2. 비접촉식 변위 변환기

Noncontact Displacement Transducers

 

2.1 適用 (Application)

비접촉식 Proximity Probe 변위 변환기는 레이디얼 및 추력용 유막 베어링을 가지고 있는 기계 특히 큰 중량의 케이싱 및 견고한 베어링 내에 설치된 상대적으로 가벼운 중량의 로터를 가지는 터빈, 원심펌프 및 압축기의 진동상태를 감시하는데 크게 유용하다. 이것은 베어링에 대한 축의 상대 위치 및 상대 운동을 지시한다. 반경 방향의 Peak-to-Peak 축변위(진동)는 레이디얼 베어링과 Seal 간극에 직접적으로 관계가 있다. 비접촉식 변위 측정 시스템에서의 정적(Static)인 성분(DC)은 Probe에 상대적인 축의 평균 위치를 나타낸다. 통상적으로 축방향의 위치를 감시하는 데 사용되고 있지만 축의 길이 방향의 중심선의 평균 위치가 베어링 내에 있을 때 Static 성분은 또한 반경 방향의 감시용으로도 유용하게 사용된다. 자주 간과되는 사실이지만 반경 방향의 위치는 문제의 확인 및 진단에 큰 도움이 될 수 있다.

보통 반경 방향의 축의 위치를 측정하는 기계 장치에는 90°각도로 떨어지게 설치된 두 개의 Probe가 있다. 이러한 형식의 기계 장치에서 얻어지는 동적인(AC) 신호는 개별적으로 재생될 수 있고, 베어링 내에서 축의 동적인 움직임(Orbit)을 나타내기 위하여 조합될 수 있다.

축방향 즉 Thrust 위치 감시장치는 고정부에 대한 상대적인 축의 길이 방향 위치를 감시하고 또한 기준 위치를 정하기 위하여 한 개나 두 개의 비접촉식 Probe로부터 Static(DC) 성분을 이용할 수 있다.

2.2 構造 및 運轉 (Construction and Operation)

와전류의 원리로 작동되는 비접촉식 변위 변환기는 산업 기계의 보호와 상태 감시에 대하여 세계적으로 인정을 받고 있다. 비접촉식 변위 변환기는 센서, 즉 Proximity Probe, 연결 케이블, 진동 신호 변환기(Proximitor)로 구성되어 있다 (그림 3-2).

축 변위 Probe는 나사산이 있는 몸체 내에 넣어진 부도체의 플라스틱이나 세라믹 물질의 내부에 전선 코일이 설치되어 있고 Proximitor(Signal Sensor)와 연결된다.

그림 3-2 와전류 변위 변환기

 

Proximitor(Signal Sensor)는 발진기회로, 검출기(Detector) 또는 복조회로, Filter 회로를 포함하며 어떤 시스템에는 증폭회로도 있다.

감지 코일과 연결 케이블은 발진 회로의 일부이며 발진 회로는 감지 코일에 고주파 전류를 발생시킨다. 이 고주파 전류에 의해 감지 코일 주변에 자장이 형성되며, 감지 코일 가까이 강철과 같은 도체를 접근시키면 이 도체가 자속선을 끊어 도체 내에 와전류를 유기 시킨다. 이 와전류는 감지 코일에 대해 임피던스 부하가 변화된 것처럼 작용하여 발진기의 동작점을 변경시킨다. 이 때 고주파 전송 신호가 감지되며 이 신호에는 감지 코일과 목표물인 도체 사이의 거리에 비례하는 신호가 들어 있다. 이 거리를 Gap이라 하며 Gap의 변동(즉 진동 발생)으로 인해 발진기 출력이 변화되어 진동 변위에 비례하는 출력이 나오게 된다. 진동이 없다면 출력은 Gap에 비례하는 일정 직류 전압(DC)이 될 것이며 진동 발생이 있다면 출력은 ① 평균 Gap에 비례하는 직류 전압과 ② 진동에 비례하는 교류 전압이 된다.

그림 3-3은 Probe의 Tip과 목표물간의 거리가 변화함에 따라 출력 신호의 변화를 나타내는 전형적인 7200 Proximity Probe 시스템의 응답 곡선이다. 이 곡선의 경사도는 mV/mil로 표시하며 이 시스템의 감도라고 한다. 전형적인 감도는 0.2 V/mil이며 선형적인 Gap Range는 10에서 90 mils 또는 전체적으로 80 mils이다. 또한 Proximity Probe의 외부 전원은 통상 -18에서 -24 Vdc이며, 사용 주파수 범위는 0에서 약 600 kcpm이다.

