진동 감시용 위치 결정 센서의 위상오차에 대한 실험적 고찰과 비교 평가

The Experimental Study and Comparison on Usage of Vibration Monitoring Sensors for Positioning of Balancing on Rotating Machinery

Abstract

Field balancing is required in any kind of phase information for the determination location balancing mass toward a rotor unbalance mass. Phase or phase angle is a measurement of the relationship of how one vibration signal which relates to another vibration signal and is commonly used to calculate the placement of balance weight. In this paper, A right guideline shows the photo optical speed sensor as the external KeyPhasor is a very useful when diagnosing machinery vibration problems on considering a phase lag comparing to the laser optical speed sensor. Some experimental results generate the interesting phase errors when appling to a wrong conditions. So, Usage of photo optical speed sensor which is used primarily to measure the shaft rotating speed serves as a reference for measuring vibration phase information has effect on the placement of phase angle how it was misunderstood. This paper will help a right method to search for the position of balancing weight and serves as baseline for further measurements using low cost and much easier user convenience. It is concluded that the propose baseline is likely to be applicable to apply to the practical field balancing weight.

기 호 설 명

ψBW 중량부착 위상각도 ψUB 불평형 질량 위상각도 ψHS High spot위상각도 ψHU 불평형 질량의 high spot위상각도 KΦ KeyPhasor ψPHL 계측기 위상지연에 의한 각도 ψPA 1X절대 위상각도 ψM KeyPhasor와 진동 pickup간의 각도 Ω 회전속도 δ 위상이동 re 회전체의 중심이동거리(m) ru 축 중심으로부터 떨어져 있는 불평형 질량까지의 거리(m)

 

1. 서 론

발전설비에 대한 진동감시와 진동수준에 대한 중요성이 높아짐에 따라 최근 들어 발전소에서는 진동상태 감시를 위해 speed sensor의 사용이 보편화 되고 있다. 이런 용도로 photo optical speed sensor는 고가의 laser optical speed sensor에 비해 비용이 저렴하고 사용자가 취급하기가 용이하기 때문에 발전 설비 회전체의 속도 및 진동상태감시용도로 현장에서 보다 광범위하게 활용될 수 있다. 하지만, photo optical speed sensor의 측정원리와 정확한 사용조건을 고려하지 않고 사용할 경우에는 회전체의 불평형 질량에 의한 진동문제가 생겼을 때, 1X성분에 의한 영향도를 최소화 할 수 있는 현장 balancing을 수행할 때 필요한 위상정보를 잘못 파악하여 적용할 수 있다. 이런 이유로 이 논문에서는 photo optical speed sensor와 laser optical speed sensor의 위상오차를 상호 비교하여 외부 KeyPhasor용으로 사용할 수 있도록 각 센서의 올바른 동작조건을 제시하였다. 또한, KeyPhasor기능 중에 shaft precession의 방향을 확인하기 위해서 수행하는 회전체 불평형 질량의 위치검출과 관련된 위상오차 문제를 최소화하고자 하였다. Fig. 1은 회전체의 진동상태 감시 때 사용되는 KeyPhasor의 신호검출을 위한 방법을 나타낸다(1). 검출된 진동신호를 통해 X방향과 Y방향의 위상정보를 확인한다. 확인된 위상정보와 진동측정용 센서와 KeyPhasor에서의 회전 신호 관계를 파악하여 진동상태를 확인할 수 있다.

Fig. 1KeyPhasor signal and vibration signal

 

2. Sensor 시험장치

2.1 Balancing을 위한 KeyPhasor 이론

진동상태 감시를 위해 고정부에 부착되어 KeyPhasor 용으로 사용되는 proximity probe sensor의 기능은 회전수 측정, 주파수 측정, haft precession의 방향확인 및 위상각을 통해 기계의 오기능을 확인할 수 있다. 진동 상태를 확인하기 위해 위상분석은 진동의 trend파악, 축 손상감지, rubbing현상, 축의 불균형 질량 파악, 구조물과 축과의 공진감지, 축의 모드파악, 불안정한 유체 가진의 위치 파악을 위해 활용된다(2). 회전체 1X 고진동 발생 시 진동을 저감하기 위해 실시하는 교정방법으로 널리 사용되는 weight balancing은 불평형 질량의 위상을 파악한 후 벡터 선도를 이용한다. 이 때, 필요한 불평형 질량의 크 기는 다음과 같이 정리할 수 있다(2,3).

여기서,

U : 불평형 질량의 크기 M : 회전체 질량 m : 불평형 질량

여기서, F : 회전력벡터

식 (2)에서처럼 밸런싱을 적용하기 위해서는 불평형 질량에 대한 정확한 위상정보가 요구된다(4). 밸런싱 계산 방법을 고려하면, 진동계측기를 이용한 진동진폭과 위상각을 측정하여 high spot위치를 계산하고, 기기별 특성에 따른 로터의 밸런싱 감도와 위상지연에 대한 특성각도를 이용하여 밸런싱 중량과 부착각도를 벡터 선도상에 표시하여 교정을 수행한다(5~7).

