KR20080063572A - 빌트인 디지털 진동모니터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진동계측 기술에 관한 것으로서, 좀더 자세하게는 기계의 몸체에 상시적으로 부착시켜 두고 기계의 가동 중 진동을 계속 측정을 하여 기계의 상태를 모니터링 할 수 있는 장치에 관한 것이다.

본 발명품은 외형을 이루고 구성품들을 내장 또는 부착하고 있는 케이스(10), 기계의 진동을 감지하는 센서(20), 센서로부터 받은 신호를 증폭하는 증폭기, 증폭된 신호에서 노이즈를 제거하는 필터, 그리고 노이즈가 제거된 신호를 디지털화하는 AD 컨버터를 포함하여 구성되는 신호조정모듈(30), 신호조정모듈로부터 받은 신호를 저장하는 메모리와, 메모리로부터 받은 신호를 연산, 비교, 그리고 판정하여 처리하는 DSP를 포함하여 구성되는 신호처리모듈(40), 메모리와 필터에 데이터를 입력하는 입력부(50), 그리고, 기계의 진동모니터링에 필요한 정보를 표시하고 출력하는 출력부(60)를 포함하여 구성된다.

본 발명인 빌트인 디지털 진동모니터는 아날로그 회로를 이용한 제품에 비하여 다양하고 정확한 진동모니터링이 가능하고, 아주 저렴한 비용으로 제작할 수 있고, 노이즈의 영향을 받지 않아 신뢰성이 높고, 운용이 아주 용이하다.

진동, 모니터링, 디지털, 진동신호, 신호처리

Description

빌트인 디지털 진동모니터{Built-in Digital Vibration Monitor}

도 1은 본 발명인 진동모니터의 외형 사시도이다.

도 2는 신호처리 계통도이다.

도 3은 DSP 내부의 신호연산 계통도이다.

※주요구성품 번호

10 : 케이스, 20 : 센서, 30 : 신호조정모듈,

40 : 신호처리모듈, 50 : 입력부, 60 : 츨력부

본 발명은 기계의 상태를 모니터링하기 위한 진동 계측 및 분석기술에 관한 것으로서, 좀더 자세하게는 기계의 몸체에 상시적으로 부착시켜 두고 기계의 가동 중 진동을 계속 측정을 하여 기계의 상태를 모니터링 할 수 있는 장치이다.

펌프, 모터, 엔진 등의 회전기계 또는 이러한 회전기계가 장착된 기계들은 회전체의 불평형 질량(Unbalance Mass), 축의 휨, 베어링 마모, 기어 치면의 손상 등의 영향으로 가동중 필연적으로 진동이 발생한다. 이러한 진동은 기계에 고장의 징후가 있으면, 그 고장의 원인과 관계가 있는 특정 주파수 성분의 진동이 급격히 증가한다. 따라서 기계의 전체 진동값 또는 특정 주파수의 진동값을 계속적 또는 주기적으로 측정하여, 기계에서 발생하는 진동의 양상을 관찰하면 기계의 고장을 예측할 수 있고, 그 고장의 원인까지 미리 예측할 수 있어서 예방정비 등 적절한 조치를 취할 수 있다. 이러한 기술을 진동모니터링(Vibration Monitoring) 이라고 하는데, 진동모니터링을 통하여 중요한 기계가 불시에 고장을 일으켜, 전체 생산 공정의 정지, 주변 작업 인원에 대한 신체적 피해 등 불측의 치명적인 피해를 유발하는 것을 방지할 수 있다.

상기와 같은 진동모니터링을 위하여, 종래에는 진동을 유발하는 기계에 고가의 진동 가속도계(Vibration Accelerometer)등의 센서를 부착하여 두고, 이 센서를 신호케이블로 신호처리장치 또는 신호처리가 가능한 컴퓨터 등과 연결한 별도의 진동모니터링 시스템을 구비하여 기계의 진동을 모니터링하였다.

