3. 속도 변환기

Velocity Pickups

 

3.1 構造 (Construction)

기계 상태 감시에는 두 가지 형식의 속도 Pickup이 사용된다. 이 절에서는 자석과 전선 코일로 구성되어 있는 전통적인 전기 기계식 속도 Pickup에 대해 기술한다. 압전 소자로 이루어진 가속도 탐지기와 속도에 비례하는 출력을 만들어 내기 위해 적분기로 구성되어 있는 속도 Pickup은 다음절에서 설명될 것이다.

그림 3-10은 지진계식 속도형 진동 Pick-Up의 개략도이며 질량은 스프링에 의해 지지된 가는 선의 코일로 되어 있다. 이 Pick-Up은 스프링-질량 계의 고유 진동수보다 큰 진동 주파수를 측정하는 데 사용된다. 따라서 질량을 지지하고 있는 스프링은 강성이 아주 낮아 고유 진동수가 아주 낮다. Pick-Up의 지진 고유 주파수에서 큰 출력으로부터 보호하기 위하여 감쇠가 필요하다. 영구자석이 Pick-Up Case에 견고하게 부착되었고 매달린 코일 주위에 강한 자장을 형성시킨다.

그림 3-10 전기 기계식 Pick-Up의 개략도

 

3.2 運轉 (Operation)

속도 Pick-Up의 작동은 “도체가 자장을 통과할 때나 자장이 도체를 지날 때 도체에 전압이 유기된다” 라는 물리적인 법칙에 따른다. 발생된 전압의 크기는 ① 코일내의 도체 길이 ② 자장의 강도 ③ 자장이 도체를 통과할 때 자장의 속도에 따라 다르다. 속도 Pick-Up에서는 도체 길이와 자장의 강도가 고정되어 있으므로 코일에서 발생한 전압의 크기는 코일과 자장간의 상대 속도에 직접 비례한다. 따라서 속도 Pick-Up이라고 한다. 속도 Pick-Up은 또한 자체 발생 장치이므로 자신을 여기 시키기 위한 외부 전원이 필요하지 않다.

속도 Pick-Up Case는 진동체에 부착되었고 Case에 견고하게 부착된 영구 자석은 진동 운동을 한다. 코일로 구성된 질량(도체)은 낮은 고유 진동수를 가지는 스프링에 의해 지지된다. 이 고유 진동수 이상에서는 코일은 관성 기준 즉 대지에 관하여 정지 상태에 있어 지진(Seismic)이란 말이 첨가되었다. 이런 상태 하에서 자장과 코일이 감긴 도체간의 상대 운동은 공간의 고정점에 대한 부품의 운동과 같다. 그리고 Pick-Up에 의해 발생된 전압은 상대 운동의 속도에 비례한다. 진동체의 속도가 변하면 발생되는 전압도 비례하여 변한다 (그림 3-11참조).

그림 3-11 전형적인 전기 기계식 속도 Pickup의 감도

 

전압 출력이 진동 속도에 비례하는 경우 진동을 진동 속도 항으로 측정하는 것은 간단하다. 속도를 전자적으로 적분하면 진동을 진동변위 항으로 얻을 수 있다. 속도형 진동 Pick-up의 전압 출력은 mV/in/sec 단위로 표시한다. 또한 이를 진동 Pick- up의 감도라고 한다. 진동체의 속도는 운동의 한 사이클을 이루는 동안 일정하지 않아 속도 Pick-Up에 의해 발생된 전압도 이에 따라 변화한다. 따라서 Pick-Up의 감도는 최대 속도점 즉 mV Peak/in/sec에서 발생한 최대 전압으로 표현한다.

Pick-Up의 감도 시험 결과를 확인하기 위해서는 7.98 ㎜/sec(0.314 in/sec) 속도에서 10에서 1000 ㎐까지 주파수 범위에 걸쳐 Millivolt 출력치를 평균한다. 이 값은 RMS값이지 Peak값이 아니다. 한편 Pick-Up을 수리하면 출력 전압이 변화되므로 새로운 값을 표시하여 놓는 것이 좋다.

모든 진동 변환기에서처럼 속도 Pick-Up도 측정할 수 있는 최대 및 최소 진폭과 주파수에 대한 제한이 있다. 일정한 속도의 진동에 대한 Pick-Up의 출력은 14 ㎐(840 cpm) 이하의 주파수에서는 떨어지기 시작한다. 물론 이 이유는 840 cpm 이하에서는 Pick-Up이 스프링-질량 계 및 질량(코일)의 감쇠된 고유 진동수 이하에서 운전하므로 더 이상 공간의 고정점을 조정하지 않는다. 이로 인해 Pick-Up Case와 코일간의 상대 속도가 감소되며 따라서 전압 출력도 감소된다. 이러한 감도의 감소가 Pick-Up의 스프링-질량계의 감쇠된 고유진동수에서 시작되지만 약 600 cpm까지는 심각하지는 않다.

