8. 증폭기

Amplifiers

 

증폭 회로는 진동 Monitor와 분석기에 사용되지만 여기서는 변환기로부터의 저준위 신호를 기록이나 분석에 적정한 값으로의 증폭에 사용되는 분리형 또는 내장형 계측용 증폭기를 모두 설명할 것이다. 대부분의 Tape Recorder는 스스로 입력감도(Input Gain)를 변화시킬 수 있는 기능을 가지고 있지만 어떤 것들은 전위차계형(Potentiometer type)으로 연속적으로 조정을 하며 감도 설정을 하기 위하여 별도의 교정 신호를 필요로 한다. 그러므로 이러한 Recorder는 특정한 최대 입력 전압(보통 1 Volt RMS)을 가진 단일 감도로 설정되어야 하며 변하지 않는 정수로 감도를 추가할 수 있는 계측용 증폭기가 변환기로부터의 신호를 적정한 값으로 증가시킬 수 있도록 Recorder의 입력에 삽입되어 있어야 한다. 1 Volt RMS의 Full-scale 입력 수준과 45 dB의 신호 대 잡음의 비율을 가지고 있는 일반적인 FM 계측용 Tape Recorder의 규격은 전치 증폭이 종종 필요한 이유를 설명해 주는 좋은 예이다. 바꾸어 말하면 이러한 규격은 Recorder의 Noise Floor를 설정하고 45 dB 또는 정격 입력보다 178배 이하까지 기록될 수 있도록 최저 준위의 신호를 제한한다. 1 Volt RMS의 정격 입력을 기초로 하면 Noise Floor는 약 5.6 mV RMS가 되며 약 16 mV Peak-to-Peak에 해당한다. 1 mil당 200 mV(8 mV/㎛)의 감도로 약 0.5 mil(12 ㎛)의 변위 신호를 Recorder가 수용하기 위해서는 100 mV Peak-to-Peak보다 적은 Noise Floor가 필요할 것이다. 만일 이러한 신호가 어떤 전치 증폭 없이 저장된다면 유효 신호 대 잡음 비율은 16 dB에 해당하는 100/16 또는 6.25까지 감소될 것이다. 이러한 제한은 정상 상태의 조건에서는 허용될 수 있으나 작은 결함이 진전되고 있는 것을 나타내는 저준위 성분은 잡음 속에서 소멸될 것이다. 만일 진폭과 위상 응답을 알아보기 위한 기동 정지가 Recording에 포함되어 있다면 문제의 발생이 예상된다. 이러한 상태에서는 약 6배의 진폭 변화가 보통이며 이러한 것은 많은 형식의 기계에서 나타난다.

이 예는 모든 기록 및 분석 장비는 그들이 운전되어야 할 입력의 범위가 정해져 있음을 지적하고 있다. Tape Recorder의 경우 Recorder로 들어오는 진폭이 항상 Recorder의 정격 입력 신호에 가능한 가깝게 하기 위해 일정 정수 Step으로 Tape Recorder의 입력에서 들어오는 신호의 크기를 조정하는 것이 편리하다. 이렇게 하면 Recorder는 그 Recorder의 유효 동력학적 범위를 최대화하는 신호 Level에서 사용된다.

많은 분석자들은 전치 증폭기를 사용하지 않고 간단하게 대부분 Recorder의 입력에 마련된 감도 조정기를 사용하며 Recorder의 Full-scale Level을 예상되는 최대 진폭의 신호보다 약간 더 높게 조정한다. 만일 사용자가 저장될 신호의 최대 수준을 예상할 수 있다면 이것은 만족할 만한 방법이다. 그러나 비정상적인 신호(10 Volt Peak의 기준 위상 신호나 매우 낮은 수준의 가속도 신호)가 분석 과정중에 기록되어야 할 때에는 문제가 발생한다. 많은 분석 경험에 의하여 표 6-1의 동력학적 범위(기계 진동을 기록할 때 필요한 최대와 최소 신호의 비율)를 예상할 수 있다.

 

표 6-1 각종 변환기에 필요한 동력학적 범위

약간의 조정을 하여 축변위와 속도값이 얼마간의 잡음이 생기는 것을 감수하면 계측용 증폭기를 사용하지 않을 수도 있다. 그러나 가속도 값이나 세 개의 변수를 모두 확실하게 기록하려면 전치 증폭기가 필요하다.

일반적인 계측용 증폭기는 기계의 진동 신호를 수집하기 위하여 0.2~0.5에서 적어도 500까지 범위의 선형성이 있는 이득을 Step으로 조정할 수 있어야 한다. 일반적으로 이들 감도는 1, 2, 5, 10, 20, 50의 과정을 따를 것이다. 복잡해 보이기는 하지만 이렇게 하면 교정하는데 아무런 문제가 생기지 않는다. 예를 들어 Recorder의 입력 수준에 도달하기 위하여 20배로 증폭되어야 하는 신호를 살펴보자. Recorder에 Unity Gain이 있다고 가정하면 분석기나 Display 장치의 출력은 원래의 수준으로 돌아가기 위해 20으로 나누어져야 한다. 보다 분명히 하기 위해서, Recorder로부터의 신호를 시간영역으로 표시되는 직교 좌표 눈금에 그려 넣고 눈금당 2 Volt가 사용된다면 원래의 Peak-to-Peak 입력값은 20 또는 200 mV로 나뉘어진 4 Volt가 된다. 따라서 Recording에 사용되는 전치 증폭기는 시스템 교정을 바꾸지 않고 보상될 수 있다. dB 단위의 이득을 Step으로 조정하는 가진 증폭기는 기계 분석에서 사용하지 않는 것이 좋다. 왜냐하면 입력의 증폭을 보상하기 위한 나눗셈이 훨씬 더 어렵고, 순수한 숫자가 아닌 척도 눈금으로 나타나기 때문이다.

다음으로 증폭기의 주파수 응답을 알아야 한다. 실제로 사용되고 있는 모든 계측용 증폭기는 대부분의 기계에서 사용하기에 적합한 DC 신호에서부터 적어도 20 kHz까지의 주파수 응답을 가지고 있다. 더 높은 주파수를 조사하기 위해 100 kHz까지의 주파수 응답을 가진 증폭기를 구하려면 약간의 Premium만을 치르면 된다. 음향 발산 결함 주파수(Acoustic-emission Flaw Frequencies)를 조사하려면 100 kHz 이상의 주파수 응답을 가진 증폭기를 사용 해야한다.

 

TRAC Mark INCOSYS