상기와 같은 경우, 센서, 증폭기 등의 신호조정장치, 그리고 신호처리장치 등의 구성장비들이 아주 고가이고, 길게 연결된 신호케이블로 잡음신호(Noise, 이하 노이즈라 칭함.)가 유입되어 신뢰도가 저하되고, 시스템이 복잡하여 진동에 대하여 상당한 지식이 있는 고급인력이 있어야 운용할 수 있는 문제점이 있었다. 따라서 지금까지는 아주 고가의 대형설비 등에만 부분적으로 진동모니터링을 하고 있는 실정이다.

상기와 같이 종래의 진동모니터링 시스템은 고가이고, 신뢰도가 저하되고, 운용에 고급인력을 요하는 등의 문제가 있는바, 저렴하고, 신뢰도가 높고, 아주 간단하여 보통 수준의 현장 엔지니어가 직접 기계의 상태를 파악할 수 있는 진동모니터링 시스템이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 실현한 진동모니터로서, 모니터링의 대상이 되는 기계에 개별적으로 부착하여 기계의 상태를 현장에서 직접 감시할 수 있도록 하는, 빌트인 디지털 진동모니터이다.

본 발명인 빌트인 디지털 진동모니터는 케이스(10), 센서(20), 신호조정모듈(30), 신호처리모듈(40), 입력부(50), 그리고 출력부(60)로 구성되는데, 센서, 신호조정모듈, 그리고 신호처리모듈은 하나의 회로기판으로 구성되어 케이스의 내부에 장착되고, 출력부는 케이스에 외부로 노출되도록 부착된다. 그리고, 본 진동 모니터의 작동에 필요한 전기를 공급하는 건전지를 구비하고, 그리고, 모니터 on/off 스위치를 구비할 수 있다.

케이스(10)는 도 1에 도시한 바와 같이, 소형 상자 형태이며, 외면에 진동감지 방향을 표시하는 화살표(↑) 등의 표식이 있으며, 진동모니터링의 대상이 되는 기계에 부착된다. 케이스의 부착은 모니터링의 대상이 되는 기계의 몸체에, 진동을 측정하고자하는 방향에 상기 진동감지방향표시를 일치시켜 단단히 부착하면 되는데, 나사 부착, 접착제 부착 등 어떠한 방법이라도 가능하다.

센서로 감지한 진동신호를 처리하는 각 모듈과, 모듈 간 신호전달계통은 도 2에 도시한 바와 같다.

센서(20)로는 칩형 가속도 센서(MEMS 가속도 센서)를 사용하는데, 가속도 감지 방향이 상기 케이스(10)에 표시된 방향과 일치되도록 회로기판에 부착한다.

신호조정모듈(30)은 상기 센서가 감지하여 내보내는 진동신호를 증폭하는 증폭기(31, Amplifier), 노이즈를 제거하는 필터(32, Filter), 그리고 AD컨버터(33, Analog-Digital Converter)를 포함하여 구성된다. 증폭기(31)는 센서에서 감지되어 나오는 약한 전기 신호를 신호처리모듈(40)에서 처리하기에 용이한 정도로 증폭을 하는 기능을 한다. 그리고 필터(32)는 기계에서 발생하는 진동신호와 무관한 노이즈를 제거하는 기능을 하는데, 고주파 신호성분과 저주파 신호성분을 제거하는 밴드패스필터(Band Pass Filer)를 사용하거나, 저주파 노이즈 제거용 하이패스필터(High Pass Filer)와 고주파 노이즈 제거용 로우패스필터(Low Pass Filer)를 직렬로 연결하여 사용할 수 있다. 이 필터에는 입력부(50)에서 필터링 하고자하는 주파수 범위를 입력할 수도 있다. AD컨버터(33)는 필터(32)로부터 받은 아날로그 신호를 고속으로 샘플링(Sampling)하여 디지털로 변환하여 신호처리모듈(40)로 보낸다.

