KR20080038956A - 주변잡음 제거를 위한 밸브누설 진단장치 및 진단방법 - Google Patents

주변잡음 제거를 위한 밸브누설 진단장치 및 진단방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 밸브누설 진단장치 및 진단방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 밸브누설 진단장치는 피시험밸브의 외주부 또는 이로부터 근접한 위치에 설치되는 제 1 음향센서; 상기 피시험밸브로부터 이격된 위치에 설치되는 제 2 음향센서; 및 상기 제 1 음향센서 및 제 2 음향센서의 검출신호로부터 주파수 스펙트럼을 분석하는 주파수 스펙트럼 분석기;를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따르면, 밸브 주위의 주변잡음이 존재하는 상태에서 음향센서를 이용하여 검출된 음향신호의 스펙트럼분석을 통하여 주변잡음을 분리해 내고 고유한 누설음만을 검출할 수 있는 효과가 있다.
밸브누설. 음향센서. 주변잡음. 핑크노이즈.

Description

주변잡음 제거를 위한 밸브누설 진단장치 및 진단방법{APPARATUS DITECTING LEAKAGE OF VALVE FOR REMOVING BACKGROUND NOISE AND METHOD USING THE SAME}
도 1은 본 발명에 의한 밸브누설 진단 시험장치를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 밸브누설 진단방법을 나타낸 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 의해 핑크노이즈 주변잡음이 가진된 음향측정방법 및 음향 레벨의 검출 예시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 핑크노이즈 주변잡음이 가진된 밸브에 대한 음향출력의 스펙트럼분석에 의한 누설여부 판정순서를 표시한 예시도이다.
도 5a 및도 5b는 돌발적인 외란의 주변잡음이 가진된 밸브에 대한 음향측정 방법과 음향레벨의 검출 예시도이다.
도 6은 돌발적인 외란의 주변잡음이 가진된 밸브에 대한 음향출력의 스펙트럼분석에 의한 누설여부 판정순서를 표시한 예시도이다.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
1: 시험장치 11: 질소유량 제어밸브
12: 주변잡음 가진센서(BGN) 13: 외란가진 가스노즐
14: 외란가진 헤머 15: 배관(플랜지)
16: 피시험밸브 17: 제 1 음향센서
18: 제 2 음향센서 19: 전치증폭기
20: 음향측정기 21: 주파수 스펙트럼 분석기
본 발명은 밸브누설 진단장치 및 진단방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 밸브 주위의 주변잡음이 존재하는 상태에서 음향센서를 이용하여 검출된 음향신호의 스펙트럼분석을 통하여 주변잡음을 분리해 내고 고유한 누설음만을 검출할 수 있는 밸브누설 진단장치 및 진단방법에 관한 것이다.
일반적으로 밸브 내부에서 발생하는 미소한 유체의 누설을 진단하기 위하여 현재까지 적용되어온 방법은 직접 밸브에 접근하여 유량 레벨감소, 압력계를 이용한 입출구 압력차, 온도 및 습도 측정법, 가압 및 감압시험 등을 수행하고 있으나 복잡한 진단절차, 낮은 측정 신뢰도 및 진단자의 경험에 의존하는 등의 많은 문제점을 가지고 있어 현장에의 적용이 곤란하다.
따라서 이러한 문제점을 개선하기 위한 방법으로 음향센서를 이용한 진단법의 적용이 필요하다. 그러나 이러한 진단법은 누설발생으로 인한 음향신호 레벨이 주변잡음보다 클 때에만 진단이 가능하다는 문제점이 있었다.
보다 구체적으로 설명하면, 실제 산업설비에 사용되는 밸브 주위에는 수많은 종류의 설비들로 구성되어 있으며, 설비별로 고유한 주파수를 가진 다양한 주변잡음 레벨이 존재하므로, 이러한 주변잡음을 분리하여야만 정확한 누설음을 검출할 수 있는 것이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 밸브 주위의 주변잡음이 존재하는 상태에서 음향센서를 이용하여 검출된 음향신호의 스펙트럼분석을 통하여 주변잡음을 분리해 내고 고유한 누설음만을 검출할 수 있는 밸브누설 진단장치 및 진단방법을 제공함에 있다.
