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◈ MEMS(Micro Electronics Mechanical Systems) 센서

MEMS 센서는 반도체 타입 센서로서 가장 최신에 개발되어 다음과 같은 특징을 갖고 있고 모든 산업 분야에 걸쳐 사용되고 있습니다. 

• 기계적인 구조의 센서에 비해 정밀도 및 신뢰성이 매우 우수하다.
• 교정이 필요하지 않다.
• 별도의 신호 컨디셔닝 장치가 필요 없이 단지 낮은 전원 전압 공급만 하면 된다.
• 하나의 센서에 여러 개의 센서를 조립하여 사용할 수 있다.
• 센서의 탈 부착이 매우 쉽다.

그림 1.  MEMS 정정용량식(Capacitive) 가속도 센서 구조

그림 2. MEMS 압저항식(Piexo-resistive) 가속도 센서 구조

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◈ 가속도 센서 (인터페이스)

가속도 센서는 설비 표면에 부착하여 케이블을 통하여 기계적인 진동 신호가 전기적인 신호로 변환되며, 진동 신호를 처리하여 각종 신호 분석 기능을 갖고 있는 진동 분석기에 연결되어 설비 결함에 대한 분석 및 진단을 할 수 있도록 구성된다. 여기서 가장 중요한 부분은 설비에서 발생하는 기계적 진동을 손실 없이 감지하기 위하여 가속도 센서를 설비 표면에 가장 최적의 상태로 밀착 시켜 부착해야 하며, 신호가 전달되고 있는 케이블의 취급에 조심하여야 한다는 것이다.

◈ 가속도 센서 활용

설비 관리 분야에서 가속도 센서를 널리 사용하는 이유는 가속도 센서를 사용하여 우리가 원하는 모든 종류의 단위로 쉽게 변환하여 신호를 볼 수가 있다는 것이다. 위의 그림에서 설명하고 있는 것은 사용하는 진동 신호 단위에 따라 설비 결함을 보는 영역이 완전히 다르다는 것을 보여 주는 것이다. 즉, 사용하는 단위에 따라 설비 결함의 어느 부분을 집중적으로 분석하고 판단할 것인가가 정해지는 것이다.

• 변위 (Displacement) : 가시화, 응력 - 움직임의 1사이클 동안, 센서(베어링)가 앞뒤로 움직이는 전체 거리를 측정한다.
  - 설비의 회전수가 낮은 영역과 관련된 결함을 발견하는 데 사용한다.
• 속도 (Velocity) : 마찰(거리), 피로 - 한 사이클을 수행하는 동안 센서로부터 최고 속도를 측정한다.
  - 설비의 회전수가 전반적인 영역에 걸쳐 관련된 결함들을 발견하는 데 사용한다.
• 가속도 (Acceleration) : 작용 반작용, 힘 - 전후 움직임의 원인이 되는 힘을 측정한다.
  - 설비의 회전수가 높은 영역과 관련된 결함을 발견하는 데 사용한다.

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◈ 가속도 진동 센서 (Accelerometer)

포괄적으로 표현하여 진동 센서라고 하며 설비 결함을 발견하기 위하여 사용하는 목적으로 사용되면서 일반적으로 가속도 센서 (Accelerometer)라고 부르고 있다.

◈ 가속도 센서의 장점과 단점

[장점] 

• 진동 신호를 측정 할 수 있는 측정 범위가 넓다 : 5Hz ~ 20KHz
• 크기가 소형이며 아주 가볍고 견고하여 현장에 적용하여 사용하기가 매우 편리하다
• 센서로부터 감지한 신호를 일차적으로 처리하여 주는 신호 컨디셔닝 장치가 단순하다.
• 설비의 진동 신호를 측정하기 위하여 설비에 부착하는 방법이 다양하고 쉽다.
• 가속도 센서의 신호를 미적분 하여 변위, 속도 등의 값을 얻을 수 있다.

[단점]

• 센서와 별도로 단순하지만 외부 신호 컨디셔닝 장치가 필요하다.
• 아주 낮은 범위의 진동 신호 측정에는 적합하지 않다. (DC ~10Hz 영역)

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▶ 진동 센서

위의 그림과 같이 설비 결함을 발견하는데 진동이 많은 부분을 차지하는 것을 확인할 수 있습니다, 이 때문에 설비 관리를 하는 데 있어 가장 기본적으로 진동 장비를 갖추고 시작을 하게 됩니다.