3.3 磁氣 干涉 (Magnetic Interference)

대형 교류 전동기나 교류 발전기의 진동을 측정할 때 이런 기계류에 내재하고 있는 교번하는 자계 때문에 문제가 발생하곤 한다. 또한 자계는 대형 교류를 전송하는 케이블 주변에 문제를 일으킨다. 교번하는 자계는 마치 Pick-Up 자체의 진동이 있는 것과 같이 전압을 유기시켜 속도 Pick-Up의 코일로 된 도체에 영향을 미친다. 그 결과 기계 상태와는 관련이 없는 거짓 진동 신호가 발생한다. 자기 간섭 신호의 주파수는 통상 1 때로는 2배의 전력 계통 주파수이다. 전동기나 발전기의 부하를 증가시키면 전류도 증가하여 일반적으로는 간섭 신호의 진폭을 증가시키게 한다. 유도 전동기(비동기 전동기)에서 자기 간섭이 불평형 또는 Misalignment 진동과 합치면 진폭이 흔들리게 나타난다.

자계의 유무 및 영향은 속도 Pick-Up과 분석기로 쉽게 점검할 수 있다. 통상 진동 측정시와 같이 진동 Pick-Up을 분석기에 연결하고 진동치를 정상적으로 측정하는 곳에 Pick-Up을 기계에 닿지 않게 손으로 잡고 부근에 위치시킨다. 대단히 강력한 자계가 전력 계통 주파수의 1배 때로는 2배 주파수에서 “Filter Out" 위치로 놓은 계측기에 일정하게 나타나게 된다. 진폭의 Filter-Out 값은 Pick-Up을 잡고 있는 것이 일정하지 않기 때문에 불균일할 것이다. 따라서 자계의 진폭을 측정하기 위해서는 1 또는 2배의 전력 계통 주파수에 조심스럽게 Filter를 조정하고, 진폭과 주파수 값을 읽는다. 계측기로부터 취한 값은 자계에 의한 신호이다. 비록 일정한 주파수 값이 Filter-Out 위치에서 관찰될지라도 Filter-In 점검을 추천한다. 자기 간섭이 문제가 되는 곳에는 Magnetic Shield를 사용하면 약 100:1로 감소된다. 임시방편으로 긴 봉을 갖는 Probe를 사용하면 자기 간섭 량을 줄일 수 있으나 긴 봉은 강성이 낮아 낮은 고유 주파수를 갖게 되어 베어링, 기어, 공기역학 및 수력학적 힘이 작용하는 높은 주파수 진동 측정용으로는 부적합하다.

3.4 制限 條件 (Limitations)

기계 감시를 위하여 전기 기계식 속도 Pickup을 선택할 때는 앞의 절에서 약술한 주파수와 온도 제한 이외에 몇 가지 다른 인자들을 고려해야 한다.

• 기계적인 신뢰성 : 전형적인 산업 기계 운전 속도 부근의 주파수에서 속도 Pickup이 고수준의 낮은 임피던스 신호를 만들어 낼 수 있지만 이것은 또한 마모로 인하여 신뢰성이 떨어지고 파손될 수 있는 움직이는 부분을 가지고 있는 전기기계식 장치이다. 제한적인 주파수 범위와 기계적인 신뢰성에 대한 의심 때문에 대부분의 기계 보호와 상태 감시를 위하여 전기기계식 속도 Pickup이 압전 소자식 가속도계나 속도 변환기로 바뀌어지고 있다.

• 방향성 : 어떤 전기 기계식 속도 Pickup은 특정한 평면 즉 수평이나 수직 방향으로만 설치될 수 있다. 이러한 제한성은 기계 감시를 하는 데 있어서 불리한 점이 될 수 있다.

• 낮은 속도의 기계에서의 사용 : 전형적인 전기기계식 속도 Pickup은 약 10 ㎐ (600 cpm) 이하에서 진폭에 대한 감도가 크게 떨어진다. 그 결과로서 전기 기계식 속도 Pickup은 500에서 600 rpm 이하로 운전되는 기계를 감시하거나 분석하는 데 사용되어서는 안된다. 냉각탑의 Fan이나 혼합기, 많은 왕복동 기계가 일반적인 예이다.

• 낮은 주파수에서의 위상각의 이동 : 감쇠계가 그의 고유 진동수에 가까워짐에 따라 위상각의 이동이 발생하게 된다 (제2장 참조). 약 50 ㎐(3000 cpm)이하에서 전기기계식 속도 Pickup의 출력에서 발생되는 점진적인 위상각의 이동으로 다른 속도나 다른 변환기로부터 측정값을 취해질 때 Balancing과 같은 수정 행위나 감시, 분석에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 문제를 피하기 위하여 측정치를 기록하거나 Balancing 작업을 할 때 동일 속도에서 동일 변환기를 사용하는 등의 주의가 필요하다.

 

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