4. 가속도계

Accelerometers

 

압전 소자식 가속도계는 기계 감시나 상태 감시에 사용되는 가장 일반적인 가속도 변환기이다. 전형적인 압전 소자식 가속도 변환기(그림 3-12)는 하나 또는 그 이상의 천연 또는 인조 수정으로 만들어진 압전 소자를 가지고 있다. 이 수정은 질량에 의한 부하를 받으며 전체 조립품은 튼튼한 케이스로 둘러싸여 있고 케이스가 위로 이동하면 질량에 의해 압축된다. 따라서 진동에 비례하는 힘이 압전소자에 적용된다.

그림 3-12 압축형 가속도계

 

4.1 適用 (Application)

가속도계의 여러 가지 특성들은 기어나 볼베어링의 상태 분석이나 감시에서 크게 인정을 받아 왔다. 가스터빈을 감시하는데 있어서 전기기계식 속도 Pickup은 주로 가속도계로 바뀌어지고 있다.

그 특성들은 다음과 같다.

• 넓은 주파수 범위[보통 0.5 ㎐이하에서 20 kHz(30 cpm에서 1,200 kcpm이상)까지]에서의 선형 응답. 가속도계는 훨씬 더 높은 주파수에서 사용될 수 있으며 종종 베어링의 결함을 알아내기 위하여 그들의 공진 주파수 이상 50 kHz까지 또는 더 높은 주파수에서 사용된다.

• 넓은 역학적인 진폭의 범위

• 신호가 속도와 변위값으로 전기적으로 적분될 수 있다.

• 극도로 높은 온도 조건에 견딜 수 있다.

• 움직이는 부분이 없어 신뢰도가 높다.

변위 Probe나 속도 Pickup과 비교할 때 가속도계는 훨씬 더 넓은 주파수 범위를 볼 수 있다. 그 결과로써 가속도계로부터 얻어지는 신호는 다른 변환기로부터 얻어지는 신호에는 나타나지 않는 수많은 성분들이 포함된 아주 복잡한 것이 될 것이다. 이것이 가속도계가 볼베어링이나 기어의 운전 상태를 감시하는데 이상적인 이유가 되며 신호는 또한 더욱 해석하기가 어려워질 것이다. 가속도계의 확장된 주파수 범위는 전기 기계식 속도 Pickup으로부터 얻어진 특정치와 비교할 때 약간의 차이가 생길지도 모른다. 이 장의 뒷부분에서 설명될 것이지만 가속도계로부터의 출력을 적분하므로써 얻어지는 속도 신호는 약 10 ㎐(600 cpm) 이하에서도 속도 Pickup보다 훨씬 더 활발하게 나타난다. 그 이유는 전기 기계식 속도 Pickup의 감도는 감소하지만 가속도계의 감도는 이 주파수대에서 선형성을 유지하기 때문이다.

 

4.2 運轉 (Operation)

압전 소자식 수정은 질량을 알고 있으므로 가속도와 힘에 비례하는 출력을 발생하며, 기계적으로 응력을 받으면 전하를 발생하는 특성을 나타내는 비도체 수정이다. 많은 천연 수정이 이러한 특성을 가지고 있다.

변환기가 기계에 설치 됐을 때 기계의 운동이 압전 소자판 상부에 조인 질량의 관성 반응을 일으킨다. 이 질량을 가속하기 위해 필요한 힘은 F=Ma 이다. 여기서 M은 질량이고 a는 가속도이다. 압전소자 판에 미치는 이 힘은 판의 2개의 마주하는 면 사이에 전하 Q를 발생한다. 이 전하량은 힘과 질량의 가속도에 비례한다. 압전소자는 Capacitator로 작용하며 전하 변화량은 고저항 감지 회로를 가로지르는 전압 변화량으로 나타난다.

그림 3-13은 압전 소자식 진동 변환기의 간략화한 등가회로이다. 압전 소자는 어떤 주어진 물리적인 운동에 대하여 전극들을 지나 특정전하(Q)를 발생시키는 Coulomb Generator인 Capacitator(Cs)로 설명된다. 발생된 전압(V)은 전하를 소자의 Capacity로 나눈 값과 같다 (V=Q/C). 응용 분석용으로는 간략화한 회로가 적절하다.

