KR100336064B1 - 공정설비내 이물질의 충격위치 탐지방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전소 등의 공정설비 내에 이물질이 발생하여 공정설비 내벽에 충격을 가할 때 공정설비 외벽에 부착된 가속도계 센서를 이용하여 측정한 충격신호의 신호분석을 통해 이물질의 충격위치를 탐지하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 매체가 순환하는 공정설비 내에서 일부 내부 부품이 매체의 유동에 의한 피로 손상 등의 이유로 제 위치에서 이탈되거나 혹은 외부에서 의도하지 않은 이물질이 공정설비 내로 유입되는 등의 경우에 이러한 이물질은 매체와 함께 이동하면서 공정설비 내벽에 충격을 가하여 공정설비를 손상시킬 수 있다. 공정설비 내에서 이러한 형태의 손상을 최소화하기 위해서는 이물질의 충격위치 탐지를 통해 이물질의 소재를 정확히 파악하고 이물질을 신속히 제거하는 것이 필요하다.

이러한 이유로 이물질이 매체와 함께 이동하면서 공정설비 내벽에 충격을 가할 때 공정설비 외벽에 부착된 가속도계 센서로 측정한 충격신호 정보를 가지고 위그너-빌 분포함수(Wigner-Ville Distribution Function)를 이용한 신호분석을 통해 기존의 방법보다 좀 더 정확한 충격위치를 탐지하는 방법을 제시하고자 하는 것이 발명의 핵심이다.

이물질의 충격위치를 구하는 기존의 방법은 충격신호의 시간이력 데이터만을 가지고 충격위치를 추정하는데 이때 충격신호의 시간이력 형상이 복잡하여 정확한 충격위치를 추정하기가 어려운 것으로 알려져 있다. 이러한 점을 개선하기 위해 본 발명에서는 충격신호의 시간이력 데이타를 가지고 위그너-빌 분포함수를 이용한 신호분석을 통해 주파수 성분 데이터로 변환시킨 후, 주파수 성분 데이터로부터 굽힘파(bending wave)의 주파수별 도착시간 차이값을 구하고 이를 바탕으로 이물질의 충격위치를 좀 더 정확히 구하는 방법을 제시하고자 하는 것이다.

Description

공정설비내 이물질의 충격위치 탐지방법 {Method of searching for impact position of loose part in system}

본 발명은 발전소 등의 공정설비 내에 이물질이 발생하여 공정설비 내벽에 충격을 가할 때 공정설비 외벽에 부착된 가속도계 센서를 이용하여 측정한 충격신호의 신호분석을 통해 공정설비내 이물질의 충격위치를 탐지하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 매체가 순환하는 공정설비 내에서 이물질이 발생하면 그 이물질은 매체와 함께 이동하면서 공정설비 내벽에 충격을 가하여 공정설비를 손상시키고 결국에는 공정계통 전체의 안전성을 해칠 수 있다. 이런 이유로 이물질의 충격위치 및 소재를 정확히 파악한 후 그 부위를 분해하여 이물질을 신속히 제거하는 것이 공정계통의 안전성 확보에 중요하다.

이물질의 충격위치 탐지를 위한 기존의 대표적인 방법으로서 첫째, 두 개의 가속도계로부터 측정한 충격신호의 감쇠값과 도착시간의 차이값을 이용하여 충격위치를 탐지하는 방법이 있고, 둘째, 하나의 가속도계로부터 측정한 충격신호중 종파 및 횡파의 도착시간 차이값과 파동의 전파속도값을 이용하여 충격위치를 탐지하는 방법이 있다. 이 방법들은 모두 충격신호의 시간이력 데이터로부터 충격신호가 가속도계에 도착하는 시간의 차이값을 구하여 충격위치를 구하는 것인데 시간이력 데이터의 형상이 복잡하여 충격신호의 가속도계 도착시점을 명확히 구분해 내는데 어려움이 존재함으로 인해 정확한 충격위치를 구하는 데에도 어려움이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명에서는 이러한 신호의 도착시간 시점을 구분하기가 어려운 문제를 해결하기 위해 위그너-빌 분포함수를 이용한 굽힘파의 주파수별 도착시간의 시점을 명확히 구분할 수 있는 방법을 제시하고 이를 이용하여 공정설비내 이물질의 충격위치를 정확히 추정하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