신호처리모듈(40)은 DSP(41, Digital Signal Processor)와 메모리(42, Memory)를 포함하여 구성된다. DSP와 메모리는 칩(Chip) 형태로 제작되어 시판되고 있다. 신호조정모듈(30)로부터 받은 신호는 일단 메모리(42)에 저장되고, 이어서 DSP(41)로 보내져서 각종 연산이 이루어진다. DSP의 연산구조는 도 3에 도시한 바 와 같은데, AD컨버터로부터 받은 측정신호를 FFT(Fast Fourier Transformation) 변환방법으로 주파수변환을 하고, 필요에 따라 진동가속도 신호를 적분하여 진동속도 또는 진동변위 값을 구하고, 측정값을 입력부(50)를 통하여 메모리(42)에 입력된 기준 값과 비교하여 한계값을 초과했는지 여부를 판별하고, 그 결과를 출력부(60)로 송출한다. 또한, 기계의 진동이 기준치를 많이 초과할 경우 모니터링 대상 기계의 전원을 차단하여 가동을 중단시키는 신호를 출력부(60)를 통하여 송출할 수 있다.

상기 DSP(41)에 아날로그 신호를 고속으로 샘플링하여 디지털데이터로 변환하는 기능, 그리고 디지털방식으로 노이즈를 제거하는 디지털 필터링 기능을 추가 할 수 있는데, 이러한 기능을 추가할 경우 상기 신호조정모듈에서 AD컨버터(33)와 필터(32)를 생략할 수 있다. 그러나 디지털 데이터로 샘플링하는 과정에서 엘리어징(Aliasing) 오차(Error)가 발생하므로, 필터(32)를 완전히 사용하지 않는 것보다 최소한 로우패스필터를 사용하여 고주파 노이즈를 제거하는 것이 좋다.

메모리(42)는 입력부(50)를 통하여 입력된 진동의 허용기준값, 센서의 게인(Gain), 그리고 측정 데이터 등을 포함한 여타 자료를 저장하고, 상기 DSP는 이 메모리에 필요한 데이터를 이용한다.

입력부(50)는 DSP(41)을 통하여 메모리(42)에 숫자 또는 문자를 직접 입력하게 하거나, 준비된 메뉴에서 특정 기능을 선택할 수 있게, 버튼 또는 여타 입력수단을 구비한다.

출력부(60)는 LCD표시창(61)과 출력포트(62) 중의 하나 또는 모두로 구성되 는데, LCD표시창은 상기 DSP(41)로부터 받은 측정값, 메모리(42)에 저장된 기준값, 입력메뉴, 입력부(50)를 통하여 입력되는 입력값 등 모니터링에 필요한 데이터들을 숫자, 표, 그래프 등의 형태로 표시한다. 그리고 출력포트(62)는 측정된 기계의 진동이 기준치를 초과했을 때의 경보신호, 측정데이터 등을 외부 장치에서 받아 볼 수 있게 하고, 전원공급선, 데이터 입력신호선 등을 구비하여 외부에서 전기를 공급하거나, 입력부(50)를 이용하는 대신 컴퓨터 등 별도의 편리한 입력 수단을 이용하여 이 출력포트를 통하여 입력 신호를 입력할 수 있게 할 수 있다.

본 발명인 빌트인 디지털 진동모니터의 작동과 운용은 다음과 같이 한다.

진동모니터에 모니터링 대상 기계의 진동특성을 감안하여 센서 게인, 주파수별 진동허용값, 기타 진동모니터링에 필요한 데이터를 입력하고, 진동모니터의 케이스(10)를 진동감지 방향에 따라 대상기계에 부착한다. 그 다음 진동모니터를 "on" 상태로 하면 진동모니터는 대상기계의 진동을 센서(20)를 통하여 계속 측정하고, DSP(41)는 이 진동 측정값을 메모리(42)에 저장된 허용 기준값과 계속 비교를 하고, 그 결과를 출력부(60)로 송출하여 현재 기계의 진동상태를 표시한다. 만약 진동 측정값이 기준값을 초과하면 경고등을 켜거나, 경고음을 울리게 하거나, 대상 기계의 가동을 중단시키는 신호를 출력포트(62)로 내보낸다. 이와 같은 방식으로 모니터링 대상기계를 개별적으로 모니터링할 수 있다.

