KR20090010430A - 기계 장치의 고장 진단 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기계 장치의 엔진 소리 등의 소리를 감지하여 불량을 검출하는 장치에 관한 것으로서, 음향 센서를 이용하여 기계 장치의 소리를 측정하는 음향 측정부; 상기 음향 측정부에서 측정된 신호를 증폭하여 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부; 및 상기 변환된 디지털 신호를 주파수 영역으로 변환하여 측정된 기계 소리의 방향성분을 분석하는 주파수 분석부와, 상기 주파수 영역의 신호에서 상기 음향 측정부를 기준으로 -75°이상 +75도 이하(150°이하) 범위의 데이터만을 남겨 두고 나머지 범위의 데이터를 제거하는 필터링부와, 상기 필터링된 신호와 정상 동작하는 기계의 소리를 주파수 변환하여 저장된 정상신호 DB를 비교하여 고장 여부를 판단하는 고장 판단부를 포함하는 고장 진단부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

고장 진단, 소음 측정, 주파수 분석

Description

기계 장치의 고장 진단 장치{Apparatus for Detecting Mechanical Trouble}

도 1은 본 발명에 따른 고장 진단 장치의 블럭도

도 2는 본 발명에 따른 고장 진단 장치를 이용하여 기계 장치의 고장을 진단하는 방법을 나타낸 흐름도

도 3은 본 발명에 따른 고장 진단 장치에 의해 측정되는 소리의 범위를 나태낸 도면

도 4는 본 발명에 따른 고장 진단 장치를 이용하여 기계 장치의 소리를 측정하여 주파수 스펙트럼으로 변환한 일 실시예

도 5는 상기 도 4의 그래프에 일정한 밴드를 형성하고 범위를 벗어나는 경우 이를 표시하는 일실시예

도 6은 본 발명에 따라 0도에서 150도 범위의 소리만 측정한 결과를 나타낸 일실시예

도 7은 본 발명에 따라 0도에서 150도 범위의 소리만 측정한 결과를 나타낸 다른 실시예

도 8은 고장 진단 장치로부터 150도 범위 밖에 있는 소리만 측정이 되지 않는 예를 나타낸 도면

도 9는 고장 진단 장치로부터 150도 범위 안에 있는 소리는 모두 측정되는 예를 나타낸 도면

본 발명은 기계 장치의 불량 또는 고장을 감지하는 장치에 관한 것으로서, 특히 기계 장치의 엔진 소리 등의 소리를 감지하여 불량을 검출하는 장치에 관한 것이다.

모든 기계 장치는 고장의 위험에 노출되어 있고, 특히 펌프, 모터, 펄라이트 등과 같이 24시간 연속적으로 작동되고 있는 기계 장치들은 고장의 위험성이 한층 높아진다. 이러한 기계 장치가 고장이 난 후에 사후 조치를 하였을 때에는 비용도 많이 지출될 뿐만 아니라 필요로 할 때에 기계를 사용할 수 없게 된다. 따라서, 기계 고장을 미리 예측할 수 있는 고장 예측에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재까지 고장 예측 진단을 위하여 진동 신호를 많이 사용하고 있는 추세다. 하지만, 진동을 이용하여 고장 진단을 할 경우 고장이 어느 정도 진행이 되어 기계에 이상 진동이 발생하고 난 후부터 가능하다. 일반적으로 기계에 문제가 발생하기 시작하면 이상 소리부터 발생하여 이상 진동이 측정되는 경향을 보인다. 이는 이상 진동을 감지하기 위하여는 고장에 의한 진동에너지가 많이 생성되고 있을 때에 진동 측정이 가능하기 때문이다. 즉, 기계에 조그마한 이상이 발생하기 시작하면 소리를 먼저 발생시킨다. 따라서, 기계의 이상 진동을 감지하기 위하여는 진동보다 소리를 이용하는 것이 더 빠른 고장 예측 진단이 가능하다. 하지만, 일반적으로 기계가 작동되고 있 는 장소들은 하나의 기계만 작동되고 있는 것이 아니라 여러 기계들이 복합적으로 작동되고 있다. 따라서, 고장 감시를 하고자 하는 기계의 소리만 추적하여 측정한다는 것이 쉽지가 않다. 즉, 소리를 이용하여 기계의 고장진단을 하는 것이 필요하다는 것은 인식되지만 발전소와 같이 주변소리가 무척 높은 곳에서 대상 기계의 소리만 추출한다는 것에 어려움이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위 한 것으로서, 기계 장치의 소리를 정밀하게 측정하여 고장을 진단하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 측정된 소리의 벡터 성분을 추출하여 특정 범위 내의 데이터만을 이용함으로써 보다 정밀하게 소리를 측정하고 고장 진단이 가능한 고장 진단 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 고장 진단 장치는 음향 센서를 이용하여 기계 장치의 소리를 측정하는 음향 측정부; 상기 음향 측정부에서 측정된 신호를 증폭하여 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부; 및 상기 변환된 디지털 신호를 주파수 영역으로 변환하여 측정된 기계 소리의 방향성분을 분석하는 주파수 분석부와, 상기 주파수 영역의 신호에서 상기 음향 측정부를 기준으로 -75°이상 +75도 이하(150°이하) 범위의 데이터만을 남겨 두고 나머지 범위의 데이터를 제거하는 필터링부와, 상기 필터링 된 신호와 정상 동작하는 기계의 소리를 주파수 변환하여 저장된 정상신호 DB를 비교하여 고장 여부를 판단하는 고장 판단 부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 음향 측정부는 다수의 음향 센서를 포함하되, 상기 음향 센서는 2개의 마이크로폰을 포함하고 각각 다른 채널로 전송하는 것이 바람직하다.