가속도계의 출력은 단위 가속도당 전압 또는 전하로 표현한다. 이 출력의 표현은 가속도계의 감도로써 보다 널리 쓰이며 감도의 단위는 통상 mV/g이며 Picocoulomb/g도 사용된다.

가속도계는 1차 고유진동수 이하에서 운전된다 (그림 3-14). 그림 3-14에 나타난 곡선에서 주파수 축은 운전 주파수 대 공진 주파수의 비로써 표현되었다.

공진에 접근하면서 감도가 급속하게 증가하는 것이 가속도계의 특징이다. 일반적으로 가속도계의 감도와 전기적인 입출력 비는 고유 진동수의 약 1/4이나 1/3까지는 거의 일정하다.

그림 3-13 a) 전하 발전기로써의 압전소자 변환기

b) 전압 발전기로써의 압전소자 변환기.

 

그림 3-14 전형적인 가속도계의 감도

 

압전 소자 가속도계는 순수한 DC 응답을 할 수 없다. 압전 소자는 역학적인 힘이 작용될 때 충전이 된다. 저주파수에 대한 실제적인 제한은 가속도계가 접속된 전치 증폭기(Preamplifier)에 의하여 결정된다. 전치 증폭기는 가속도계로부터 전하량이 새어나가는 비율을 결정한다. 0.003 ㎐(0.18 cpm) 이하의 주파수에서의 진동 측정은 고품질의 가속도계와 전치 증폭기에 의하여 가능하다.

이론적으로 가속도계는 가속도 Zero까지 선형적으로 감소한다. 그러나 실제적인 낮은 주파수의 제한은 측정 시스템이 가지고 있는 고유의 Noise에 의해 결정된다.

주어진 압전 소자 재료에 대하여 가속도계의 감도는 질량의 직접 함수(Direct Function)이다. 보통 감도가 증가한다는 것은 공진 주파수의 감소를 의미하는 크기와 무게가 커졌다는 것을 의미한다 (그림 3-15). 역으로 매우 높은 주파수에 사용하는 가속도계는 작고 가벼우며 낮은 감도를 가지고 있다. 가속도계는 보통 90 dB 또는 그 이상의 매우 넓은 역학적 범위를 가지고 있다. 그러나 변환장치(Conversion Electronics)를 과부하 시키지 않고 예상할 수 있는 가장 큰 가진력을 수용할 수 있을 정도의 고감도를 가속도계가 가지고 있을 때 최상의 결과를 얻을 수 있다.

그림 3-15 가속도계의 감도와 고유진동수와의 관계

 

압전 소자 가속도계는 자체 발생 장치이지만 그것의 출력은 매우 높은 임피던스를 가지고 있다. 그러므로 가속도계 자체만으로는 대부분의 표시 화면이나 분석, 감시 장비에 적합하지 않다. 그러므로 고 임피던스의 크리스탈 출력을 저 임피던스로 변환시키기 위하여 변환 장치가 사용되어야 한다. 임피던스 변환 장치는 가속도계 내부나 가속도계에 가까운 외부에, 또는 감시나 분석 장비 안에 설치될 수 있다 (그림 3-16).

내부에 변환 장치를 가지고 있는 가속도계는 사용하기에 편리하며 값이 비싸지 않은 평범한 Connector나 케이블을 사용할 수 있지만 최고 사용 온도가 약 250 ℉(125 ℃)로 제한된다. 가속도계로부터 떨어져 서늘한 곳에 변환 장치를 설치하면 특정 기계에서 더 높은 허용 온도, 1,400 ℉(760 ℃)까지 변환기를 사용할 수 있다. 그러나 가속도계로부터의 고 임피던스 신호를 변환 장치까지 전달하기 위해서는 특수하고 값비싼 저 Noise Connector와 케이블을 사용해야 하며 케이블은 외란의 발생을 최소화하기 위하여 단단히 고정되어야 한다. 변환기를 측정 장치 내에 설치하는 것이 별도의 변환 장치를 설치하는 것보다 종종 더욱 편리하며 값이 싸게 된다.

