KR20200134019A - 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치 - Google Patents

무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2행정 선박용 전자 제어식 엔진에 대응 가능하도록 측정 대상체가 일시적으로 측정 가능 영역을 벗어나도 정상적으로 진동감시가 가능하도록 한 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치에 관한 것으로, 엔진 내부에 설치되어 측정 대상체의 진동 계측을 하는 진동 계측 센서;엔진 외부에 설치되는 진동신호처리를 위한 SPU(Signal Processing Unit);를 포함하고,선박용 2행정 엔진에 장착된 크랭크축의 종방향 진동을 계측하고, 모니터링하여 측정 대상체가 일시적으로 측정 가능 영역을 벗어나도 정상적으로 진동감시가 가능하도록 하는 것이다.

Description

무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치{Apparatus for monitoring Axial Vibration of Marine Engine Crank Shaft with Capable of Recognizing Non Measurable Area}
본 발명은 선박용 엔진 크랭크축 진동 모니터링에 관한 것으로, 구체적으로 2행정 선박용 전자 제어식 엔진에 대응 가능하도록 측정 대상체가 일시적으로 측정 가능 영역을 벗어나도 정상적으로 진동감시가 가능하도록 한 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치에 관한 것이다.
통상적으로 진동을 측정하는 방법으로는 진동하는 물체에 진동을 감지할 수 있는 진동센서를 부착하고, 이 진동 센서가 감지한 진동신호를 유선인 케이블을 통하여 신호분석기에 보내고, 신호분석기가 진동신호를 분석하여 최대 진동값, 평균진동값, 진동스펙트럼 등을 분석하는 방법이 사용된다.
진동센서로는 진동속도를 감지하는 속도픽업, 진동가속도를 감지하는 가속도픽업 등이 사용되는데, 진동을 측정하고자 부위에 부착하여 물체와 함께 진동하도록 한다.
신호분석기는 노이즈를 제거하는 필터, 센서가 감지한 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하는 A/D컨버터, 주파수분석을 하여 스펙트럼을 구하는 FFT모듈, 신호를 미분하거나 적분하는 미분회로 또는 적분회로, 측정된 진동값을 표시하는 표시창, 신호분석 방법 등을 조작하는 입력버튼 등을 구비하고 있다.
정지해 있는 물체의 진동은 상기와 같은 통상적인 진동측정장치를 이용하여 진동을 측정하고 분석할 수 있으나, 회전하는 물체, 직선운동을 하는 물체 등의 진동을 측정하는 경우에는 신호선인 케이블을 사용할 수 없고, 또한 가속도픽업, 속도픽업 등의 통상의 진동센서는 감지부의 질량이 원심력 등의 가속도를 받아 정확한 측정이 이루어지지 않는다.
따라서, 이러한 경우 와전류센서(Eddy Current Sensor) 갭센서(Gab Sensor) 등의 비접촉식 센서를 사용한다.
한편, 대형 선박의 주 추진기관으로 적용되는 디젤엔진은 추진추력을 발생시키는 동력원임과 동시에 진동을 발생시키는 주요 기진원이다.
최근에 선박의 주 추진기관으로 개발되는 저속 디젤엔진은 배기규제(Emission) 및 연비최적화를 위해 엔진의 회전수는 낮추고 행정(Stroke)을 극대화한 초장행정(Ultra-long stroke)엔진 적용이 대세를 이루고 있다.
초장행정기관의 적용은 동일한 형태의 엔진구조를 고려할 때 상대적으로 엔진본체의 수직/수평 방향 강성이 낮아지게 되고, 이는 선체구조 최적화 특히, 엔진지지부의 이중저(Double-bottom)의 유연성(Flexibility) 증가와 결합되어 선체구조물과 엔진이 갖는 진동계의 고유진동수가 엔진의 운전영역 내에 존재하여 예상치 못한 선체 및 엔진 진동을 유발하는 사례가 간혹 발생하고 있다.
이러한 진동문제를 사전에 예측하고 방지하기 위해서는 해석에 필요한 적절한 엔진 모델생성, 하중분석 등에 대한 검토가 요구되나, 축계진동 대비 중요도가 낮게 취급되어 이에 대한 연구가 부족한 상황이다.
선박을 운행함에 있어서 엔진의 가동으로 프로펠러 및 추진축으로부터 엔진의 크랭크축에 전달되는 진동이 발생하는데 이러한 진동이 과도하게 발생할 경우 기계적 파손을 초래할 수 있어 해당 진동에 대한 모니터링이 필요하다.
Tier III 환경 규제에 대응하기 위해 최근 조선 시장에 주로 적용되는 2행정 전자 제어식 디젤 엔진은 진동 계측 센서의 기존 설치 위치에 대해 제약이 발생한다. 이에 따라 설치 위치를 변경할 경우 측정 대상체의 회전 중 진동 계측 센서의 측정 영역을 벗어나는 경우가 발생한다.
