KR101119502B1 - 진동모니터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진동계측기술에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 기계의 진동을 측정하여 기계의 이상 유무를 조기에 찾아내기 위한 진동모니터에 관한 것이다.
본 발명의 진동모니터는 진동을 감지하는 센서와 센서에서 감지한 신호를 처리하여 기계의 이상 유무를 판단하여 표시하는 모니터본체로 구성된다. 모니터본체는 신호를 처리하는 신호처리부와 기계의 이상 유무를 판단하는 주처리장치 그리고 기억장치로 구성되어 측정된 진동신호로부터 기계의 이상 유무를 판단한다. 그리고 모니터본체는 이상 유무 판단에 필요한 정보를 입력하는 입력장치와, 기계의 이상 유무 및 현재 진동상태를 표시하는 표시장치를 구비하고 있다. 입력장치는 다수의 토글 버튼으로 구성하여, 진단대상 기계의 진동등급, 진폭표시방법, 경보레벨 등을 입력할 수 있다. 그리고 출력장치는 램프 및 표시창으로 구성하여, 기계의 현재 진동상태와 모니터의 입력상태를 표시한다.
본 발명의 진동모니터는 가격이 아주 저렴하고, 진동에 대한 전문적인 소양이 없는 사람도 기본적인 기계의 이상 유무를 바로 확인할 수 있다.

Description

진동모니터{Vibration Monitor}

본 발명은 진동계측기술에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 진단대상인 기계의 가동 중 진동을 측정하여 기계의 이상 유무를 조기에 찾아내기 위한 진동모니터에 관한 것이다.

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, 진동이 급격히 증가한다. 따라서 기계의 진동을 계속적 또는 주기적으로 측정하여 진동을 관찰하면 기계의 고장을 예측할 수 있고, 기계에 예방정비 등의 적절한 조치를 취할 수 있다.

이러한 기술을 진동모니터링(Vibration Monitoring) 이라고 하는데, 진동모니터링을 통하여 중요한 기계가 불시에 고장을 일으켜 전체 생산 공정이 정지되거나 작업 인원이 다치는 등 불측의 치명적인 피해를 사전에 감지하여 예방할 수 있다.

종래의 진동모니터링 시스템은 매우 고가로 일반 기계장비에 적용하기에는 부담이 크기 때문에 안정성이 크게 요구되거나 생산 수율에 크게 민감한 일부 특수한 장비에만 적용되고 있다. 실질적으로 기계에 고장의 징후가 있는 경우에는 진동 레벨이 증가하는 것이 일반적이며, 이러한 진동 레벨의 증가는 주변 장비의 운용에도 나쁜 영향을 줄 위험이 있다. 따라서 진동모니터링은 기계의 고장 유무뿐 아니라 주변 지역에 대한 진동환경의 모니터링을 위해서도 필요하고, 이에 따라 저가의 진동모니터링 시스템의 소요가 많은 실정이다.

상기와 같은 진동모니터링을 위하여, 종래에는 진동을 유발하는 기계에 고가의 진동가속도계(Vibration Accelerometer) 등의 센서를 부착하여 두고, 이 센서를 신호처리장치 또는 신호처리가 가능한 컴퓨터와 연결하여 구성한 진동모니터링 시스템을 구축하여 기계의 진동을 모니터링하였다. 이러한 기존의 진동모니터링 시스템에 있어 센서의 가격이 전체 시스템의 20~30%로 매우 높은 수준에 있다.

통상의 진동모니터링 시스템은 기계에 고장의 징후가 있으면, 그 고장의 원인과 관계가 있는 특정 주파수 성분의 진동이 급격히 증가하는 특징을 이용하여, 기계의 전체 진동값 또는 특정 주파수의 진동값으로부터 기계의 고장을 예측하고 있다. 진동모니터링 시스템은 이러한 예측을 위하여 다양한 알고리즘을 적용하고 있는데, 이를 전문가 시스템(Expert System)이라고 한다. 이 전문가시스템은 고가의 센서와 신호처리장치 그리고 아주 복잡한 고장진단 소프트웨어를 사용하므로, 시스템이 복잡하여 진동에 대하여 상당한 지식이 있는 고급인력이 있어야 운용할 수 있는 문제점이 있다. 따라서 지금까지 진동모니터링에 의한 기계의 고장진단은 아주 고가의 대형설비 등에만 부분적으로 이용되고 있는 실정이다.