그림 3-3 대표적인 와전류 변위 Probe의 감도조정 곡선

 

간극과 전압 사이에 일정한 비율을 유지 보장하기 위하여 Probe, Proximitor, 연결 케이블은 필히 적절하게 배합되고 조정되어야 한다. Probe Tip과 몸체 직경, Thread 형식, Probe와 연결 케이블의 길이 등에 대한 사양이 미국석유협회(API) 규격 670에 수록되어 있다.

Nominal Gap 또는 Cold Set Point라고도 하는 이 시스템의 설정점(Set Point)은 선형 Gap 범위의 중간점으로 정하고 어느 방향으로든 최대 측정 범위가 되도록 조정한다. 그림 3-3에서 설정점은 60 mils이다.

목표물이 진동하면 교번하는 Gap Voltage가 발생한다. 이 신호는 Vibration Monitor에서 나오는 DC Gap Voltage 가 제거된 AC 신호이다. 어떤 Proximitor 에서는 AC 신호가 분리되고 증폭되어 2개의 출력이 나오는데 하나는 진동 출력이고 다른 하나는 Gap 출력이다.

선형 구역에서 곡선의 기울기와 주어진 간격에 상응하는 DC 출력은 대상 물체의 전도도와 투과성의 변화와 함께 변할 것이다. 만일 4140 강에 사용되도록 조정된 Probe와 Proximitor가 재교정없이 스테인레스 강이나 인코넬과 같은 재료에 사용된다면 곡선은 왼쪽으로 이동하며 주어진 간격(Gap)에 대하여 더 높은 출력 전압을 생기게 할 것이다. 또한 곡선의 기울기는 감도의 변화에 따라 변화할 것이다. 이러한 곡선의 이동과 잠재적인 부정확성 때문에 한가지 재료에 대하여 조정된 비접촉식 Probe 장치는 다른 재료에 사용되기 전에 반드시 재조정되어야 한다.

온도 또한 비접촉식 Probe와 주어진 간격(Gap)에 대한 범위의 제한에 영향을 미치지만 베어링 하우징내에서 일어나는 온도 변화로 인한 영향은 일반적으로 무시할 만하다.

높은 압력도 또한 비접촉식 Probe의 감도에 영향을 미친다. 만일 Probe가 변동하는 높은 압력이 작용하는 곳에 설치되어 있다면 감도와 출력 상에서 어떤 변화가 일어날 것인가를 알아내기 위하여 실제 환경에서 그것의 응답을 테스트하여야 한다.

모든 조건이 동등하다면 Probe Tip의 직경이 증가함에 따라 비접촉식 변위 측정 장치가 가질 수 있는 최대 선형 범위가 커질 것이다. 공급 전압을 증가시켜도 마찬가지로 최대 선형 범위가 커질 것이다.

감도가 200 mV/mil(8 mV/㎛)일 때, 4140 강을 관측하는 전형적인 비접촉식 측정 장치의 선형 범위는 0.300 in(8 ㎜)의 Tip 직경과 -24 Vdc의 전압에서 약 85 mils(2,160 ㎛)가 될 것이다.

앞에서 언급한 것과 같이 축 변위 측정 장치로부터의 전기적인 출력은 정적인(DC) 성분과 동적인(AC) 성분을 포함한다. 그러므로 이 장치는 선형 측정 범위 내에 위치한 Probe와 전도체 표면 사이에서 정적인(위치) 것과 동적인(진동) 것을 동시에 정확하게 상대 측정할 수 있다.

“상대적”이라는 용어도 꼭 알아두어야 한다. 속도나 가속도 변환기로부터 얻어진 것과는 달리 변위 Probe로부터 얻어진 측정값은 Probe와 관측 표면 사이의 상대적인 위치나 운동의 측정값이며 각각의 실제 공간상의 움직임을 반영하지 않을 수도 있다.

