열렸는지 혹은 누설상태인지를 듣고 계측하는 것) When the default is detected, it is possible to take a photo to make a report on PC for future reparation. All this procedure can be done with or without the headphone, thanks to a colored barograph showing the RMS and MAX RMS ultrasonic values. 문제가 감지되었을 때 컴퓨터에 촬영된 사진을 저장하고 보고서에 삽입하게 되는데 이러한 과정은 헤드폰 없이 수행할 수 있을 뿐만 아니라 밸브로부터 발생하는 초음파 발생량을 RMS와 MAX RMS로 막대그래프 형식으로 표기함으로써 매우 효과적이다.

 

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

 

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고유주파수와 강제주파수 (소음과 진동의 주파수)

고유주파수와 강제주파수 (소음과 진동의 주파수)

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통기타의 악보코드를 맞추고 기타줄을 튕기면 각기 코드에 맞는 다른 음색을 보이는 하모닉 음이 발생한다.  기타는 각 줄(현) 별로 독특하고 소리의 높낮이가 서로 다르다. 약간의 상식을 갖고 잘 살펴보면 튕기고 있는 기타줄의 길이와 기타줄의 종류 그리고 기타줄이 조여있는 정도에 따라서 소리가 다르다는 것을 이해 할 수 있다. 반면에, 선풍기를 작동시키면 발생하는 진동, 자동차의 엑셀을 밟을 때마다 변동하는 RPM(분당 회전수)은 위의 기타줄에서 발생하는 고유한 특성과는 다르다. 즉, 이 것은 새롭게 생성되는 것이며 반면에 기타줄은 원래 가지고 있었던 것, 쉽게 말하자면 손으로 튕기지 않으면 소리가 아예 나지 않는다는 것과의 차이이다.

강제주파수(Forced frequency)

힘을 가하면 고유주파수와 강제주파수는 모두 변동하지만 강제주파수는 만들어 생성된 값이고 고유주파수는 원래부터 있던 값이다. 이 두 개의 주파수가 중첩되면 큰 진폭을 유발하게 되는데 이를 공진(Resonance)이라고 한다. 이해를 돕기 위해 고유주파수와 강제주파수의 예를 들면 아래와 같다.

고유주파수	강제주파수
-튕기고 난 다음의 기타줄 발생음 -마찰을 하고 난 다음의 바이올린 현 발생음 -타격하고 난 다음의 컵의 물높이에 따른 발생음 -물체를 망치로 치고 난 다음의 물체의 방향별로 달리 발생하는 진동과 소음 -바람이 불 때 발생하는 교량의 고유한 움직임 -진자시계의 추가 움직이는 고유한 주기 -차 실내에 있는 동전이 움직이는 회전수	*회전력(협대역 주파수)-아래 -자동차 엔진 크랭크 회전수 변동 -각 종 기계설비의 축(shaft)의 회전수 -전기적인 가진(60Hz, 120Hz) -모터나 터빈의 회전수 -각종 회전체(기계, 바퀴, 팬, 펌프, 벨트, 기어, 베어링 등)에서 발생하는 회전수   *유체력(광대역 주파수) -바람, 스팀, 파도, 기포(캐비테이션), 액체유동(펌프), 고압기체(압축기)   *충격력(광대역 주파수) -왕복동엔진, 망치, 장력, 프레스, 단조, 항타, 빗물, 불규칙랜덤

 강제주파수가 고유주파수를 깨우는 것이 아니라 가진력이 고유주파수를 깨우는 것이라는 것을 기억해야 한다. 가진력은 뚜렷한 주파수(협대역, 사인파, 조화파)를 가질 수 도 있고 광대역의 주파수(불규칙파형, 충격파형)를 발생시킬 수 도 있다. 협대역 주파수는 공진을 발생시키려면 고유주파수와 일치시켜야 하지만, 광대역 주파수는 그냥 발생시키면 고유주파수가 일어난다. 이때 발생하는 고유주파수를 굳이 공진이라고 부르지는 않는다. 자연의 많은 현상처럼 잠재주파수가 드러난 것이지 심각한 상태는 아니기 때문이다.

