KR20230160065A - 통합형 진동 분석 장치 - Google Patents

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KR20230160065A
KR20230160065A KR1020220059637A KR20220059637A KR20230160065A KR 20230160065 A KR20230160065 A KR 20230160065A KR 1020220059637 A KR1020220059637 A KR 1020220059637A KR 20220059637 A KR20220059637 A KR 20220059637A KR 20230160065 A KR20230160065 A KR 20230160065A
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황희석
최종복
배민경
김경도
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(주)명성에이앤티(A&T)
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Abstract

일 실시예에 따르면 본 발명인 진동 분석 장치는 진동 분석 대상 설비에 장착될 수 있는 진동 분석 장치로서, 상기 진동 분석 대상 설비에서 발생한 진동을 측정할 수 있는 적어도 하나의 센서를 포함하는 센서부, 상기 적어도 하나의 센서가 획득한 센싱 데이터를 미리 지정된 복수의 주파수 대역별로 분리할 수 있는 복수의 대역 통과 필터 및 상기 복수의 대역 통과 필터를 통과한 신호를 LED(light emitting diode) 발광시키기 위한 전류로 변환하는 LED 드라이버를 포함하는 회로부 및 상기 회로부로부터 신호를 수신하고 수신한 신호에 대응하여 복수의 LED를 발광시키는 디스플레이(display)부를 포함하고, 상기 센서부와 상기 디스플레이부는 공간적으로 분리되어 전기적으로 연결될 수 있다.

Description

통합형 진동 분석 장치{INTEGRATED VIBRATION ANALYZER}
본 발명은 통합형 진동 분석 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 자체적으로 주파수 스펙트럼 분석이 가능한 통합형 진동 분석 장치에 관한 것이다.
진동 분석 장치는 각종 공장에 설치되어 있는 설비 즉, 베어링, 터빈, 모터와 같은 기계설비의 진동 상태를 분석하기 위한 장치이다.
기계 설비의 이상여부를 사람이 판단하는 것은 판단의 정확도가 떨어지고, 또한 이상여부를 판단하기 위한 전문 인력 또한 부족한 상태이다.
진동 분석 장치는 기계 설비의 이상여부 정확히 탐지하기 위하여 필요하며, 평소에 기계설비의 이상여부를 관리하지 않으면 대형 사고를 유발할 수 있으므로 각종 공장에서 필수적으로 요구되는 장치이다.
상술한 기계설비의 진동을 주파수별로 분석하면 기계설비의 정상 작동 여부 또는 남은 수명 여부를 판단할 수 있다. 주파수를 분석하면 기계설비의 비정상 부분을 판단할 수 있고, 진폭을 분석하면 고장의 크기를 판단할 수 있다.
기존의 진동 분석 장치는 진동 센서, DAQ(data acquisition), 분석 소프트웨어로 구성되어 있다. 또한 기존의 진동 분석 장치는 분석 소프트웨어에서 FFT(fast fourier transform)를 통해 기계설비의 주파수를 스펙트럼 또는 위상으로 분석한다.
그러나 기존의 진동 분석 장치는 상술한 분석 소프트웨어에서 신호처리 과정을 거치게 되는데 이러한 신호처리 과정은 고성능의 프로세서를 통하여 작업이 이루어져야 하므로 주파수 분석의 지연(delay)이 발생하게 된다. 또한 MCU(micro controller unit), DSP(digital signal processor) 등을 통하여 신호 분석을 수행하여야 하므로 실시간으로 빠른 데이터를 처리할 수 없는 문제가 있다.
대한민국등록특허공보 제10-1307526 (2013.09.05)
기계 설비의 이상여부를 판단하기 위한 주파수 분석을 지연없이 수행하기 위해 진동 분석 장치 자체에서 주파수를 대역별로 분리하고, 분리된 주파수를 디스플레이(display)할 수 있는 장치가 요구된다. 또한 고성능의 프로세서를 포함하지 않고도 정확한 주파수 분석이 가능하여, 진동 분석 장치 자체의 생산비용과 유지비용을 절감할 수 있는 진동 분석 장치가 요구된다. 또한, 디스플레이부가 센서부와 공간적으로 분리되어 주파수 분석을 하고자 하는 분석 대상 기계 설비의 형상 및 위치에 관계없이 센서부 및 회로부에서 분석된 주파수를 외부에서 볼 수 있는 진동 분석 장치가 요구된다.
