Vibration Signal Transducer
2.1 振動 信號 變換器 選定 (Selection of Vibraion Signal Transducer)
기계의 진동을 측정하기 위해 변환기의 종류를 선정할 때 다음과 같은 여러 요인들을 고려해야 한다.
① 기계 측정 대상 부분의 진동 특성 (베어링 타입, 기계 요소 타입)
② 적용 규격, 온도, 주파수 응답 등
③ 경제성 즉, 기계의 가격과 설치 비용에 대한 기대 이익
적용하기에 적합한 변환기에 대해 추천할 수 있는 사항은 대단히 광범위하다. 따라서 각 변환기 종류에 대한 장,단점을 비교함으로써 실무에 있어 효과적인 평가를 할 수 있도록 하고자 한다.
2.2 振動 信號 變換器 種類 (Vibraion Signal Transducer Type)
변환기란 하나의 에너지 형태를 다른 에너지 형태로 변환시키는 역할을 하는 기기를 말한다. 진동 신호 변환기의 종류는 대략 다음과 같은 5가지가 있으며, 그 중에는 구동전원을 필요로 하는 것과 필요로 하지 않는 것이 있다.
• Proximity Probe
• 속도 변환기(Velocity Transducer)
• 가속도계(Accelerometer)
• Shaft Rider
• Dual Probe Type
※ 각 종류의 장․단점은 제 3 장 7절 “진동 변환기의 비교”를 참조할 것
2.3 Shaft Rider와 Dual Probe 比較 (Comparison of Shaft Rider with Dual Probe)
회전 기계류에서 진동을 일으키는 근원은 회전하는 축(Rotor)에 기인하는 것이다. 그러나 축이 허공에서 회전하는 것이 아니고 베어링에 의해 지지되고 있으므로 기계의 상태 감시는 축과 베어링간의 상대 진동을 감시함으로써 그 상태를 판단할 수 있다. 이를 위해서는 베어링에 Proximity Probe를 설치하고 여기서 측정된 변위 신호를 이용하여 감시나 분석 작업을 수행한다. 그러나 일부 제한적인 경우에 축 자체의 물리적 특성과 일부 진동 원인에 대한 분석을 위해 축의 절대 진동 측정이 요구될 때 이러한 신호를 제공할 수 있는 방법으로 다음과 같은 두 가지 유형의 변환기 및 방식이 사용된다. 즉 Shaft Rider와 Dual Probe 방식이다 (그림 13-2 참조).
그림 13-2 Shaft Rider와 Dual Probe
Shaft Rider는 변위 측정 방식 변환기가 산업 설비 감시 분야에 적용되기 이전에 사용되던 고전적 방식으로서, 베어링 하우징을 관통하여 스프링에 의해 장착되는 기계장치를 거쳐 축에 얹혀지는 측량 막대 집합체로 구성되어 있다. 베어링 하우징 외부에 있는 측량막대의 상단은 직접 지진계식 변환기에 접속되어 있으며 지진계식 변환기는 보통 속도 변환기이다. 측정 방식이 기계적 움직임인 진동을 기계적으로 측정하는 방식이므로 측정 가능한 주파수 범위가 매우 제한적이며 시간의 경과에 따라 측정 부위의 마모 등으로 인한 데이터 신뢰성이 부족하게 되는 방식으로 이해된다. Dual Probe 방식은 상대 변위 측정 방식과 지진계식 측정 방식을 조합하여 절대 진동을 측정하는 최신 기법이다. 베어링에 부착되어 축의 상대 진동을 변위로 측정하는 Proximity Probe와 베어링의 절대 진동을 측정하는 지진계식 속도 변환기의 조합으로 구성되어, Proximity Probe는 축과 베어링의 상대 진동을 측정하고, 속도 변환기는 베어링 하우징의 절대 진동을 측정한다. 이 후 속도 신호가 변위로 적분되고, 축의 상대적 변위 신호에 순시적으로 합산되는 신호 처리 과정을 거쳐 축의 절대 진동 값을 얻게 되며 동시에 축의 상대 진동과 케이싱의 절대 진동, 그리고 베어링 내의 축의 상대적인 위치 정보 등 분석과 감시에 매우 중요한 추가 정보들이 이용 가능하게 된다. Shaft Rider가 축의 절대적인 진동 값만을 제공하는 반면, Dual Probe는 Shaft Rider보다 기계적인 상태에 관한 많은 정보를 제공하는 장점이 있다. 축 진동의 상대적 측정값 대 절대적인 측정값과 Dual Probe 대 Shaft Rider에 관한, 터빈 제작자가 작성한, 다음 사항을 참조하도록 한다.