상기와 같이, 진동모니터링 기술은 기계의 고장진단과 예방정비에 아주 유용한 수단이나, 시스템 구축에 많은 비용이 소요되고 또한 전문지식을 갖춘 고급 인력이 없으면 운용할 수 없는 문제점이 있다. 따라서 현장에서는 고가의 진동모니터링 시스템을 구비하고도 진동모니터링의 원래 목적을 충분히 달성하지 못하는 사례가 빈번하다.

따라서 진동에 대한 전문적인 소양이 없는 사람도 기본적인 기계의 이상 유무를 바로 확인할 수 있고, 또한 저렴한 비용으로 구축할 수 있어서 보편적으로 사용될 수 있는 진동모니터링 시스템이 필요하다.

본 발명의 진동모니터는 진동을 감지하는 센서와 센서에서 감지한 신호를 처리하여 기계의 이상 유무를 판단하여 표시하는 모니터본체로 구성된다.

센서는 진동을 감지할 수 있는 모든 종류의 센서가 사용될 수 있으나, 저렴한 MEMS 진동센서를 이용할 수 있다. MEMS 센서를 이용할 경우 그 단점인 저주파 시프트(shift) 현상("offset 현상"이라고도 함.)을 신호처리기법으로 제거하여 사용한다.

모니터본체는 신호를 처리하는 디지털신호조절장치와 기계의 이상 유무를 판단하는 주처리장치 그리고 기억장치로 구성되어 측정된 진동신호로부터 기계의 이상 유무를 판단한다. 그리고 모니터본체는 이상 유무 판단에 필요한 정보를 입력하는 입력장치와, 기계의 이상 유무 및 현재 진동상태를 표시하는 표시장치를 구비하고 있다.

주처리장치는 센서에서 측정한 기계의 현재 진동값과 기억장치에 저장된 진동판단기준을 비교하여 이상유무를 판정한다. 진동판단기준으로는 ISO 등 국제 규격에 제시되어 있는 신뢰성이 검증된 판단기준을 이용할 수 있다.

입력장치는 다수의 토글 버튼으로 구성하여, 진단대상 기계의 진동등급, 진폭표시방법, 경보레벨 등을 입력할 수 있다. 그리고 출력장치는 램프 및 표시창으로 구성하여, 기계의 현재 진동상태와 모니터의 입력상태를 표시한다.

본 발명의 진동모니터는 가격이 아주 저렴하고, 진동에 대한 전문적인 소양이 없는 사람도 기본적인 기계의 이상 유무를 바로 확인할 수 있다.

도 1은 본 발명의 진동모니터의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 진동모니터의 전면부를 보인 사시도이다.
도 3은 ISO 2372 기준 진동민감도등급 및 진동상태등급 별 진동범위이다.

본 발명의 진동모니터는 도 1에 도시한 바와 같이, 주처리장치(CPU), 기억장치(RAM 및 ROM), 디지털신호조절장치(DSC, Digital Signal Conditioner), 그리고 전원장치(Power Supply)를 포함한 구성품이 내장된 모니터몸체(1)와, 상기 모니터몸체(1)의 전면에 부착된 입력부(2)와 표시부(3), 그리고 진동을 감지하는 진동센서(4)로 구성된다.

모니터몸체(1)는 상자형 케이스로 제작되며, 내부에 주처리장치, 기억장치, 디지털신호조절장치 등의 구성품들이 인쇄회로기판형태로 제작되어 고정되고, 전지 또는 외부로부터 공급받는 상업용 전기를 직류로 변환하는 전원공급장치가 구비된다. 그리고 모니터몸체(1)의 벽에는 진동센서(4)에 연결된 신호선이 결합되는 신호단자(11)가 구비되고, 컴퓨터와 연결되는 데이터선이 결합되는 데이터단자(12)를 구비할 수 있다.

디지털신호조절장치(DSC)는 진동센서(4)에서 수신한 진동신호를 샘플링하여 디지털 데이터로 변환하고, 고주파 또는 저주파 노이즈를 제거하고, 신호를 증폭하는 등의 방법으로 진동신호를 가공하여 주처리장치(CPU)로 보낸다. 디지털신호조절장치(DSC)에서 나온 신호는 주파수변환기(FFT)를 경유하여 주파수분석된 신호를 주처리장치(CPU)로 보낼 수 있다.

주처리장치(CPU)는 디지털신호조절장치(DSC)로부터 받은 신호와 기억장치(ROM)에 저장된 데이터를 이용하여 진동진폭을 연산하고, 진동상태등급과 경보발령 여부 등을 판단하여 표시부(3) 또는 데이터단자(12)로 보낸다.