상기 고장 판단 부는 상기 필터링 된 데이터가 상기 정상신호 DB에 저장된 정상신호를 기준으로 일정한 범위 이내이면 정상으로 판단하고 범위를 벗어나면 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예 및 구성을 살펴본다.

도 1은 본 발명에 따른 불량 검출 장치의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 불량 검출 장치는 크게 음향 측정부(10)와, 상기 측정된 소리를 디지털 신호로 변환하고 증폭하는 신호 변환부(20)와, 상기 디지털 신호의 주파수를 분석하여 고장 여부를 판별하는 고장 진단 부(30)를 포함한다.

상기 음향 측정부(10)는 제 1 음향 센서 및 제 2 음향 센서를 포함한다. 본 실시 예에서는 2 개의 센서를 사용하는 경우를 예시하였으나 센서의 개수는 제한되지 않고 원하는 만큼 다양하게 사용될 수 있다. 고장 여부를 측정하고자 하는 부위가 많은 경우 그 위치마다 센서를 배치할 수 있다. 상기 음향 센서들은 각각 2개의 마이크로폰을 구비하고 2개의 채널을 이용하여 상기 신호 변환부(20)로 데이터를 전송한다.

상기 신호 변환부(20)는 상기 음향 측정부로부터 수신한 음향 신호를 증폭하는 증폭 부(22)와 상기 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기(24)를 포함한다.

상기 변환된 디지털 신호는 데이터 입출력 인터페이스를 통해 상기 고장 진단 부(30)로 전송된다. 상기 인터페이스는 USB가 사용될 수 있다.

상기 고장 진단 부(30)는 상기 전송된 디지털 신호의 주파수를 분석하는 주파수 분석부(32, 34)와, 필터링부(36, 38)와, 고장 판정 부(39)를 포함한다.

상기 주파수 분석부(32, 34)는 상기 신호 변환부에서 전송되는 신호를 푸리에 변환(FFT)을 이용하여 주파수 스펙트럼으로 나타낸다. 즉, 시간 영역의 신호를 주파수 영역으로 변환한다. 이때 상기 신호 변환부로부터 전송되는 신호는 스테레오 신호이므로 방향성을 검출할 수 있다. 상기 주파수 분석부(32, 34)는 상기 제 1 센서(12)에서 측정된 소리의 주파수를 분석하는 제 1 주파수 분석부(32)와 상기 제 2 센서(14)에서 측정된 소리의 주파수를 분석하는 제 2 주파수 분석부(34)를 포함한다.

그리고 센서를 통해 채취된 음향 신호는 2개의 채널을 통해 스테레오 타입으로 전송되므로 상기 주파수 성분을 분석하여 방향성을 추출하는 것이 가능하다.