• 축의 절대적인 혹은 축의 상대적인 진동 측정값의 활용
이는 특정한 단위 기계에 대한 베어링 하우징의 구조에 따라 결정된다. 대다수의 회전 기계에서 베어링 하우징은 임계 진동주파수에서 거의 움직이지 않는 무거운 주조물이다. 이와 같은 베어링에 대해서는 상대 진동 값을 취하는 것이 적합하다. 조립된 베어링 하우징이 있는 기계에서는 절대 진동 측정이 바람직하다. 이 절대 진동 측정시스템에는 베어링의 움직임 및 관련된 축의 움직임 측정용 Sensor와 고정된 기준형틀에 대한 베어링의 움직임을 측정하기 위한 지진계식 Sensor가 포함된다.
• Dual Probe와 Shaft Rider의 비교
Proximity Sensor는 축 표면에 전혀 접촉되지 않으나 자계를 송수신하여 Gap의 거리에 비례하는 자계의 강도를 이용하여 표면으로부터 200 mV/mil 정도의 값을 얻는다. 따라서 Dual Probe 방식은 절대 진동 측정용 지진계식 변환기 이외에는 움직이는 부분이 없으며, 신뢰도도 높고, 마모가 없다. 정확도와 감도는 10,000 ㎐ 주파수까지 양호하다. Shaft Rider는 축에 직접 접촉되며, Shaft Rider Tip과 축에 마모를 일으킨다. Shaft Rider는 윤활이 되는 부분에 설치해야만 하고, 그러기 위해 베어링을 관통하여 설치한다. 따라서 “Oil Whip”에 취약하며, 주파수에 제한을 받는다 (통상 10～120 ㎐까지 양호함). 움직이는 부분과 직접 접촉으로 인한 고착, 미끄러짐, 휨, 이음 등의 발생으로 측정값에 오차가 발생한다. 이러한 요소들은 Shaft Rider 계통의 교정을 곤란하게 한다.
Probe는 설치할 기계 하우징의 베어링에 직접 취부되어 있어야 하나, 일부 부득이한 경우의 설치 사례에는 기계 구성품의 다른 요소에 설치된 것도 있다. 이때, Proximity Probe에 의해 측정된 평균 반경 방향 축 위치에 관한 정보가 베어링 내에서의 축 위치를 나타내는 측정값으로서는 무의미할 수도 있다. 또한 이러한 정보는 Proximity Probe 측정 위치에서의 안정상태의 변화에 의해서도 영향을 받을 수 있다. 그 예로서 Probe가 축으로부터 멀어지는 작용을 하는 열팽창이 발생한 베어링 하우징을 들 수 있다. 이런 경우 평균 반경 방향 위치 측정용 “Cold Probe Gap”의 원래 기준 점을 유지하기도 곤란하게 된다.
2.4 Proximity 變換器 設置 環境 條件 (Proximity TransducerInstallation Requirements)
Probe는 대부분의 석유화학 제품에 견딜 수 있으며, pH 4～10을 갖는 화학제품에도 견딜 수 있다. 그러나, pH가 4이하인 강산과 pH가 10이상인 강염기와 일부 유기 솔벤트(Dimethyl Formamide 같은)는 Probe를 손상시킬 수 있다. 온도가 높은 곳(176.7 ℃)을 통과해야 하는 Probe 전선과 연장 케이블은 온도가 낮은 다른 곳(윤활유관 등)으로 우회시켜야 한다. 현재 가장 널리 사용되고 있는 Bently Nevada사의 제품의 경우 아래와 같다.
• 운전온도
Proximitor : -51～100 ℃(-60 ℉～212 ℉)
Probe 및 연장 케이블 : -34 ℃～177 ℃(-30 ℉～350 ℉)
•상대습도
1992년 1월 이전 생산품 – 95%로, 응축되지 않은 상태
1992년 1월 이후 생산품 – 100%로, 물에 잠기지 않은 응축상태