키워드	공진, 고유주파수, 강제주파수, RPM, harmonic, 하모닉

 

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적용사례-무선진동_온도 상태모니터링시스템(Wi-care): 크러셔 유성기어

적용사례-무선진동_온도 상태모니터링시스템(Wi-care):

​크러셔 유성기어

무선진동 온도 상태모니터링시스템을 통해 시멘트 크러셔 유성기어박스의 돌발사고를 미연에 방지했던 사례 Wi-care wireless vibration and temperature condition monitoring system.

Prevention of a catastrophic failure on a cement crusher planetary gearbox Introduction

완벽한 솔루션이란 완벽한 감시를 하여 완벽한 진단을 할 수 있는 전문가가 주위에 있는 경우이다. In a perfect world, the easiest solution to ensure maximum production uptime, would be for all industry experts to live onsite around the clock! With the aim of ensuring that dedicated experts are always in the neighborhood, I-care created its condition monitoring remote diagnosis solution. The Wi-care wireless condition monitoring system performs online, real-time analysis of a particular machine to predict eventual failure. 이 시스템은 상시 감시 모니터링이 가능한 전문가에 의해 진단한 결과 The system performs the onsite data collection while certified analysts analyse your data offsite to deliver comprehensive recommendations 24/7. This wireless and remote strategy offers cost savings over routine-based maintenance and a very flexible solution for troubleshooting and monitoring.   The following case study represents a typical remote analysis application of a gear defect. The fault was detected in a very effective way for the customer and analyst :   For the Customer: Continuous surveillance of its critical asset with low upfront investment and lower cost than manual/classic online monitoring  분석가는 측정시간에 낭비할 필요없이 지속적인 데이터 축적이 필요하다.For the analyst, Continuous data (Historic and Remedial Action Recommendation) from the monitoring Center without any travel or measurement time spent   최근 전세계적으로 무선시스템의 유행이 번지고 있으며 상태모니터링도 예외가 아니다.The world is turning wireless, condition monitoring too!   Equipment, plant overview, Context The Manufacturing site is a Cement Plant operating at close to full capacity, established for many years in Western Europe. 대형 시멘트 볼밀기계구성요소로 기어박스가 설치된 설비The Equipment is a very large cement ball mill. The suspected machine components are the gearbox and its associated electrical drive (1MW). 고객은 진동이 증가하여 의뢰하였고 무선 스펙트럼 전송 센서인 Wi-care를 설치하였고 무선으로 원격에서 진동의 증가 원인을 분석하였다.The Customer requested I-Care support after a suspected increase in vibration level. In order to do an in-depth and concise monitoring and diagnosis of the vibration on the complete assembly, the analyst decided to install Wi-care wireless system.
분석가의 진단과 스펙트럼은 기어주파수가 진동의 원인이라는 것을 확인하였다. Analyst diagnosis and spectrum justification: Gear frequency, The Wi-care system is set up on the gearbox and the electrical drive in minutes using magnetic locators to cover classical vibration directions, vertical, horizontal and axial planes. Note on the right side of the picture the Wi-care speed sensor directly measuring with a key-phasor on the shaft.  Standard spectrum collected via Wi-care in the vertical axis. Display in speed units. 주요주파수는 373Hz로 그 하모닉이 존재하며 5Hz의 사이드밴드가 존재한다. 진폭은 4 mm/sec RMS .The dominant frequency appear at 373,9 Hz and its harmonics. On a closer zoom on 373,9 Hz appears modulation at 5Hz. The amplitude is close to 4 mm/sec RMS.

Following on from inspection of the drawings and data sheets, we can find the gearbox specifications and calculate theoretical fault frequencies

분석한 결과 GMF(기어의 맞물림주파수)로 확인되었고 5Hz는 링기어의 회전결함으로 파악되었다. Calculated Gear mesh frequency of 373,71 Hz and its harmonics match the measured frequency of 373,9 Hz. Detected 5Hz modulation are linked to a ring defect (5.01 calculated). 진폭 trend는 몇일 사이에 두배로 성장하였고 Amplitude trend indicate a 100% growth in a few days. The decision was taken by the customer based on analyst recommendations via Wi-care measurement to initiate the maintenance inspection. 근본원인은 조립불량에 이은 과도한 기계적이완(looseness)로 인한 구조의 크랙발생인 것으로 판단되었다. The Root cause of the gear defect is an excessive looseness in the gear assembly due to structural cracks.