2.3 制限 條件 (Limitations)

목표물이 축의 표면과 같이 움직이는 표면일 때 변위 측정 장치는 축의 움직임(진동), 긁힘이나 움푹 들어간 자국과 같은 결함, 전도도나 투과성의 변화를 구별해 내지 못한다. 그 결과 출력 값은 순수한 진동이라기보다는 진동과 Probe 밑을 지나는 표면의 모든 변화와의 벡터 합이라고 할 수 있다. Probe의 자장이 관측되는 재료의 표면에 침투되기 때문에 두 개의 재료 사이에 경계면이 생기게한 수리작업(축표면 도금이나 Metal Spray)은 와전류 변위 변환기에 의해 측정되는 출력 신호를 왜곡되게 할 것이다. 축 표면의 결함에 의해 생긴 왜곡은 와전류 변환기를 사용할 때 반드시 피해져야만 한다. 물리적인 긁힘 자국(그림 3-4, 3-5)과 기계적인 편심은 시간 영역 파형에 나타날 것이며 축의 Orbit을 찌그러뜨릴 것이다. 전자기적인 특성의 변화도 Proximitor로부터의 출력 신호에 나타날 수 있다. 축이 기계 가공되거나 접지(이러한 이유 때문에 API규격에서 금지되고 있음)되거나 자분탐상 검사나 제작 과정 후에 불완전하게 탈자를 할 때 생기는 전자기적인 변화는 비접촉식 변위 측정 장치로 감지 측정될 수 있다.

그림 3-4 큰 흠집이 있는 축 그림 3-5 작은 흠집이 있는 축

 

고속기계(즉, 축의 회전 속도가 약 2500 rpm 이상인 기계)의 총 Runout은 축이 약 300~600 rpm으로 회전될 때 축 변위를 관측하므로써 측정되는 것이 보통이다. 이렇게 낮은 속도에서는 모든 축의 변위는 Runout에 기인된 것이라고 가정한다.

어떤 원인에 의한 것이든 모든 Runout은 문제를 발생시킨다. 축진동의 실제값은 시간 영역 파형(Time Domain Waveform)에서 관측되는 것이나 모니터에서 읽혀지는 전체 값과는 근본적으로 달라질 수 있다. 속도를 증가시킬 때나 정지후 자연적으로 속도가 떨어질 때의 진폭 대 속도의 그래프를 그릴 때 얻어지는 응답 곡선은 물론 시간 영역 파형의 곡선은 Runout에 의하여 바뀌어 진다. 주파수 스펙트럼 그림에서 Runout이 운전 주파수의 정수배(Harmonic)의 진폭을 크게 한다는 것을 알 수 있을 것이다.

Runout에 의해 생기는 더욱 중대한 문제는 Runout이 Rotor Balance와 같은 특성 변화의 측정에 영향을 준다는 것이다. Runout과 Rotor Balance의 실제 변화 사이의 위상각 관계에 좌우되어 악화된 상황이 총 진동 값에 나타나지 않을 지도 모른다. 더 심한 경우에는 크게 잘못되어 진폭이 오히려 감소한 것으로 나타날 지도 모른다.

어떤 원인에 의한 것이든 Runout은 벡터량이며 그 절대값은 제거될 수 없다는 것을 아는 것이 특히 중요하다.

그것의 중요성 때문에 총 Runout값이나 비접촉식 변위 변환기로 실제 축의 움직임을 측정한 편심이 최소가 되도록 하여야 한다. 목표치로써 비접촉식 감지기로 측정된 총 Runout은 운전중 축의 변위의 10% 이하이어야만 한다.

0.2 mils(5 ㎛) 이하로 총 Runout값을 줄이는 것은 매우 어렵다. 일반적으로 0.25 mils(6 ㎛)가 고속 기계에서 최대로 허용할 수 있는 실제값으로 용인되고 있다.

종종 과도한 Runout을 제거하는 것이 매우 어려운 일일 때가 있다. 첫 번째의 분명한 단계는 비접촉식 Probe에 의해 관측될 표면이 동심원을 이루어야 하며, 매끈하게 최종 다듬질되고 취급시나 조립시 손상을 입지 않게 보호되도록 제작 과정 중에 모든 노력이 기울여져야 한다는 것이다. 만일 이러한 모든 노력에도 불구하고 과도한 Runout이 존재하면 아마도 전자기적인 문제일 것이다. 전자기적인 Runout은 일반적으로 Probe에 의해 관측될 축 표면을 탈자하므로써 제거될 수 있다. 만일 축 표면이 매끄럽고 동심을 이루고 있는 상태에서 탈자 후에도 Runout이 존재한다면 그것은 아마도 축의 둘레 주위에서 변화된 투과성이나 전도도 때문일 것이다. 종종 고합금이나 침탄 경화된 축에서 발생되는 이러한 종류의 Runout은 특수한 압연 공구나 Micro-Peening을 가지고 있는 선반에서 그 부분을 Burnishing 가공하므로서 성공적으로 제거될 수 있다.