위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 밸브누설 진단장치는 피시험밸브의 외주부 또는 이로부터 근접한 위치에 설치되는 제 1 음향센서; 상기 피시험밸브로부터 이격된 위치에 설치되는 제 2 음향센서; 및 상기 제 1 음향센서 및 제 2 음향센서의 검출신호로부터 주파수 스펙트럼을 분석하는 주파수 스펙트럼 분석기;를 포함하여 이루어진다.
또한 상기 제 1 및 제 2 음향센서에서 받은 신호를 증폭하는 전치증폭기 및 상기 제 1 음향센서 및 제 2 음향센서의 검출신호를 표시하는 음향측정기가 더 구비되는 것이 바람직하다.
또한 상기 제 1 및 제 2 음향센서에서 받은 신호의 레벨을 디스플레이하는 표시부가 더 구비되는 것이 바람직하다.
또한 상기 제 2 음향센서는 제 1 음향센서보다 상기 피시험밸브로부터 상대적으로 먼 위치에 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 밸브누설 진단방법은 1)주변잡음 측정시 제 1 음향센서 및 제 2 음향센서의 스펙트럼 차이 값(A)를 얻는 단계; 2)밸브누설 체크시 제 1 음향센서 및 제 2 음향센서의 스펙트럼 차이 값(B)를 얻는 단계; 3)상기 1)단계 및 2)단계에서 얻어진 값의 상호 차이 값(A-B, B-A)를 취하는 단계; 및 4)상기 상호 차이 값(A-B, B-A)을 비교하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다.
본 발명의 진단장치 및 방법을 설명하기 위하여 도 1과 같이 본 발명에 의한 밸브누설 진단장치 및 주변잡음 가진장치가 설치된 모의시험장치(1)를 구성하였다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 진단장치는 제 1 및 제 2 음향센서(17,18)와, 전치증폭기(19)와, 음향측정기(20)와, 주파수 스펙트럼 분석기(21)를 포함하여 이루어진다.
또한 본 시험장치(1)의 가진장치로는 유체를 따라 전달되는 주변잡음을 가진하기 위한 주변잡음 가진센서(12)와 외란가진해머(14), 그리고 공기를 따라 전달되는 외란가진 가스노즐(13) 등 3종류의 가진장치를 구성하였다.
상술한 바와 같이, 제 1 음향센서(17)는 피시험밸브(16)의 외주부 또는 이와 근접한 위치에 설치되고, 제 2 음향센서(18)는 상대적으로 제 1 음향센서보다 멀리 떨어진 위치인 배관(18)의 외주부에 설치하였다.
누설음에 의한 스펙트럼이 음향센서의 고유한 주파수특성에 의존하게 되므로, 본 시험장치(1)에서는 공진주파수가 70 ㎑의 음향센서(17,18)를 사용하고 스펙트럼분석은 최대주파수 100 ㎑까지의 범위로 분석하였다. 타 음향센서를 사용할 경우, 음향센서 공진주파수의 2배 이상에 해당하는 스팬(span)의 최대주파수로 하여 스펙트럼 분석을 수행한다. 모의시험에 사용된 제 1 및 제 2 음향센서(17,18), 전치증폭기(19), 음향 측정기(20) 및 주파수 스펙트럼분석기(21)의 음향측정 구성품 사양은 아래의 표와 같다.
Figure 112006079756600-PAT00001
피시험밸브(16)에 주변잡음에 상당하는 모의 잡음을 주기위해, 두 가지의 방법으로 주변잡음을 모의한 음을 가진하였다. 우선 밸브(16)와 연결된 타 기기에서 전송 및 혼입되는 핑크노이즈 성분의 주변잡음을 모의로 발생하기 위해서, 화이트 노이즈와 핑크 노이즈를 발생시킬 수 있는 노이즈 제네레이터(noise generator)를 사용하였다. 별도의 주변잡음 가진 음향센서(BGN exciting AE sensor)(12)에 노이즈 제네레이터(noise generator)와 필터(filter)를 조합시킨 신호를 보내어 주변잡음을 가진함으로서 필터에 의해 피크(peak) 주파수가 변화하는 주변잡음이 생성되며 이때 핑크노이즈 주변잡음의 레벨이 거의 안정되어 있을 때의 상태에서 누설에 따른 음향신호를 측정한다.
