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진동 측정

회전체의 진동 감시 및 기기보호를 위한 진동감시설비의 구성요소와 진동센서별 장·단점에 대하여 설명하시오

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http://www.mkckorea.com/catalog/kawatetsu/page/data.htm

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변위 센서는 진동의 변위를 측정하는 장치입니다. 그러나 변위 센서의 사용에는 몇 가지 주의 사항이 있습니다.

변위 센서는 진동의 변위를 정확하게 측정할 수 있지만, 그것은 센서가 진동의 주파수에 따라 다르게 반응하기 때문입니다1. 이를 “추종성” 문제라고 합니다.

추종성 문제는 변위 센서가 진동의 주파수에 따라 센서의 출력이 달라지는 현상을 말합니다1. 예를 들어, 저주파 진동을 측정할 때 변위 센서는 진동의 변위를 정확하게 측정할 수 있지만, 고주파 진동을 측정할 때는 센서의 출력이 실제 진동의 변위와 다를 수 있습니다1.

따라서 변위 센서를 사용할 때는 측정하려는 진동의 주파수를 고려해야 합니다1. 또한, 변위 센서의 출력을 해석할 때는 센서의 추종성을 고려해야 합니다1. 이러한 이유로, 가속도 센서가 넓은 주파수 범위의 진동 측정에 더 자주 사용됩니다2.

속도 센서는 진동의 속도를 측정하는 장치입니다. 이 센서는 진동하는 대상체에 고정되어야 하는데, 그 이유는 다음과 같습니다

  1. 정확한 측정: 속도 센서는 진동하는 대상체의 움직임을 정확하게 측정하기 위해 대상체에 고정되어야 합니다. 센서가 고정되지 않으면, 센서 자체의 움직임이 측정 결과에 영향을 줄 수 있습니다1.
  2. 진동의 추종성: 속도 센서는 진동의 주파수에 따라 다르게 반응합니다. 이를 “추종성”이라고 합니다. 센서가 고정되어 있지 않으면, 센서의 추종성이 측정 결과에 영향을 줄 수 있습니다1.
  3. 외부 요인의 영향 최소화: 센서가 고정되어 있지 않으면, 외부 요인(예: 바람, 충격 등)이 센서에 영향을 줄 수 있습니다. 이러한 외부 요인은 측정 결과의 정확성을 해칠 수 있습니다1.

따라서 속도 센서는 진동 측정 시 고정점이 필요합니다. 그러나 고정 방법은 다양하며, 강력 본드를 사용하여 센서를 고정하거나, 특정 조건을 만족하거나 진동을 측정하는 대상체에 손상이 가지 않기 위해서는 자석이나 bee-wax 등으로 고정하기도 합니다2.

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https://blog.naver.com/its-21/221578458681

진동 센서의 종류와 진폭 단위와의 관련성 (변위, 속도, 가속도) 진동측정과 평가 v2p : 네이버 블로그 (naver.com)

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진동 측정

Displacement · Velocity · Acceleration · Vibration Monitoring · Vibration Sensor

1. 변위 · 속도 · 가속도와 주파수

이미지에서는 진동 주파수에 따라 변위 D, 속도 V, 가속도 A의 관계가 달라지는 것을 나타낸다.

D = V / ω
A = ωV

속도 V를 일정하게 두면

주파수 ↑ → 변위 D ↓
주파수 ↑ → 가속도 A ↑ 
      진폭
       ↑

      D
       \
        \
         \
          \
           ●────────────────── V = 일정
          /
         /
        /
       /
      A
       +--------------------------------→ 주파수

        저주파                  고주파
저주파 진동에서는 변위가 크게 나타나고, 고주파 진동에서는 가속도가 크게 나타난다. 속도는 그 중간 영역의 진동 평가에 사용된다.

2. 이미지의 기준 속도

그래프에는 일정한 진동속도의 예로 다음 값이 표시되어 있다.

V = 1.0 mm/s

이 조건에서 변위와 가속도 곡선은 주파수에 따라 서로 반대 방향으로 변한다.

D = V/ω
A = ωV

3. 주파수에 따른 센서 특성

필기 그림에서는 변위센서, 속도센서, 가속도센서의 사용영역을 주파수와 연결하여 나타낸다. 