즉, 종래 기술의 AVM에 사용되는 와전류 거리 센서의 최대 감지거리는 13mm이고, AVM에 적용된 진동 신호처리 기술은 무한영역과 경계영역에 대한 인지가 불가능하고, 또한 센서의 설치 위치가 변경됨에 따라 엔진의 동작 상태에 따른 알고리즘 상태도에 대한 고려가 이루어지지 않아 이와 같은 문제를 해결하지 못한다.
따라서, 무한영역 인지를 위해 필요한 AVM에 사용되는 와전류 거리 센서의 최대 감지 거리 확보하고, 측정 대상체가 일시적으로 측정 가능 영역을 벗어나도 정상적으로 진동감시가 가능하도록 하기 위한 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1012097호 대한민국 공개특허 제10-2015-0115138호
본 발명은 종래 기술의 선박용 엔진 크랭크축 진동 모니터링의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 2행정 선박용 전자 제어식 엔진에 대응 가능하도록 측정 대상체가 일시적으로 측정 가능 영역을 벗어나도 정상적으로 진동감시가 가능하도록 한 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 센서의 크기를 변경하지 않고 최대 감지거리를 최대화할 수 있도록 센서 구조 및 코일을 설계하고, 진동 신호처리 알고리즘에 무한영역 인지 및 경계영역 보정 알고리즘을 추가하고, 신호처리 알고리즘이 엔진 상태를 인지할 수 있도록 상태도를 수정하여 측정 가능 영역을 벗어나도 정상적으로 진동감시가 가능하도록 한 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 선박용 엔진의 전자화로 인한 엔진 내부 구조 변경으로 발생하는 무한영역에서의 오작동 문제를 해결함으로써 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있도록 한 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 센서 및 SPU 일체를 개발하여 연속적으로 회전하는 선박용 엔진의 크랭크 축에 설치가 가능하고 무한영역 인지가 가능한 크랭크축의 종방향 진동 모니터링을 위한 진동 감시를 위한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 모델링된 모델 및 등가회로를 이용하여 거리, 타겟의 직경 등에 대한 와전류 거리 센서의 임피던스에 대한 시뮬레이션을 진행하고, 실제 와전류 거리센서의 임피던스 변화와 비교하여 모델에 반영하여 무한영역 인지가 가능한 크랭크축의 종방향 진동 모니터링을 위한 진동 감시를 위한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치는 엔진 내부에 설치되어 측정 대상체의 진동 계측을 하는 진동 계측 센서;엔진 외부에 설치되는 진동신호처리를 위한 SPU(Signal Processing Unit);를 포함하고, 선박용 2행정 엔진에 장착된 크랭크축의 종방향 진동을 계측하고, 모니터링하여 측정 대상체가 일시적으로 측정 가능 영역을 벗어나도 정상적으로 진동감시가 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 진동 계측 센서는 비접촉식 와전류 진동 계측 센서이고, 최대 감지거리는 14.5mm이며, 최대 13mm의 피크-대-피크 진동을 계측하고, SPU는 진동 계측 센서에서 입력되는 신호로부터 무한영역 인지 알고리즘을 포함한 진동 신호처리 과정을 통하여 0~10mm의 피크-대-피크 진동신호를 4-20mA의 전류 및 디지털 신호로 송출하는 것을 특징으로 한다.
그리고 SPU(Signal Processing Unit)는, 크랭크축의 보호와 이상상태 진단을 위하여 Slow-down 알람 및 고진동 알람을 출력하며, 장치의 전원 이상상태를 보고하기 위하여 전원 및 시스템 오류 알람을 출력하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 진동 계측 센서의 와전류 센싱을 위한 센서 및 모재 모델링을 하고, 이 모델을 이용하여 와전류 현상을 이용한 인덕턴스 등가회로를 구성하고 이를 수식화하고, 모델링된 모델 및 등가회로를 이용하여 거리, 타겟의 직경에 대한 와전류 거리 센서의 임피던스에 대한 시뮬레이션을 진행하고, 실제 와전류 거리센서의 임피던스 변화와 비교하여 모델에 반영하는 것을 특징으로 한다.
그리고 진동 계측 센서에서 측정되는 신호의 분석을 위한 진동 신호 처리는,거리 변화의 RMS(Rood Mean Square), 최대치, 최소치, 최대-최소 간격(피크-대-피크)의 전체값 분석 방법 또는 FET 분석을 활용한 주파수 분석 방법을 이용하는 것을 특징으로 한다.