또한 시간에 따라 변화하는 외란의 주변잡음 모의 가진은, 대기중을 전파하여 음향레벨에 영향을 주는 돌발적인 외란을 모의하기 위해서 시험장치 외부에서 누설음에 가까운 고주파 스펙트럼을 나타내는 0.3φ 크기의 외란가진 질소가스 노즐(13)으로부터 분류음(噴流音)을 부여한다. 배관을 통하여 전송 및 혼입되는 돌발적인 외란을 모의하기 위해 외란 가진 해머(14)를 이용하여 필요시 타격함으로서 외란가진 질소가스 노즐(13)과 함께 전체적인 외란을 만들어 낸다.
피시험밸브(16)는 4인치 크기의 게이트밸브(gate valve)를 사용하며 내부 유동유체는 질소가스 유량제어밸브(11)에 의해 질소가스를 공급한다. 질소가스는 증기와 누설음 특성이 거의 동일하며 물의 경우보다 경험상 취급이 용이하다. 밸브의 누설상태는 밸브 시트면에 두께 약 0.05 ㎜, 폭 4.3 ㎜의 알루미늄 테이프를 붙여 밸브를 완전히 밀폐시켜 발생하는 틈 모양(slit)의 간극에서 미량 유체누설이 발생하도록 하였다. 누설량은 밸브차압으로 변화시키며 밸브 출구측의 압력은 대기압이 되도록 한다.
실험은 밸브에 차압을 만들어 누설을 발생시키며 피시험밸브(16) 및 배관(15)에 각각 부착된 제 1 및 제 2 음향센서(17,18)에 의해 주변잡음이 있는 경우 및 외란이 있는 경우의 스펙트럼분석을 수행하였다. FFT 스펙트럼분석의 샘플링 포인트는 2,500 포인트, 평균회수는 약 60회의 가산평균, 분석시간은 약 60초이다. 스펙트럼은 데시벨(dB)로 표시하였다. 밸브(16)와 배관(15)의 스펙트럼 차가 요구되는 경우는 스펙트럼 차가 플러스(+) 경우만을 표시하며 스펙트럼 차가 마이너스(-)인 경우는 에러(error)로 되어 표시되지 않도록 한다. 그리고 주변잡음과 누설음이 없을 때의 실험실 주변잡음은 밸브(16)와 배관(15) 모두 약 7 ㎷이다.
도 2를 참조하여 본 발명에 의한 밸브누설 진단방법을 설명한다.
먼저, 주변잡음 측정시의 제 1 음향센서 및 제 2 음향센서(17,18)의 스펙트럼 차 A(⑤)의 파형을 기록하고, 같은 방법으로 밸브누설 체크시의 스펙트럼 차 B(⑥)를 취한다.
다음으로, 차 A(⑤)와 B(⑥)의 상호 차(⑦과 ⑧)를 취하여 비교한다.
이 때, 누설시에서 주변잡음시를 뺀 스펙트럼이 그 반대의 스펙트럼과 다른 특징적인 스펙트럼을 나타내면 누설이 있는 것으로 판정한다.
음향레벨이 주변잡음보다 어느 정도 크다면, 제 1 음향센서만을 이용하여, 이를 밸브 몸체에 붙여 검출하는 것도 가능하지만 음향레벨이 주변잡음과 유사하거나 작을 때는 제 1 및 제 2 음향센서를 이용하여 상술한 방법으로 주변잡음의 영향을 제거함으로서 밸브 누설상태를 검출할 수 있는 것이다.
본 발명에 의한 진단방법을 실제 상황에서 어떻게 적용하는 지를 설명하기 위하여 도 3a, 도 3b 및 도 4를 참조하여 주변잡음이 가진된 피시험밸브에 대한 누설진단방법을 설명한다.
도 3a는 핑크노이즈 주변잡음이 가진된 밸브에 대한 모의시험장치이고, 도 3b는 이로부터 얻어진 음향레벨의 검출 예시도(例示圖)이다. 도 3b와 같은 파형은 본 발명에 의한 진단장치의 표시부에 디스플레이된다. 즉, 배관계통에 핑크노이즈 주변잡음을 가진하여 피시험밸브(16)에 누설이 발생한 경우의 음향측정 방법 및 음향레벨의 변화를 검출하는 방법을 나타내는 설명도이다.
