[헬로티]

4차 산업이나 공장자동화에서 압축공기는 늘 필요로 하고 있으며 더욱 요구가 늘어나고 있다. 그런데 압축공기의 누설을 발견하기란 쉽지 않다. 특히 공장이 시끄러운 곳에서는 누설을 측정하거나 관리하기가 어렵다. 플루크 ii900은 들리는 소리를 볼 수 있어 압축공기의 누설을 두 눈으로 확인할 수 있다. 따라서 누설을 제거함으로써 비용 절감, 안전, 품질, 이 3가지를 동시에 해결할 수 있다. 지난 6월 10일에 진행된 플루크 웨비나에서 김귀희 부장이 ‘Fluke ii900 산업용 음향카메라’에 대해 소개한 내용을 정리했다.

그림 1. 산업용 음향카메라 ‘Fluke ii900’

들리는 소리는 본다

우리 주변에는 들리는 많은 소리가 있다. 소리를 들음으로써 이상함을 느끼기도 하는데, 예를 들어 자동차의 경우 끽끽거리거나 둥둥거리는 소리가 들리면 어딘가에 문제가 발생했을 가능성이 높다. 만약 우리가 이 소리 나는 위치를 알 수만 있다면 문제를 해결할 수 있는 확률을 높일 수 있을 것이다. 일반적으로 우리가 들을 수 있는 소리는 20kHz 이하의 가청 주파수인데, 이 소리를 듣는 게 아니라 봄으로써 우리는 들리는 문제를 직접 보고 확인하여 처리할 수 있다.

또한, 우리 주위에는 귀에 들리지는 않지만 소리를 내는 많은 문제들이 있다. 압축공기, 즉 가스와 같은 압이 걸린 배관에서 유출이나 모터의 베어링 같이 고속으로 회전하는 설비의 마모, 고전압 설비의 접속이나 절연 상태에 따른 방전 등 이런 결함들은 우리 귀에 들리지 않는 소리를 방출한다. 들을 수 없는 소리를 볼 수 있다면 현장에서 많은 문제들을 쉽게 찾을 수 있다. 플루크 ii900(그림 1)은 20kHz 이상의 초음파도 볼 수 있게 하는 장비이다. 바로 SoundSight 기술을 탑재함으로써 가능해졌다. SoundSight 기술은 디지털카메라가 촬영한 이미지에 다수의 음향센서로 측정된 소리를 높이는 기술이다.

어떻게 동작하는가

소리는 무언가 진동할 때 생성된다. 진동은 세기에 따라 크기가 달라지고 진동의 빠르기에 따라 우리의 귀에 들리기도 하고 들리지 않기도 한다. 그런데 이 소리를 음향카메라에 설치된 마이크로폰이 감지하면 SoundMap을 통해 소리와 초음파 영역을 실화상 화면과 혼합하여 시각화함으로써 정확하게 발생 위치를 볼 수 있다.

예를 들어, 그림 2처럼 a에서 i까지 라벨링 된 9개의 마이크로폰이 있다고 가정하자. 소음원은 공기라는 매개를 통해서 좌우 사방으로 이동하여 마이크로폰에 전달될 것이다. 만약 이 소음원이 g라고 표시된 마이크로폰과 가장 가까운 곳에 위치해 있다면 g 센서에 가장 먼저 도달하고 d, a, h, ... 순서대로 마이크로폰에 소리가 감지될 것이다. 그러면 그 소음원의 위치는 g라고 판단할 수 있다.

그림 2. 사운드 파가 9개의 마이크에 도달하는 시간에 따라 소리의 위치를 표시

이처럼 플루크 ii900 음향카메라는 64개의 MEMS 마이크로폰을 장착하여 소리의 위치를 정확하게 표시할 수 있다. 이것이 바로 플루크의 SoundSight, SoundMap 기술이다.

실제적인 고려사항

소리는 다음과 같은 문제점과 특징을 가지고 있다. 노이즈(소음), 반사, 회절(소음의 방향)이다.

첫째, 노이즈이다. 소리는 진동할 때 생성됨으로 사운드파 신호라고 할 수 있다. 따라서 크기에 따라 다양한 진폭을 가지며 많은 다른 주파수로 구성되어 있다. 압축공기 누기도 여러 주파수의 조합이며, 모든 누설들이 같은 주파수를 가지지는 않을 것이다. 또한, 다양한 노이즈 신호도 주변에 산재해 있을 것이다.