이처럼 기본적으로 진동 장비를 갖추고 시작하기 때문에 우리는 많은 센서 중에서도 진동 센서를 가장 많이 사용하게 됩니다, 우리는 보다 정확한 진동 센서에 대한 이해를 통해 설비 관리를 보다 효과적으로 수행할 필요가 있습니다. 

다음 내용에서는 진동 센서의 종류와 활용 방법에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

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이상이 있는 설비의 대상으로 설비 진단을 한다고 가정했을 때, 우리는 아래와 같은 순서에 의해 설비 진단을 수행하게 됩니다.



위와 같이 설비의 기계적 진동을 가장 먼저 감지하게 되는 것은 진동 센서입니다. 만약 잘못된 신호가 감지되면 설비에 대한 결함,분석 및 진단 당이 전부 잘못 진행되는 오류가 발생하게 됩니다. 때문에 설비를 정확하게 진단 및 관리하기 위해서는 센서에 대한 정확하게 이해하고 현장에 적용할 수 있어야 합니다.

센서의 종류

현시대에 센서의 종류는 수없이 많고 새로운 센서들도 끊임없이 쏟아져 나오고 있습니다. 이로 인해 앞으로 우리는 설비의 특정 문제를 파악하기를 원한다면 그에 맞는 센서를 접하게 될 수 있을 것입니다. 해당 글에서 많은 내용의 센서의 정보를 담고 싶지만 그렇게 되면 내용이 너무 방대하여 우리는 설비 관리에 가장 많이 사용되고 있는 진동 센서를 기준으로 그 종류를 알아보고 센서에 대한 기초와 응용분야를 알아보도록 하겠습니다.

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※ 진동 측정이란 무엇인가?

진동 측정은 오늘날 빠르게 발전하는 산업 사물 인터넷 중심의 유지 관리 및 신뢰성 분야에서 핵심 도구입니다. 조직에 가장 적합한 도구를 선택하려면 주어진 진동 센서 또는 산업용 진동 측정 장치가 하드웨어 및 자산 관리 소프트웨어를 포함하여 현재 및 미래의 시스템과 상호 작용하는지 확인하는 것이 중요합니다.

산업 사물 인터넷(IIoT)은 사람, 시스템 및 기계 간의 인터페이스를 강화합니다. 이를 통해 유지보수 팀은 기계 수명을 연장하고 전반적인 효율성을 높일 수 있는 새로운 기회를 얻을 수 있습니다.

예를 들어, 원격 상태 모니터링 도구를 사용하면 신뢰성 전문가가 자산 장애를 예측하고 어디에나 중요한 기계 상태 데이터를 즉시 받을 수 있습니다. 그리고 곧 기계학습(ML)과 인공지능(AI)이 결합된 진동 분석이 수리 권고를 견인할 것입니다. 그러나 이러한 미래를 여느 것은 유지 보수 팀이 올바른 진동 측정 도구를 준비해야 한다는 것을 의미합니다.

※ 어떤 진동 측정 도구를 사용해야 하며 그 이유는 무엇인가?

진동 측정 도구는 기계 진동 문제를 파악하고 해결하는 것과 같은 목적을 가지고 있습니다. 진동을 측정하는 방법을 결정하기 전에 조직이 안정성을 확보하는 과정에서 어떤 위치에 있는지 자세히 살펴보십시오. 현재 유지 관리 관행 및 운영 상태에 만족하십니까? 예측 유지 보수(PdM) 전략 또는 진동 모니터링 프로그램을 구현하기 위한 연결 및 인프라가 있습니까?

리소스 부족, 기술 노하우, 심층적인 지식 및 취약한 조직 지원으로 인해 진행이 중단되고 부적절한 진동 측정 도구 선택이 발생하는 경우가 많습니다. 우리는 포괄적인 원격 상태 모니터링 서비스, 하드웨어 및 소프트웨어를 제공하여 유지 보수팀이 정상적으로 시작하고 순조롭게 진행할 수 있도록 지속적인 확장성을 보장합니다.