도 3b를 참조하면, 파형 ①과 ②는 각각 밸브에 누설이 발생하고 있지 않을 때의 주변잡음에 따른 제 1 음향센서와 제 2 음향센서(17,18)의 음향레벨이다. 제 1 및 제 2 음향센서(17,18)의 감도와 주파수특성은 거의 동일한 특성의 것을 선택하여 사용한다. 다음으로 밸브에 누설이 발생함으로서 피시험밸브(16)와 배관(15)의 음향레벨은 각각 파형 ③과 ④와 같이 되어, 피시험밸브(16)의 음향레벨은 누설발생에 의해 43 ㎷에서 47 ㎷로 증가하게 된다. 배관(15)의 음향레벨은 피시험밸브(16)에서 떨어져 있기 때문에 그 증가비율은 피시험밸브(16)에 비교하여 작으며 73 ㎷에서 74 ㎷로 증가한다. 음향레벨의 증가로부터 밸브 누설여부를 판단하는 경우는, 피시험밸브(16)와 배관(15)의 음향레벨의 증가비율이 피시험밸브(16)와 배관(15)과 비교하여 크기 때문에 밸브에 누설이 발생한 것으로 판정할 수 있다.
도 4는 핑크노이즈 주변잡음이 가진된 밸브에 대한 음향출력의 스펙트럼분석 에 의한 누설여부 판정순서를 표시한 예시도(例示圖)이다.
스펙트럼 분포의 레벨은 데시벨이며 기준값 1V가 0 ㏈이다. 스펙트럼 레벨의 차는 대수의 근을 구하여 출력전압의 차를 구하여 그것을 데시벨로 나타낸다. 출력전압의 차가 마이너스(-)의 경우는 에러(error)이나, 분석기의 특성으로서 마이너스 데시벨값을 나타내기도 하지만 화면상에는 나타내지 않는다. ①과 ②는 각각 피시험밸브(16)와 배관(15)의 주변잡음 스펙트럼이다. ③과 ④는 각각 피시험밸브(16)와 배관(15)의 누설발생시의 스펙트럼이다. 피시험밸브(16)의 주변잡음 만의 스펙트럼 ①과 주변잡음이 있으면서 누설발생시의 스펙트럼 ③을 직접 비교하면 누설발생의 판정을 할 수 없다. ⑤와 ⑥은 주변잡음과 누설발생시의 피시험밸브(16)에서 배관(15)의 스펙트럼 차를 뺀 스펙트럼이다. 주변잡음과 누설발생시에 있어서 배관계의 주변잡음을 뺀 스펙트럼이 된다. ⑦과 ⑧은, ⑤와 ⑥의 스펙트럼 차의 차를 취한 스펙트럼이다. ⑦은 누설발생시의 스펙트럼 차에서 주변잡음의 스펙트럼 차를 뺀 스펙트럼이다. ⑧은 ⑦과 반대의 스펙트럼이다. 이 ⑦과 ⑧의 양쪽의 스펙트럼을 비교함으로서 누설유무 판정을 수행한다.
⑦의 스펙트럼은 ⑧의 스펙트럼과 비교하여 화살표로 표시한 15 ㎑와 60 ㎑부근에 탁월한 성분이 남는다. 따라서 누설은 발생하고 있다면 판정가능하다. ⑦과 ⑧ 양쪽의 스펙트럼을 비교함으로서 파형의 대칭성을 잘 알 수 있으므로 비로소 누설발생 판정이 가능해진다. 또한 ⑦과 ⑧의 양쪽 스펙트럼에 있어서 선 스펙트럼이 많은 주파수대역은 누설이 있어도 변화하지 않는 주변잡음과 거의 동일한 레벨이기 때문에 주변잡음의 시간경과에 따른 변동에 의해 선 스펙트럼으로 되어 표시되어 있다. 또한 배관계통에 있어서 주변잡음이 제거된 누설음만의 경우에 대한 피시험밸브의 스펙트럼은 ⑨와 같다. 실제로는 주변잡음에 숨겨져 볼 수 없는 스펙트럼도 있으나, ⑦의 스펙트럼, 즉 누설발생시의 스펙트럼 차에서 주변잡음 스펙트럼 차를 뺀 것과 거의 동일한 스펙트럼으로서 본 방법에 의해 주변잡음의 영향을 제거할 수 있게 된다.