Wi care를 이용한 설비진단의 결과, 투자대비 회수율 ROI

 

키워드	Wi care, I care, 방폭무선센서, 무선진동센서, 스펙트럼 무선전송, 인터넷기반, 설비진단, 진동문제, 원격진단

 

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Predictive Maintenance (예지보전 그리고 플랜트 메인트넌스)

Predictive Maintenance (예지보전 그리고 플랜트 메인트넌스)

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대한민국은 세계 15위의 경제력을 보유하고 있고 이중에서 굴뚝산업은 서비스업분야보다 큰 비중을 차지하고 있다. 이 굴뚝산업이라는 것은 철강, 전자, 자동차, 중화학, 중공업, 자동차, 식품, 에너지, 광물제조산업 등으로서 수많은 인력을 고용하고 수많은 파생기업을 양성하는 이 대한민국 주요 산업들을 말하며 저가생산-> 기술집약생산-> 효율증대의 구조로 경쟁력을 변형시키고 있다. 이 때 등장하는 것이 바로 ‘Plant Maintenance(보전기법)’이다. 초기시설투자는 크게 줄고, 인력은 최소화 및 노령화가 되면서 기존설비의 최장, 최적운용이 제 2의 이익창출이라는 가치가 생겨난 것이다. ‘maintenance’라 하는 단어는 컴퓨터 설비의 판매 후 처리를 말하는 것이 결코 아니다.  다시 말하면 ‘보전(maintenance)’와 ‘수리(repair)’의 차이를 잘 알고 있어야 한다.
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PdM(예지보전)

공장 내에는 동일한 기능과 역할을 하는 설비가 나란히 설치가 되어 있는 경우가 매우 많다. 이중에서 몇 개 또는 한 개의 설비만 가동하는데, 매우 중요한 역할을 하므로 절대로 이 설비의 기능이 지속되어야 하는 것을 말한다. 즉, 이런 스페어설비(Alternative machine)는 본 설비가 언제 고장이 나서 수억~수백억의 생산손실을 초래할지 모른다는 방지책의 일환인 것이다.  결국 설비의 신뢰성(Reliability Based)문제가 중요한 관점이었다는 것을 생각해 보기 시작한다. 선진국에서는 1990년대 이전부터 설비의 고장을 미리 예측할 수 있는 Technology(진동, 초음파, 오일, 열화상, 전류 ,온도 , 온라인모니터링등)를 급속하게 구축하기 시작했다.  국내에는 전무했던 계측장비들이었기 때문에 전량 수입에 의존해야 했고, 그 운용지식도 급속하게 이해하여 적용하기 시작했다. 기존에 외국에서 수입하였을 때 설비에 부착되어 있었던 센서들도 다른 것으로 사용하기 시작했다. 하지만, 이미 미국에서는 기술운용 및 진단엔지니어링 컨설팅을 위한 기업과 학회, 산학관련사업이 수없이 많이 운용되고 있었으며, 설비의 모델에 따른 결함정도(%)와 결함위치까지 알려주는 자동진단프로그램까지 구축해 놓은 상태였음을 알고는 깜짝 놀라는 사람도 많았다. 또한 일본에서는 운용장비의 자체제작은 물론 메인트넌스 운용시스템을 통째로 자국의 컨설팅시스템(TPM)으로 개조하여 놀라운 실적을 내고 있었다.

Maintenance	Remark
BM	Break down, 고장이 나면 비로소 수리하거나 교체
PM	Plan, 정기적으로 수리함.(년간 정기보수, 가동시간 기준보수, 가동거리 기준보수)
PdM	Predictive, 전문요원에 의해 지속적으로 측정된 과학적 설비상태자료 (진동, 초음파, 오일, 열화상, 전류 ,온도 등)에 의해 분석 후, 수리가 필요한 설비만 선정함.
PaM	Proactive, 고장이 발생한 이유를 방법적, 관리적, 공학적으로 분석하여 그 원인을 근본적으로 제거함.
RCM, RBM	Reliability Centered, Based ; 설비의 신뢰성에 모든 관심을 두는 컨설팅 기법, 즉 설비가 고장이 나지 않고 안정적으로 가동이 되면 제조이윤을 창출할 수 있다는 개념
TPM	Total Productivity, 생산성에 모든 관심을 두는 컨설팅 기법, 생산에 저해되지 않도록 훈련하고 개선하는 메인트넌스 개념.

