진동센서와 단위를 선택하는 방법

 진동센서와 단위를 선택하는 방법

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제품 또는 구조에 진동문제가 발생하였다. 진동을 분석하여야 하는데 어떻게 측정하는지는 알겠는데 도무지 어떤 단위로 측정해야 할까? 데이터를 분류하여 통신하고 저장하여 빅데이타 분석을 통해 AI로 최종적인 판단을 하여 문제를 미리 알고 원인도 분석하여 제출하고자 한다. 그런데 여기서 진동단위는 무엇으로 선택해야 하는가? 항상 나오는 그 문제…

 

진동센서와 단위를 선택하기 위한 절차

진동단위를 선택하기에 앞서 우선 진동측정센서의 선택이 우선된다. 그 다음 그 것에 맞는 단위를 선택한다. 그 절차와 검토목록을 간단히 정리하였다.

 

1.     진동센서의 선택

접촉방식/ 비접촉방식	접촉방식은 가속도센서로 비접촉방식은 대체로 변위센서로 사용한다. 레이져는 단위에 제한이 없으나 측정장소에 제한이 있다.         bisope
저주파/ 고주파	저주파는 변위에 고주파는 가속도에 맞다.
작은 진동/ 큰 진동	센서의 최대출력과 관련이 있다.
저가격/ 고가격	센서의 부착방식 그리고 정밀도 크기, 주파수와 관련이 있다.
기타 선택사항	고온/저온의 여부, 센서의 크기, 센서의 전원공급여부, 무선/유선방식 등.

2.     진동단위의 선택                                                              bisope

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   bisope
주요적용대상	대형고속기계 축거동감시, 파이프	회전기계진단(ISO), 구조안전, 발파	기계 및 구조진동, 인체반응
기계적용상세	터빈, 배관, 유막베어링	모터, 펌프, 전기, 유체	구름베어링, 기어박스

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

전달함수(Transfer function)1

 전달함수(Transfer function)1

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2개의 채널 이상으로부터 받아들이는 신호들을 이용하여 그 상관여부를 알아내는 것은 매우 중요한 분석과정의 하나이다. 특히 하나는 입력으로 다른 하나는 출력으로 받아서 그 반응을 관찰한다면 원인과 결과를 밝히는데 결정적인 인과요소를 찾을 수 있을 것이다. 기여도함수(coherence)가 1인 경우 입력과 출력의 연관성이 100%이라는 것은 알고 있지만 그 과정이 전달함수 로부터 산출된다는 것도 알고 있어야 할 것이다.

 

Transfer function의 의미와 종류

Transfer function	식
Inertance	가속도/힘
Mobility	속도/힘
Compliance	변위/힘
Apparent mass	힘/가속도
Impedance	힘/속도
Apparent stiffness	힘/변위     bisope

전달함수는 입력에 대산 출력의 비를 나타낸다. 전달함수는 input스펙트럼 밀도에 대한 cross스펙트럼 밀도의 비율을 의미하며 알려진 입력값에 대한 시스템의 반응을 예측할 수 있는 것이 가능하다.  포인트 A와 포인트 B간에 좋은 coherence를 나타낸다면 전달함수는 2개의 신호들 간의 비율이다. 예를 들어 포인트 B에서 진동을 측정하려 한다면 우선 포인트 A에서 진동을 측정하고 그 값을 전달함수로 나누어 주면 그 결과가 B지점에서의 진동이다. 많이 사용되는 전달함수의 종류를 6가지로 정리하면 다음과 같다.

위의 전달함수의 종류에서 힘에 대한 출력값(위의 3가지)은 전달함수 스펙트럼에서 공진주파수(resonant frequency)를 피크(peak)로 나타내고, 각 단위입력에 대한 힘의 출력값은(아래 3가지) 반공진주파수(anti resonant frequency)를 피크로 나타낸다. 이때 표현되는 값은 시스템이 가장 강성을 띄는 주파수를 표현한다고 할 수 있다.

 

 

키워드	전달함수, transfer function, 기여도함수, coherence

 

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Filtered & UnFiltered (계측기의 종류와 진동평가)

 Filtered & UnFiltered (계측기의 종류와 진동평가)

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진동계를 이용하여 기계의 진동을 평가하는 방법으로 보통 계측기의 단위를 설정하고 측정하여 계측기 액정화면에 나타나는 값을 일고 난 후, ISO나 API등의 기준과 비교하여 그 상태를 평가한다. 그런데 계측기의 종류에 대하여 전제한 조건인 ‘Filtered’ 계측기는 무엇인가를 묻는 경우가 있다. 설비의 진동을 측정할 경우, 허용진동기준을 언급한 각종 플랜트 시방에 따르면 가끔 이 용어에 따라서 기준을 달리 할 수 있음을 보여주고 있으므로 사용하고 있는 계측기를 확인할 수 있어야 평가할 수 있다.