앞서 살펴본 것과 같이 상기 센서의 수는 필요에 따라 증감이 가능하므로 상기 주파수 분석부의 개수 또한 증감이 가능함은 당연하다.

상기 주파수 분석부를 통해 주파수 영역으로 변환된 신호는 필터링부(36, 38)을 거쳐 특정 영역의 음이 추출된다.

상기 필터링부도 상기 제 1 센서 및 제 2 센서에서 측정된 음원을 각각 처리하는 제 1 필터링부(36)와 제 2 필터링부(38)를 포함한다.

상기 필터링부(36, 38)는 소리 신호의 벡터 성분을 분석하여 음향 측정부(10)를 기준으로 150° 범위 내의 데이터만을 추출한다. 상기와 같이 150°의 범위 내의 데이터만을 이용하는 경우에도 소리 측정을 보다 정밀하게 할 수 있고 불필요한 데이터량을 줄여 장비를 보다 효율적으로 사용할 수 있다. 도 3은 상기 센서를 이용하여 대상 기계의 소리를 측정하는 것을 나타낸 것으로 센서를 기준으로 150°(-75°~+75°)를 표시하였다. 도면에서 표시된 범위 밖의 데이터는 필터링을 통해 모두 제거된다.

상기와 같은 효과에 대해서는 다른 도면을 참조하여 후술하기로 한다.

상기 고장 판정 부(39)는 상기 필터링부(36, 38)로부터 제공되는 소리 신호에 대한 주파수 스펙트럼 데이터를 수신하고 이를 정상 신호 DB(40)에 저장되어 있는 정상 소리 주파수 스펙트럼과 비교함으로써 불량 여부를 판별한다. 상기 음향 측정부(10)에서 측정된 신호의 스펙트럼이 정상 신호의 허용 밴드 이내이면 정상으로 판단하고 그렇지 않으면 고장으로 판단하여 경보 음을 울리거나 화면에 붉게 표시하는 방법 등으로 고장을 사용자에게 알리게 된다.

상기 정산 신호 DB(40)에는 기계가 정상적으로 작동되고 있을 동안의 정상 신호를 측정하여 주파수 영역으로 변환된 데이터가 미리 저장되어 있다. 상기 정상 신호는 기간을 두고 반복하여 측정하는 것이 바람직하다.

따라서 상기 고장 판단 부(39)에서는 상기 정상 신호 DB에 정상 신호를 기준 으로 불량으로 판단할 수 있는 밴드를 구성하고 음향 측정부(10)에서 측정된 소리가 상기 밴드를 벗어나는 경우 고장으로 판단하여 경보 음을 울리거나 화면에 표시하는 방법 등으로 고장을 알리게 된다.

도 2는 상기 도 1에서 살펴본 것과 같은 장치를 이용하여 불량을 검출하는 방법을 나타낸 흐름도이다.

먼저 센서를 이용하여 소리를 측정하고(S200), 측정된 신호를 증폭하여 디지털 신호 변환한다(S202). 이때 센서는 두 개의 마이크로폰을 통해 소리를 측정하고 측정된 소리는 2개의 채널을 이용해 스테레오 타입으로 전송된다.

상기 변환된 디지털 신호를 주파수 영역으로 변환하여 방향성을 분석한다(S204). 즉, 주파수 스펙트럼 분석을 통해 소리의 방향성을 파악하고 일정한 범위 내의 데이터만을 필터링 한다(S206). 상기와 같은 필터링을 통해 센서를 중심으로 150°(-75°~+75°) 범위 내의 데이터만을 남겨 두고 삭제한다. 즉, 150° 를 초과하는 영역에 존재하는 소리는 필터링을 통해 제거된다. 이러한 필터링을 통해서 보다 정확한 음 원 측정 및 고장 진단이 가능하다.

상기 필터링 후에는 고장 여부를 판단한다(S208). 고장 여부를 판단할 때에는 상기 센서를 통해 측정된 주파수 스펙트럼과 정상신호 스펙트럼을 비교하여 정상신호 스펙트럼으로부터 일정한 범위(밴드) 내에 있는 경우에는 정상으로 판단하고 그렇지 않은 경우에는 고장으로 판단한다. 상기 밴드 범위는 사용자가 임의로 설정 가능하다.