일 실시예에 따르는 진동 분석 장치는 진동 분석 대상 설비에 장착될 수 있는 진동 분석 장치로서, 상기 진동 분석 대상 설비에서 발생한 진동을 측정할 수 있는 적어도 하나의 센서를 포함하는 센서부, 상기 적어도 하나의 센서가 획득한 센싱 데이터를 미리 지정된 복수의 주파수 대역별로 분리할 수 있는 복수의 대역 통과 필터 및 상기 복수의 대역 통과 필터를 통과한 신호를 LED(light emitting diode) 발광시키기 위한 전류로 변환하는 LED 드라이버를 포함하는 회로부 및 상기 회로부로부터 신호를 수신하고 수신한 신호에 대응하여 복수의 LED를 발광시키는 디스플레이(display)부를 포함하고, 상기 센서부와 상기 디스플레이부는 공간적으로 분리되어 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 진동 분석 장치는 상기 회로부에 전기적으로 연결되어 상기 회로부로부터 수신한 신호를, 상기 진동 분석 대상 설비를 관리하는 관리 시스템으로 전송하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 진동 분석 장치는 상기 대역 통과 필터의 중심 주파수 대역을 트리머 콘덴서 및 가변저항으로 조정하기 위한 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 통신부는 미리 지정된 정상 주파수 대역별 기준값에 기반하여, 상기 통신부로부터 획득한 주파수가 상기 정상 주파수 대역별 기준값을 초과하면 이상 신호를 상기 관리 시스템으로 전송할 수 있다.
본 발명인 통합형 진동 분석 장치는 기존의 진동 분석 장치와 달리 DAQ, 및 소프트웨어를 포함하지 않음으로써 복잡한 신호처리 연산 과정 수행 없이 기계설비의 주파수 분석을 수행할 수 있다. 또한 장치의 복잡도가 낮아 진동 분석 장치의 생산비용과 유지비용을 절감할 수 있다. 또한 분석 대상 기계 설비가 외부에서는 관찰할 수 없는 위치에 있더라도, 센서부만 내부에 장착하고, 디스플레이부는 외부에 장착하여 외부에서 주파수 분석결과를 볼 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 분석 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부와 디스플레이부의 분리 장착을 나타내는 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 분석 장치의 회로부에 대한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 파형 분석에 대한 예시도이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적으로 해석되어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도면에서 도시된 각 시스템에서, 몇몇 경우에서의 요소는 각각 동일한 참조 번호 또는 상이한 참조 번호를 가져서 표현된 요소가 상이하거나 유사할 수 있음을 시사할 수 있다. 그러나, 요소는 상이한 구현을 가지고 본 명세서에서 보여지거나 기술된 시스템 중 몇몇 또는 전부와 작동할 수 있다. 도면에서 도시된 다양한 요소는 동일하거나 상이할 수 있다. 어느 것이 제1 요소로 지칭되는지 및 어느 것이 제2 요소로 불리는지는 임의적이다.
본 명세서에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터 또는 신호를 '전송' 또는 '제공'한다 함은 어느 한 구성요소가 다른 구성요소로 직접 데이터 또는 신호를 전송하는 것은 물론, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 데이터 또는 신호를 다른 구성요소로 전송하는 것을 포함한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등 의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 분석 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 분석 장치는 센서부(120), 회로부(130) 및 디스플레이부(140)로 구성될 수 있다.
또한 일 실시예에 따른 진동 분석 장치는 통신부(150) 및 제어부(160)를 더 포함할 수 있다.
센서부(120)는 기계 설비의 진동주파수 및 진동의 세기에 대한 신호를 측정하고, 전기적 신호로 변환하여 변환된 신호를 회로부(130)로 전송할 수 있다.