그리고 엔진의 크랭크축 종방향 진동 분석은 진동 중심점 및 피크-대-피크 추정치가 분석 결과값으로 사용되며, 충전 속도 및 방전 속도의 피크 추정 속도가 진동 신호처리를 위한 주요 제어 변수로 사용되는 것을 특징으로 한다.
그리고 비접촉식 와전류 진동 계측 센서는, 자기장에 의해 금속 대상체에 야기되는 와전류와 이 와전류로부터 발생하는 자기장에 의해 센싱 코일에 피드백되는 임피던스 변화를 계측하는 것이고, 와전류의 크기를 좌우하는 검출 대상체의 물성, 검출 대상체의 크기, 대상체와 코일 간의 간격이 임피던스 변화를 야기하는 인자인 것을 특징으로 한다.
그리고 검출 대상체의 크기는 검출영역에서는 무한대의 크기로 가정하고, 검출 영역에서 비접촉식 와전류 진동 계측 센서의 거동을 임피던스 플레인(impedence plane)에서 분석하면 임피던스의 실수부인 저항성분과 임피던스의 허수부인 인덕턴스가 센서와 대상체 간의 거리 및 가진 주파수에 따라 변하는 것을 특징으로 한다.
그리고 비접촉식 와전류 진동 계측 센서의 임피던스 변화는, 와전류로부터 발생되는 것이고, 와전류의 크기는 측정 대상체의 물성, 측정 대상체와 코일 간 간격의 물성, 가진 주파수, 측정 대상체와 코일 간 간격, 코일의 감긴 수, 코일의 형상에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
그리고 비접촉식 와전류 진동 계측 센서를 구성하는 회로는, 센서에 정현파 신호를 인가하는 모듈과 코일의 임피던스 변화를 측정하는 모듈로 구성된 프론트엔드와,센서 전체에 전원 제공을 위한 전원부와,측정된 임피던스 변화량을 측정체의 매질 보정, 거리 변화에 따른 선형성 보정을 수행하는 신호처리부 및 최종 출력부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 비접촉식 와전류 진동 계측 센서의 계측 영역은, 감지영역, 경계영역, 무한영역으로 구분되고, 비접촉식 와전류 진동 계측 센서의 설치 위치가 크랭크 축에서 멀어짐에 따라 진동 센서가 측정 대상체인 크랭크암을 감지할 수 없는 회전 영역을 무한영역으로 정의하고, 경계영역은 측정 대상체인 크랭크암에 와전류가 완전히 형성되지 않아 센서의 임피던스 변화가 작게 나타나는 영역으로 크랭크암의 모서리에서 센서 직경만큼의 원주가 더해지거나 빼지는 영역으로 정의되는 것을 특징으로 한다.
그리고 진동 신호처리를 위하여 엔진의 상태와 크랭크암의 상태에 따라, AVM 전원 인가 시 정지해 있는 위치가 무한영역인 경우, 경계영역인 경우, 감지영역인 경우를 고려하고, 정지해 있다가 운전이 시작된 위치가 무한영역에서 시작된 경우, 경계영역에서 시작된 경우, 감지영역에서 시작된 경우를 고려하고, 운전 후 멈춘 위치가 무한영역에서 멈춘 경우, 경계영역에서 멈춘 경우, 감지영역에서 멈춘 경우를 고려하는 것을 특징으로 한다.
그리고 경계 영역에서의 진동 신호 처리는 와전류 센서 모델링을 이용하여 진동 센서의 측정치를 보정하여 진동 신호 출력에 적용하고, 무한 영역의 신호는 진동 신호 출력에 반영되지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 측정 대상체가 일시적으로 측정 가능 영역을 벗어나도 정상적으로 진동감시가 가능하도록 하여 2행정 선박용 전자 제어식 엔진의 효율적인 모니터링이 가능하도록 한다.
둘째, 센서의 크기를 변경하지 않고 최대 감지거리를 최대화할 수 있도록 센서 구조 및 코일을 설계하고, 진동 신호처리 알고리즘에 무한영역 인지 및 경계영역 보정 알고리즘을 추가하고, 신호처리 알고리즘이 엔진 상태를 인지할 수 있도록 상태도를 수정하여 측정 가능 영역을 벗어나도 정상적으로 진동감시가 가능하도록 한다.
셋째, 선박용 엔진의 전자화로 인한 엔진 내부 구조 변경으로 발생하는 무한영역에서의 오작동 문제를 해결함으로써 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있도록 한다.
넷째, 센서 및 SPU 일체를 개발하여 연속적으로 회전하는 선박용 엔진의 크랭크 축에 설치가 가능하고 무한영역 인지가 가능한 크랭크축의 종방향 진동 모니터링을 위한 진동 감시를 위한 장치를 제공한다.