기억장치 중 ROM에는 주처리장치(CPU)가 연산과 판단을 하는데 필요한 소프트웨어와, 기계의 이상유무 판단의 기준이 되는 기계들의 종류, 용도, 최대출력, 그리고 정밀도 등에 따라 당해 기계가 진동에 견디는 정도인 진동민감도등급과 상기 진동민감도등급별로 진동의 진폭을 크기에 따라 몇 개의 등급으로 구분한 진동상태등급을 포함한 데이터가 저장되어 있다. RAM에는 주처리장치가 연산과정에서 생성하는 데이터들이 일시적으로 저장된다.

입력부(2)는 도 2에 도시한 바와 같이, 모니터링 대상이 되는 기계의 진동민감도등급을 입력하는 등급입력버튼(21), 진폭을 RMS값으로 나타날 것인지 Peak to Peak값으로 나타낼 것인지 등을 입력하는 측정모드입력버튼(22), 경보를 발하는 진동상태등급을 입력하는 경보레벨입력버튼(23), 그리고 상기 등급입력버튼(21), 측정모드입력버튼(22), 또는 경보레벨입력버튼(23)으로 입력된 자료를 기억장치의 ROM에 저장하게 하는 입력버튼(24) 등을 구비할 수 있다. 입력부(2)의 상기 버튼들은 모두 토글버튼을 사용하여, 원하는 입력내용을 선택하고, 입력버튼(24)으로 선택한 입력내용이 기억장치의 ROM에 저장되도록 하는 것이 편리하다.

표시부(3)는 도 2에 도시한 바와 같이, 진동상태등급을 나타내는 등급표시부(31)와, 진동값과 진동모니터의 작동상태를 표시하는 상태표시부(32)로 구성된다. 등급표시부(31)는 LED램프 점등방식으로 하고 각각의 LED램프 부근에 당해 진동등급을 표시하는 방식으로 구성하는 것이 편리하다. 그리고 상태표시부(32)는 액정표시창으로 제작하고, 현재 진동값, 모니터링 중인 기계의 진동민감도등급, 측정된 진동값의 단위 등 모니터링 현황을 표시하게 하는 것이 좋다.

표시부(3)에는 경보음발생기(33)을 추가로 구비하여, 기계의 진동상태가 일정 등급 이상이면 경보음이 발생하게 하는 것이 좋다. 또한 기계의 진동상태가 일정 등급 이상이면 상태표시부(32)의 문자들이 점멸상태로 표시되도록 하는 방법으로 경보를 발할 수 있게 하는 것이 좋다.

각종 산업에 사용되는 기계들은 기계의 종류, 용도, 최대출력, 그리고 정밀도 등에 따라 당해 기계가 진동에 견디는 정도인 진동민감도가 각각 상이한데, 여러 연구에서 이와 같은 기계의 진동민감도에 관한 등급이 제시되어 있다. 그리고 각 진동민감도등급 별로 진동의 진폭을 크기에 따라 몇 개의 등급으로 구분한 진동상태등급을 제시하여 당해 기계의 사용가능성 여부를 판단할 수 있게 하고 있다.

예를 들면, ISO(국제표준화기구)는 ISO 2372, 회전기계진동평가기준에서, 진동속도 RMS값을 기준으로 도 3에 도시한 바와 같이 회전기계의 진동민감도를 4등급으로 구분하여, 1등급은 15kW 이하의 모터를 포함하는 소형기계, 2등급은 15 내지 75kW 사이의 모터를 포함하거나 총 출력 300kW 이하인 중형기계, 3등급은 견고한 기초에 고정되는 대형기계, 4등급은 탄성체 기초 위에 고정되는 대형기계 등으로 분류하고 있다.

그리고 또한 ISO에서는 상기 진동민감도등급 별로 진동상태등급을 A(양호), B(사용가능), C(조건부 사용허용), D(사용불가)로 진동상태등급을 부여하여 기계의 이상 유무를 판단할 수 있게 하였다.

상기와 같은 진동민감도등급과 진동상태등급에 관한 연구는 여러 종류가 있는데, Matern은 일반 기계에 대하여, Beebe는 터빈에 대하여 진동상태등급을 제시하고 있다. 그리고 특정 기계에 대한 진동민감도등급과 진동상태등급은 당해 기계의 생산자 또는 사용자가 별도로 설정할 수도 있다.

기억장치의 ROM에는 상기한 각 진동민감도등급 별로 각 진동상태등급의 진동범위(예 : ISO 2372 기준으로 진동민감도등급 Class 1 기계의 경우 진동상태등급 B는 0.71 내지 1.8 mm/s RMS 등)가 저장되어 있다. 그리고 모니터링 대상이 되는 기계의 진동민감도등급은 사용자가 등급입력버튼(21)을 사용하여 입력할 수 있다.