일 실시예에 따르면 센서부(120)는 단축 또는 x, y, z 방향의 3축에 대한 변위, 가속도, 힘을 측정할 수 있는 변위 센서, 가속도 센서, 압력 센서 또는 중량 센서 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면 상술한 적어도 하나의 센서는 진동 분석 장치를 장착할 기계 설비의 구조적 특성 및 물성 특성에 기반하여 구조적으로 또는 물성 특성에 따른 주요 측정 지점에 배치되어 주파수 분석을 위한 센싱 데이터를 획득할 수 있다.
회로부(130)는 예를 들면 대역 통과 필터, 정류기(rectifier) 및 LED(light emitting diode) 드라이버를 포함할 수 있다.
대역 통과 필터는 복수의 대역 통과 필터로 구성될 수 있고, 상술한 기계 설비의 진동에 대한 주파수를 분리하기 위해 적어도 하나의 센서로부터 획득된 신호를 주파수 별로 분리할 수 있다. 예를 들면 복수의 대역 통과 필터는 5~10개의 대역 통과 필터로 구성될 수 있고, 중심 주파수(fc)가 31Hz, 62Hz, 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1KHz, …18KHz인 주파수 대역의 신호를 통과시키는 필터일 수 있다. 대역 통과 필터는 두개의 차단주파수 사이에 있는 주파수 대역의 신호는 감쇠없이 통과시키고, 그 이외의 주파수는 감쇠시킬 수 있으므로, 중심 주파수가 다른 복수의 대역 통과 필터를 사용하여 회로부(130)를 구성하면, 진동에 대한 센싱 데이터를 주파수 대역 별로 분리할 수 있다.
일 실시예에 따르면 회로부(130)를 통과한 주파수 신호는 WIFI, ETHERNET, RS485등 통신을 통해 관리 시스템에 전송될 수 있다.
회로부(130)를 통과한 주파수 신호를 관리 시스템에 직접 전송하면, 관리 시스템에서는 HMI 또는 시스템 소프트웨어를 통한 분석 없이 획득한 주파수 정보에 기반한 기계 설비의 이상 여부에 관한 정보를 제공할 수 있다.
정류기는 예를 들면 p-n접합 다이오드를 이용하는 정류기일 수 있고, LED 드라이버는 L정류기를 통과한 신호를 LED를 동작시키기 위한 저전압으로 변환할 수 있다. 또한 LED 드라이버는 주파수 크기에 따라 LED의 점등 개수를 조절하는 신호를 생성할 수 있다.
디스플레이부(140)는 회로부(130)로부터 전류 또는 전압을 수신하고, 수신에 응답하여 복수의 LED를 발광할 수 있다.
일 실시예에 따르면 디스플레이부(140)는 10개의 LED BAR로 구성될 수 있다. 다른 예를 들면 디스플레이부(140)는 LCD(liquid crystal display) 또는 OLED(organic light emitting diode)로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면 디스플레이부(140)를 구성하는 LED는 수신한 신호의 크기에 응답하여 점등되는 LED의 개수가 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면 본 발명인 진동 분석 장치를 장착할 기계 설비의 구조에 따라, 센서부(120)와 디스플레이부(140)를 하나의 장치로 장착하기 어려운 경우, 센서부(120)와 디스플레이부(140)는 공간적으로 분리되되, 데이터 전송이 가능하도록 전기적으로 연결될 수 있다.
통신부(150)는 회로부(130)로부터 수신한 신호를 외부 장치로 전송하기 위한 통신 채널을 수립할 수 있다.
일 실시예에 따르면 통신부(150)는 프로세서를 포함할 수 있고, 각 주파수 대역별 레퍼런스값을 기준으로 20%, 30%, 40%, 50%를 초과하는 이상 신호를 회로부(130)로부터 획득하면, 각 이상 신호에 대응하는 알람 신호를 상위 관리 시스템으로 전송할 수 있다.
