3. 진동 위상각

Vibration Phase

 

3.1 振動 位相角의 定義 (Definition of Vibration Phase)

3.1.1 振動 位相角 (Vibration Phase)

위상각 분석은 문제점의 근원을 진단하는데 강력한 도구이다. 예를 들면 운전속도에서 고진동의 원인이 될 수 있는 많은 문제점들이 있다 (즉, Unbalance, Misalignment, Eccentricity, Bent Shaft, Soft Foot, Cracked/Broken Gear Tooth, Resonance, Loose Hold-Down Bolt 등등). 마찬가지로 2×나 3×RPM에서도 고진동을 일으킬 수 있는 여러 문제점들이 있다. 각 진동주파수 (1×, 2×, 3×RPM)에서 고진동이 발생할 때 문제의 각 베어링에서 위상각을 측정하고 이를 이해하면 진동문제를 보다 쉽게 해결할 수 있다.

위상각이란 진동체 상의 고정된 기준점에 대한 진동체의 어느 부분의 상대적 위치변화이다. 환언하면 두개의 신호사이의 시간 또는 위치관계를 각도로 표시한 것이다. 위상각은 상대운동량이므로 동일한 기준점에 설치한 2개의 질량과 스프링을 가지는 예들을 들어본다. 그림 2-29는 서로 동상(In-Phase)인 0°의 위상각 차를 가지고 동일한 율로 진동하는 2개의 시스템이다.

그림 2-29 동상 (0°위상차)으로 진동하는 2개의 질량

그림 2-30은 90°위상차로 진동하는 2개의 질량이다. 즉 Mass #2는 Mass #1보다 1 사이클의 1/4(90°)앞서있다. 이것은 Mass #2의 운동에 대하여 Mass #1이 90°위상각 지연 (Phase Lag)을 가진다고 한다.

그림 2-30 90°위상차로 진동하는 2개의 질량

 

그림 2-31은 역상(180°위상차)으로 진동하는 2개의 질량이다. 즉 어떤 순간에도 Mass #1이 아래로 이동할 때 동시에 Mass #2는 위로 이동한다.

그림 2-31 역상 (180°위상차)으로 진동하는 2개의 질량

 

그림 2-32는 위상각이 기계진동과 어떤 관계를 가지고 있는가를 보여준다. 왼쪽 그림은 베어링 1과 2사이에서 0°위상차(동상)를 가지며 반면에 오른쪽 그림은 180°위상차(역상)를 가지고 진동하는 것을 보여준다.

그림 2-32 기계진동에서 사용되는 위상관계

 

3.1.2 相對 位相角 (Relative Phase)

상대 위상각은 하나의 진동신호상의 한 지점으로부터 다른 진동 신호상의 상응하는 가장 가까운 지점까지의 시간관계를 각도로 표시한 것이다.

그림 2-33 상대 위상각

 

다음은 상대 위상각을 측정하는데 사용되는 5가지 규칙이다.

① 두개의 진동 신호

② 동일한 진동 주파수

③ 동일한 단위 (mils, in/s, g's)

④ 두 진동신호 각각이 기준 진동신호가 될 수 있다.

⑤ 상대위상은 0°와 180°사이에서 앞서거나 (Leading) 또는 지연(Lagging) 된다.

 

3.1.3 絶對 位相角 (Absolute Phase)

절대 위상각은 Keyphasor가 펄스한 후 (1 회전당 1회 기준 펄스 발생)진동신호의 첫 번째 Positive Peak까지의 진동사이클의 각도이다 (그림 2-38~2-40 참조).

절대 위상을 측정하는데 사용되는 법칙은 아래와 같다.

① 두개의 진동신호 (단일 진동 주파수로 여파된 진동신호와 기준신호)

② 여파된 진동주파수는 기준신호의 정수배이어야 한다.

③ 절대 위상각은 기준신호로부터 측정되어지므로 항상 지연 위상 (Lag Angle) 이며, 0°에서 360°사이로 측정된다.

④ 0°위치는 기준신호가 발생한 때 기준 진동 변환기 바로 아래에 있는 축상의 지점이다.