기계진동의 모니터링은 측정된 진동신호의 시간영역 데이터(Time Domain Data)를 바로 이용하거나, 측정된 진동신호를 주파수 분석을 하여 주파수영역 데이터(Frequency Domain Data)를 이용하여 할 수 있다.

시간영역 데이터를 이용하는 모니터링 방법으로는 Crest Factor를 이상유무의 판정기준으로 하는 방법이 있는데, Crest Factor는 도 4에 도시된 바와 같은 RMS 값에 대한 Peak 값의 비(Peak/RMS)로 정의된다.

Crest Factor는 충격성 신호(Impulse Signal) 성분이나 단기 현상(Short Event)에 의한 신호를 검출하여 모니터링을 하는 것으로서, 베어링의 깨짐, 기어파손 등에 의하여 발생하는 순간적인 진동의 변화를 감지함으로써 진단할 수 있는 요소이다. 일반적인 신호와 기계에 이상이 있을 때 발생하는 진동신호의 Crest Factor는 다음 표 1과 같다. 측정된 진동신호의 Crest Factor를 구해보면 이 표에서 제시된 바와 같이 베어링의 이상유무를 알 수 있다.

Case	Crest Factor
Unit Sine	1.414
Random Noise
Good Bearing	2.5~3.5
Damaged Bearing	>3.5
Failure	>7

참고문헌 : Fundamentals of noise and vibration analysis for engineers, M. P. Norton, Cambridge University Press, 1989.

주파수영역 데이터를 이용하는 모니터링 방법으로는 Peak 검사법, Band 검사법, Overall 검사법 등이 있다.

Peak 검사법은 특정주파수 성분에 해당하는 진동값의 크기(Amplitude)를 이상유무의 판정기준으로 하는 방법으로서, 도 5에 도시한 바와 같이 기계에서 발생하는 진동신호의 주파수가 일정한 값인 경우(예 : AC 모터에서 120Hz의 자기진동성분이 지배적인 것 등)에 적용된다.

Band 검사법은 도 6에 도시한 바와 같이, 일정한 특정 주파수 대역폭에서 계산된 진동값의 합을 이상유무의 판정기준으로 하는 방법이다.

Overall 검사법은 도 7에 도시한 바와 같이, 검사주파수 대역 내에서 측정된 모든 진동값(Overall 값)의 합을 이상유무의 판정기준으로 하는 방법이다.

디지털 진동모니터의 장점은 외부입력장치(50)을 통하여 진동모니터링의 성능과 효과를 극대화시킬 수 있도록 상기와 같은 다양한 검사조건을 설정하고, 이를 모니터에 입력하여 정확한 기계의 상태를 모니터링할 수 있다는 점이다.

모니터링 조건 설정의 예는 다음 표 2와 같다.

검사코드	설정값	측정값	검사결과	비고
A1	0.1g	0.08g	OK	주파수영역검사
…	…	…	…	…
C1	6.0 m/sec	13.2 m/sec	NG	시간영역검사

본 발명인 진동모니터는 상기와 같이 개별적으로 운용할 수 있지만, 출력포트(62)를 상황실 등에 구비된 중앙감시 또는 통제 시스템과 유선 또는 무선으로 인터페이스시켜, 다수의 기계를 중앙 집중 방식으로 모니터링 할 수도 있다.