그림 3-16 고 임피던스의 가속도계 출력을 기록 및 분석장비 사용에
알맞는 저 임피던스 신호로 변환시키는 3가지 방법

 

변환기를 가속도계 내에 설치하게 되면 낮은 Noise의 긴 전송 케이블이 필요하며 이것이 손상되면 전체를 교체하여야 한다. 온도에 의해 제한만 받지 않는다면 변환기를 가속도계 내에 설치하는 것이 일반적으로 가장 좋은 방법이다.

변환 장치에는 충전식, 전압식의 두 가지 형식이 있다. 충전식 변환 장치는 일반적으로 더 복잡하며 따라서 전압식 변환 장치보다 더욱 값이 비싸다. 그러나 충전식 장치의 감도는 가속도계와 충전식 변환 장치 사이의 케이블의 길이에 영향을 받지 않는다. 낮은 내부 용량을 가지고 있는 가속도계와 전압식 변환 장치가 사용되면 케이블 길이의 변화가 전체적인 용량에 변화가 생길 수 있으며 상응하는 감도의 변화를 일으킬 수 있다. 이러한 종류의 변환 장치와 케이블의 영향은 가속도계와 별도로 변환 장치가 설치된 기계에서만 고려할 필요가 있다.

기계 상태 감시와 분석에 사용되는 대부분의 가속도계는 내부 변환 장치를 가지고 있다. 내부 변환 장치를 가지고 있는 가속도계는 대부분의 분석 및 측정 장비에서 직접 사용하기에 알맞은 저 임피던스의 출력을 가지고 있다. 가속도계와 저 Noise 케이블, 그리고 별도의 충전식 변환장치로 구성된 시스템과 비교할 때 내부 변환 장치의 가속도계는 사용하기가 쉬우며, 일반적으로 외부의 영향에 덜 민감하며 가격도 저렴하다.

내부 변환 장치를 가지고 있는 가속도계는 표준 케이블과 Connector로 훌륭하게 운전된다. 가속도계로부터 감시 및 분석 기구까지의 최대 거리는 가속도계에 공급되는 전원이나 케이블 용량, 관심 대상이 되는 최대 진폭이나 주파수의 크기에 의하여 결정된다. 약 500 feet(150 meter)를 초과하는 케이블의 길이가 요구되는 경우에는 가속도계 제작자의 추천을 따라야 한다.

기계 상태 감시에 사용되는 가속도계의 감도에 대한 현재의 규격은 24 Vdc에서 100 mV/g의 가진력이다. 이것은 사용하기 편리한 값이며 대부분의 기계에 적용할 수 있지만 높은 진폭을 측정하거나 저주파수에서 측정할 때는 문제를 일으킬 수 있다.

앞에서 언급된 바와 같이 가속도계로 저주파수 측정을 하는 것은 신호 대 Noise의 비율에 의해 제한된다. 적정 값으로서 많이 추천되는 500 mV/g의 높은 감도는 10 ㎐(600 cpm)이하의 주파수가 주요 관심의 대상이 되는 저속 기계에 적용될 때 유리하다.

고 주파수에서는 반대 현상이 일어난다. 전형적인 100 mV/g의 가속도계는 약 70g의 피크 진폭까지 제한된다. 이 수준 이상에서는 고, 저 주파수에서 신호가 왜곡되기 시작한다. 그러므로 고진폭의 성분이 생기는 기어, 가스 터빈, 나사식 압축기와 같은 기계를 측정하기 위해서는 10 mV/g의 낮은 감도가 요구된다.

4.3 壓電 素子式 速度 變換器 (Piezoelectric Velocity Transducers)

압전 소자 가속도계는 속도값의 출력을 만들어 내기 위해 내부에 변환 회로가 결합된 적분기를 사용한다. 앞 절에서 언급된 자석과 코일로 이루어진 전기기계식 속도 Pickup과 비교할 때 압전 소자 속도 변환기의 몇 가지 유리한 점 때문에 거의 모든 기계의 상태 감시에서 압전 소자식 Pickup이 자석 코일식 Pickup을 대신하게 되었다. 이것의 장점은 신뢰도가 크게 향상되었고, 기계적으로 움직이는 부분이 없어 수명이 길고 전체 운전 범위에서 위상각이 정확하게 나타난다는 점 등이다. 또한 2 ㎐(120 cpm)에서부터 2 kHz(120 kcpm)이상까지의 전형적인 압전 소자 속도 변환기의 주파수 응답은 기어나 볼베어링이 장착되어 있는 저속 기계에서의 진동을 측정하거나 감시하는데 유리하다. 냉각탑의 Fan이나 제지 기계의 베어링이 전형적인 예이다.