그리고 ROM에 기억된 각 진동민감도등급 별 진동상태등급의 진동범위 값은 모니터몸체(1)의 데이터단자(12)에 연결한 컴퓨터로 모니터링 대상이 되는 기계의 상태 판정기준에 따라 임의의 값으로 변경할 수 있다.

진동센서(4)로는 진동을 측정할 수 있는 모든 종류의 진동센서가 사용될 수 있다. 진동센서(4)로 저렴한 MEMS(Microelectromechanical Systems) 진동센서를 사용할 수 있는데, MEMS 진동센서란 진동을 감지할 수 있는 전자 회로를 하나의 기판 위에 집적화한 센서로서, 이와 같은 MEMS 진동센서가 시판되고 있다. MEMS 센서는 저주파 시프트(shift) 현상("offset 현상"이라고도 함.)이 일어나는 단점이 있는데, 이는 을 신호처리기법을 이용하여 소프트웨어적으로 제거할 수 있다.

상기와 같이 구성된 진동모니터는 다음과 같이 사용한다.

진동센서(4)를 모니터링하고자 하는 기계에 부착하고, 등급입력버튼(21)을 이용하여 기계의 진동민감도등급을 선택하여 입력버튼(24)으로 입력하고, 진동의 진폭을 RMS값으로 나타날 것인지 Peak to Peak값으로 나타낼 것인지를 측정모드입력버튼(22)으로 선택하여 입력버튼(24)으로 입력하고, 경보를 발하는 진동상태등급을 경보레벨입력버튼(23)으로 선택하여 입력버튼(24)으로 입력한다.

상기와 같이 입력이 완료되면, 표시부(3)의 등급표시부(31)에는 당해 진동상태에 해당하는 등급부위에 LED 등이 점등되고, 상태표시부(32)에는 진폭값과 모니터의 작동상태가 숫자 또는 문자로 표시된다. 그리고 기계의 진동이 일정 수준 이상이 되면 경보음이 울리고 상태표시부(32)의 숫자 또는 문자가 점멸되는데, 이 경우 기계의 작동을 멈추는 등 적절한 예방조치를 취한다.

1 : 모니터몸체, 2 : 입력부, 3 : 표시부, 4 : 진동센서,
11 : 신호단자, 12 : 데이터단자,
21 : 등급입력버튼, 22 : 측정모드입력버튼, 23 : 경보레벨입력버튼,
24 : 입력버튼
31 : 등급표시부, 32 : 상태표시부, 33 : 경보음발생기.

Claims (3)

1. 측정된 진동 신호를 연산하고 기계의 진동상태를 판단하는 것으로서, 주처리장치(CPU), 기계의 종류 용도 최대출력 그리고 정밀도에 따라 당해 기계가 진동에 견디는 정도인 진동민감도등급과 상기 진동민감도등급별로 진동의 진폭을 크기에 따라 몇 개의 등급으로 구분한 진동상태등급을 포함한 기계의 이상유무 판정기준과 상기 주처리장치(CPU)가 연산과 판단을 하는데 필요한 소프트웨어가 입력되어 있는 기억장치, 디지털신호조절장치, 그리고 전원장치를 포함한 구성품이 내장된 모니터몸체(1);
   상기 모니터몸체(1)의 전면에 부착되는 것으로서, 모니터링 대상이 되는 기계가 진동에 견디는 정도를 등급별로 구분한 진동민감도등급을 선택하는 등급입력버튼(21), 모니터링 대상이 되는 기계가 경보를 발할 진동상태등급을 선택하는 경보레벨입력버튼(23), 그리고 상기 등급입력버튼(21)으로 선택된 진동민감도등급과 상기 경보레벨입력버튼(23)으로 선택된 진동상태등급을 상기 모니터몸체(1)의 기억장치에 저장하는 입력버튼(24)이 구비된, 입력부(2);
   상기 모니터몸체(1)의 전면에 부착되는 것으로서, 진동상태등급을 나타내는 등급표시부(31)와, 진동값과 진동모니터의 작동상태를 표시하는 상태표시부(32)를 포함하는, 표시부(3);
   그리고 진동을 감지하는 것으로서, 신호선으로 상기 모니터몸체(1)에 연결되는, 진동센서(4);
   를 포함하여 구성되는, 진동모니터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 입력부(2)는 진동의 진폭을 RMS값으로 나타날 것인지 Peak to Peak값으로 나타낼 것인지 입력하는 측정모드입력버튼(22)을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는, 진동모니터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 진동센서(4)는 MEMS 진동센서인 것을 특징으로 하는, 진동모니터.

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