여기서, ψPHL은 위상지연은 ‘0’

: 비접촉식 센서 및 KeyPhasor Pulse 적용 시 PΦ=2.7(기기에 따라 변화되는 보정수 값)

2.2 광학센서 위상정밀도 시험

Table 1은 시험에 사용되는 laser optical speed sensor의 사양을 나타낸다. 고가의 laser optical speed sensor의 경우 정밀도에 따라 가격이 책정되며, 사용목적에 맞게 비용을 고려해서 선정하여야 한다. 일반적으로 발전소 회전설비의 상태진단에 사용되는 sensor의 경우, 온라인 현장진단을 목적으로 선정한다. Table 2는 photo optical speed sensor의 사양을 나타내며, 검출형태에 따라 투과형, 미러 반사형, 직접 반사형으로 구분된다.

Table 1※ Application : ideal for phase & speed monitoring balancing on rotating machinery

Table 2Selected specifications for photo optical speed sensor(8)

Table 2는 직접 반사형 중에서도 확산 반사형으로 광원이 렌즈를 통과 후 확산된 빛이 검출물체에 반사되어 수광되며, 수광량의 증감으로 물체의 유·무를 판별하는 원리를 이용하는 타입으로 검출하고자하는 물체의 크기, 색상, 재질에 따라 반사광량과 검출거리가 바뀌는 특성을 가지고 있다. 이런 이유로, 실제 현장에서 진동측정 중에 발생한 위상오차에 대한 검증이 필요하여 laboratory용 시험 장치를 활용해서 발생의 원인을 검토하였다. 시험에 사용된 센서의 경우, 측정하고자 하는 물체의 검출위치에 따라 감도볼륨을 이용하여 감도 위치를 조절할 수 있다. Fig. 2는 현장 진동상태 감시를 위해 선정한 센서의 치수와 구조를 나타내며, 주변 환경에 맞도록 감도조정 기능을 포함하고 있다. 감도볼륨을 조절해가며 위상값의 변화결과를 확인하였다. 특히, 선택된 photo optical speed sensor의 경우에는 검출영역에 대한 오차를 확인하기 위하여 빛의 밝기, 감도, 전압 변화를 달리 적용하였다. Table 3은 위상 오차변화를 확인하기 위한 시험조건으로 외란에 의한 변화를 배제하고 현장 측정환경을 고려하여 7가지 조건을 선정하였다.

Fig. 2Structure of the selected photo optical speed sensor(8)

Table 3Test conditions for each sensor

Fig. 3은 센서 오차를 확인하기 위한 시험 장치로 밸런싱 측정과 교정을 위해 기 구비된 장비를 나타낸다. 시험장치의 구성은 구동용 모터와 모터의 속도를 제어할 수 있는 제어기, 유연커플링, 밸런싱 디스크, photo optical speed sensor, laser optical speed sensor, KeyPhasor, 진동 측정 분석 장비인 ADRE 408(미, GE), 신호처리용 PC로 구성 되어있다.

Fig. 3Test rig for measuring sensor phase errors

 

3. Sensor 시험결과

Table 3은 측정조건을 나타내며, 주어진 조건에 따라 시험을 수행하였다. 그 위상각 결과를 Table 4와 같이 정리하였다. 측정된 진동 값은 Type A가 Type B보다 약 0.02 μm(P-P)~0.05 μm(P-P)차이로 거의 동일하게 나타났다.

Table 4※ A (vibration value ㎛: 1X P-P)∡phase angle(˚)

시험결과에서 나타나는 것처럼 photo optical speed sensor는 사용 환경에 따라 laser optical speed sensor에 비해 위상오차가 크게 변화함을 확인할 수 있었다. 7가지 조건에 대한 결과에서 나타나는 것처럼 적절한 전압범위, 고속조건, 감도의 조정을 고려했을 때 위상오차를 줄일 수 있는 조건을 도출할 수 있음을 확인하였다. Table 5는 측정조건에 대한 시험결과를 주요 영향인자를 확인할 수 있도록 한 가중치별 분류표이다. Fig. 4는 Table 5에서 가중치에 의해 핵심영향인자를 평가하기 위한 영역별 위치를 나타내는 분석결과를 나타낸다. 전압에 대한 영향도는 각 센서가 권장하는 전압 범위 내에서 이용할 경우에는 위상 값을 검출할 수 있지만, 전류 값을 반대로 인가할 경우, 위상 값을 검출할 수가 없거나 검출신호가 반대로 확인되었다. 속도변동률에 의한 영향은 고속조건에서 위상오차가 더 크게 발생하였다. 또한, photo optical speed sensor의 회전속도 검출결과가 Type B와 Type C에 비해 보다 큰 속도 변동률을 확인하였다. 샘플링 수는 위상오차에 대한 영향도가 없었으며, 감지거리와 감도 조절의 경우에는 위상을 검출 할 수 있는 영역에 범위 내에 있거나 없는지 센서의 동작 상태를 확인할 수 있었다.

