Vibration Monitoring Methods
1.1 槪要 (Introduction)
회전 기계 상태에 대한 감시는 기계류가 만들어졌을 때부터 시작되었다고 말할 수 있다. 기계의 상태 변화에 의한 손상 정도에 따라 유지 보수 비용과 기계 관리 분야에의 안전성 등에 영향을 받게 되며 이는 산업 현장에서 매우 중요한 이슈로 부각되고 있다. 이러한 손상을 사전에 방지하기 위해 기계의 상태를 감시하는 가장 주된 방법으로 진동의 변수들 (크기, 성분, 위치, 모습 등)을 감시하는 방법이 널리 적용되고 있다. 그 유형별로 온라인 연속 감시(On-line Continuous Monitoring), 온라인 주기 감시(On-line Periodic Monitoring), 오프라인 주기 감시(Off-line Periodic Monitoring with Portable)의 세 가지가 있다. 온라인 연속 감시 방식은 기계에 설치된 진동 변환기를 통해 수집된 진동 데이터를 각 설치 장소로부터 직접 연결 방식을 통해 24시간 연속적으로 감시하게 된다. 온라인 주기 감시 방식은 각 기계들에 설치된 변환기들을 하나의 신호 선으로 연결하여 경제적으로 설치 비용을 감소하면서, 직렬 연결 방식에 의해 주기적으로 각 변환기의 신호를 수집하여 감시하게 된다. 마지막으로 가장 전통적인 방법인 수 작업에 의한 주기적 감시 방법이 있다. 이는 휴대형 진동 수집 장치를 이용하여 일정한 간격으로 데이터를 수집하여 상태를 감시하는 방법이다.
1.2 週期監視 및 連續監視 長-短點 比較 (The Comparison of Periodic Moniotring with Continuous Monitoring)
1.2.1 오프라인 및 온라인 週期監視 (Off-line & On-line Periodic Monitoring)
가장 고전적인 방법으로 사람의 수 작업에 의존하는 방법과 1980년대부터 적용되기 시작한 온라인 주기 감시 방법은 초기 투자 비용이 매우 저렴하고, 어떤 기계에서나 데이터를 수집할 수 있으며, 관리하는 사람의 의지에 따라 좋은 효과를 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 수 작업에 의한 방법은 수집하는 방법의 개인차로 인한 일관성이 결여될 가능성이 크고, 데이터 수집 간격 사이에 문제 발생 시 취득이 불가한 점, 대상 기계의 수에 따른 데이터 수집 간격이 너무 크다는 점, 빠르게 진행되는 기계 문제는 감지할 수 없고, 데이터를 수집하는 인력을 양성하는데 많은 비용이 소요된다는 점 등이 단점이다. 이를 대체하며 경제적으로 설치 비용을 줄이면서도 위의 수 작업에 의한 단점을 보완하기 위해 적용되기 시작한 방식이 온라인 주기 감시 방식으로서 일반적으로 기계의 중요도가 낮아 기계 문제가 공장의 가동에 큰 영향을 미치치 않는 구름 요소 베어링을 가지는 기계들의 감시에 적용된다. 현장에 영구적으로 설치된 변환기를 통해 주기적으로 데이터가 수집되어 분석에 이용되는 방식이므로 수 작업에 의존했던 기계류와 산업 설비 감시 방식을 효과적으로 대체하고 있다. 또한 이 방식은 소수의 인원이 다량의 기계를 감시하고자 할 때 저렴한 초기 투자 비용으로 최대의 효과를 얻기 위한 적합한 방식이다.