      측정값
        ↑
        │\
        │ \
        │  \       변위
        │   \
        │    \____
        │         ───────── 속도
        │              ____
        │             /
        │            /       가속도
        │           /
        └────────────────────────────→ 주파수

             저주파        고주파
변위센서 → 저주파 영역
속도센서 → 중간 주파수 영역
가속도센서 → 고주파 영역

4. 160 Hz에서의 필기 계산

필기에서는 160 Hz에서 변위와 가속도의 기준값을 이용하여 속도와의 관계를 계산한다.

t = 1 / 160 [s]

변위가 1 μm인 경우의 필기식은

1 μm = Vd × 1/160
Vd = 160 μm/s

가속도가 1 m/s²인 경우의 필기식은

1 m/s² = Va / (1/160)
Va = 6.25 mm/s
위 계산은 이미지의 필기 표현을 그대로 옮긴 것이다. 그래프의 D = V/ω, A = ωV 관계와는 ω = 2πf 적용 여부가 다르게 보이므로 별도 검증이 필요한 부분이다.

5. 1 Hz에서의 필기 계산

필기에서는 앞에서 구한 값을 이용하여 1 Hz의 경우를 다음과 같이 기록한다.

D at 1 Hz = Vd × 1 [s]
= 160 μm

가속도도 시간과 속도 관계를 이용하여 계산하는 형태로 기록되어 있다.

6. 10 kHz에서의 필기 계산

고주파 영역에서는 같은 속도 기준에서 변위가 매우 작아지는 관계를 나타낸다.

D at 10 kHz = Vd × 1/(10×10³)
= 16 nm

반대로 가속도는 주파수가 증가할수록 크게 나타나는 방향으로 필기되어 있다.

주파수가 높아질수록 변위는 작아지고, 가속도는 커지는 특성을 이용하여 적합한 진동센서를 선택한다.

7. 진동 감시설비 구성요소

필기에서는 회전체의 진동 감시 및 기기 보호를 위한 진동 감시설비를 다음 요소로 구성한다. 

      [ 측정부 / Sensor ]
              │
              │ 진동 측정
              ▼
      [ 통신 Unit ]
              │
              │ 측정 Data 전송
              ▼
      [ 감시 System ]
              │
              ├── 저장
              ├── 추이 확인
              ├── 상태 감시
              └── 고장 예측

8. 측정부

측정부의 Sensor는 측정하려는 진동량에 따라 구분한다.

  1. 변위 센서
  2. 속도 센서
  3. 가속도 센서
진동 → 변위 / 속도 / 가속도 측정

9. 통신 Unit

통신 Unit은 현장에서 측정된 데이터를 Main CPU 또는 감시 시스템으로 전달한다.

Sensor Data → Communication Unit → Main CPU

필기에서는 데이터가 이동하는 구간을 통신 네트워크로 표현한다.

10. 감시 System

감시 시스템은 측정된 진동 데이터를 저장하고 추이를 확인한다.

측정 Data → 저장 → Trend 분석 → 상태 판단

필기에는 다음 기능이 함께 기록되어 있다.

  1. 측정된 진동의 저장
  2. 진동 추이 확인
  3. 신호처리
  4. 고장 예측
  5. 이상 진동 판단

11. 변위센서

필기 비교표에서는 변위센서를 저주파 영역의 진동 측정에 사용하는 것으로 정리한다.

측정 변위
주요 적용 저주파 진동
특성 비접촉식
필기에서는 변위센서의 대표적인 특성을 비접촉식으로 기록한다.

12. 속도센서

속도센서는 진동체에 부착하여 진동속도를 측정하는 방식으로 기록되어 있다.

측정 속도
설치 측정 대상에 고정
특성 접촉식

13. 가속도센서

가속도센서는 비교적 높은 주파수의 진동 측정에 사용하는 것으로 필기에 정리되어 있다.

측정 가속도
주요 적용 고주파 진동
설치 측정 대상에 부착
특성 접촉식

14. 센서 비교표

항목 변위센서 속도센서 가속도센서
측정량 변위 속도 가속도
주파수 특성 저주파 중간 영역 고주파
설치 특성 비접촉식 측정 대상에 고정 측정 대상에 고정
필기 분류 비접촉식 접촉식 접촉식

15. 센서 선택과 측정 목적

      저주파                                      고주파
        │                                           │
        ▼                                           ▼

      변위센서  ─────────  속도센서  ─────────  가속도센서

      D = V/ω                                  A = ωV
측정하려는 진동의 주파수 영역에 따라 변위 · 속도 · 가속도 센서를 선택한다.

16. 이미지 핵심 관계

항목 이미지 내용
변위 D = V/ω
가속도 A = ωV
속도 기준 V = 1.0 mm/s
저주파 변위 측정에 유리
중간 영역 속도 측정
고주파 가속도 측정에 유리
감시설비 Sensor → Communication Unit → Monitoring System
Vibration Measurement, Displacement Sensor, Velocity Sensor, Acceleration Sensor, Accelerometer, Vibration Monitoring System, Displacement, Velocity, Acceleration, Frequency, Rotating Machinery, Condition Monitoring
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