대한민국의 현재는 이미 위의 많은 부분을 도입하고 있다. 아직도 개념을 알지 못하는 분야도 있지만 대체로 진동과 기술의 중요성을 깨닫고 있으며 투자하고 있다. 그런 관점에서 본인이 속하는 곳이 어떤 수준인지 파악함과 동시에 우리 서로 Maintenance에 대해서 다시 한번 생각해 볼 필요가 있다. ‘잘하고 있다. 문제 없다.’의 수준보다 ‘더 좋은 방법은 없을까?’의 수준으로 항상 생각하는 것이다.

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PDM, 예지보전, 메인트넌스. 설비보전

 

적용사례3-초음파 누출진단기 Leak shooter-전기코로나

적용사례3-초음파 누출진단기 Leak shooter-전기코로나

초음파의 음향방출(Acoustic emission)을 이용한 Leak shooter는 전기분야에도 활용할 수 있는데 코로나음, 코로나 험음이 발생하는 송변전 선로에서 그 탁월함을 적용할 수 있다. 그 발생위치를 가청음을 통해서 진단할 뿐만 아니라 카메라를 통해서 화면에 그 위치를 직접 알 수 있도록 하는 기술이며 다음의 사례를 통해서 그 적용을 알아본다.

Leak shooter 초음파 누출 진단카메라를 통한 전기이상음 누출위치의 판독 적용사례

중고압 송배전 선로장치에 대한 전기적 결함(코로나, 누설, 아크, 부분방전)을 찾는데 활용Search for capacitive type electrical defaults (Corona effect, electrical path, arcing, partial discharge…) on middle and high voltage installations HTA & HTB (U > 1000 V)

What are the problems with capacitive electrical defaults on medium and high voltage lines ? 중고압 라인에 캐패시티브 전기결함은 무엇이 있는가? 접촉불량, 케이블, 인슐레이터, 배전반의 문제는 안전과 화재와 폭발 및 부식등과 관련된 재산상의 손실과도 관련이 있다.

problems on connections, cables, insulators, disruptors…and are problem sources of: - Safety of people and property (fire, explosion, mechanical piece breakdown , corrosion, …) - Noise, audible parasite noise - Electromagnetic interference by conduction or by air transmission (radio interference) - Chemical pollutions (CORONA creates Ozone, NH4, NO3…)   Capacitive electrical default search solution : 도체와의 간섭에 의해 전자기가 발생하거나 전송중에, 화학적인 오염으로부터 발생하는 노이즈, 코로나 음은 오존, 암모니아 등을 재차 발생시킨다.  

With the LEAKSHOOTER LKS1000, equipped with combined vision/ultrasonic detection technology with standard cone use, it is possible to easily detect these electrical defaults by scanning the cables, the connections, the insulators,… from 5-10 m distance or more (regarding security rules in these installations). Leak shooter를 이용하여 초음파가 발생하는 위치를 파악한다. 우선 일차로 표준 Cone 타입 집음장치를 이용하여 전기적인 노이즈가 발생하는 케이블 및 접속부, 인슐레이트를 5~10m멀리서 스캐닝하고Then, when the default zone is identified with the cone, it is possible to take a photo to make a future technical report for reparation. This whole procedure can be realized with or without the headphone, thanks to the automatic and dynamic target on screen during this detection (see below). 사진을 찍고 향후의 측정값과 비교하도록 저장하고 보고서를 작성한다. 이러한 전체의 과정은 헤드폰 없이 측정이 가능한점, 계측기의 화면에 유동적인 타깃의 위치가 자동으로 표기되는 점이 매우 효과적이고 현실적인 방법으로 사용되었다.

 

Example with a 63.000 V installation:

Bad mechanical and ground connection under 63.000 V, electrical arcing is easily detected with the LEAKSHOOTER LKS1000 at 3 m distance thanks to it automatic/dynamic target and with the headphones which with we can hear arcing characteristic sound. 위의 예는 63000V고압전기시설에 적용된 결과로서 기계적인 접촉불량에 의해 전기적인 아크가 발생하였고 Leak shooter가 3m거리에서 헤드폰 없이 이를 잘 측정하여 화면에 잡아내었다.

 

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

 

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