다섯째, 모델링된 모델 및 등가회로를 이용하여 거리, 타겟의 직경 등에 대한 와전류 거리 센서의 임피던스에 대한 시뮬레이션을 진행하고, 실제 와전류 거리센서의 임피던스 변화와 비교하여 모델에 반영하여 무한영역 인지가 가능하여 2행정 선박용 전자 제어식 엔진의 크랭크축의 종방향 진동 모니터링이 효율적으로 이루어지도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치의 전체 구성도
도 2와 도 3은 진동 계측 센서의 거리-진동 신호와 출력 신호 관계를 나타낸 특성 그래프
도 4는 센서 설치와 크랭크암의 회전에 따른 감지 영역을 나타낸 구성도
도 5는 본 발명에 따른 진동 신호 처리 특성을 나타낸 그래프
도 6은 본 발명에 따른 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치의 설치 및 결선 구성도
도 7은 와전류 센서 모델 시뮬레이션 결과 그래프
도 8은 와전류 센서의 거리 및 주파수에 따른 임피던스 변화 측정 그래프
도 9는 진동 신호처리를 위한 주요 제어 변수를 나타낸 구성도
도 10은 와전류 거리 센서를 이용한 BWCMS 구성도
도 11은 와전류 센서의 수학적 모델링 구성도
도 12는 프론트엔드 회로도
도 13은 센서 구성도
도 14는 감지영역, 경계영역, 무한영역에서의 와전류 센서 모델 구성도
도 15는 엔진과 크랭크암의 상태에 따른 진동 신호처리 상태 다이어그램
이하, 본 발명에 따른 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치의 전체 구성도이다.
본 발명에 따른 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치는 측정 대상체가 일시적으로 측정 가능 영역을 벗어나도 정상적으로 진동감시가 가능하도록 것이이다.
본 발명은 이를 위하여, 센서의 크기를 변경하지 않고 최대 감지거리를 최대화할 수 있도록 센서 구조 및 코일을 설계하고, 진동 신호처리 알고리즘에 무한영역 인지 및 경계영역 보정 알고리즘을 추가하고, 신호처리 알고리즘이 엔진 상태를 인지할 수 있도록 상태도를 수정하여 측정 가능 영역을 벗어나도 정상적으로 진동감시가 가능하도록 하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 센서 및 SPU 일체를 개발하여 연속적으로 회전하는 선박용 엔진의 크랭크 축에 설치가 가능하도록 하고, 모델링된 모델 및 등가회로를 이용하여 거리, 타겟의 직경 등에 대한 와전류 거리 센서의 임피던스에 대한 시뮬레이션을 진행하고, 실제 와전류 거리센서의 임피던스 변화와 비교하여 모델에 반영하여 무한영역 인지가 가능하도록 하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치는 도 1에서와 같이, 엔진 내부에 설치되는 비접촉식 와전류 진동 계측 센서와, 엔진 외부에 설치되는 진동신호처리를 위한 SPU(Signal Processing Unit)를 포함한다.
이와 같은 본 발명은 무한영역 인지가 가능한 AVM(Axial Vibration Monitor)으로 선박용 2행정 엔진에 장착된 크랭크축의 종방향 진동을 계측하고, 모니터링하는 장치이다.
여기서, 진동 계측 센서로 사용되는 와전류 센서의 최대 감지거리는 14.5mm이며, 최대 13mm의 피크-대-피크 진동을 계측할 수 있다.
도 2와 도 3은 진동 계측 센서의 거리-진동 신호와 출력 신호 관계를 나타낸 특성 그래프이다.
SPU는 진동 계측 센서에서 입력되는 신호로부터 무한영역 인지 알고리즘을 포함한 진동 신호처리 과정을 통하여 0~10mm의 피크-대-피크 진동신호를 4-20mA의 전류 및 디지털 신호로 송출한다.
또한, 크랭크축의 보호와 이상상태 진단을 위하여 Slow-down 알람 및 고진동 알람을 출력하며, 장치의 전원 이상상태를 보고하기 위하여 전원 및 시스템 오류 알람을 출력하는 기능을 수행한다.
이와 같은 본 발명에 따른 2행정 선박용 엔진의 크랭크축의 종방향 진동 감시 장치는 Tier III 환경 규제에 대응하는 2행정 선박용 전자 제어식 엔진에 설치되고, 선박의 프로펠러 및 추진축으로부터 엔진의 크랭크축에 전달되는 진동을 모니터링하고, 제어 장치에 경고를 전송해 엔진을 보호하는 기능을 수행할 수 있도록 하는 장치이다.
도 4는 센서 설치와 크랭크암의 회전에 따른 감지 영역을 나타낸 구성도이다.
