KR920004497Y1 - 압전소자를 이용한 다축형 진동감지기 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제 1 도는 본 고안의 다축진동담지기의 사시도.
제 2 도는 본 고안의 다축진동감지기의 분해사시도.
제 3 도는 종래의 1축형감지기에서의 압전소자의 분극방향예시도.
제 4 도는 본 고안 다축형감지기에서의 압전소자의 분극방향예시도.
제 5 도는 제 4 도의 1번예로 구성된 고안진동감지기에 X, Y, Z각 방향의 진동이 가해진경우 각 압전소자의 응력텐서와 전하와 압전계수의 관계도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1-4 : 압전소자 5 : 관성추
6 : 중심기둥 7 : 고정축보울트
8 : 절연튜브 9, 10 : 전극판
11 : 너트 12 : 베이스
13 : 콘넥터 16 : 전선
17 : 전선구멍
본 고안은 설비진단 시스템의 기초데이터를 제공해주기 위하여 설비의 진동부위에 설치되는 압전소자를 이용한 다축형 진동 감지기에 관한 것이다.
대형 회전기등이 상시가동하고 있는 제철소등 대규모공장은 대형 설비의 이상유무를 판단하고, 설비의 교체 시기등을 예지하는 설비 진단시스템(Condition Mornitoring System : CMS)을 도입하고 있다. 이는 설비의 진동이 심한 여러부분에 진동감지기를 부착하고, 이 진동감지기로부터 나오는 진동검출신호를 중앙의 컴퓨터에 송신하여, 진동감지기각각으로부터의 진동상황을 감시하게하여, 이상 진동발생시경보와 이상발생과정을 표시하게 한다.
또한 최근에는 인공지능을 이용한 설비진단 전문가예지시스템이 개발되어 진동검출신호를 기초데이타로하여, 과거의 현장자료를 고려하여 설비의 이상여부를 사전에 예지하기도 한다.
현재 사용되고 있는 진동감지기는 여러가지 원리를 이용하고 있는데, 그중 소형이면서 저가인 압전형진동감지기가 널리쓰이고 있다.
압전형 진동감지기에는 압전소자가 내장되어 있는데, 이 압전소자는 기계적응력을 받으면 전하가 발생하는 성질을 지니고 있다.
따라서 진동하는 물체로부터의 진동을 관성추(mass)를 이용하여 힘으로 바꾸어 그힘을 압전소자에 가해줌으로써 전하를 발생시키는 압전형 진동감지기가 개발되었다. 개발된 여러가지 모델중 제 1 도와 같은 외형의 진동감지기가 널리쓰이고 있다. 도면에서 1, 2, 3, 4는 압전소자이며 이들압전소자의 분극방향의 구성예를 제 3 도에서 도시하고 있다.
여기에서 분극방향이란 상기압전소자에 2-5Kv/㎜ 정도의 직류고전압을 가해준방향이다. 압전소자에 직류고전압을 인가해주는 이유는 다음과 같다.
처음원료로부터 합성, 소결을 거친 압전소자는 재료내부의 전기적쌍극자(dipole)가 무질서하기 때문에 이를 부품으로 이용하기위해서는 쌍극자의 방향을 용도에 맞게 한쪽방향으로 바꾸어야 한다.
전기적쌍극자의 방향을 한쪽으로 만들기위해서는 높은 직류전압을 100℃내외에서 2분재지 30분가량 가해준다.
위와같이 분극처리(poling)가 끝난 압전소자는 분극방향을 갖게된다. 쌍극자는 일예로 제 2 도 압전소자(1)의 일면에 표시한 바와 같이 음전하부분에서 양전하부분으로 화살표를 그어 표시한다. 또한 화살표가 도면에서 나오는 방향, 즉 양전하로 대전된 면을 나타낼때는 ◎으로 표시하고, 화살표가 도면에서 들어가는면, 즉 음전하로 대전된면을 나타낼 때는로 표시한다. 진동감지기는 화살표 방향의 진동만을 측정할수 있기 때문에 제 3 도와 같이 모든 분극방향이 중심기둥(6)과 평행하게 구성된 압전소자가 내장된 진동감지기는 화살표방향의 진동, 즉 한쪽방향의 진동만을 감지할 수 있다.