상기 판단 결과 고장이라고 판단되는 경우에는 경보 음을 울리거나 모니터에 밴드를 벗어나는 영역을 붉게 표시하는 등의 방법으로 사용자에게 알리고(S210), 정상이라고 판단되는 경우에는 해당 기계 장비에 대한 검사를 종료한다(S212).

이하에서는 방향성을 검출하는 원리에 대해 간략히 설명한다.

음향학 이론에 의하면 음향 강화 법(Sound Intensity)이 있다. 이는 음의 흐름을 벡터 성분으로 표시하는 것이다. 음의 흐름을 벡터성분으로 표시할 수 있다는 것은 음의 흐름에 대한 방향성을 추출하여 낼 수 있음을 의미한다. 본 발명에서는 두 개의 마이크로폰을 이용하여 음의 흐르는 방향을 계산하고 음향 강화 법을 응용한다. 이 방법을 응용하면 일정 범위 내의 소리만 측정이 되고 나머지 각도에서의 소리는 측정이 되지 않는다.

도 4는 상기 음향 강화 법을 이용하여 일정한 방향성을 갖는 음파를 측정하는 것을 나타낸 것이다. (a)는 두 개의 마이크로 폰(Mi01, Mic02)을 통해 소리를 측정한 그래프이고 (b)는 상기 두 개의 측정 결과를 조합하여 일정한 방향성을 갖게 되는 소리를 나타낸 것이다. 이러한 작업은 도 1에 나타낸 주파수 분석부(32)에서 행해진다. 상기와 같은 주파수 분석을 위한 알고리즘은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양하게 적용할 수 있을 것이다.

도 5(a)는 기계가 정상적으로 동작을 하는 경우, 정상적인 소리를 기준으로 불량으로 판단할 수 있는 밴드를 구성한 것을 나타낸 것이고, 도 5(b)는 상기 밴드를 벗어나는 경우 주위 화면을 붉은 색으로 변하게 하여 불량이 발생하였음을 쉽게 알 수 있도록 나타낸 것이다. 불량을 나타내는 방법은 도면과 같이 화면을 통해서도 가능하고 알람 소리를 이용해서도 가능하다.

도 6은 주파수 1000Hz대역의 소리를 측정한 그래프로서, (a)와 (b)는 각각 제 1 마이크로폰과 제 2 마이크로폰을 통해서 측정한 결과를 나타낸 것이고 (c)는 상기 (a)와 (b)를 필터링을 통해 150° 범위 내의 결과 만을 나타낸 것이다.

도 7은 주파수 2000hz 대역의 소리를 측정한 것이다. 도 6과 마찬가지로 (a)와 (b)는 측정치이고, (c)는 필터링한 결과이다.

상기 도면을 참조하면, 측정 장치를 중심으로 좌우로 60° 까지의 소리는 잘 측정이 되고 75°에서 급격하게 감소하고 그 외의 범위에서는 전혀 측정되지 않음을 확인할 수 있다.

도 8은 본 발명에 의한 고장 진단 장치를 테스트한 결과로써, (a) 고장 여부를 측정하고자 하는 기계 장치가 150°범위 내에 있는 경우와 그 범위 밖에 있는 경우를 도시한 것이고, (b)는 상기 장치를 이용하여 소리를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 그래프에서 확인할 수 있듯, 150도 범위 내에 있는 음 원만 측정이 되고 그 범위 밖에 존재하는 음원은 측정이 되지 않는 것을 확인할 수 있다.

도 9는 음 원이 상기 측정 장치로부터 150도의 범위 내에 있는 경우를 나타낸 것이다. 측정 범위 내에 존재하기 때문에 세 개의 음 원이 모두 측정 되었음을 (b)를 통해서 확인할 수 있다.

이상에서와 같은 장치 및 방법을 통해 기계 장치의 소리를 측정하고 불량 여부를 판단하는 경우 여러 분야에서 이용될 수 있다.

예를 들어, 첫째, 발전소 내에 있는 다양한 기계들 즉, 펌프류, 모터류, 펄버라이즈류, 발전기류 등의 발전소 내에 있는 모든 기계류에 대한 음파를 이용한 고장진단을 할 수 있다.