1.2.2 온라인 連續監視 (On-line Continuous Monitoring)
공장 가동에 매우 영향을 미칠 수 있는 중요 기계들은 현장에 영구적으로 설치된 변환기들로부터 데이터가 병렬 연결 방식에 의해 각 포인트에서 직접 연결되어 24시간 연속적으로 상태를 감시할 수 있어야 하며, 이때 적용하는 방법이 온라인 연속 감시이다. 지속적으로 기계의 상태를 감시함으로서 상태 변화를 감지하여 문제 발생 초기에 예지 보전이 가능한 데이터를 제공하며 기본적인 상태에 대한 경향 정보와 각종 기계 문제를 분석하기 위해 필요한 동적 진동 데이터의 제공 능력을 가지고 있으며 감시 장치에 추가적으로 데이터 처리 장비를 연결하거나 컴퓨터 시스템과 연계시 효과적으로 각종 분석 데이터를 이용하게 된다. 다른 방식에 비하여 초기 설비 투자 비용이 많아지게 되나 이는 기계의 중요도를 고려할 때 문제점이 될 만한 사항은 아니며, 각 변환기의 설치에 많은 비용이 소요되는 점이 있다.
1.3 連續 振動 監視 시스템의 構成 (The Construction of Continuous Vibration Monitoring System)
회전기계의 상태를 진동이라는 변수를 지속적으로 감시함으로서 예지 보전이 가능하게 되고, 기계적 손상을 예방할 뿐만 아니라 대형 사고를 미리 방지할 수 있다. 또 다른 측면으로는 설비 가동률 증가에 따른 생산성 제고는 물론 유지 보수 비용도 절감할 수 있다. 이러한 목적으로 사용되는 진동 감시 설비는 흔히 진동 변환기, 현장 배선, 영구적 감시계통의 세 부분으로 구성된다.
(1) 변환기는 하나의 에너지 형태를 다른 에너지 형태로 변환 시키는 것이며, 연속 진동 감시에 사용하는 변환기로는 지진계식(Seismic)과 변위 측정식인 Proximity 장치가 있다. 지진계식 변환기는 접촉식으로서 하우징이나 케이싱의 절대 진동을 측정하며, Proximity 장치는 비 접촉식으로 하우징이나 케이싱을 통해 설치되어 관측 면인 축 진동 및 위치를 상대적으로 측정한다. 케이싱의 팽창이나 밸브의 위치 등을 측정하는 여러 가지 다른 종류의 변환기도 있다.
(2) 현장 배선은 변환기의 신호를 감시계통으로 전달하는 통로로, 전원이 필요한 신호 변환기에 전원 공급 역할도 수행한다.
(3) 감시계통은 변환기의 신호를 측정에 적합한 단위나 신호로 변환시킨다. 이 변환 동작에 따라 진동을 표현하는 단위가 달라지게 된다. 이러한 감시계통을 Rack이라 부르며 이 Rack은 전원 공급장치, 시스템 Monitor, Monitor의 세 가지 기본요소로 구성되어 있다.
① 전원 공급장치
전원 공급장치는 Monitor와 그에 연계된 신호변환기에 정류된 전원을 공급한다.
② 시스템 Monitor
시스템 Monitor는 Rack에 설치된 전 시스템의 동작상태를 감시하는데, 시스템의 정상 동작에 필수 요소인 공급 전압의 건전성을 감시하며, 시스템의 정상 여부도 판별한다. 즉, 해당 시스템의 변환기와 현장 배선에 대해 규제치 내에서의 정상 동작 여부를 감시하여 관련 정보를 제공한다. 또한 경보 기준 값을 설정할 수 있고, 시스템을 Reset시킬 수 있도록 되어 있다. 또한, 이 계통은 Monitor Rack과 전산기를 이용한 데이터 수집용 소프트웨어를 연결시 이러한 시스템 구성에 필요한 진동 정보들을 제공하는 역할도 담당한다. 반면, 이 계통은 회전 기계의 주 감시 경로에 직접적으로 관여하지 않으므로 시스템의 신뢰성에는 직접적인 영향을 미치지 않는다.
③ Monitor
Rack에 설치되는 Monitor에서 감시 중인 기계의 상태를 볼 수 있다. 이 Monitor들은 그 역할에 따라 진동, 위치, 온도, 위상 기준 신호 제공 등 다양한 종류로 구성되어 있으며 변환기 계통의 정상 동작 여부, 측정값의 크기 및 이의 설정 치와 비교한 적정성 여부를 나타낸다. 즉, “ALERT”와 “DANGER”로 기계의 경보상태까지 나타낸다.
