KR102207794B1 - 자기 애자 상태의 진단장치 및 그 방법 - Google Patents

자기 애자 상태의 진단장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기 애자의 상태 진단장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명의 자기 애자의 상태 진단장치는, 자기 애자를 가진(excitation)시켜 자기 애자에 공진을 생성시키기 위한 신호발생 수단; 신호발생 수단에 의해 생성된 자기 애자의 공진 신호를 측정하기 위한 신호측정 수단; 신호측정 수단에서 측정된 검출 신호에 대한 데이터를 수집하고, 수집된 데이터에 기초하여 자기 애자 상태를 분석하기 위한 분석 인자를 추출하여 자기 애자 상태를 평가하도록 이루어지는 제어부; 및 제어부에서 도출된 평가 결과를 디스플레이하는 디스플레이부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자기 애자 상태의 진단장치 및 그 방법{APPARATUS FOR DIAGNOSING STATE OF CERAMIC INSULATOR AND METHOD THEREOF}
본 발명은 자기 애자 상태의 진단장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자기 애자를 타격하여 발생되는 공진 신호를 측정하여 주파수 응답분석을 통해 자기 애자의 상태를 판단할 수 있도록 한 자기 애자의 상태 진단장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전 세계적으로 상용화되어 가장 널리 쓰이고 있는 애자 가운데 자기 애자는 우리나라의 송ㅇ배전 철탑에서 154 [kV]용으로 99%이상 사용되고 있다.
154 [kV]용 자기 애자의 52%는 일본 NGK 사의 제품을 수입하여 사용하고 있으며, 설계 수명 30년 이상의 장기 사용되고 있는 자기 애자의 비율은 전체의 50%를 상회하고 있다.
이러한 자기 애자는 여러 환경적, 기계적 요인 때문에 열화 및 부식되고 있으며, 주된 원인은 장기간에 걸친 기계적 스트레스, 낙뢰 및 급격한 온도변화에 의한 손상으로 인하여 열화현상이 많이 발생하며 이는 자기애자의 금구, 자기의 파손 발생까지 유도하기 때문에, 신뢰할 수 있는 상태평가 방법의 개발은 원활한 전력 수급 및 송ㅇ배전 철탑의 적절한 유지관리 및 시민들의 피해방지를 위해 매우 중요하다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2009-0012818호(2009.02.04. 공개, 비파괴 검사장치)에 개시되어 있다.
이와 같은 자기 애자의 상태를 측정하는 방법으로는 절연저항 측정방법과 열화상 카메라 검사방법이 있다.
절연저항 측정방법의 경우 측정 대상물 주변 환경요인인 온도와 습도에 따라 측정결과에 큰 영향을 받으며, 기계적인 손상은 평가가 불가능하다. 그리고 열화상 카메라 검사방법의 경우에도 측정 대상물 주변 온도 변화에 따라 정확한 측정이 어려운 문제점을 가지고 있다.
또한, 기존의 기계적 측정방법의 경우, 애자련을 자율적으로 이동하며 측정하는 방법이 있으나, 이러한 방법은 기기 자체가 무겁고, 분석까지 상당한 시간이 소요되며, 접촉식으로 인해 전기적인 문제로 기기 오류가 발생하는 문제점을 지니고 있다.