제어부(160)는 세밀한 주파수 대역의 조정을 위하여 트리머 콘덴서(trimmer condenser)와 가변 저항으로 구성되어 회로부(130)에 연결될 수 있다. 트리머 콘덴서 및 가변 저항은 전류 및 전압의 세밀한 조정을 통하여 대역 통과 필터의 주파수 대역을 조정할 수 있다.
일 실시예에 따르면 제어부(160)는 센서부(120), 회로부(130), 디스플레이부(140) 및 통신부(150)에 필요한 전력을 공급하기 위한 배터리를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부와 디스플레이부의 분리 장착을 나타내는 예시도이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 분석 장치는 센서부(120)와 디스플레이부(140)가 공간적으로 분리될 수 있다.
일 실시예에 따르면 센서부(120)는 내부에 회로부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면 공간적으로 분리된 센서부(120)와 디스플레이부(140)는 케이블로 연결될 수 있고, 또한 무선으로 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면 진동 분석 장치는 센서부(120)와 디스플레이부(140)가 분리되므로 주파수 분석을 하고자 하는 대상 기계 설비(O)의 형상 및 위치에 관계없이 디스플레이부(140)를 외부에서 관찰할 수 있다.
일 실시예에 따르면 주파수 분석을 수행하고자 하는 대상 기계 설비(O)가 분해하지 않고는 물리적으로 디스플레이부(140)를 외부에서 볼 수 없는 위치에 있더라도, 본 발명인 진동 분석 장치는 센서부(120)와 디스플레이부(140)가 공간적으로 분리되므로, 주파수 분석을 수행하고자 하는 센서부(120)만 내부에 깊숙히 장착할 수 있다. 일 실시예에 따르면 센서부(120)만 기계 설비의 내부에 깊숙히 장착하고, 센서부(120) 및 회로부 자체에 의해 주파수 분석이 수행되며, 분석된 주파수를 외부에 배치된 디스플레이부(140)에서 볼 수 있으므로 기계 설비의 고장 여부 판단을 위한 초기진단, 또는 신속히 기계 설비의 고장 여부를 판단하여야 할 때에 본 발명이 활용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 분석 장치의 회로부에 대한 개략도이다.
도 3을 참조하면 센서부(120)에서 획득된 신호는 전기적 신호로 변환되어 LPF를 통과할 수 있다.
일 실시예에 따르면 상술한 LPF는 신호가 대역 통과 필터를 통과하기 전에 고주파수에 의한 알리아싱(aliasing)을 방지하기 위해 고주파수 신호를 필터링할 수 있다.
그리고 복수의 대역 통과 필터는 미리 설정된 주파수 대역의 신호를 통과시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면 상술한 미리 설정된 주파수는 중심 주파수(fc)가 31Hz, 62Hz, 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1KHz, …18KHz일 수 있고, 미리 설정된 주파수는 트리머 콘덴서와 가변저항에 의해 조정될 수 있다.
일 실시예에 따르면 상술한 미리 설정된 주파수는 제어부의 프로세서에 의해 조정될 수 있다.
정류기(rectifier) 및 LED 드라이버는, 대역 통과 필터를 통과한 신호를 디스플레이부(140)로 전송하기 위해 정류된 출력 전력을 공급할 수 있다.
일 실시예에 따르면 디스플레이부(140)는 LED BAR로 구성되어(예: 10개의 LED) 회로부(130)를 통과한 신호에 응답하여 복수의 LED가 점등될 수 있다. 또한 LED BAR의 개수는 사용자에 의해 선택될 수 있다.
기존의 진동 분석 장치는 진동센서, DAQ(data acqusition) 및 분석 소프트웨어로 구성되어 있다. 또한, 기존의 진동 분석 장치는 센서부에서 FFT(fast fourier transform)분석을 하고 처리한 데이터를 관리 시스템에 전송하기 위해 MCU(micro controller unit), DSP(digital signal processor) 또는 FPGA(field programmable gate array)를 이용하여 신호처리를 하여야 하나 이러한 장치는 효율성이 떨어지고 실시간으로 빠른 처리가 어려운 문제가 있다.