1.4 Proximity 變換器 (Proximity Probe)
Proximity Probe 시스템은 비접촉식으로 변위를 측정하는 센서로서 Probe, Proximitor, Extension Cable의 세 가지 요소로 구성되어 진다. 기본적인 전원은 Monitor Rack으로 부터 Proximitor로 공급되어 진다. 공급된 전원에 의해 변위 센서를 구동하는 신호가 Proximitor에서 발생되어 지고, 이 구동 신호는 연장 케이블을 통해 Probe로 전달된다. Probe는 측정하고자 하는 기계 부위에 가장 근접하여 설치되며 Proximitor에서 발생시킨 신호를 측정 면에 투사하고 이로 인해 형성된 와전류 (Eddy Current)에 의한 상대적인 신호 손실 분을 Proximitor에서 감지하게 된다. 따라서 이를 변조하여 변위 신호를 전송하게 된다.
1.4.1 Probe
이 구성품은 기계에 설치되는 부분으로 끝 부분은 Polyphenylene Sulfide (PPS)라는 소재로 밀봉되어 있고 고정부는 나사가 쳐진 Stainless Steel로 되어 있다. 신호를 전달하는 케이블은 3중으로 구성되어 있는데 가장 가운데 신호선이 있고, 중간에는 Common 역할을 수행하는 선이 있으며, 가장 외곽에는 차폐 기능을 담당하는 선으로 구성되어 있다.
1.4.2 Extension Cable
Probe와 Proximitor를 연결하는 역할을 하는 케이블로서 Probe에 연결되어 있는 케이블과 동일하다. 설치 후의 유지 보수와 현장 상황에 적절한 설치 환경을 제공하기 위해 이러한 케이블이 시스템의 한 부분으로서 사용되고 있다. Probe에서부터 Proximitor까지의 전기적 전선의 길이는 연장 케이블에 의해 결정된다. 시스템의 한 부분으로서 정확한 규격과 동일 시스템에 부합하는 케이블이 사용되지 않는다면 Proximitor에서 신호를 처리하는데 사용된 회로와 동일하지 않게 되어 잘못된 변위 측정 신호를 생성하게 된다. 연장 케이블은 Probe와 Proximitor에서 규정한 것을 사용하여야 한다.
1.4.3 Proximitor®
Proximitor는 기본적으로 아래와 같은 두 가지 기본 기능을 갖는 일종의 전자 기기이다.
(1) 발진기 회로를 사용하여 라디오 주파수(Radio Frequency : RF)를 발생시킨다. 발진기에서 발생하는 RF 신호의 주파수 대역은 500 kHz～2.0 MHz이며, 이 주파수는 Probe Coil의 인덕턴스(L)와 Probe와 관련한 케이블의 캐패시턴스(C)의 크기에 의해 결정된다. 따라서, 연장 케이블의 길이가 너무 길거나 짧으면 RF 신호 주파수가 변하여 Probe의 출력도 변화하므로 부적합한 신호가 된다. 또한 Probe Tip으로부터 간극이 일정 거리(100 mils)이상 떨어지면 간극과 출력간의 선형성이 유지되지 않는다. RF가 존재하는 영역(RF Field)에 금속이 접근하면 그 금속 표면에 와전류가 흐르게 된다. 이 와전류란 전도성의 금속에 자속이 시간적으로 변화할 때 전자 유도에 의해 전계가 발생하며, 그로 인해 자속의 변화를 방해하는 방향으로 전류가 흐르게 되는데 이 전류를 일컫는다. 이 와전류의 침투 깊이는 금속의 전도율과 투자율에 따라 결정된다. 예를 들어, 4140 Steel은 약 3 mils 정도이다. 도금된 금속의 경우, 이 도금 두께는 최소한 와전류의 침투 깊이 이상이 되어야 한다. 이 조건이 충족되어야만 Probe의 출력이 선형성을 유지하도록 와전류가 도금 금속을 항상 투과하도록 할 수 있다.