다시 말해서, 종래 자기 애자에 대한 측정 방법들은 온도, 습도에 큰 영향을 받아 정확성이 떨어지며 기계적 손상을 파악할 수 없고, 기계적 측정방법은 휴대성 및 기기 오류로 인한 활용성이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 일 측면에 따른 본 발명의 목적은 자기 애자를 타격하여 발생되는 공진 신호를 측정하여 주파수 응답분석을 통해 자기 애자의 상태를 판단할 수 있도록 한 자기 애자의 상태 진단장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 자기 애자의 상태 진단장치는, 자기 애자를 가진(excitation)시켜 자기 애자에 공진을 생성시키기 위한 신호발생 수단; 신호발생 수단에 의해 생성된 자기 애자의 공진 신호를 측정하기 위한 신호측정 수단; 신호측정 수단에서 측정된 검출 신호에 대한 데이터를 수집하고, 수집된 데이터에 기초하여 자기 애자 상태를 분석하기 위한 분석 인자를 추출하여 자기 애자 상태를 평가하도록 이루어지는 제어부; 및 제어부에서 도출된 평가 결과를 디스플레이하는 디스플레이부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 신호발생 수단은, 프레임의 상단부에 구비되어 오토 임팩트 해머(Auto impact hammer);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 신호측정 수단은, 프레임 하단부에 구비되어 자기 애자로부터의 공진 신호를 검출하기 위한 복수의 센서유닛; 및 복수의 센서유닛에서 검출된 신호를 수집하는 하나 이상의 신호 수집모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 신호 수집모듈은, 트리거(trigger)를 통하여 센서유닛에서 검출되는 공진 신호를 샘플링하여 데이터를 수집하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제어부는, 수집된 데이터로부터 노이즈를 제거하고, 노이즈가 제거된 데이터로부터 입력 신호대 공진 신호를 주파수 영역에서 파악하여 주파수 응답함수를 추출하며, 추출된 주파수 응답함수로부터 공진 주파수, 위상, 실수, 허수 인자를 계산하는 분석부; 분석부에서 산출된 결과로부터 자기 애자의 특징을 포함하는 기본 데이터 세트를 생성하고, 생성된 데이터 세트를 통해 공분산, 고유벡터, 고유값 계산을 통한 주성분을 파악한 결과를 기반으로 자기 애자의 상태를 정량적으로 평가하여 평가 결과를 도출하는 상태 평가부; 및 상태 평가부에서의 평가 결과가 미리 설정된 모델 기준에 부합하는지 여부를 판단하는 신호 평가부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 자기 애자의 상태 진단 방법은, 제어부가 자기 애자를 가진시켜 공진 신호를 발생시키는 신호발생 단계; 제어부가 자기 애자에서 생성된 공진을 측정하기 위한 신호측정 단계; 제어부가 신호측정 단계에서 측정된 검출 신호에 대한 데이터를 수집하는 데이터 수집 단계; 및 제어부가 수집된 데이터에 기초하여 자기 애자 상태를 분석하기 위한 분석 인자를 추출하여 자기 애자 상태를 평가하는 상태 진단평가 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 신호발생 단계는, 제어부가 타격 힘의 변화가 100 [N] 까지 가능하고 입력 신호를 검출 가능한 신호발생 수단의 오토 임팩트 해머(Auto impact hammer)를 통해 자기 애자를 타격하여 공진을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 신호측정 단계는, 제어부가 자기 애자의 표면에 비접촉 구비되어 공진 신호를 검출할 수 있는 복수개의 센서유닛을 통해 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 데이터수집 단계는, 신호측정 단계에서 측정된 공진 신호를 트리거(trigger)를 통하여 샘플링하여 데이터를 수집하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상태 진단평가 단계는, 제어부가 데이터 수집 단계에서 수집된 데이터로부터 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 단계; 제어부가 노이즈가 제거된 데이터로부터 주파수 영역대 에너지를 파악하여 주파수 응답함수를 추출하는 노이즈제거 주파수 응답함수 추출 단계; 및 제어부가 추출된 주파수 응답함수로부터 공진 주파수, 위상, 실수, 허수 인자를 계산하고, 산출된 분석인자 결과로부터 자기 애자의 특징을 포함하는 기본 데이터 세트를 생성하고, 생성된 데이터 세트를 통해 공분산, 고유벡터, 고유값 계산을 통한 주성분을 파악한 결과를 기반으로 자기 애자의 상태를 정량적으로 평가하여 평가 결과를 