4.4 設置 (Installation)

가속도계의 적정한 설치 방법은 종종 타협이 요구되는 논제이다. 평평한 표면에 스터드 볼트로 견고하게 설치하는 것이 최상의 진폭 선형성과 주파수 응답을 제공한다는 것은 의심할 나위도 없다. 이러한 형태의 설치는 값이 비싸고 휴대용 장비로 기록되는 많은 측정에는 실제적인 방법이 아닐 것이다. 접착성이 좋은 자석으로 베어링 하우징의 표면에 고정된 평평한 면에 부착함으로써 적당한 주파수 응답(4~5 ㎐, 240~300 kcpm)을 가지는 신속한 측정과 양호한 진폭 재현성을 얻을 수 있다 (이러한 형태의 접착은 완전한 주파수 응답을 얻을 수 있다는 것이 중요하다). 어떤 경우에는 신속한 부착과 분리가 필요할 때가 있다. 측정되는 최대의 주파수가 비교적 낮은 약 1 kHz(60 kcpm) 이하에서는 Handheld 가속도계가 최소의 비용으로 만족할 만한 결과를 제공할 것이다.

대부분의 전형적인 감시 프로그램은 모두 다음 세 가지 고정 방법을 사용할 것이다.

• 영구적으로 견고하게 스터드 볼트로 고정하여 가속도계를 설치하는 방법이며 아마도 이 가속도계는 정밀한 고 주파수 측정이 요구되는 고속 기어와 같은 복잡한 기계를 주기적으로 감시하는데 사용될 것이다.

• 자석을 이용한 고정 방법은 터빈, 터보 압축기, 저속 기어와 같은 중요한 기계를 주기적으로 측정하는데 이상적이다.

• Handheld 측정 방법은 연속적인 측정 중에 약간의 변화가 허용되는 중요하지 않은 일반적인 용도의 기계 장치에서 만족스러운 결과를 제공할 것이다.

케이블이나 Connector도 또한 신뢰할 만하고 반복적인 측정에 아주 중요하다. 영구적인 설치를 위하여 선정 과정 중에 환경 조건도 고려되어야만 한다. 부식과 조기 고장을 방지하기 위하여 Connector의 형식과 Connector와 케이블의 재료의 적정한 선정이 매우 중요한데 냉각탑 내의 염소 가스 주변에서나 제지용 기계에서의 사용은 물론 고온에서의 사용 등이 환경 조건을 고려해야 하는 몇몇 예가 될 것이다. 이러한 경우에 기계적인 손상의 방지, 변형의 완화, 전원과 제어용 케이블의 격리 등을 고려한 설치는 성능과 신뢰도에 아주 중요하다.

주기적인 측정을 위하여 사용되는 케이블과 Connector는 적절하게 변형 완화의 여유를 주고 튼튼하게 설치되어야 한다.

4.5 制限 條件 (Limitations)

가속도계는 높은 감도와 넓은 작동 범위 때문에 측정 환경에 민감한 반응을 나타낸다. 열의 복사와 빗방울의 부딪힘까지도 가속도계는 큰 저 주파수의 출력을 만들어 낸다. 고르지 못한 표면에 설치되어 가속도계 바닥의 찌그러짐 때문에 생기는 기초대 변형률(Base Strain)은 감도를 크게 변화시킬 수 있다. 이 두 가지 난제는 가속도계의 설계를 어떻게 하느냐에 따라 최소화할 수 있다. 일반적으로 질량이 진동에 대한 응답을 할 때 크리스탈에 전단력을 가하는 전단력형(그림 3-17)은 압축형(그림 3-12)보다 열의 복사와 기초대 변형률에 의한 영향을 덜 받는다. 환경의 영향을 제거할 수 없으면 가속도계 위에 절연 커버를 씌우는 것이 효과적임이 증명되었다. 가속도계를 사용할 때 고 임피던스와 낮은 강도의 신호가 조합되면 접지 계통에 회로가 형성되는 문제가 일어날 수 있다. 이것은 다른 전위를 가진 두 개의 접지 사이에 전류가 흐를 때 일어나기 때문에 시스템을 확실하게 한 곳에만 접지시키므로써 제거될 수 있다. 어떤 가속도계는 케이싱에 접속되어 한쪽 방향으로만 적층된 구조를 가지고 있다. 접지 계통에 회로가 형성되면 가속도계를 격리시키기 위하여 절연물을 설치하는 것이 필요하다. 이러한 조치가 절대적으로 필요하게 되면, 절연물의 설치는 가속도계의 공진 주파수를 낮게 하여 고 주파수에서 이에 상응하는 감도의 왜곡이 일어날 수 있다는 사실을 알아야 한다.