다음은 6종류의 진동 측정 도구에 대해 설명드리겠습니다. 이를 통해 유지 보수 팀이 예측 유지 보수(PdM) 또는 원격 상태 모니터링 프로그램을 시작하는 데 도움이 됩니다.

▶ 휴대용 진동계

휴대용 진동계는 반복 가능한 전반적인 진동을 판독해 제공할 수 있는 매우 신뢰할 수 있는 스크리닝 장비가 필요할 때 가장 적합합니다. 심각도는 이해하기 쉽고 간단한 텍스트를 표시하여 베어링 상태와 전반적인 진동을 나타냅니다.

▶ 휴대용 진동 테스터

휴대용 진동 테스터는 경로 기반 데이터를 수집하기에 충분한 리소스를 보유한 유지 보수 조직에 가장 적합한 장비입니다. 이 휴대용 진동 장비는 전문가가 중요한 기계에 안전하고 쉽게 접근할 수 있는 강력한 옵션입니다. 또한 휴대용 진동 테스터와 진동 분석기 모두 진동 데이터를 캡처하고 기계 결함을 진단할 수 있지만 기능은 서로 다릅니다.

▶ 휴대용 진동 분석기

진동 테스터와 마찬가지로 휴대용 진동 분석기는 사용자에게 모터, 팬 및 송풍기를 포함한 기계 상태에 대한 즉각적인 진동 측정 정보를 제공할 수 있습니다. 두 가지 모두 가장 일반적인 네 가지 결함을 식별할 수 있습니다. 또한 고장 위치와 심각도를 알려줄 수도 있습니다. 그러나 진동 테스터와 달리 휴대용 진동 분석기는 거의 모든 유형의 진동 측정 데이터를 수집할 수 있습니다. 이러한 진동 측정 장비는 또한 팀이 기계 불균형을 수정하고 여러 유형의 센서에 연결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 진동 분석기는 정교하기 때문에 자세한 데이터를 분석하기 위해 전문가가 필요합니다.

▶ 무선 스크리닝 진동 센서

*무선 진동 스크리닝 센서는 준위험 기계가 많은 경우에 가장 적합합니다. 스크리닝 진동 센서는 무엇이 문제인지 알려주기보다는 단순히 진동을 측정하고 기계가 올바르게 작동하는지를 여부를 알려줍니다. 센서가 문제를 감지하면 전문가는 기계의 이력에 따라 추가 조사 여부를 결정할 수 있습니다.

*실시간 진동 데이터를 지속적으로 수집하고 진동 측정이 특정 임계 값을 초과하면 알람 알림을 보냅니다. 휴대용 진동 측정 장비로 쉽게 확인할 수 없는 접근하기 어려운 영역에 있는 기계의 진동 모니터링에 매우 유용합니다.

▶ 무선 진동 분석 센서

*무선 진동 분석 센서는 중요한 기계가 많은 경우에 가장 적합합니다. 중요한 자산에 장애가 발생하면 생산이 중단되고 다른 기계에 피해를 줄 수 있습니다. 이 무선 진동 센서는 기계 결함(불균형, 정렬 불량, 베어링 손상, 헐거움)을 신속하게 알려주고 문제의 심각성을 보여주기 때문에 유지 보수 팀이 고장을 예방할 수 있습니다.

*기계 성능을 추적하고 진동 측정을 심층적으로 분석할 수 있는 강력한 피에조 센서를 가지고 있습니다. 이 데이터는 전문가에게 생산에 중요한 기계 문제에 대한 즉각적인 통찰력을 제공합니다. 신속한 결과를 통해 유지 보수 팀이 기계가 고장 나기 전에 충분한 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있습니다.

▶ 유선 진동 모니터링 시스템

*유선 진동 모니터링 시스템은 생산에 중요한 기계의 상태 모니터링에 가장 적합합니다. 예를 들어 터빈 발전기, 제지 기계, 고속 스핀들 및 다중 구동 기계를 모니터링할 수 있습니다. 이러한 고급 진동 측정 장비는 복잡한 기계에 대한 완벽한 진동 분석을 제공합니다.

*대량의 고해상도 진동 측정 데이터를 캡처합니다. 광범위한 기계 결함, 공진, 프로세스 및 구조에 대한 진동 분석이 가능하며 예측 유지 보수가 가능합니다.

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