(2) RF 신호에 의해 생성되는 금속 표면에서의 와전류 발생 정도를 감지하여 변조하고 이를 통해 변위 신호를 획득한다. 이를 위해서는 외부에서 전원을 공급받아야 한다 (-17.5～-26 Vdc). Probe를 전도성 금속에 근접시켜 와전류가 흐르도록 하면, Probe와 전도성 금속 사이의 거리가 최소일 때 RF 신호의 진폭이 최소가 되며, 최대의 와전류가 흐른다. 반대로, Probe와 전도성 금속 사이의 거리가 최대일 때 RF 신호의 진폭이 최대가 되며, 최소의 와전류가 흐른다. 따라서, 전도성 금속이 RF Field내에서 서서히 움직이면 RF 신호의 진폭이 서서히 증가하거나 감소하며 움직이는 속도가 빨라지면 RF 신호의 진폭도 빠르게 변화한다. 즉, RF 신호가 전도성 금속의 움직이는 속도에 따라 변조된다. 복조 회로는 위와 같이 변하는 RF 신호의 진폭을 감지하게 되고, 전도성의 금속이 서서히 움직이거나 움직이지 않으면 Probe의 출력은 부(負)의 직류 전압이 되며, 반대로 움직임이 빠르면 정현파의 전압이 출력으로 나타난다. 따라서 전도성 금속이 움직이면서 진동한다면 Probe의 출력은 직류와 교류 성분을 모두 갖게 되며, 이 때 나타나는 주파수 성분은 0 ㎐～10 kHz이다.
1.4.5 Proximity Probe 用途 (Usage of Proximity Probe)
회전체 진동 감시 분야에서는 아래와 같은 세 가지 방식으로 적용되고 있으며 이들 각각은 진동 감시와 분석에서 매우 중요한 역할을 담당하게 된다.
• 진동 : 반경 방향 움직임 측정
• Thrust : 축 방향 움직임 측정
• Keyphasor : 위상 측정에 필요한 기준 신호를 제공하게 됨
1.4.6 Probe의 性能 確認 (Probe Perfomance Check)
Proximity Probe는 일정한 선형범위 내에서 주어진 간극에 대하여 일정 전압이 출력되도록 설계되었으며, 이러한 관계를 Scale Factor라 한다. Proximity Probe의 기준 Scale Factor는 200 mV/mil (또는 7.87 mV/um) 이며, Proximitor 명판에 Scale Factor가 표시되어 있다. 일반적으로 Tip의 지름이 크면 선형 특성 범위가 넓게 되며 상대적으로 용해도는 작게 된다. 평균 Scale Factor ASF = 간극 전압 변화의 크기 / 간극 변화의 크기가 된다.
그림 13-1과 같은 특성이 있는 경우라면 
이며, 오차는 ±11 mV가 된다. 즉, 189 mV/mil～211 mV/mil이 된다.
Probe의 성능을 확인해 보면 그림 13-1과 같은 특성을 얻을 수 있는데, 이 확인 과정에서 Probe와 Spindle Micrometer를 0에 설치한 후 5 mils 씩 증가시키면서 Probe의 출력 값을 측정한다.
* 초기 Probe Gain을 Monitor로 조정하고, 기록해 두는 것이 중요하다. 이렇게 확인한 결과, 성능곡선이 특정 범위를 벗어나는 경우는 다음 사항을 점검하여야 한다.
그림 13-1 간극에 대한 Probe의 출력 특성
• 공급 전압의 부적정
Proximitor의 전원 전압 범위는 -17.5～-26 Vdc이다. 만약 전원 전압이 -16 V였다면, Scale Factor는 영향을 받지 않으나 선형성 범위가 현저히 축소된다.
• 시스템 구성품의 부적합
Probe, 연장 케이블, Proximitor 등 계통 구성 요소 중 하나 이상이 맞지 않는 경우로 제반 특성이 현격히 변화된다. 즉, 측정값 자체가 의미가 없는 상황이 된다.
• Proximitor의 교정
Proximitor는 Target 재질에 따라서도 출력 특성이 많이 변화하므로 Target 재질이 바뀌면 제품에 명기된 재질에 따라 다시 교정하여야 한다.
• 기타
상기 이외의 원인으로 계통이 동작하지 않는 경우에는 고장 중인 부분을 확인, 정상화시켜야 한다.