이러한 모든 조치가 실패되거나 한두 가지 원인 때문에 조치가 불가능하다면 Runout 보정기를 사용하여 전자적으로 Runout을 제거할 수 있다. 모든 움직임이 Runout값이라고 가정되는 저속 회전시, Runout 보정기는 Reference Pickup에 의해 한 회전당 한 번씩 발생되는 신호에 상대적인 축의 운동을 디지털 방식으로 기억한다. 저속 회전시의 파형은 Probe에 의해 관측되는 원래의 파형에서 자동적으로 제거된다. 이러한 과정은 축의 실제 운동을 나타내는 수정된 파형을 생기게 한다. 보다 효과적인 값을 얻기 위해서는 Probe가 저속 회전시나 운전시에 동일한 축 표면을 관측하여야 한다. 이것은 Probe 위치에서의 축방향 움직임을 최소로 할 것이 요구된다.

2.4 設置 (Installation)

모든 변환기를 사용할 때 Probe 설치가 견고한가, 풍손으로부터 보호되는가, 느슨해진 상태로 작동되지 않을 것이 확실한가에 세심한 주의를 기울여야 한다. 느슨해진 Probe나 느슨한 설치는 종종 운전 주파수나 그 근방에서 높은 진폭의 진동으로 관측될 것이다. 이러한 상태는 혼란을 일으키거나 진단하기 어려움으로 견고한 설치로 이러한 상황이 일어나지 않도록 해야만 한다.

가능하다면 기계를 분해하지 않고 제거하거나 교체할 수 있는 어댑터에 변위 Probe를 설치하는 것이 매우 바람직하다 (그림 3-6). Probe를 설치하는 데 사용되는 수많은 방법 중에서 가장 효과적인 방법 중의 하나는 간단한 Block Mount이다 (그림 3-7).

그림 3-6 운전에 영향을 미치지 않고 Probe를 교체할 수 있는 Adapter

 

그림 3-7 전형적인 Probe 설치

이 Block은 보통 1/2나 3/8 in(6~8 ㎜) 두께의 강이나 알루미늄을 잘라서 만들어지며, Probe를 관통하여 고정할 수 있는 구조로 되어 있다. 두 개의 Socket Head Cap 나사부를 가지고 있는 Holder는 베어링 캡의 바깥쪽 끝에 부착 고정된다. Probe의 간격을 맞추기 위해 관통되지 않은 구멍을 통하여 베어링 캡에 Block을 나사로 고정한다. 이것이 완료되면 Probe가 튼튼하게 제자리에 고정되도록 다른 나사를 조인다.

Probe가 견고하게 설치되어야 함은 물론 Probe Tip은 축의 단(Step)이나 기타 다른 금속 표면으로부터 Tip 직경의 최소 2배 간극을 가져야 하며 Probe의 자장이 간섭을 받아서는 안된다 (그림 3-8). Probe의 자장내에서 어떤 전도체의 간섭은 운동에 대한 응답을 크게 변경시킬 것이다.

보다 확실히 하기 위하여 Probe 끝과 나사부 사이에서 시작하여 관측되는 표면에 이르기까지 45°의 원추형 모양 안에 어떤 전도체도 있어서는 안된다. 베어링 하우징 같은 편평한 표면에 Probe를 설치할 때도 동일한 법칙이 적용된다. 즉 Probe는 원추형 모양이 표면과 교차(Intersect)되지 않도록 충분히 떨어지게 설치되어야 한다.

만일 Probe를 좀더 연장할 필요가 있으면 연장으로 인한 공진 주파수는 승속시나 정지시의 감속되는 경우까지 포함하여 어떠한 잠재적인 가진원으로부터 충분히 멀리 떨어져 있어야 한다. 이러한 주의를 게을리 하면 허위나 잘못된 측정이 될 수 있다.