Tier III와 같은 환경규제에 대응하기 위하여 선박 및 발전용 디젤 엔진이 전자 제어식 엔진으로 전환됨에 따라 Wartsila사의 전자식 디젤 엔진 형식은 (flex 엔진) 크랭크축 끝단에 엔코더 등의 크랭크 각 센서가 설치되어 간섭이 발생하기 때문에 센서의 설치 위치를 MAN D&T사와 유사하게 엔진 내부로 변경해야 한다.
MAN D&T사의 전자식 디젤 엔진 형식은 (ME 엔진) 기타 장치와의 간섭으로 인하여 센서의 설치 위치가 변경되었으며, 이에 따라 기존에는 발생하지 않았던 감지 한계 지점이 발생하는 문제가 있다.
종래 기술의 축방향 진동 모니터링 장치의 센서 설치 위치는 크랭크축의 회전에 따라 언제나 크랭크암의 감지가 가능하다. 그러나 센서가 크랭크축에서 기존보다 더 이격되어 설치되기 때문에 크랭크축의 회전에 따라 크랭크암의 감지가 불가능한 영역이 발생한다. 또한 Wartsila사의 전자식 엔진도 동일한 문제 발생한다.
본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 선박용 엔진의 전자화로 인한 엔진 내부 구조 변경으로 발생하는 문제점인 무한영역에서의 오작동 문제를 해결함으로써 시스템의 안정성 향상이 가능하도록 한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 진동 신호 처리 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 연속적으로 회전하는 선박용 엔진의 크랭크 축에 설치가 가능하고 무한영역 인지가 가능한 크랭크축의 종방향 진동 모니터링 시스템으로, 구조 및 사용용도를 비롯한 데이터 측정 방법을 개선한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치의 설치 및 결선 구성을 나타낸 것이다.
본 발명은 진동 계측 센서로 와전류 센서를 사용하고, 와전류 센싱을 위한 센서 및 모재 모델링을 하고, 이 모델을 이용하여 와전류 현상을 이용한 인덕턴스 등가회로를 구성하고 이를 수식화한다.
모델링된 모델 및 등가회로를 이용하여 거리, 타겟의 직경 등에 대한 와전류 거리 센서의 임피던스에 대한 시뮬레이션을 진행하고, 실제 와전류 거리센서의 임피던스 변화와 비교하여 모델에 반영하는 구성을 포함한다.
도 7은 와전류 센서 모델 시뮬레이션 결과 그래프이고, 도 8은 와전류 센서의 거리 및 주파수에 따른 임피던스 변화 측정 그래프이다.
도 7을 보면, Coil loops축과 Eddy-current loops에 따른 변화를 본다면 측정 대상체에 야기되는 와전류의 크기는 코일의 높이 방향보다는 반경 방향에 영향이 더 큰 것을 알 수 있다.
그리고 진동 신호 처리는 거리 센서로부터 측정되는 신호의 분석이라 할 수 있는데, 거리 변화의 RMS(Rood Mean Square), 최대치, 최소치, 최대-최소 간격 (피크-대-피크) 등과 같은 전체값 분석 방법과 FET 분석 등을 활용한 주파수 분석 방법이 주로 사용된다.
엔진의 크랭크축 종방향 진동 분석은 피크-대-피크의 변위진폭을 측정하는 방법이 사용된다.
도 9는 진동 신호처리를 위한 주요 제어 변수를 나타낸 구성도이다.
크랭크축 종방향 진동 분석은 진동 중심점 및 피크-대-피크 추정치가 분석 결과값으로 사용되며, 피크 추정 속도 (충전 속도 및 방전 속도)가 알고리즘의 성능을 좌우하는 주요 변수이다.
도 10은 와전류 거리 센서를 이용한 BWCMS 구성도이다.
BWCMS(Bearing Wear Condition Monitoring System)는 10㎛의 해상도와 최대 감지거리 6mm의 와전류 거리 센싱 기술을 이용한 엔진의 베어링 마모 감시장치로, 가이드 슈의 하사점을 계측하여 베어링 마모에 대한 상태 진단을 수행하는 장치이다.
여기서, 소형 와전류 픽업 센서는 센서 직경 8mm, 길이 25mm, 감지거리 2mm의 소형 와전류 픽업 센서로, 선박 및 발전용 엔진에 설치된 특정 장치의 가동 여부 감지에 사용된다.
그리고 와전류 진동 센서는 자기장에 의해 금속 대상체에 야기되는 와전류와 이 와전류로부터 발생하는 자기장에 의해 센싱 코일에 피드백되는 임피던스 변화를 계측하는 것을 원리로 한다.
따라서, 와전류의 크기를 좌우하는 검출 대상체의 물성, 검출 대상체의 크기, 대상체와 코일 간의 간격 등이 임피던스 변화를 야기하는 주요 인자이다.