도 1 : 모의 평판 충격실험시 가속도계의 배치도

도 2 : 모의 평판 충격실험시 측정한 시간이력 데이터

도 3 : 위그너-빌 분포함수를 이용하여 충격신호의 시간이력 데이터를 위그너-빌 파워분포로 변환한 전형적인 도면

도 4 : 모의평판 충격시험시 3개의 가속도계에 도착한 굽힘파의 주파수별

도착시간을 나타내는 도면

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 이물질의 충격에 의해 발생되는 굽힘파가 공정설비의 외벽을 따라 전파할 때 전파속도가 주파수에 따라 다른 특성에 착안하여 공정설비내 이물질의 충격위치를 정확히 탐지하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에서는 발전소 등의 공정설비 내부에서 이물질이 충격을 가하게 되면 공정설비 외벽을 타고 무수한 주파수 성분의 굽힘파가 충격지점으로부터 방사형으로 전파하게 되고, 이러한 굽힘파들이 공정설비 외벽을 따라 전파할 때 그 전파속도는 주파수의 제곱근에 비례하는 관계를 가지고 전파하는 것으로 알려져 있으며, 이러한 주파수별로 굽힘파의 전파속도가 다른 특성은 실제 측정된 신호에서는 위그너-빌 분포함수를 이용한 신호변환을 통하여 구할 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본발명을 상세히 설명하고자 한다.

실시예

1) 3개의 가속도계를 이물질이 충격을 가할 가능성이 있는 지역의 공정설비 외벽에 적절한 간격을 유지시키면서 미리 배치시켜 놓는다. 도1은 모의 평판 충격실험시 가속도계의 배치도를 나타낸 것이다.

2) 이물질이 충격을 가하는 순간, 3개의 가속도계를 이용하여 충격신호의 시간이력 데이터를 측정한다. 도2는 모의 평판 충격실험시 측정한 시간이력 데이터를 보여준다.

3) 3개의 충격신호 시간이력 데이터 각각을 위그너-빌 분포함수를 이용하여 주파수 성분 데이터로 변환한다. 위그너-빌 분포함수의 정의는 다음과 같다.

실제의 시간이력 데이터는 유한하기 때문에 위그너-빌 분포함수 계산은 다음과 같은 근사식을 이용하여 계산한다.

도3은 위그너-빌 분포함수를 이용하여 충격신호의 시간이력 데이터를 위그너-빌 파워 분포로 변환한 전형적인 그림을 보여준다.

4) 주파수 성분 데이터로부터 가속도계 각각에 도착하는 굽힘파(bending wave)의 주파수별 도착시간을 구한다. 도착시간을 구하는 방법은 먼저 위그너-빌 분포함수를 이용하여 도3과 같은 위그너-빌 파워 분포곡선을 구한다. 그리고 위그너-빌 파워 분포곡선에서 시간이 0인 축으로부터 첫 번째로 가까운 첨두(peak) 분포곡선은 이물질의 충격에 의한 굽힘파의 에너지가 가속도계에 도착하는 것을 나타내며 그 이후에 나타나는 첨두 분포곡선들은 굽힘파가 가속도계를 통과한 후 경계면에 반사되어 되돌아오는 굽힘파의 에너지를 나타낸다. 따라서 위그너-빌 파워 분포곡선에서 시간이 0인 축으로부터 첫 번째로 가까운 첨두 분포곡선중 최대값만을 연결한 선이 충격에 의한 굽힘파의 주파수별 도착시간을 나타낸다. 도4는 모의평판 충격시험시 3개의 가속도계에 도착한 굽힘파의 주파수별 도착시간을 나타내는 도면이다. 이 도면으로부터 가속도계가 충격위치로부터 가까운 순서대로 충격신호가 먼저 도착하고, 또한 한 가속도계에 대해서는 고주파의 굽힘파가 저주파의 굽힘파보다 먼저 도착하는 특성이 있음을 알 수 있다.

5) 굽힘파의 주파수별 전파속도를 다음과 같은 전파속도 계산식을 이용하여 계산한다.

6) 하나의 가속도계에 도착하는 굽힘파중 임의의 2개 굽힘파의 도착시간 차이값과 해당 굽힘파의 전파속도값을 이용하여 가속도계로부터 이물질의 충격위치까지의 거리를 계산하며, 이러한 방식으로 3개의 가속도계 모두에 대해 가속도계로부터 이물질의 충격위치까지의 거리를 계산한다. 가속도계로부터 이물질의 충격위치까지의 거리를 계산하는 식은 다음과 같다.