Table 5※ Applied weight value : strong=5, normal=3, weak=1

Fig. 4Positioning results for impact factor on phase error test of each sensor

Fig. 5는 검출된 센서 신호결과를 나타낸다. Type A와 Type B는 Type C에 비해 앞선 위상임을 확인할 수 있다. Type A와 B는 Fig. 3과 같이 외부에서 측정했을 때의 결과이며, Type C는 시험 장치에 고정된 비접촉 proximity probe를 통해 검출된 신호결과를 나타낸다. Fig. 6은 각 센서의 동기신호 결과를 나타낸다. Laser optical speed sensor의 진폭시간 변화 결과는 8.728 ms 간격으로 517.5 ms 주기로 발생한다. Photo optical speed sensor의 신호는 46.56 ms 등시간 변화 간격으로 517.5 ms주기로 발생한다. 마지막으로 KeyPhasor는 5.781 ms의 위상지연을 가지고 52.188 ms의 진폭 시간 변화 간격으로 517.5 ms의 주기로 발생하는 것을 확인하였다.

Fig. 5Comparison of measurement results at each sensor signal

Fig. 6Comparison of measurement results for each sensor pulse signal

Fig. 7은 Fig. 6의 시험결과에서 Type C의 전압을 반대로 인가하였을 때의 위상결과를 나타낸다.

Fig. 7Comparison of measurement results for each sensor pulse signal(KeyPhasor voltage = negative phase-sequence)

Fig. 6과 비교했을 때 KeyPhasor dot의 위치가 센서 타입에 따라 변화된 위상결과를 확인할 수 있다. 회전축계에 고정된 KeyPhasor용 proximity probe의 위상을 기준으로 하였을 때, 회전속도와 위상측정용으로 사용하는 각 센서의 위상정보는 저속에서 보다 고속 운전조건에서 위상오차가 보다 크게 발생함을 이 연구를 통해 확인할 수 있다. 또한, Fig. 8에서처럼 센서 유형에 따라 위상정보를 잘못 판정할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 종합적인 결과를 정리한 Table 4를 검토하였을 때, 센서의 위상오차를 최소화(9)할 수 있는 조건들을 도출 할 수 있다. 회전하지 않는 고정부에 부착된 KeyPhasor의 위상은 현장 Balancing을 수행할 때 가장 정확한 위상정보로 이용할 수 있다(2). 만약, KeyPhasor용 센서가 부착되어 있는 않은 경우에는 외부센서를 이용해 보다 정확한 위상정보를 확인해야 한다. 회전체 발전설비가 구축되어 있는 현장에서 photo optical speed sensor를 이용 시에 laser optical speed sensor에 비해 위상오차가 10~15% 높게 발생함을 확인하였으며, 실제 KeyPhasor 위상결과와 비교했을 경우에는 18~23%의 위상오차가 발생하였다. Table 4에서 확인되는 것처럼 고속(3600 rpm) 기준으로 베어링 지지부에 설치된 KeyPhasor의 위상정보인 46˚와 비교하였을 때, laser optical speed sensor의 값은 26˚, photo optical speed sensor는 344˚로 16˚ 더 차이가 나타났다.

Fig. 8Comparison of relation for the position of phase at each sensor

 

4. 결 론

이 논문에서는 KeyPhasor용 센서에 의한 위상정보를 확인할 수 없을 경우, 가격적으로 가장 저렴한 photo optical speed sensor를 이용하여 위상오차를 최소화 할 수 있는 시험결과를 다음과 같이 얻었다.

(1) 비교시험을 통해 고속(3600 rpm)에서 위상오차가 저속(115rpm)에서 보다 크다는 사실을 확인하였다. 이 결과를 바탕으로, photo optical speed sensor는 실제 현장 밸런싱을 수행하는 운전속도인 저속일 때 위상정보는 유용하나 고속의 경우에는 다소 높은 위상오차로 인하여 위상정보의 이용이 어려울 것으로 판단된다. (2) 센서의 입력전압 연결을 역상으로 인가 시에 위상값은 상하 대칭의 위상변화가 발생하였다. (3) 감지거리에 대한 신호 확인 및 감도조절부의 위치를 최대위치로 조절했을 때 위상오차가 낮게 나타났다. (4) Photo optical speed sensor를 이용한 위상 pick-up 시에는 감도의 위치가 Min위치, 빛의 양은 낮게, 회전속도는 저속조건에서 전압변화는 넓게 조정했을 때 위상 오차를 낮출 수 있다는 것을 확인하였다. (5) Photo optical speed sensor의 경우에 속도 변동률에 대한 변화폭이 가장 크게 나타났다.