도출하는 분석 평가 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상태 진단평가 단계는, 제어부가 자기 애자 상태를 평가한 평가 결과가 미리 설정된 모델 기준에 부합하는지 여부를 판단하는 평가값 판단단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 제어부가 상태 진단평가 단계에서 평가한 평가결과를 디스플레이부를 통해 표출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 자기 애자의 상태 진단장치 및 그 방법은 자기 애자를 타격하여 발생되는 공진 신호를 측정하여 주파수 응답분석을 통해 자기 애자의 노후화 및 열화에 따른 유지관리 뿐만 아니라 금구 고정부의 파손과 낙뢰 및 환경적 요인에 의한 방사형 크랙 및 파손 등 자기 애자의 상태를 정확하게 계측하고 판단하여 효율적으로 유지할 수 있도록 할 수 있으며, 현장에서 실용성 있게 진단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 애자의 상태 진단장치를 나타낸 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 애자의 상태 진단장치에서 신호발생수단 및 신호측정수단의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 애자의 상태 진단방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 애자의 상태 진단방법에서 상태 진단평가 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 애자의 상태 진단방법에서 입력신호와 공진신호에 대한 주파수 응답함수를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 자기 애자의 상태 진단장치 및 그 방법을 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 애자의 상태 진단장치를 나타낸 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 애자의 상태 진단장치에서 신호발생수단 및 신호측정수단의 예시도이다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 애자의 상태 진단장치는 신호발생 수단(100), 신호측정 수단(200), 제어부(300) 및 디스플레이부(400)를 포함할 수 있다.
신호발생 수단(100)은 자기 애자(10)를 가진(excitation)시켜 자기 애자(10)에 공진을 생성시킬 수 있도록 한다.
여기서, 신호발생 수단(100)은 도 2에 도시된 바와 같이 프레임(210)의 상단부에 구비된 오토 임팩트 해머(Auto impact hammer)(120)를 포함할 수 있으며, 프레임(210)의 손잡이에 구비되어 타격 버튼(110)이 구비될 수 있다.
따라서, 자기 애자(10)의 상태를 진단하기 위해 타격 버튼(110)이 입력될 경우 제어부(300)는 가격 힘을 최대 100 [N] 까지 변화시켜서 오토 임팩트 해머(120)를 작동시켜 자기 애자(10)을 가진시켜 공진을 생성시킬 수 있다.
이때, 신호발생 수단(100)은 오토 임팩트 해머(120) 이외에 자기 애자(10)에 충격을 가하여 가진시킴으로써, 공진 신호 및 입력 신호를 얻을 수 있는 방법 또는 방식이라면 특별히 한정되는 것은 아니다.
신호측정 수단(200)은 신호발생 수단(100)에 의해 생성된 자기 애자(10)의 공진 신호를 비접촉으로 측정하여 제어부(300)에 제공할 수 있다.
여기서, 신호측정 수단(200)은, 신호발생 수단(100)을 안착한 프레임(210)과, 프레임(210) 하단부에 구비되어 자기 애자(10)로부터의 공진 신호를 검출하기 위한 복수의 센서유닛(220), 및 복수의 센서유닛(220)에서 검출된 신호를 수집하는 하나 이상의 신호 수집모듈(230)을 포함할 수 있다.
복수의 센서유닛(220)은 비접촉식으로 사용하는 4개의 동일한 스펙의 센서를 포함하고 있으며, 진단평가 장비 무게 축소를 위해 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용하여 제작될 수 있다.
또한, 신호 수집모듈(230)은 센서유닛(220)에서 검출되어 수집되는 신호 간 연관성을 갖도록 트리거(triger)를 통하여 데이터를 샘플링하여 수집할 수 있다.
제어부(300)는 신호측정 수단(200)에서 측정된 검출 신호에 대한 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 기반으로 자기 애자(10)의 상태를 분석하기 위한 분석 인자를 추출하여 자기 애자(10)의 상태를 평가할 수 있다.
여기서 제어부(300)는 분석부(310), 상태 평가부(320) 및 신호 평가부(330)를 포함할 수 있다.