 

Filtered 계측기-측정 주파수가 한정된 계측기

시방서에 있는 설명의 내용으로 다음과 같은 설명서가 적혀있다. ‘Shaft vibrations are judged on the basis of the unfiltered peak to peak shaft displacement S(p-p) measured on the major orbit axis relative to the bearing housing’ 이 것을 해석하면 이렇다.  ‘축진동은 베어링의 하우징에 대하여 그 상대적으로 주요 궤도(Orbit)의 축에서 측정된 ‘Unfiltered Peak to Peak’ 축변위량으로 평가하도록 규정되어 있다’ 전문가가 아니기 때문에 설명서 치고는 쉽지 않은 말로 이해 될 것이다.

여기서 ‘unfiltered’란 측정구역에 사용된 모든 주파수를 포함한 진동량(Overall Amplitude)을 의미한다. 특히 ISO나 API등에서 측정하는 주파수를 정해 놓은 경우가 있는데 이 때 ‘Filtered’라는 용어를 사용하므로 이에 비교되는 말이다. 위에서 설명하고 있는 ‘Unfiltered Peak to Peak’ 축변위량으로 ISO에서는 진폭으로, API에서는 베어링의 클리어런스와 비교하여 평가하는 방법을 사용하기도 한다.  그런데 여기서 내가 가지고 있는 계측기는 그러면 filtered냐 Unfiltered인가?를 가장 알고 싶어하는 의문이다. 그래서 이를 간단히 정리하면 다음과 같다.

 

Filtered	주파수를 한정한 진동계측기 예) 10~1000Hz 한정.	예) 진동스펙트럼분석기 Overall값, 최근 디지털 진동계, 저가격 주파수 한정제품,
UnFiltered	주파수를 한정하지 않은 계측기 예) 주파수 설정방법이 없음	예) 저가격 아날로그 진동계, Bently GE 시간파형 P-P Overall(True peak)                 bisope

가장 쉬운 구별법은 계측기에서 주파수를 설정할 수 있으면 ‘Filtered’계측기로 보면 된다. 그 때에는 해당기준에 맞춰 값을 읽어서 평가하면 되는 것이다. 여기서 오해하지 말아야 할 점은 이 Filtered 계측기가 과거에는 고가의 계측기였는데 이제는 저가의 계측기도 가능하다는 점이다.

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키워드	진동기준, ANSI, API, ISO, filtered, 주파수 필터링, 진동량

 

Iso18436-2 진동전문가 자격문제 샘플 210403

 Iso18436-2 진동전문가 자격문제 샘플 210403

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1-1.  다음 중 질량불평형(unbalance)의 물리적 원인으로 볼 수 없는 것은?

①       회전부분의 주물 내 기포 (캐비테이션)

②       베어링의 결함 및 윤활불량

③       열이나 기계적 변형-회전축의 열적 굽힘

④       키와 키홈 등과 같이 축의 비대칭(Asymmetry)

⑤       기계의 허용하는 오차 범위 안에서의 조립 에러

 

1-2.  다음 중 질량불평형(Imbalance)에 대한 설명으로 맞지 않는 것은?

①      축(shaft)중심(회전중심)과 무게중심이 서로 같지 않아서 발생하는 편심량(e, r)에 기인한다.

②      질량이 한쪽으로 쏠리거나, 부착된 질량이 갑자기 이탈되거나, 축심이 어긋나있는, 편심된 경우가 질량불평형의 예로 들 수 있다.

③      편심량과 질량 그리고 회전속도는 원심력을 발생시키고 이 원심력은 속도보다 질량에 더 크게 좌우된다.

④      원심력을 원점을 중심으로 구속하므로 싸이클이 반복하는 진동(Vibration)이 발생한다.

⑤      언발란스 U는 다음과 같이 정의된다. U = mr [g mm]  (ISO1940)

 

1-3.  다음 중 정적발란싱(Static)과 동적발란싱(Dynamic)을 구분하는 요소는 무엇인가?