그러나 실제 설비의 진동은 감지기가 설치되는면에 수직인방향으로만 발생하는 것이 아니라 3차원적으로 발생한다.
따라서 종래의 압전형진동감지기는 가장진동이심한 방향과 축을 일치시켜서 설치해야했으며, 이렇게 설치된 감지기는 그축과 동일한 방향의 진동만을 감지할 수 있을뿐, 다른방향의 진동을 측정할수 없는 결점이 있었다.
본 고안은 일축방향의 진동만이 아니라, 어떤방향의 진동도 검출해 낼 수 있는 압전소자를 이용한 다축형 진동감지기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이하 첨부한 도면을 참고로하여 본 고안의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
제 2 도에서 도시하고 있는 바와같이 중심기둥(6)에 절연튜브(8)와 고정축보울트(7)를 삽입하고 제 4 도의 구성예와 같이 공간직교좌표상 서로 수직으로 분극처리시킨후 양면에 전도막을 도포한 복수의 압전소자(1, 2, 3, 4)와 두개의 전극판(9, 10)을 관성추(5)와 함께 끼워넣은 다음 너트(11)로 양쪽을 조여 고정한다. 이때 전극판(9)의 일면은 압전소자(1)와 압전소자(2)의 사이에 그의 다른면은 압전소자(3)와 압전소자(4)의 사이에 설치하고, 음극전극판(10)의 일면은 관성추(5)와 압전소자(1)의 사이에 그의 다른면은 중심기둥(6)과 압전소자(3)의 사이에 설치한다. 상기전극판(9, 10)들의 두면은 각각 전극판면들의 상부에서 서로연결되며 양극전극판(9)의 상부의 연결부위에는 전선(16)을 납땜하여 부착시킨다음 베이스(12)에 뚫린 전선구멍(17)으로 넣어 콘텍터(13)로 빼낸다. 상기 콘넥터의 내부 핀(15)은 양전하가 흘러나오는 단자가되고, 외부(14)는 접지로 구성된다. 또, 상기 복수의 압전소자는 공간직교좌표(XYZ)상에서 서로수직방향으로 분극처리된 3개이상의 압전소자(1-4)로 구성된다.
이와같이 된 본 고안의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.
제 4 도의 구성예 1과 같이 구성된 제 2 도의 다축형 진동감지소자는 X방향의 진동이 베이스(12)에 가해질경우 압전소자(2)에 압축응력 O33이 걸린다. 이 응력텐서를 약식처리하면
이므로 O33는 T2가 된다.
이 T2의 응력이 압전소자(2)에 가해지면, 전도막이 도포된 3면에서는 P3=d33T3의 관계에 의하여 단위면적당 P3만큼의 전하가 발생한다.
여기서 d33는 압전계수로써 통상 압전형 진동감지기에 내장되는 압전소자인 PZT 소자 PbO, ZrO2, TiO2의 합성 물질의 경우에 다음과 같은 결정구소-압전계수의 관계가 있다.
즉, d15,d33,d31을 제외한 압전계수는 "0"이된다. 위와같은 방법으로 제 4 도의 구성예(1)로 구성된 다축형 진동감지기에 X, Y, Z 각방향의 진동이 인가될경우, 상기 PZT압전소자결정구조의 응력텐서 약식표기관계에 의거, 각압전소자(1-4)에 걸리는 응력텐서(Tj)전하발생(Pi) 및 압전계수(dij)는 제 5 도와 같이 정리된다. 여기에서 Tj의 응력인가시 dij값이 "0"이 아닌경우 i-면에서 단위면적당 Pi만큼의 전하가 발생하는 것을 의미한다. 한편, 본 고안의 압전소자(1-4)의 배열은 제 4 도에 그 구성예를 나타낸것 이외에도 전극판(9)과 전극판(10)의 위치를 바꾸거나, 압전소자(1)의 압전소자(2)의 어느하나를 진동이 큰방향에 맞추어 바꾸어 설치할 수 있다. 즉 X-방향의 진동이 심한경우, 다시 설치할필요없이 압전소자(1)를 빼고 분극방향이 압전소자(2)의 마주보는 방향인 다른 압전소자를 끼워넣으면, X방향의 진동을 더욱 정확히 검출할 수 있게된다.