분석부(310)는 신호측정 수단(200)의 신호 수집모듈(230)에서 노이즈가 제거된 데이터로부터 입력 신호대 공진 신호를 주파수 영역에서 파악하여 주파수응답함수를 추출하며, 추출된 주파수응답함수로부터 공진 주파수, 위상, 실수, 허수 인자를 계산할 수 있다.
본 실시예에서 분석부(310)는 자기 애자(10)를 가진하여 생성된 공진 신호는 복수의 센서유닛을 통해 검출됨에 따라 4개의 센서유닛인 경우, 1회의 가진으로 4개의 공진 신호를 측정함으로써, 많은 데이터를 확보하고 대부분의 데이터에서 일관된 신호를 나타내는 것만 증폭시키고 나머지 것은 자연적으로 소멸되도록 하여 노이즈가 제거(소정 알고리즘을 이용할 수 있음)된 주파수 응답함수를 추출할 수 있다.
상태 평가부(320)는 분석부(310)에서 산출된 결과로부터 4개의 공진 신호에 대해 각각 면적, RMS, 모멘트, 도심 및 표준편차를 산출하여 20개의 특징을 포함하는 물리적 성질을 정량적으로 파악하고, 파악된 결과에 근거하여 자기 애자의 상태를 정량적으로 평가하여 금구 결함 및 자기 결함을 찾아내어 평가 결과를 도출할 수 있다.
다시 말해서, 상기 상태 평가부(320)는 주파수 응답함수에서 주요 인자를 계산하고, 주요 인자(고유모드 주파수, 위상 등)를 기반으로 추출된 20개의 특징(감쇠, 모멘트 등)에 대해 주성분 분석(Principal Component Analysis)을 통해 자기 애자에 대한 건전성 평가 및 손상 상태를 평가할 수 있다.
이와 같이 물리적 특징을 정량적으로 파악하기 위해 본 실시예에서는 시간 영역에서 skewness, 첨도 등을 산출할 수 있으며, 주파수 영역에서 평균, RMS, 면적중심, 1차모멘트 등 다양한 변수의 손상 및 비손상 시편간의 비교, 분석을 통해 차이가 크게 나타나는 경우에 대해서 손상이라고 분석하는 메커니즘을 활용하고 있으며, 시간 및 주파수 영역에서의 응답으로 자기애자의 물리적 성질(탄성계수, 강도, 포아송비, 밀도)등을 직접적으로 파악하기는 어려우나 정상 및 손상애자의 응답에 대한 차이를 파악한다. 파악된 결과에 근거하여 자기 애자의 상태를 정량적으로 평가하여 평가 결과를 도출할 수 있다.
신호 평가부(330)는 상태 평가부(320)에서 평가한 결과(값)가 미리 설정된 모델 기준값에 부합하는지 여부를 판단하여 부합하는 것으로 판단되는 경우 'Normal', 부합하지 않는 것으로 판단되는 경우 'Abnormal'로 평가결과를 표출할 수 있다.
디스플레이부(400)는 제어부(300)에서 도출된 평가 결과(값)를 디스플레이할 수 있다.
즉, 제어부(300)에서 도출된 결과에 따라 미리 설정된 모델 기준값에 부합하는 경우 'Normal', 부합하지 않는 경우 'Abnormal'로 표출할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 자기 애자의 상태 진단장치에 따르면, 자기 애자를 타격하여 발생되는 공진 신호를 측정하여 주파수 응답분석을 통해 자기 애자의 노후화 및 열화에 따른 유지관리 뿐만 아니라 금구 고정부의 파손과 낙뢰 및 환경적 요인에 의한 방사형 크랙 및 파손 등 자기 애자의 상태를 정확하게 계측하고 판단하여 효율적으로 유지할 수 있도록 할 수 있으며, 현장에서 실용성 있게 진단할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 애자의 상태 진단방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 애자의 상태 진단방법에서 상태 진단평가 과정을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 애자의 상태 진단방법에서 입력신호와 공진신호에 대한 주파수 응답함수를 나타낸 그래프이다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 애자의 상태 진단방법에서는 먼저, 제어부(300)가 신호발생 수단(100)의 타격버튼(110)이 작동될 경우 오토 임팩트 해머(Auto impact hammer)(120)를 통해 가격 힘을 최대 100 [N] 까지 변화시켜 자기 애자(10)의 표면에 타격을 가하여 자기 애자(10)를 가진(excitation)시켜 자기 애자(10)에 공진 신호를 발생시킨다(S10).