①    회전자의 무게

②    회전자의 속도

③    고정자의 위치와 공극(air gap)

④    회전자의 비틀림

⑤    하우징과의 위상

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키워드	진동, 설비진단, 발란싱, 질량불평형

 

 

 

문제	답	난위도1-5	해설
1	2	3
2	3	3	편심량과 질량 그리고 회전속도는 원심력을 발생시키고 이 원심력은 질량보다 속도에 더 크게 좌우된다
3	4	4	회전자의 비틀림은 발란싱 각 평면의 위상차를 유발하며 동일한 질량의 가감으로 제측 또는 제어할 수 없다.
4

 

 

Gear 진동-3-뜯기고 손상된 기어

 Gear frequency-3-뜯기고 손상된 기어

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순간적인 과도한 하중이 가해지는 경우 기어의 문제는 기어이에 흠집이 있는 경우나 손상이 된 정도일 것이다. 이 상태를 진동으로 확인하는 방법은 다음과 같다.

뜯기고 손상된 기어(Broken, chipped)

하나의 기어치가 뜯기고 손상이 된 상태라면 1X RPM의 진동이 크게 나타나게 된다. 이러한 문제의 증명은 1X RPM을 나타내는 다른 현상들이 너무 많기 때문에 스펙트럼 데이타 하나만 가지고는 확인하기 어렵다. 이 때 가장 좋은 방법은 시간파형에서 충격파형의 반복이 문제가 있는 기어의 회전수와 일치하는 지를 확인하는 것이다. 이 결함에서는 충격파 현상이 반드시 발생하기 때문에 시간파형에서는 가속도에서 잘 확인되며 가능하면 많은 축 회전수들을 확인할 수 있도록 길게 시간주기 설정을 하여야 한다.

 

                                 

 

 

키워드	기어진동, 기어박스, 베어링진동, 사이드밴드, GMF, 기어 맞물림 주파수, 마모된 상태의 기어

 

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수식을 통한 진동의 물리적 설명1

 수식을 통한 진동의 물리적 설명1

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진동은 기준점을 중심으로 반복하는 운동이므로 수식으로 이를 표현할 수도 있다. 공학적인 입장에서 운동에너지와 위치에너지(탄성에너지)의 교번작용이 또한 진동이며 가진력(충격 또는 회전, 유체마찰)과 내부력(관성력, 감쇠력, 탄성력의 합산)의 힘겨루기가 진동이다. 우선, 동역학(Dynamic) 중의 하나인 진동, 동특성해석이라 부르는 대부분의 진동 중에서 ‘동(動)’은 “움직이는 상태”, 또는 “시간에 따라 물리적 특성이 변동하는 상태”를 의미한다. 즉, 똑 같은 힘, 토크라도 시간에 따라 변동이 된다면 (시간의 함수를 포함) 정역학이 아닌 동역학으로 해석해야 한다는 뜻이다. 예를 들면, 다리교량을 설계할 때 100톤의 무게만 가지고 최대하중을 설계하는 경우와 300톤의 교번하중이 초당 몇 번 반복하는지를 피로파괴해석에 도입하여 허용하중을 설계하는 경우의 차이라 할 수 있다.

 

 

관련 Tag

진동, 가진력, 탄성, 감쇠, 진동수식

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배관유체진동-펌프

 배관유체진동-펌프

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유체기계 중에서 펌프는 비압축성유체인 물과 그 밖의 다른 유체를 운송하는 데 다른 유체기계와 마찬가지로 서징과 같은 많은 유체진동이 발생하지만 펌프만의 독특한 진동특성도 나타나고 있다. 특히 캐비테이션이나 수격진동 등과 같은 것은 펌프에 연결된 배관만이 나타날 수 있는 현상이며 한 번 발생하기 시작하면 반복특성이 배관의 피로파괴와 연결이 되기 때문에 언젠가 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 특히 위험한 액체를 운송하는 배관에서 누설이 생긴다거나 중요한 설비의 냉각용이 문제될 경우를 대비해서 펌프가 보조시스템을 채용하고 있는 것을 상기하기 바란다.

 

배관유체진동-펌프

서징(surging)은 송풍기와 압축기와 마찬가지로 펌프에서도 발생한다. 펌프는 공기유체기계와 달리 배관계에 공기와 가스가 공존하는 탱크가 있다는 것과 그 탱크 하부에 유량조절밸브가 있다는 특징이 있다. 여기서 서징이 발생한다. 이를 대비하여 항상 열교환기 등의 잔류공기를 제거하고 시운전하는 대책이 있다.