 

3.2 位相角 測定 (Phase Measurements)

위상각을 측정하는 방법에는 다음과 같이 3가지가 있는데 Strobo Light 및 Photocell 방법은 이동용 진동 분석기가 사용되는 곳에 또한 Keyphasor 방법은 영구설비로써 사용된다.

3.2.1 Strobe Light Method

Strobe Light는 Pickup에서 측정한 진동주파수와 같은 비율로 Flash하거나 주파수 조정 Dial로 설정한 비율로 Flash하여, 진동을 일으키는 기계 부분을 시각적으로 정지상태로 만들어 각도를 읽는데 사용된다.

그림 2-34 회전하는 기준표시와 고정의 각 기준을 가지는 위상측정

 

그림 2-35 고정한 기준표시와 회전하는 각 기준을 가지는 위상측정

 

위상각을 취하기 위해서는 Strobe Light를 먼저 관심이 되는 주파수(통상 축회전 속도)에 조정시킨 다음 진폭 및 위상각을 기록해야 한다. 변환기를 베어링마다 이동시키면서 수평, 수직 및 축방향의 자료를 취한다.

Strobe Light를 이용하는 경우, 변환기를 새로운 위치나 방향으로 이동시킬 때마다 그 위치에 일관성이 없으면 변환기 설치위치와 Strobe Light 설치위치 사이의 각도가 달라지므로 인해 측정상의 오류가 발생하는데 이를 피하기 위해서는 전 베어링에서 항상 일정한 위치에서 측정해야 하므로 고정위치를 표시 해놓는 것이 좋다.

3.2.2 Photocell Method

이 방법은 회전체에 부착시킨 반사 Tape에 고정한 Photocell에서 Light Beam을 쏘아 위상각을 측정하는 것으로, Strobe Light 방법이 각도를 읽을 때 오차가 발생할 수 있는 반면에 Photocell 방법은 대단히 정확하게 각도를 측정할 수 있다.

그림 2-36 Photocell을 이용한 위상각 측정

 

3.2.3 Keyphasor Method

Proximity Probe는 일종의 전자기기로써 규정된 전압(-18 V~-24 Vdc)을 인가하면 발진기 회로를 통하여 Radio Frequency가 발생하고, 이 Field내에 금속표면이 있으면 Eddy Current가 발생한다. Probe와 금속표면간의 Gap이 커지면 Radio Frequency의 진폭은 커지고 Eddy Current는 작아진다. 이 원리를 이용하면 Gap, 즉 진동진폭을 측정할 수 있다.

그림 2-37 Proximity Probe의 원리

 

Proximity Probe를 회전체에 있는 Keyphasor (Shaft Reference 즉 Notch 또는 Projection) 부위에 설치하여 회전체가 회전할 때 Probe와 Keyphasor가 일치하는 순간에 기준 Pulse (Keyphasor Pulse)가 발생한다. 위상각은 Keyphasor Pulse로부터 진동 Probe로 감지한 동적운동 (Vibration)의 첫 번째 Positive Peak까지의 각도이다.

그림 2-38 Keyphasor와 Probe 설치

 

예를 들어 그림 2-39에 1× 절대 위상각을 측정하는 경우에 측정한 위상각은 Blank Spot의 선단으로부터 첫 번째 진동의 Positive Peak까지이다. 즉 기준신호로부터 진동의 Positive Peak까지이다. 따라서 절대 위상각은 항상 지연각이다.

그림 2-39 1× 절대 위상각

다른 진동 주파수들에 대한 절대위상 측정은 앞과 동일한 방법으로 시행된다. 이 예에서는 진동 주파수는 2×이다. 이는 축이 1회전하는 동안 (Keyphasor 펄스 대 Keyphasor 펄스)2개의 완전한 진동사이클이 발생하기 때문이다. 절대 위상각은 Blank Spot의 선단으로부터 진동의 첫 번째 Positive Peak까지의 각도이다. 진동 사이클의 각도를 정확히 측정하는데는 오실로스코프상의 눈금을 이용하면 된다.

그림 2-40 nX 절대 위상각

 

TRAC Mark INCOSYS