둘째, 발전소 내외, 공장, 또는 마을 내에 있는 변압기류에 대해서도 고장진단을 할 수 있다. 변압기는 항상 일정한 주파수의 소리를 발생하고 있다. 변압기 내에 이상이 발생하였을 경우 소리 주파수의 변화가 있거나 소리가 크지는 경향이 있다. 이를 주변 소리와 분리하여 변압기 소리만 측정하여 고장을 감시할 수 있다.

셋째, 댐 류에 설치된 펌프에 대해서도 고장진단을 할 수 있다.

넷째, 농촌에 설치되어 있는 농업용 및 관개수용 펌프 류에 대해서도 고장진단을 할 수 있다. 농촌 지역에 설치되어 있는 농업용 펌프들은 필요에 따라 원격으로 작동되고 있다. 과거에는 사람이 직접 장소를 방문하여 펌프를 작동시키고 또한 펌프가 작동되고 있으면 사람이 수시로 현장에 방문하여 펌프의 이상 유무를 감시 할 수 있었다. 하지만, 최근 들어 농촌 인구의 감소로 인하여 일일이 사람이 현장을 방문하여 펌프를 관리할 수 없는 입장이다. 따라서, 현재는 원격 무선 시스템을 이용하여 펌프를 가동시키는 시스템의 채택이 증가하고 있다. 이 경우 펌프의 작동 유무 및 고장 유무가 궁금하여 진다. 본 발명품을 이곳에 설치하여 원격조정용 중재기인 RTU에 고장유무를 전달하여 관제 실에서 원격으로 펌프의 고장 유무를 알 수 있다. 또한 필요에 따라 인터넷으로 앞서 살펴본 장치에 연결하여 펌프의 가동 유무 및 고장 유무를 실시간으로 파악할 수 있다.

다섯째, 하수 펌프들의 작동 유무 및 고장 유무를 파악하기 위하여 본 발명품을 맨 홀 내 펌프들에 설치하여 RTU로 연결하여 중앙에서 통제하여 고장을 진단할 수 있다.

여섯째, 화학공장과 같은 장치산업에도 본 상기 장치를 설치하여 음파를 이용하여 고장 유무를 파악할 수 있다.

일곱째, 모터 류, 가전제품 및 각종 소리 발생용 기계를 생산하는 생산 공정에서 주변 소리에 영향을 받지 않고 제품의 소리를 측정하고자 할 때에 적용할 수 있다.

본 발명에 의하면, 소리를 정밀하게 측정하여 기계 장치의 고장 유무를 정확하게 확인할 수 있다.

또한, 본 발명은 소리만을 측정하여 고장 여부를 쉽게 알 수 있으므로 고장에 따른 비용을 절감할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 측정된 소리이 고장에 이르지 않더라도 정상적인 동작과 상이한 경우에는 미리 점검하여 고장을 미연에 방지할 수도 있다.

또한, 본 발명에 의하면 원격지에서도 소리만으로 고장 여부를 파악할 수 있으므로 다양한 산업분야에 널리 이용될 수 있다.

Claims (3)

1. 음향 센서를 이용하여 기계 장치의 소리를 측정하는 음향 측정부;

   상기 음향 측정부에서 측정된 신호를 증폭하여 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부;

   상기 변환된 디지털 신호를 주파수 영역으로 변환하여 측정된 기계 소리의 방향성분을 분석하는 주파수 분석부와, 상기 주파수 영역의 신호에서 상기 음향 측정부를 기준으로 -75°이상 +75도 이하(150°이하) 범위의 데이터만을 남겨 두고 나머지 범위의 데이터를 제거하는 필터링부와, 상기 필터링된 신호와 정상 동작하는 기계의 소리를 주파수 변환하여 저장된 정상신호 DB를 비교하여 고장 여부를 판단하는 고장 판단부를 포함하는 고장 진단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고장 진단 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 음향 측정부는 다수의 음향 센서를 포함하되, 상기 음향 센서는 2개의 마이크로폰을 포함하고 각각 다른 채널로 전송하는 것을 특징으로 하는 고장 진단 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 고장 판단부는 상기 필터링된 데이터가 상기 정상신호 DB에 저장된 정 상신호를 기준으로 일정한 범위 이내이면 정상으로 판단하고 범위를 벗어나면 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 고장 진단 장치.

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