1. 진동 변환기

Vibration Transducers

변환기(Transducer)는 진동, 온도, 압력 등과 같은 물리적 양을 감지하여 측정한 변수에 비례하는 전기적 출력 신호로 변환시키는 신호 변환기이다.

일련의 측정 과정을 쇠사슬에 비유하면 변환기는 중요한 첫 번째 고리에 해당한다. 변환기는 측정한 변수들의 특성을 정확히 재생하여야 한다. 왜냐하면 변환기에 의해 빠뜨려지고 왜곡되는 정보는 후에 다시 발견되거나 재현되지 않기 때문이다. 그러므로 변환기는 사용 목적에 적합한 것을 사용하여야 하고 적정하게 설치되어야 하며 그 작동 상태가 양호해야 함은 물론 그 특성을 잘 이해하여야 한다.

진동 변환기는 기계적인 운동을 동적인 AC 전기 신호로 변환시킨다. 몇 가지 예외는 있지만 기계 진동을 감지하는 변환기는 감시, 표시, 분석, 기록 장치에의 사용과 전송을 위한 충분한 크기를 가진 출력 신호를 얻어내기 위하여 증폭이나 변환 회로(Conversion Electronics)가 필요하다.

일반적으로 기계상태를 감시하는데 사용되는 진동변환기는 다음과 같은 것들이 있다.

․ 비접촉식 변위 변환기 (와전류 Probe)

․ 속도 검출기 (전자 기계식과 압전 소자식)

․ 가속도계

앞장에서, 주어진 응답을 얻기 위한 필요한 힘이 주파수에 따라 얼마나 크게 변하는가에 대해 서술하였다. 그림 3-1에 나타난 바와 같이 힘은 주어진 변환기에 가장 잘 맞는 측정 장치의 형식과 변환기의 선택에도 영향을 미친다.

예로써 전형적인 Blade Passing Frequency를 나타내는 10 kHz에서의 매우 높은 진폭인 100g의 가속도는 겨우 0.02 mils(0.5 ㎛)의 변위를 나타낸다. 이 경우 그 값이 많은 변위 측정계에 명기된 주파수 응답의 범위내에 있지만 급박한 사고의 위험을 나타내는 힘의 수준인데도 불구하고 변위값은 실제적인 용도로 측정할 수 없는 작은 값으로 나타난다.

역으로 가속도 측정계도 비슷한 경우를 경험한다. 주파수가 감소함에 따라 힘의 한계 때문에 적당한 운동 수준조차도 가속도계로는 측정하기 어려운 수준까지 최대 허용 가속도와 신호 대 Noise의 비율을 계속적으로 감소시킬 것이다.

 

그림 3-1 가속도, 속도, 변위의 관계는 적절한 변환기 선택에 영향을 미친다.

 

변위, 속도, 가속도 변환기의 두 번째 중요한 차이점은 감지되는 운동의 형식이다. 비접촉식 변위 변환기는 부착점(보통 베어링 Shell)과 Probe에 의해 관측되는 표면(일반적으로 기계의 축)사이의 상대 운동을 감지해 낸다. 속도 Pickup과 가속도계는 그것들이 부착된 베어링 하우징이나 구조물의 절대 운동을 측정한다.

변환기를 선택할 때 고려되어야 할 또 다른 물리적인 인자는 크기, 무게, 고유진동수의 위치, 외부의 영향(즉, 표면 결함, 전기나 자장에 의해 발생되는 것과 같은)에 대한 민감성 등을 포함한다. 이러한 많은 고려 사항은 주어진 적용에 따라 한정적이지만 일반적인 지침은 다음과 같다.

• 일반적으로 비접촉식 변환기에 의한 회전축의 변위 측정은 축의 결함으로부터의 Noise와 힘(Force)을 고려할 때 1,000에서 1,500 ㎐(60~90 kcpm) 사이의 최대 주파수로 제한된다. 정밀한 DC를 사용한 축변위 측정은 축의 위치, 회전 주파수, Subsynchronous Frequency의 가진, 저차수 조화운동, 유막과 자성 베어링을 가진 산업 기계에서의 펌프 Vane Passing 주파수 등을 측정하고 감시하는데 사용된다.

• 전자 기계식 속도 Pick-up으로 측정할 때에는 그 구조적 특성 때문에 측정 범위는 약 10 ㎐에서 1,500 ㎐(600 cpm에서 90 kcpm)로 제한된다. 그러므로 전자 기계식 속도 Pick-up은 중고속 기계류의 회전 주파수 및 펌프 Vane Passing 주파수와 볼베어링의 기본적인 특성 주파수를 감지해 내는데 사용될 수 있다.

• 압전 소자식 속도 Pick-up은 전자 기계식 속도 Pick-up과 비교할 때 약 2.5 ㎐(150 cpm)에서 2 kHz(120 kcpm)이상까지 확장된 주파수 범위를 제공한다. 그러므로 압전 소자식 속도 Pick-up은 냉각탑의 Fan 및 제지용 기계의 베어링과 같은 저속 기계에도 적용할 수 있으며 볼베어링의 특성 주파수를 관측하는 데 유리하다.

• 가속도 측정기는 1 ㎐(60 cpm)이하에서 20 kHz(1,200 cpm) 이상의 범위에서 사용될 수 있다. 따라서 가속도 변환기는 대부분의 산업 기계의 회전 주파수에서 사용할 수 있으며 고속의 Gear Mesh 주파수, 터보 기계의 Blade 및 Vane Passing 주파수, 볼베어링의 고주파수 특성 등을 관측할 수 있는 유일한 변환기이다.

진동 변환기는 주파수 스펙트럼의 어느 부분을 관측할 것인가 하는 창문과 같다. 따라서 각종 데이터가 기계의 상태를 정확하게 표현하기 위해서는 기계의 형식, 측정 위치, 평가되어야 하는 특성은 물론 변환기의 특성, 장점, 한계 등이 잘 이해되고 심사숙고되어야 한다. 복잡한 분석 장비를 추가 설치하는 것은 분석 시간을 줄이고 정확도를 높일 수 있지만 데이터 자체가 가지고 있는 한계는 개선할 수 없다.

 

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