상기와 같이 기계의 진동을 모니터링할 경우, 기계의 고장과 그 원인을 미리 예상할 수 있다. 이에 따라 적절한 사전 정비를 통하여 기계의 갑작스러운 고장으로 인하여 발생하는 치명적인 손실을 방지할 수 있으며, 미리 예비품을 준비하는 등의 방법으로, 고가의 기계 및 그 기계가 사용된 설비 전체를 안전하고, 효과적이고, 또한 경제적으로 운용할 수 있다.

본 발명인 빌트인 디지털 진동모니터는 아주 저렴한 비용으로 제작할 수 있으므로, 모니터링 대상이 되는 기계마다 개별적으로 부착하여 기계별로 개별 모니터링을 할 수 있다. 그리고, 모니터링의 대상이 되는 개별 기계의 진동특성을 각각 미리 입력하여 기계에 부착할 수 있고, 스스로 기계의 진동상태를 판단하여 적절한 대책을 출력하므로, 진동과 진동모니터링에 특별한 전문 소양이 없는 현장 엔지니어들도 쉽게 모니터링 시스템을 운용할 수 있다.

본 발명인 빌트인 디지털 진동모니터는 종래의 아날로그 방식의 진동모니터링 시스템에 비하여, 외부입력장치(50)을 통하여 진동모니터링의 성능과 효과를 극대화시킬 수 있도록 다양한 검사조건을 설정할 수 있으며, 주파수분석 이전의 시간영역데이터와 주파수분석된 결과(주파수 스펙트럼)를 모니터링 요소로 하여 다양한 검사조건을 설정하는 것이 가능하다.

본 발명인 빌트인 디지털 진동모니터는 개별 기계의 진동을 직접 감지하여 모니터링을 하므로 노이즈의 영향을 받지 않아 신뢰성이 높다.

본 발명인 빌트인 디지털 진동모니터는 메모리에 기록된 입력 정보를 수정하여 입력하여 다른 동종 또는 이종의 기계의 진동모니터링에 바로 적용할 수 있어 경제적이다.

본 발명인 빌트인 디지털 진동모니터는, 출력포트를 상황실 등에 구비된 중앙감시 또는 통제 시스템과 유선 또는 무선으로 인터페이스시켜, 다수의 기계를 중앙 집중 방식으로 모니터링하는 데도 용이하게 사용할 수 있다.

Claims (3)

1. 하기 구성품들을 내장 또는 부착하고 있는 케이스(10);

   기계의 진동을 감지하는 센서(20);

   상기 센서로부터 받은 신호를 증폭하는 증폭기를 포함하여 구성되는 신호조정모듈(30);

   상기 신호조정모듈로부터 받은 신호를 저장하는 메모리와, 메모리로부터 받은 신호를 디지털 데이터화, 노이즈 제거, 연산, 비교, 그리고 판정 등을 하여, 모니터링에 필요한 정보로 가공하는 DSP를 포함하여 구성되는 신호처리모듈(40);

   상기 메모리에 데이터를 입력하는 입력부(50);

   그리고, 상기 신호처리모듈로부터 받은 진동 상태, 기계의 이상유무, 경보신호 등 기계의 진동모니터링에 필요한 정보를 표시하고 출력하는 출력부(60);

   를 포함하여 구성되는 진동 모니터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 신호조정모듈(30)은, 증폭된 신호에서 노이즈를 제거하는 필터와, 노이즈가 제거된 신호를 디지털화하는 AD 컨버터를 추가로 구비한 신호조정모듈(30)이고;

   상기 신호처리모듈(40)의 DSP는, 신호를 디지털 데이터화 하는 기능이 생략 된 DSP인 것을 특징으로 하는, 진동 모니터.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 출력부(60)는, 신호처리모듈(40)로부터 받은 경보신호, 진동 데이터를 포함하여 모니터링에 필요한 정보를 외부 장비와 인터페이스할 수 있는 출력포트를 추가로 구비한 출력부인 것을 특징으로 하는, 진동 모니터.

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