본 실시예에서는 오토 임팩트 해머(Auto impact hammer)(120)를 통해 자기 애자(10)의 표면에 타격을 가하여 가진시켜 공진이 발생되도록 하였으나, 자기 애자(10)에 충격을 가하여 가진시킴으로써, 공진 신호 및 입력 신호를 얻을 수 있는 방법 또는 방식이라면 특별히 한정되는 것은 아니다.
S10 단계에서 자기 애자(10)를 가진시켜 공진을 생성시킨 후 제어부(300)는 신호측정 수단(200)을 통해 비접촉으로 자기 애자(10)의 공진 신호를 측정한다(S20).
여기서 공진 신호는 자기 애자(10)의 표면에 비접촉으로 마이크로폰 등의 동일한 스펙의 복수의 센서유닛(220)을 통해 측정하여 검출되는 신호의 신뢰성을 높일 수 있다.
이때, 센서유닛(220)은 진단평가 장비 무게 축소를 위해 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용하여 제작될 수 있다.
S20 단계에서 센서유닛(220)을 통해 공진 신호를 측정한 후 제어부(300)는 신호측정 수단(200)의 신호수집 모듈(230)을 통해 센서유닛(220)에서 검출되어 수집되는 신호 간 연관성을 갖도록 트리거(trigger)를 통하여 데이터를 샘플링하여 수집할 수 있다(S30).
S30 단계에서 데이터를 수집한 후 제어부(300)는 수집된 데이터에 기초하여 자기 애자(10)의 상태를 분석하기 위한 분석 인자를 추출하여 자기 애자(10)의 상태를 진단 평가한다(S40).
자기 애자(10)의 상태를 진단 평가하는 과정을 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 제어부(300)는 S30 단계에서 수집된 신호 데이터에서 연관성이 없는 노이즈를 제거한다(S410).
S410 단계에서 노이즈를 제거한 후 제어부(300)는 노이즈가 제거된 신호 데이터로부터 입력 신호대 공진 신호를 주파수 영역에서 파악하여 주파수 응답함수를 추출한다(S420).
S420 단계에서 주파수 응답함수를 추출한 후 제어부(300)는 추출된 주파수 응답함수로부터 공진 주파수, 위상, 실수, 허수 인자를 계산하여 분석인자 결과를 산출하고, 산출된 결과로부터 자기 애자의 감쇠, 모멘트, 제곱평균제곱근 등 20개의 특징을 포함하는 물리적 성질을 정량적으로 파악하고, 파악된 결과에 근거하여 자기 애자의 상태를 정량적으로 평가하여 평가 결과(값)를 도출한다(S430).
예를 들어, 시간영역에서의 규칙성, 주파수영역대의 고유주파수의 위치, 개수, 분포 등은 정상 애자에서 일관적이게 나타나기 때문에 이런 일관적 응답특징과의 차이가 발생할 경우 손상이라고 판단할 수 있다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이 주파수 응답함수의 그래프를 비교할 때 정상 애자(a)와 금구 파손 애자(b) 및 자기 방사형 크랙 애자(c)의 경우 서로 상이함을 알 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 자기 애자를 가진하여 생성된 공진 신호는 복수의 센서유닛(220)을 통해 검출된다. 즉, 1회의 가진으로 4개의 공진 신호를 측정함으로써 많은 데이터를 확보하고 대부분의 데이터에서 일관된 신호를 나타내는 것만 증폭시키고 나머지 것은 자연적으로 소멸되도록 하여 노이즈가 제거(소정 알고리즘을 이용할 수 있음)된 주파수 응답함수를 추출할 수 있다.