또한 온도변화가 심한위치에 설치되는 경우, 분극방향과, 전도막 도포면이 같은 압전소자(2)의 경우 온도변화에 따른 신호가 진동검출신호와 뒤섞일 위험이 있으므로 압전소자(2)를 빼고 그 자리에 압전소자(3)와 반대 방향으로 분극처리된 다른 압전소자를 넣으면 된다.
따라서 용도에 맞추어 압전소자의 구성을 다양하게 바꾸기편리하도록 뚜껑 18을 끼울때 나사식으로 조이는 방법을 사용할 수 있으며 이때 수분등의 침투를 방지하기위하여 오링등을 이용하면 좋다.
또, 관성추(5)의 고정을 나사식이 아니라 조임등으로 행하면, 감지기의 구조를 단순하게 할 수 있으며, 너트(11)가 풀어지는 위험을 방지할 수 있다. 절연튜브(8)는 전기절연성이 있으며, 다소 신축성이 있는 고무류나 플라스틱, 비닐등을 사용하면 조립시 간편하다.
전극판(9, 10)은 전도도가 높은 구리등의 유리하다.
관성추(5)는 비중이클수록 감지기의 크기를 작게만들수 있으므로 텅스텐-니켈합금등이 유리하다.
감자기의 중심기둥(6)이나 고정축(7), 너트(11), 베이스(12)등은 가격이 저렴하고 전기전도가 가능한 재질인 스테인레스가 유리하다.
압전소자(1-4)의 모양을 정사각판형으로 형성하면 압전소자(1, 3, 4)의 배치를 서로 바꾸고 싶을 때 너트(11)를 약간 푼 상태에서 회전시킴으로써 가능하게 된다.
또한, 압전소자의 분극면과 전하발생면이 일치하지 않는 압전소자(1, 3, 4)는 분극처리후 그면에 입혀진 전도막을 벗겨내고, 전극판(9, 10)과 닿는면에 상온용 은전극 도포나 무전해 니켈도금을 행하여 전도막을 형성시켜 줄수 있다.
이상에서 설명한 바와같은 본 고안의 다축형 진동감지기에는 공간직교 좌표(X, Y, Z)상에서 어떤방향의 진동이 가해지더라도 전하를 발생시킬 수 있으며, 임의의 방향의 진동이 가해질경우, X, Y, Z각성분의 백터합 만큼 전하량이 발생하므로, 진동상태를 3차원으로 감시할수 있는 효과가 있다.
또한, 효과적인 진동심호검출을 위하여 진동방향과 감지기의 중심기둥(6) 방향을 의도적으로 일치시킬필요없이 설치가 용이한 방향으로 설치해놓으면, 어떤방향의 진동이라도 검출이 가능하다. 또한 평소진동이 발생하지 않는 방향에서 이상진동이 발생할 경우에도 진동신호검출이 가능하며 설비의 비상사태예방에 효과적이다.
이렇게 본 고안의 진동감지기로부터 나온신호를 주파수 대역에 따라 분석하면 각주파수 마다의 진동발생정도를 알수 있는데, 다축형 진동감지기는 축방향의 진동뿐만 아니라 모든방향의 진동이 주파수 대역에 따라 검출되기 때문에 설비 이상진동의 주파수특성을 3차원적으로 감지할 수 있으므로, 더욱 정확한 정보를 설비진단 전문가 예지시스템의 기초데이터로 입력할 수 있기 때문에 예지능력을 현저히 향상시킬 수 있게된다.
Claims (1)
- 중심기둥(6)에 절연튜브(8)와 고정축보울트(7)가 삽입설치되고, 상기 고정축보울트(7)의 양쪽에서 전도막이 형성된 복수의 판형 압전소자(1, 2)(3, 4)와 관성추(5)가 삽입되어 너트(11)로 고정되고, 상기 압전소자(1)와 관성추(5) 사이 및 중심기둥(6)과 압전소자(3) 사이에는 음극전극판(10)이, 상기 압전소자(1)와 압전소자(2) 사이 및 압전소자(3)와 압전소자(4) 사이에는 양극전극판(9)이 설치되고, 상기 양극전극판(9)에 납땜된 전선(16)을 전선구멍(17)을 통하여 콘넥터(13)에 연결되는 진동 감지기에 있어서, 상기복수의 압전소자는 공간직교좌표상에서 서로 수직방향으로 분극처리 되어 구성되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 다축형진동감지기.
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1989
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