그림 3-8 비접촉식 Probe Tip은 인접 물체에 간섭을 받지 않아야 한다.

 

드물기는 하지만 두 개의 Probe가 너무 가깝게 설치되어 Probe에서 발생되는 자장이 서로 간섭되는 경우가 있다. 일반적으로 매우 높은 주파수(실제로 두 개의 가진 주파수의 차이인 약 5 kHz, 즉 300 kcpm)의 가진력이 관측되면 이 간섭은 일반적으로 Probe의 간극을 축표면에 더 가깝게 조정하거나 적절하게 반경 방향이나 축방향으로 분리하므로써 제거될 수 있다.

Probe는 종종 작은 간격의 구멍을 통해 설치된다 (그림 3-9). 이 경우에 Probe의 Gap을 조정할 때 Gap Voltage는 Probe가 구멍으로 들어감에 따라서 감소될 것이며 종종 원하는 수치 이하로 감소될 것이다. 이 위치에서는 Gap Voltage가 구멍까지의 측면 거리에 의해 결정되기 때문에 적정한 위치에 Probe를 고정시키려는 의도에는 적합치 않게 될 것이다. Probe가 더 깊이 삽입되고 통과하게 됨에 따라 Gap Voltage는 증가하였다가 축이 가까워짐에 따라 다시 감소할 것이다. 이 두 번째 감소점이 Probe가 고정되어야 하는 위치이다. 대략의 위치를 결정하는 데 도움이 되는 한가지 방법으로서 깊이 측정용 게이지가 설치점에서 축까지의 거리를 측정하고 Probe의 축까지의 거리를 시각적인 지시치로 나타내는 데 사용될 수 있다. 대부분의 변위 Probe는 회전하는 축에 접촉되지 않도록 고안되어 있다. 축과 접촉되면 Tip은 금방 망가질 것이며 조정을 하는 사람을 약간 난처하게 만들 것이다.

그림 3-9 작은 간극의 구멍으로 설치된 Probe

 

Care-expanded 전송 케이블은 장기간에 걸쳐 기계 내부에 설치된 비접촉식 Probe의 신뢰성을 보증하는 또 하나의 중요한 요소이다. API 670에서는 모든 연결 장치가 기계 외부에 설치되어야 한다고 규정하고 있다. 또한 이것은 베어링이 분해될 때 Probe 케이블이 철거될 수 있도록 하는 Oil-tight Seal을 필요로 한다. 전형적인 베어링 하우징내에 존재하는 풍손에 의하여 움직이는 것을 방지하기 위하여 기계 내부에서 변위 Probe로부터의 전선은 단단히 붙잡아 매어져야 한다. 되도록 이면, Probe 전선은 커플링 Hub에서 발생되는 것과 같이 강한 풍손 지역을 가로지르지 않고 케이싱에 붙어 있어야 한다. 이것이 불가능하면 전선은 안전하게 고정되거나 보호판으로 보호되어야 한다. 케이블의 출구는 마찰로 인한 케이블의 손상을 방지하기 위하여 모서리 부위를 사선 가공(Bevelling)하거나 둥글게 가공되어야 한다.

Probe와 연결 케이블은 반드시 기계에서의 그들의 위치와 방향이 분명하게 표시되어야 한다. API 670은 제작자들이 이러한 특수한 목적을 위해 각 연결 장치에 수축관(Shrink Tubing)을 공급하도록 요구하고 있다. 이러한 것들을 확실히 하지 않으면 진단시 항상 위상각이나 Orbital Axis, 회전 방향 등에 대한 불확실성을 초래하게 된다.

기계 출구로부터 진동 변조기를 넣어 두는 외함까지 변위 Probe의 케이블은 전선관으로 보호되어야 한다. 일반적으로 진동 변조기의 외함에서부터 기계의 한 지점까지는 견고한 전선관을 사용하고 출구 조립부에는 짧은 신축 전선관을 사용하는 것이 분해 조립을 쉽게 하고 확실하게 보호할 수 있는 최상의 배열 방법이 될 것이다. 신축 전선관의 끝부분은 분해 조립이 용이하도록 베어링 하우징에 유니온으로 연결, 설치되어야 한다. 신뢰성 있는 운전을 보장할 수 있도록 API 규격 670에 자세한 설치 방법이 언급되어 있다.

 

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