이러한 과정을 상세히 나타내면 주파수 응답함수(FRF) 데이터 및 위상 데이터로부터 (1) 실수 값, (2) 선형추세를 제거한 허수 값, (3) 실수 값의 제곱, (4) 허수 값의 제곱을 계산 후 (1)~(4)의 데이터를 기반으로 하여, 아래의 면적, RMS, 1차 모멘트, 도심, 표준편차 등 5가지 정량적인 값에 대한 특징을 각 공진 신호에 대해 추출하면 총 20개의 특징을 도출할 수 있다.
Figure 112019091473019-pat00001
위에서 주파수 응답함수(FRF) 데이터는 가진(impact)과 응답(response)이 있을 때, 에너지를 측정할 수 있는 해머에 의해서 가진 에너지를 측정하고 가속도계를 통해서 반응 에너지를 측정하게 된다.
두 가지 데이터(가진 에너지, 응답 에너지)는 시간 영역에서 진폭값으로 수신되고, 이를 FFT 변환을 통해 주파수 영역(frequency-magnitude )으로 변환한다. FFT 변환 시 얻어지는 값은 복소수이다.
Figure 112019091473019-pat00002
여기서, Pxx(f)는 임팩트 해머 가진에 의해 측정되는 신호의 Power Spectral Density이고, Pxy(f)는 가속도계에 의해 측정되는 신호의 Cross Power Spectral Density이다.
즉, 주파수 응답함수(FRF)는 주파수 영역에서 인풋으로 아웃풋을 나눈 값이라 할 수 있다.
이와 같이 가진에 대한 값을 알고 시스템의 주파수응답함수(FRF)를 알면, 응답을 예측할 수 있다는 의미이며, 반대도 동일하다. 즉, 자기 애자 시스템에서의 주파수 응답함수는 알 수 없지만 가진과 응답에 대한 값을 구할 수 있기 때문에, 역으로 주파수 응답함수(FRF)를 산출하여 사용할 수 있다.
위상(Phase)는 복소수 배열의 각 요소에 대해서 위상각(단위 : 라디안)으로 표현할 수 있다. 이때의 범위는 ±π 에서 표현된다. 여기서 위상의 기본 데이터는 주파수 응답함수(FRF) 데이터를 사용하며, 그래프로 표현하였을 때 고유모드 피크에서 위상은 180도 변화되는 것을 통해 차이를 확인할 수 있다.
또한 본 실시예에서 정량적인 값의 의미는 시간 영역(time domain)에서 25,000 샘플을, 주파수 영역(frequency domain) 변환 시 12,500 샘플로 바뀌며, 이 데이터를 1개의 특징값으로 변환하는 계산을 의미한다.
여기서는 임의의 형상(FRF 그래프, 0~10kHz)에 대해서 면적, 단면 1차 모멘트를 산출하고 이를 통해 임의 형상의 평면 도심을 구하기 위해 사용된다.
이때, 면적(area)은 단순하게 주파수 응답함수(FRF) 곡선의 아랫면의 면적을 의미하고, 1차 모멘트(moment)는 축으로부터 임의의 좌표에 대한 거리(y)와 미소면적(dA)을 곱한 것에 대한 전체 적분을 의미하며, 이는 축으로부터 도심 점까지의 거리에 전체 면적을 곱한 것을 말한다.
S430 단계의 분석 평가 과정을 구체적으로 설명하면, 제어부(300)는 자기 애자(10)에 탄성파 에너지가 전달되면 자기 애자가 가지고 있는 고유의 주파수를 확인할 수 있으며, 입력 신호대 공진 신호를 주파수 영역에서 확인하여 주파수 응답함수를 파악할 수 있다. 이후 제어부(300)는 얻어진 주파수 응답함수로부터 자기 애자(10)의 고유모드의 주파수와 에너지, 위상변화, 주파수 응답값의 실수(값), 허수(값) 인자들을 계산할 수 있다.