7) 가속도계로부터 이물질의 충격위치까지 거리를 반경으로 하고 가속도계를 원점으로 하는 원을 3개의 가속도계 각각에 대해 그려서 3개의 원이 교차하는 점을 구한다. 이 교차하는 지점이 이물질의 충격위치가 된다. 도1은 3개의 원을 교차시켜 충격위치를 구하는 그림을 나타낸다. 표 1은 본 발명에서 제안하는 방법을 적용하여 모의 평판 충격실험시 구한 충격위치의 추정결과를 나타내며 10%이내의 상대오차를 보여준다.

	rA	rB	rC
실제위치 (m)	0.4	0.5	0.64
실험결과 (m)	0.43	0.52	0.63
상대오차 (%)	7.5	4	1.5

표 1 충격위치 실험결과

본 발명은 발전소 등의 공정설비 내에 이물질이 발생하여 공정설비 내벽에 충격을 가할 때 위그너-빌 분포함수를 이용한 신호분석을 통해 이물질의 충격위치를 기존의 방법보다 좀 더 정확히 탐지할 수 있다.

이물질의 충격위치를 정확히 파악하게 되면 이물질의 소재도 함께 정확히 파악하게 되므로 이물질을 제거하기 위한 분해점검 및 검사 등의 작업을 시행착오 없이 수행할 수 있으며 이로 인해 원자력 발전소 작업자의 경우에는 방사능 피폭량을 최소화시킬 수 있다. 또한 이물질이 매체와 함께 이동하면서 공정설비 내벽에 충격을 가하여 공정설비를 손상시키는 것을 최소화 할 수 있어 전체 공정계통의 안전성도 증진시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 위그너-빌 분포함수를 이용한 공정설비 내 이물질의 충격위치 탐지방법에 있어서, 3개의 가속도계를 이물질이 충격을 가할 가능성이 있는 지역의 공정설비 외벽에 적절한 간격을 유지시키면서 미리 배치시켜 놓은 다음, 이물질이 충격을 가하는 순간, 3개의 가속도계를 이용하여 충격신호의 시간이력 데이터를 측정한 후 그 데이터 각각을 위그너-빌 분포함수를 이용하여 주파수 성분 데이터로 변환시킨 후, 주파수 성분 데이터로부터 가속도계 각각에 도착하는 굽힘파(bending wave)의 주파수별 도착시간을 구한 다음, 하나의 가속도계에 도착하는 굽힘파중 임의의 2개 굽힘파의 도착시간 차이값과 해당 굽힘파의 전파속도값을 이용하여 가속도계로부터 이물질의 충격위치까지의 거리를 계산하며, 가속도계로부터 이물질의 충격위치까지 거리를 반경으로 하고 가속도계를 원점으로 하는 원을 3개의 가속도계 각각에 대해 그려서 3개의 원이 교차하는 지점이 이물질의 충격위치가 됨을 특징으로 하는 위그너-빌 분포함수를 이용한 공정설비 내 이물질의 충격위치 탐지방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 위그너-빌 분포함수의 이용은 위그너-빌 파워 분포곡선을 구한 후에, 위그너-빌 파워분포곡선에서 시간이 0인 축으로부터 첫 번째로 가까운 첨두(peak) 분포곡선은 이물질의 충격에 의한 굽힘파의 에너지가 가속도계에 도착하는 것을 나타내며 그 이후에 나타나는 첨두 분포곡선들은 굽힘파가 가속도계를 통과한 후 경계면에 반사되어 되돌아오는 굽힘파의 에너지를 나타내며, 따라서 위그너-빌 파워 분포곡선에서 시간이 0인 축으로부터 첫 번째로 가까운 첨두 분포곡선중 최대값만을 연결한 선이 충격에 의한 굽힘파의 주파수별 도착시간을 나타냄을 특징으로 하는 위그너-빌 분포함수의 신호분석 방법을 이용하여 굽힘파의 도착시간 차이값을 구하는 방법.

   실제의 시간이력 데이터는 유한하기 때문에 위그너-빌 분포함수 계산은 다음과 같은 근사식을 이용하여 계산한다.
3. 제1항에 있어서, 상기 굽힘파의 주파수별 전파속도를 다음과 같은 전파속도 계산식을 이용함을 특징으로 하는 위그너-빌 분포함수를 이용한 공정설비 내 이물질의 충격위치 탐지방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 하나의 가속도계에 도착하는 굽힘파중 임의의 2개 굽힘파의 도착시간 차이값과 해당 굽힘파의 전파속도값을 이용하여 가속도계로부터 이물질의 충격위치까지의 거리를 계산하며, 이러한 방식으로 3개의 가속도계 모두에 대해 가속도계로부터 이물질의 충격위치까지의 거리를 측정함을 특징으로 하는 위그너-빌 분포함수를 이용한 공정설비 내 이물질의 충격위치 탐지방법.

   가속도계로부터 이물질의 충격위치까지의 거리를 계산하는 식은 다음과 같다.