본 발명에 적용되는 선박용 엔진은 검출 대상체가 강철 또는 합금강으로 고정되어 있으며, 검출 대상체의 크기는 검출영역에서는 무한대의 크기로 가정할 수 있다.
검출 영역에서 와전류 진동 센서의 거동을 임피던스 플레인(impedence plane)에서 분석하면 임피던스의 실수부인 저항성분과 임피던스의 허수부인 인덕턴스가 센서와 대상체 간의 거리 및 가진 주파수에 따라 변하는 것을 확인할 수 있다.
일반적으로 AVM에 사용되는 와전류 센서의 최대 감지거리는 13mm로 무한영역 인지에 적합하지 않다.
따라서, 크랭크축의 회전에 있어 무한영역 인지를 위하여 센서의 최대 감지거리는 14.5mm가 되어야 할 필요가 있으며, 측정 거리와 센서 직경의 비에 따른 임피던스 변화량을 고려했을 때 센서의 코일의 권선 직경은 22mm 이상이어야 한다.
코일의 설계 인자를 고려하여 코일의 구조 및 센서 헤드의 구조 설계를 수행하고, 기 연구된 와전류 센서 모델을 통하여 이를 검증하고 설계에 재반영하여, 크랭크암 감지에 최적화된 구조를 설계할 수 있다.
도 11은 와전류 센서의 수학적 모델링 구성도이다.
와전류 센서의 수학적 모델에 따르면 센서의 임피던스 변화는 와전류로부터 발생되는 것이고, 와전류의 크기는 측정 대상체의 물성, 측정 대상체와 코일 간 간격의 물성, 가진 주파수, 측정 대상체와 코일 간 간격, 코일의 감긴 수, 코일의 형상 등에 의해 결정된다.
본 발명이 적용되는 측정 대상체인 크랭크암의 물성은 정해져 있으며, 가진 주파수가 정해진다면 센서의 설계 변수는 코일 코어의 재질과 코일의 형상 및 구조, 코일의 재질, 코일의 감긴 수라 할 수 있다.
그리고 코어 및 코일의 재질이 결정된다면 대상체에 야기되는 와전류의 크기는 측정 대상체와 코일 간의 간격과 코일의 기하학적 형상에 의존된다.
따라서 코일의 기하학적 형상 즉, 높이, 반경, 감긴 수를 고려하여 설계를 한다.
도 12는 프론트엔드 회로도이고, 도 13은 센서 구성도이다.
센서의 코일의 권선 직경은 최대한으로 크게 설계하는 것이 유리하다.
또한, 코일과 측정 대상체가 최대한 가깝게 위치할 수 있도록 코일을 보호하는 코어의 두께는 최소한으로 얇게 설계해야 한다.
또한, 코일의 가진 주파수에 따라 코일의 기준 인덕턴스 및 저항이 결정되며, 이는 코일의 감긴 수와 기하학적 형상을 결정하기 때문에 이를 고려한 설계가 필요하다.
설계된 코일 구조 검증은 임피던스 계측기를 이용하여 설계를 검증한다.
설계/제작된 코일을 이용하여 와전류 센서를 구성하는 회로는 센서에 정현파 신호를 인가하는 모듈과 코일의 임피던스 변화를 측정하는 모듈로 구성된 프론트엔드회로와, 센서 전체에 전원 제공을 위한 전원부와, 측정된 임피던스 변화량을 측정체의 매질 보정, 거리 변화 등에 따른 선형성 보정을 수행하는 신호처리부 및 최종 출력부로 구성된다.
그리고 인덕턴스 센서의 감도를 키우기 위해 코어를 페라이트로 제작할 경우의 고려할 사항은 다음과 같다.
첫째, 고투자율계 물성 특징(보자력)으로 고주파수 영역에서 감쇠가 일어난다.
둘째, 특유의 페라이트 제작 공정상(압축 소결시 소결압력과 온도에 따라 특성이 바뀜)의 문제로 일관성이 보장된 특성의 센서를 제작하기 힘들다.
셋째, 페라이트의 투자율은 온도 변화에 따라 크게 달라진다.
이와 같은 이유로 고속 응답 특성을 필요로 하는 인덕턴스 센서 프로브는 코투자율의 코어가 없는 공심 코일로 이루어지며 이로써 고 응답성 및 안정성을 확보하게 된다.
도 14는 감지영역, 경계영역, 무한영역에서의 와전류 센서 모델 구성도이고, 도 15는 엔진과 크랭크암의 상태에 따른 진동 신호처리 상태 다이어그램이다.
선박용 2행정 전자식 디젤 엔진에 설치되는 와전류 센서, 즉 진동 센서의 설치 위치가 크랭크 축에서 멀어짐에 따라 진동 센서가 측정 대상체인 크랭크암을 감지할 수 없는 회전 영역이 발생한다.