여기서 고유모드는 일반적으로 구조시스템은 질량-강성-감쇠 시스템에 의해 고유 주파수(공진 주파수)를 가지며, 질량-강성-감쇠가 변하지 않는다면 고유 주파수는 일정하다.
따라서 분석인자 산출 결과를 기반으로, 자기 애자(10)의 상태 평가를 위한 감쇠, 모멘트, 제곱평균제곱근 등 물리적 성질을 정량적으로 파악하여 각각의 공진 신호에 대해 모두 20개의 특징을 포함하는 기본 데이터 세트를 생성한다.
이후 제어부(300)는 머신러닝을 통해 데이터의 상관관계 및 주요 차이점을 분석하고, 이를 기반으로 하여 정상 애자의 고유벡터(eigenvector)와 고유값(eigenvalue)을 목적함수로 구성하고 이를 바탕으로 목적함수와의 차이가 2개 이상의 범위를 넘어선 경우 비정상 시편으로 판단한다.
이때 제어부(300)는 고유벡터 및 고유값과 기본 데이터 세트의 연관성을 계산하여, 한계점(threshold)을 추정할 수 있으며, 건전한 상태의 자기 애자(10)와 손상 상태의 자기 애자(10)를 파악할 수 있어 자기 애자(10)에 대한 건전성 평가 및 손상 상태 평가를 통해 자기 애자의 상태(자기 애자 금구와 자기의 상태 등)를 평가하게 된다.
S40 단계에서 자기 애자(10)의 상태를 진단 평가한 후 제어부(300)는 도출된 평가 결과(값)를 디스플레이부(400)를 통해 디스플레이 한다(S50).
여기서 제어부(300)는 평가한 결과(값)가 미리 설정된 모델 기준(값)에 부합하는지 여부를 판단하여 평가한 결과값이 미리 설정된 모델 기준값에 부합하는 것으로 판단되는 경우 'Normal', 부합하지 않는 것으로 판단되는 경우 'Abnormal'로 평가 결과를 디스플레이부(400)를 통해 표출한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 자기 애자의 상태 진단방법에 따르면, 자기 애자를 타격하여 발생되는 공진 신호를 측정하여 주파수 응답분석을 통해 자기 애자의 노후화 및 열화에 따른 유지관리 뿐만 아니라 금구 고정부의 파손과 낙뢰 및 환경적 요인에 의한 방사형 크랙 및 파손 등 자기 애자의 상태를 정확하게 계측하고 판단하여 효율적으로 유지할 수 있도록 할 수 있으며, 현장에서 실용성 있게 진단할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 자기 애자 100 : 신호발생 수단
200 : 신호측정 수단 210 : 프레임
220 : 센서유닛 230 : 신호 수집모듈
300 : 제어부 310 : 분석부
320 : 상태 평가부 330 : 신호 평가부
400 : 디스플레이부

Claims (12)

  1. 자기 애자를 가진(excitation)시켜 자기 애자에 공진을 생성시키기 위한 신호발생 수단;
    상기 신호발생 수단에 의해 생성된 상기 자기 애자의 공진 신호를 측정하기 위한 신호측정 수단;
    상기 신호측정 수단에서 측정된 검출 신호에 대한 데이터를 수집하고, 수집된 데이터에 기초하여 상기 자기 애자 상태를 분석하기 위한 분석 인자를 추출하여 상기 자기 애자 상태를 평가하도록 이루어지는 제어부; 및
    상기 제어부에서 도출된 평가 결과를 디스플레이하는 디스플레이부;를 포함하되,
    상기 제어부는,
    수집된 데이터로부터 노이즈를 제거하고, 노이즈가 제거된 데이터로부터 입력 신호대 공진 신호를 주파수 영역에서 파악하여 주파수 응답함수를 추출하며, 추출된 상기 주파수 응답함수로부터 공진 주파수, 위상, 실수, 허수 인자를 계산하는 분석부;
    상기 분석부에서 산출된 결과로부터 상기 자기 애자의 특징을 포함하는 기본 데이터 세트를 생성하고, 생성된 데이터 세트를 통해 공분산, 고유벡터, 고유값 계산을 통한 주성분을 파악한 결과를 기반으로 상기 자기 애자의 상태를 정량적으로 평가하여 평가 결과를 도출하는 상태 평가부; 및