그림 3-17 전단형 가속도계

 

최종적으로 주의할 사항으로서 가속도계의 주요 강점 중의 하나가 이 장에서 언급된 다른 어떤 변환기보다 훨씬 더 넓은 주파수 범위를 조사 할 수 있다는 사실이다. 그 결과 가속도계로부터의 신호는 다른 변환기로부터 얻어진 신호에서는 전혀 나타나지 않는 수많은 성분을 포함한다. 어떤 방식으로 신호를 수정하고 변경하고 제한하기 위하여 신호 조절(Signal Conditioning)이 사용될 수 있다. 그러나 두 개의 다른 변환기에 의해 측정된 동일한 변수에서의 차이에 대해서는 미리 조사되어야 한다. 예를 들면 가속도계로부터의 출력은 전자적으로 속도로 적분된다. 가속도로부터 적분된 신호를 정확하게 동일 위치에 설치된 전기기계식 속도 Pickup으로부터 직접 얻어진 속도 신호와 비교하면 이 두 개의 신호는 약 10 ㎐에서 1,000 ㎐(600 cpm에서 60,000 cpm)까지는 본질적으로 같을 것이다. 이 범위 이하에서 가속도로부터 적분된 신호는 감도가 여전히 선형적인 반면 전기기계식 속도 Pickup의 신호는 감도가 떨어지기 때문에 가속도로부터 적분된 신호는 훨씬 더 활발한 저 주파수 신호를 포함하게 될 것이다. 가속도계의 매우 낮은 주파수까지의 선형 특성은 신호가 변위값으로 두 번 적분되면 특히 더 성가신 일이 될 수 있다. 이러한 상황하에서는 저 주파수대에서의 가속도와 속도의 주파수 제곱의 관계를 유지하는데 필요한 매우 큰 입출력비(Gain) 때문에 구조물의 운동이나 도관내의 굉음과 같은 기계 상태와는 관계없는 특성들이 증폭된다. 따라서 이러한 것들은 Filtering에 의해서 제거되어야만 한다.

가속도계가 기계 상태 감시에 널리 사용되고 있지만 허위의 낮은 주파수 성분을 포함하고 있다는 주기적인 보고를 수반하여 왔다. 사실 이 경우의 대부분은 고 주파수대에서 높은 진폭이 발생되는 기계들 즉, 기어, 회전 나사식 압축기, 가스 터빈, 결함이 있는 볼베어링을 가지고 있는 기계에서 발생되었다. 테스트 결과는 최대 진폭(rms)이 충분히 가속도계의 사용범위 이내에 있었다고 한다. 이 문제에 대한 설명은 관측 결과와 일치하는데 고파고율(High-Crest Factor) (peak/rms)의 가진이나 고 주파수에서 불충분한 전류의 공급은 변환 장치에 순간적인 과부하를 일으킨다는 것이다. 이 과부하는 감지용 크리스탈과 변환 장치 사이의 고 임피던스 회로의 밖에서는 관측될 수 없다. 과부하와 그 결과로 일어난 비선형성은 속도로의 적분 과정에서 증폭되는 인위적인 저 주파수 성분을 만들어 낸다. 그러므로 고 진폭과 고 주파수 가진을 일으킬 수 있는 기계에서 진동을 측정하기 위하여 100 mV/g 의 가속도계를 사용할 때에는 이 점에 주의하여야 한다.

 

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