이 무한영역은 240도이다.
경계영역은 측정 대상체인 크랭크암에 와전류가 완전히 형성되지 않아 센서의 임피던스 변화가 작게 나타나는 영역이다.
도 4 및 도 14를 참고하면, 와전류 센서의 와전류 형성 영역은 센서 직경의 2배로 분포되어 있으며, 이에 따라 경계 영역은 크랭크암의 모서리에서 센서 직경만큼의 원주가 더해지거나 빼지는 영역이다.
센서에 전원이 인가되어 측정을 시작하면 진동 신호처리 알고리즘은 현재 엔진과 크랭크암의 상태를 인지해야하며, 인지된 엔진과 크랭크암의 상태에 따라 적용되어야 할 세부 알고리즘이 달라야 한다.
엔진의 상태와 크랭크암의 상태에 대한 알고리즘 고려사항은 다음과 같다.
AVM 전원 인가 시 정지해 있는 위치(무한영역인 경우, 경계영역인 경우, 감지영역인 경우)를 고려한다.
정지해 있다가 운전이 시작된 위치(무한영역에서 시작된 경우, 경계영역에서 시작된 경우, 감지영역에서 시작된 경우)를 고려한다.
그리고 운전 후 멈춘 위치(무한영역에서 멈춘 경우, 경계영역에서 멈춘 경우, 감지영역에서 멈춘 경우)를 고려한다.
멈춰있는 경우 진동 값 ‘0’으로 수렴해가는 댐핑 계수 알고리즘을 적용한다.
엔진의 운전과 크랭크암의 상태에 따른 진동 신호처리의 상태도는 도 15에서와 같다.
감지 영역에서의 진동 신호처리는 기 연구된 신호처리 알고리즘을 이용하여 처리가 가능하나, 경계 영역에서의 진동 신호는 전략된 와전류 센서 모델링을 이용하여 진동 센서의 측정치를 보정하여 진동 신호 출력에 적용할 수 있으며, 무한 영역의 신호는 진동 신호 출력에 반영되지 않도록 해야 한다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치는 센서의 크기를 변경하지 않고 최대 감지거리를 최대화할 수 있도록 센서 구조 및 코일을 설계하고, 진동 신호처리 알고리즘에 무한영역 인지 및 경계영역 보정 알고리즘을 추가하고, 신호처리 알고리즘이 엔진 상태를 인지할 수 있도록 상태도를 수정하여 측정 가능 영역을 벗어나도 정상적으로 진동감시가 가능하도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 엔진 내부에 설치되어 측정 대상체의 진동 계측을 하는 진동 계측 센서;
    엔진 외부에 설치되는 진동신호처리를 위한 SPU(Signal Processing Unit);를 포함하고,
    선박용 2행정 엔진에 장착된 크랭크축의 종방향 진동을 계측하고, 모니터링하여 측정 대상체가 일시적으로 측정 가능 영역을 벗어나도 정상적으로 진동감시가 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 진동 계측 센서는 비접촉식 와전류 진동 계측 센서이고,
    최대 감지거리는 14.5mm이며, 최대 13mm의 피크-대-피크 진동을 계측하고,
    SPU는 진동 계측 센서에서 입력되는 신호로부터 무한영역 인지 알고리즘을 포함한 진동 신호처리 과정을 통하여 0~10mm의 피크-대-피크 진동신호를 4-20mA의 전류 및 디지털 신호로 송출하는 것을 특징으로 하는 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, SPU(Signal Processing Unit)는,
    크랭크축의 보호와 이상상태 진단을 위하여 Slow-down 알람 및 고진동 알람을 출력하며, 장치의 전원 이상상태를 보고하기 위하여 전원 및 시스템 오류 알람을 출력하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 진동 계측 센서의 와전류 센싱을 위한 센서 및 모재 모델링을 하고, 이 모델을 이용하여 와전류 현상을 이용한 인덕턴스 등가회로를 구성하고 이를 수식화하고,
    모델링된 모델 및 등가회로를 이용하여 거리, 타겟의 직경에 대한 와전류 거리 센서의 임피던스에 대한 시뮬레이션을 진행하고, 실제 와전류 거리센서의 임피던스 변화와 비교하여 모델에 반영하는 것을 특징으로 하는 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 진동 계측 센서에서 측정되는 신호의 분석을 위한 진동 신호 처리는,
    거리 변화의 RMS(Rood Mean Square), 최대치, 최소치, 최대-최소 간격(피크-대-피크)의 전체값 분석 방법 또는 FET 분석을 활용한 주파수 분석 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 엔진의 크랭크축 종방향 진동 분석은 진동 중심점 및 피크-대-피크 추정치가 분석 결과값으로 사용되며,
    충전 속도 및 방전 속도의 피크 추정 속도가 진동 신호처리를 위한 주요 제어 변수로 사용되는 것을 특징으로 하는 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치.