    상기 상태 평가부에서의 평가 결과가 미리 설정된 모델 기준에 부합하는지 여부를 판단하는 신호 평가부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 애자의 상태 진단장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 신호발생 수단은, 프레임의 상단부에 구비되어 오토 임팩트 해머(Auto impact hammer);를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 애자의 상태 진단장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 신호측정 수단은, 프레임 하단부에 구비되어 상기 자기 애자로부터의 공진 신호를 검출하기 위한 복수의 센서유닛; 및
    복수의 상기 센서유닛에서 검출된 신호를 수집하는 하나 이상의 신호 수집모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 애자의 상태 진단장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 신호 수집모듈은, 트리거(trigger)를 통하여 상기 센서유닛에서 검출되는 공진 신호를 샘플링하여 데이터를 수집하는 것을 특징으로 하는 자기 애자의 상태 진단장치.
  5. 삭제
  6. 제어부가 자기 애자를 가진시켜 공진 신호를 발생시키는 신호발생 단계;
    상기 제어부가 상기 자기 애자에서 생성된 공진을 측정하기 위한 신호측정 단계;
    상기 제어부가 상기 신호측정 단계에서 측정된 검출 신호에 대한 데이터를 수집하는 데이터 수집 단계; 및
    상기 제어부가 수집된 데이터에 기초하여 상기 자기 애자 상태를 분석하기 위한 분석 인자를 추출하여 상기 자기 애자 상태를 평가하는 상태 진단평가 단계;를 포함하되,
    상기 상태 진단평가 단계는,
    상기 제어부가 상기 데이터 수집 단계에서 수집된 데이터로부터 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 단계;
    상기 제어부가 노이즈가 제거된 데이터로부터 주파수 영역대 에너지를 파악하여 주파수 응답함수를 추출하는 노이즈제거 주파수 응답함수 추출 단계;
    상기 제어부가 추출된 상기 주파수 응답함수로부터 공진 주파수, 위상, 실수, 허수 인자를 계산하고, 산출된 분석인자 결과로부터 상기 자기 애자의 특징을 포함하는 기본 데이터 세트를 생성하고, 생성된 데이터 세트를 통해 공분산, 고유벡터, 고유값 계산을 통한 주성분을 파악한 결과를 기반으로 상기 자기 애자의 상태를 정량적으로 평가하여 평가 결과를 도출하는 분석 평가 단계; 및
    상기 제어부가 상기 자기 애자 상태를 평가한 평가 결과가 미리 설정된 모델 기준에 부합하는지 여부를 판단하는 평가값 판단단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 애자의 상태 진단방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 신호발생 단계는, 상기 제어부가 타격 힘의 변화가 100 [N] 까지 가능하고 입력 신호를 검출 가능한 신호발생 수단의 오토 임팩트 해머(Auto impact hammer)를 통해 상기 자기 애자를 타격하여 공진을 발생시키는 것을 특징으로 하는 자기 애자의 상태 진단방법.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 신호측정 단계는, 상기 제어부가 상기 자기 애자의 표면에 비접촉 구비되어 공진 신호를 검출할 수 있는 복수개의 센서유닛을 통해 검출하는 것을 특징으로 하는 자기 애자의 상태 진단방법.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 데이터수집 단계는, 상기 신호측정 단계에서 측정된 공진 신호를 트리거(trigger)를 통하여 샘플링하여 데이터를 수집하는 것을 특징으로 하는 자기 애자의 상태 진단방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 6항에 있어서, 상기 제어부가 상기 상태 진단평가 단계에서 평가한 평가결과를 디스플레이부를 통해 표출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 애자의 상태 진단방법.
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