본 발명에 따른 진동 분석 장치에 의하면 주파수 분석에 있어 각 주파수 처리 기능을 모놀로틱 회로로 구성함으로써, 딜레이가 없고, 연산처리 과정에서 MCU, DSP, FPGA 등 프로세서의 복잡한 연산을 거칠 필요가 없어 효율적인 신호 처리가 가능할 수 있다.
또한 고성능의 프로세서를 포함하지 않고도 주파수 분석이 가능하여, 진동 분석 장치 자체의 생산비용과 유지비용을 절감할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 파형 분석에 대한 예시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 진동 분석 장치의 제어부는 프로세서를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면 제어부는 회로부와 연결되어, 복수의 대역 통과 필터를 통과한 신호의 주파수 및 진폭을 비교 판단 할 수 있다.
기계 설비의 고장 여부를 판단하기 위하여 진동의 주파수 및 진폭을 획득하면, 주파수는 기계 설비의 고장 원인을 분석하는데 사용될 수 있고, 진폭은 고장의 정도를 분석하는데 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면 제어부의 프로세서는 복수의 대역 통과 필터를 통과한 신호들 중에서 진폭이 큰 상위의 신호들(예; fc1, fc2)을 선택하고, 정류과정을 거쳐 RMS값이나 피크값을 LED 드라이버를 거쳐 디스플레이부로 전송되도록 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면 복수의 대역 통과 필터를 통과한 신호들 중 진폭이 큰 상위의 신호들을 선택하여 디스플레이부로 전송하면, 기계 설비의 고장의 원인 및 고장의 정도를 더 신속하고 정확하게 파악할 수 있다.
일 실시예에 따르면 제어부는 관리자로부터 각각의 기계 설비의 특성이 반영된 주파수를 획득할 수 있고, 획득한 주파수에 기반하여 복수의 대역 통과 필터의 중심 주파수를 조정할 수 있다. 예를 들면 관리자로부터 획득하는 주파수는 관측하고자 하는 기계 설비의 종류에 따라 선택된 주파수일 수 있다.
일 실시예에 따르면 관측하고자 하는 기계 설비의 주파수는 60Hz, 180Hz, 300Hz, 420Hz, 540Hz, 1KHz, 3KHz, 6KHz, 10KHz, 16KHz 일 수 있다.
본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합의 형태로 구현될(implemented) 수 있다. 상술한 본 개시의 구체적인 실시 예들에서, 개시에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 본 개시가 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (4)

  1. 진동 분석 대상 설비에 장착될 수 있는 진동 분석 장치로서,
    상기 진동 분석 대상 설비에서 발생한 진동을 측정할 수 있는 적어도 하나의 센서를 포함하는 센서부;
    상기 적어도 하나의 센서가 획득한 센싱 데이터를 미리 지정된 복수의 주파수 대역별로 분리할 수 있는 복수의 대역 통과 필터 및 상기 복수의 대역 통과 필터를 통과한 신호를 LED(light emitting diode) 발광시키기 위한 전류로 변환하는 LED 드라이버를 포함하는 회로부; 및
    상기 회로부로부터 신호를 수신하고 수신한 신호에 대응하여 복수의 LED를 발광시키는 디스플레이(display)부; 를 포함하고,
    상기 센서부와 상기 디스플레이부는 공간적으로 분리되어 전기적으로 연결되는,
    진동 분석 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회로부에 전기적으로 연결되어 상기 회로부로부터 수신한 신호를, 상기 진동 분석 대상 설비를 관리하는 관리 시스템으로 전송하는 통신부; 를 더 포함하는,
    진동 분석 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 대역 통과 필터의 중심 주파수 대역을 트리머 콘덴서 및 가변저항으로 조정하기 위한 제어부; 를 더 포함하는,
    진동 분석 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 통신부는,
    미리 지정된 정상 주파수 대역별 기준값에 기반하여,
    상기 통신부로부터 획득한 주파수가 상기 정상 주파수 대역별 기준값을 초과하면,
    이상 신호를 상기 관리 시스템으로 전송하는,
    진동 분석 장치.
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