  7. 제 2 항에 있어서, 비접촉식 와전류 진동 계측 센서는,
    자기장에 의해 금속 대상체에 야기되는 와전류와 이 와전류로부터 발생하는 자기장에 의해 센싱 코일에 피드백되는 임피던스 변화를 계측하는 것이고,
    와전류의 크기를 좌우하는 검출 대상체의 물성, 검출 대상체의 크기, 대상체와 코일 간의 간격이 임피던스 변화를 야기하는 인자인 것을 특징으로 하는 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 검출 대상체의 크기는 검출영역에서는 무한대의 크기로 가정하고,
    검출 영역에서 비접촉식 와전류 진동 계측 센서의 거동을 임피던스 플레인(impedence plane)에서 분석하면 임피던스의 실수부인 저항성분과 임피던스의 허수부인 인덕턴스가 센서와 대상체 간의 거리 및 가진 주파수에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 비접촉식 와전류 진동 계측 센서의 임피던스 변화는,
    와전류로부터 발생되는 것이고, 와전류의 크기는 측정 대상체의 물성, 측정 대상체와 코일 간 간격의 물성, 가진 주파수, 측정 대상체와 코일 간 간격, 코일의 감긴 수, 코일의 형상에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 비접촉식 와전류 진동 계측 센서를 구성하는 회로는,
    센서에 정현파 신호를 인가하는 모듈과 코일의 임피던스 변화를 측정하는 모듈로 구성된 프론트엔드와,
    센서 전체에 전원 제공을 위한 전원부와,
    측정된 임피던스 변화량을 측정체의 매질 보정, 거리 변화에 따른 선형성 보정을 수행하는 신호처리부 및 최종 출력부로 구성되는 것을 특징으로 하는 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치.
  11. 제 8 항에 있어서, 비접촉식 와전류 진동 계측 센서의 계측 영역은,
    감지영역, 경계영역, 무한영역으로 구분되고,
    비접촉식 와전류 진동 계측 센서의 설치 위치가 크랭크 축에서 멀어짐에 따라 진동 센서가 측정 대상체인 크랭크암을 감지할 수 없는 회전 영역을 무한영역으로 정의하고,
    경계영역은 측정 대상체인 크랭크암에 와전류가 완전히 형성되지 않아 센서의 임피던스 변화가 작게 나타나는 영역으로 크랭크암의 모서리에서 센서 직경만큼의 원주가 더해지거나 빼지는 영역으로 정의되는 것을 특징으로 하는 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 진동 신호처리를 위하여 엔진의 상태와 크랭크암의 상태에 따라,
    AVM 전원 인가 시 정지해 있는 위치가 무한영역인 경우, 경계영역인 경우, 감지영역인 경우를 고려하고,
    정지해 있다가 운전이 시작된 위치가 무한영역에서 시작된 경우, 경계영역에서 시작된 경우, 감지영역에서 시작된 경우를 고려하고,
    운전 후 멈춘 위치가 무한영역에서 멈춘 경우, 경계영역에서 멈춘 경우, 감지영역에서 멈춘 경우를 고려하는 것을 특징으로 하는 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 경계 영역에서의 진동 신호 처리는 와전류 센서 모델링을 이용하여 진동 센서의 측정치를 보정하여 진동 신호 출력에 적용하고,
    무한 영역의 신호는 진동 신호 출력에 반영되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 무한영역 인지가 가능한 선박용 엔진 크랭크축의 종방향 진동 감시를 위한 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101012097B1 (ko) 2010-04-12 2011-02-07 금오기전 주식회사 비접촉식 센서를 이용한 선박용 디젤엔진 크랭크축의 종방향 진동 측정장치 및 이를 이용한 진동 측정방법
KR20150115138A (ko) 2014-04-02 2015-10-14 현대중공업 주식회사 종진동 감쇠 댐퍼 어셈블리 및 이를 포함하는 선박용 엔진

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101012097B1 (ko) 2010-04-12 2011-02-07 금오기전 주식회사 비접촉식 센서를 이용한 선박용 디젤엔진 크랭크축의 종방향 진동 측정장치 및 이를 이용한 진동 측정방법
KR20150115138A (ko) 2014-04-02 2015-10-14 현대중공업 주식회사 종진동 감쇠 댐퍼 어셈블리 및 이를 포함하는 선박용 엔진

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114264441A (zh) * 2021-11-25 2022-04-01 江铃汽车股份有限公司 一种车用空滤脏管的新型试验方法
CN114264441B (zh) * 2021-11-25 2024-03-15 江铃汽车股份有限公司 一种车用空滤脏管的试验方法

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