고압펌프를 낮은 유량에서 운전할 때 흡입측에 캐비테이션(cavitation)의 발생도 없고 성능곡선도 항상 오른쪽으로 감소하는 안정영역이지만 서징과 유사한 맥동현상이 발생하는데 이 것을 동적불안정의 맥동현상이라 한다. 이 주파수 영역에 마침 배관계의 음향고유진동수가 있으면 압력맥동이 자려적으로 증가하여 큰 배관진동이 발생한다. 정격유량을 30%로 운전하여야 맥동을 비로소 피할 수 있다.

급수펌프의 시험운전시 최소유량으로 운전할 때 펌프의 회전수보다 낮은 압력맥동이 생겨 큰 배관진동을 일으킬 수 있다. 이 압력맥동 주파수는 배관계의 2차 음향고유진동에 해당하며 펌프가 그 압력맥동공명모드형상의 반절점(anti node)근처에 있기 때문에 발생한다. 압력맥동의 발생원인은 토출배관의 역류방지 밸브에서 주기적 와류가 발생하고 배관계의 공명모드와 공진하는 것이다. 이때 펌프의 위치는 압력맥동의 음향고유모드의 반절점에 있는 경우이다. 이처럼 펌프의 설치위치의 영향도 유념하기 바란다. 

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배관진동, 파이프진동, 설비진단, 배관진동의 측정, 배관진동설계, 유체진동

캠벨선도(Campbell diagram)

 캠벨선도(Campbell diagram)

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진동을 분석하는 여러 가지 형태의 그래프 중에서 스펙트럼과 시간파형은 2개의 축(시간과 진폭 또는 주파수와 진폭)에서 표기되는 반면, 여기에 3축이 추가로 표현되는 공간그래프로는 ‘Nyquist, Orbit, Waterfall, 그리고 Campbell선도가 있다. 그런데 orbit은 두 개의 센서를 이용한 궤적을 표현하는 Nyquist는 실수와 허수영역에 대한 공진영역의 표기이므로 정확히 말하면 3번째 축이 있는 것은 아니며 공간에서 크기를 표현한 것이라고 할 수 있다. 그래서 진정한 3축을 표현한 Campbell선도는 RPM, Hz, order그리고 고유주파수와 진폭의 크기의 관계에 대한 대표적인 공간적 order연관 진폭 표현법이라고 할 수 있다. 

 

캠벨선도를 통한 order분석

캠벨선도는 천천히 점차 증속되는 대형 회전기계의 회전동력학적 분석(Rotor dynamics)에 많이 활용되는 그래프로 X, Y축 중 하나는 회전속도(speed, RPM), 또 하나는 주파수(Hz)로 구성되어 있으며 제 3의 축으로 회전수 기준대비 Order(1X, 2X, 3X, …)의 사선을 그리되 진폭의 크기를 동그라미의 지름, 색의 표시, 피크 등의 크기로 표현한 그래프를 말한다.

이 캠벨선도의 그림형상은 그 공간적 표현이 Waterfall, Cascade와 유사하나 Order의 선도와 진폭의 크기가 도형, 색 등으로 표기되었다는 특이성이 있다. 즉, 회전수 RPM이 증가할 때 진폭이 커지는 주파수대역과 회전Order와의 연관성(위험속도, Critical speed), 그리고 회전속도가 올라갈 때 축의 고유주파수도 상승하는 대형 Rotor의 Mode선도를 같이 검토할 수 있는 특장점이 있다는 것이다.

만약, 특정 Order에 동그라미 크기가 커지는 주파수 대역이 있다면 그 구역이 바로 위험속도일 가능성이 있는 것이다. 주로 회전성분이 전체 진동량을 좌우하는 터빈 및 대형 회전기계의 회전체 동력학에서 아주 유용하게 사용할 수 있고 설비진단분야에서는 이를 아주 잘 설명할 수 있는 자료로 사용된다 또한 Waterfall이 화면이 복잡하여 분석하기 힘든 경우에 진폭증가 또는 감소영역을 확연하게 구분할 수 있으며 고유mode선도와 일치하는 구간, 고유mode가 변동되는 상태를 잘 파악할 수 있도록 한다. 다음은 캠벨선도를 읽는 규칙을 정리하였다.

 

-원의 지름이 크면 진폭이 큰 것이다.

-일정 주파수에 원이 나열되었다면 그 구역은 고유주파수(고유모드)일 가능성이 크다.

-일정 주파수와 Order사선의 중복되는 지점에 원이 더 커진다면 위험속도이다.

-일정 RPM에 원이 나열되었다면 구조공진으로 볼 수 있다.

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키워드	orbit, spectrum, Campbell, 공간분석, 진동분석, 캠벨선도,order분석

orbit, spectrum, Campbell, 공간분석, 진동분석, 캠벨선도,order분석