마찬가지로 도 5a, 도 5b 및 도 6을 참조하여 외란의 주변잡음이 가진된 피시험밸브에 대한 누설 진단방법을 설명한다.
도 5a는 돌발적인 외란의 주변잡음이 가진된 밸브에 대한 음향측정 방법이고, 도 5b는 음향레벨의 검출 예시도(例示圖)이다.
돌발적인 외란에는 대기를 통해 전파되는 공조소음 등이 있으며, 이와 같은 주변잡음도 음향센서는 감지한다. 그곳에서 대기를 통해 전파하여 음향레벨에 영향을 주는 돌발적인 외란을 모의하기 위해서 누설음에 가까운 고주파 스펙트럼을 나타내는 0.3φ 노즐로부터 분류음(噴流音)을 부여한다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 평균적인 주변잡음상에 분류음에 의한 외란이 들어가 있다. 피시험밸브의 누설발생에 의해 피시험밸브의 음향레벨은 45 ㎷에서 46 ㎷로 증가하지만 배관의 음향레벨은 75 ㎷로 변화하지 않는다.
도 6은 위와 같이, 돌발적인 외란의 주변잡음이 가진된 밸브에 대한 음향출력의 스펙트럼분석에 의한 누설검출의 판정순서를 표시한 예시도(例示圖)이다. 누설검출의 판정방법은 도 4의 핑크노이즈 주변잡음이 가진된 피시험밸브에 대한 음 향출력의 스펙트럼분석에 의한 누설검출의 판정순서와 동일하다. 도 6에서 스펙트럼 비교에 의한 누설유무를 판정해보면, ⑦과 ⑧의 스펙트럼의 비교로부터 ⑦에 있어서 피크(peak) 성분이 많으며 외란이 없는 경우(핑크노이즈 주변잡음이 가진된 경우)의 누설검출 결과와 같은 형태가 나타나므로 누설이 발생하고 있음을 알 수 있다. 또한 배관계통에 있어서 주변잡음이 제거된 누설음만의 경우에 대한 피시험밸브 및 배관의 스펙트럼은 ⑨와 ⑩과 같다. 이와 같이, 본 발명에 따르면, 주변잡음에 가까운 음향레벨에 있어서도 정확한 누설검출이 가능함을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 밸브 주위의 주변잡음이 존재하는 상태에서 음향센서를 이용하여 검출된 음향신호의 스펙트럼분석을 통하여 주변잡음을 분리해 내고 고유한 누설음만을 검출할 수 있는 효과가 있다.
따라서 미량 유체 누설시에도 주변잡음의 영향을 배제하여 밸브 누설을 정확하게 진단할 수 있는 것이다.
또한 다량의 유체 누설이 발생하기 이전에 누설상태를 조속히 진단하여 안전사고 및 에너지 낭비를 방지할 수 있게 된다.

Claims (6)

  1. 피시험밸브의 외주부 또는 이로부터 근접한 위치에 설치되는 제 1 음향센서;
    상기 피시험밸브로부터 이격된 위치에 설치되는 제 2 음향센서; 및
    상기 제 1 음향센서 및 제 2 음향센서의 검출신호로부터 주파수 스펙트럼을 분석하는 주파수 스펙트럼 분석기;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 밸브누설 진단장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 음향센서 및 제 2 음향센서의 검출신호를 표시하는 음향측정기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 밸브누설 진단장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 음향센서에서 받은 신호를 증폭하는 전치증폭기가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 밸브누설 진단장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 음향센서에서 받은 신호의 레벨을 디스플레이하는 표시부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 밸브누설 진단장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 음향센서는 제 1 음향센서보다 상기 피시험밸브로부터 상대적으로 먼 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 밸브누설 진단장치.
  6. 제 1 항 기재의 장치에 의해 밸브누설을 진단하는 방법에 있어서,
    1)주변잡음 측정시 제 1 음향센서 및 제 2 음향센서의 스펙트럼 차이 값(A)를 얻는 단계;
    2)밸브누설 체크시 제 1 음향센서 및 제 2 음향센서의 스펙트럼 차이 값(B)를 얻는 단계;
    3)상기 1)단계 및 2)단계에서 얻어진 값의 상호 차이 값(A-B, B-A)를 취하는 단계; 및
    4)상기 상호 차이 값(A-B, B-A)을 비교하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 밸브누설 진단방법.
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