문제는 모든 주파수 대역을 측정한다면 보고자 하는 소리가 주변의 노이즈에 가려져 결함을 발견하지 못할 수도 있다는 점이다. 하지만 염려하지 않아도 된다. 각각 결함에도 그만의 특색이 있기 때문이다. 노이즈가 많은 공장에는 많은 낮은 주파수 사운드가 존재한다. 그런데 누설의 특색은 바로 들을 수 없는 초음파 신호, 그중에서 30~40kHz 대의 신호를 상당히 포함하고 있다. ii900은 30~40kHz의 범위에 집중함으로써 주변의 노이즈에 영향 없이 손쉽게 측정할 수 있다.

둘째, 반사이다. 음향 신호는 반사되는 특성을 가지고 있다. 이 특성은 측정자를 매우 혼란스럽게 한다. 기존 청각을 이용한 측정 장비들은 이 반사에 매우 취약했다. 하지만 음향카메라로 반사를 구분하는 것은 어려운 일이 아니다. 그림 3을 보면, c와 같은 바닥이 아닌 a처럼 배관 같은 곳에서 누설이 나올 수 있을 것이다. 그럴 때 카메라를 움직여 그 신호가 움직이는지 확인한다. 신호가 움직이게 되면 이것은 반사이다. a처럼 누설을 발견하고 b처럼 찾아서 의심을 해봤지만, 결과는 소음원의 위치가 c처럼 배관에 가려져 숨어있었다. 이처럼 음향카메라를 이용하면 누설을 쉽게 발견할 수 있다.

그림 3. 반사의 사례

셋째, 회절이다. 소음은 장애물이 있을 때 타고 넘어오는 특성이 있다. 이것을 회절이라고 한다. 그렇기 때문에 소음원의 위치를 확인하기 위해서는 카메라를 움직여야 한다. 카메라를 이동함으로써 정확한 소음원을 추적할 수 있다. 음파는 가려질 경우 위치를 정확하게 파악하는 데 어려움이 있다. 하지만 회절의 특성을 이용하면 가려진 결함을 찾는 데 효과적이다. 스팀 배관의 예이다. 스팀배관이 케이싱 되어 있고, 음향카메라로 비춰봤을 때 틈새에서 음향 신호가 발견되었다면, 이는 내부에 매우 심하게 스팀이 새고 있는 것임을 알 수 있다.

플루크 ii900 vs. 전통적인 초음파 진단 장비

그렇다면 기존 작업 방식과 차이점은 무엇일까. 기존에는 누설 탐지가 어려워서 관리를 하지 않았거나, 일부 관리해온 사업장에서는 거품을 온 배관에 묻혀서 누설을 확인했다. 또한, 기존 초음파 진단 장비(UE Systems, SDT, SONOTEC, CTRL)를 이용해 전체 범위의 스캐닝과 누설 지점을 정확히 표시하기 위해서는 원거리와 근거리 센서를 혼용해야 했으며, 우선 예상되는 누설 지점을 탐지한 뒤 누설원을 확인하는 절차가 필요했다. 마지막으로 많이 했던 작업 방식은 청각식 초음파 진단 장비를 이용한 방식이었다. 이 방식은 헤드셋을 끼고 안테나 같은 측정 장비를 이용했다. 측정자가 누설을 듣기 위해서는 숙련된 청력이 필요했으며, 주변 소음에도 취약했다. 누설 위치 또한 직접 태깅하여 표시해야 했다. 때문에 하나하나의 세심한 점검이 필요했다.

그림 4 Fluke ii900은 전원 버튼, 5.7인치 디스플레이, 저장 버튼, 이 3가지로 작동된다. 

배터리 또한 2개 기본 제공으로 충전 없이 하루 작업이 가능하다.

반면, 플루크 ii900 산업용 음향카메라를 이용하면 별도의 장비 트레이닝이 불필요하고 스캐닝도 5~10배 빠르다. 또한, 직관적인 인터페이스의 사운드 주파수로 필터링하기 때문에 주변 노이즈를 손쉽게 제거할 수 있다. 그리고 SoundSight, SoundMap을 통해 화면에서 누설 위치를 정확하게 지시할 수 있으며 동시에 여러 곳의 누설을 한 화면에 표시도 가능하다. 이 외에도 효과적인 보고서를 위해 사진과 비디오 기록 및 공유가 가능하다. 실제로 비교 테스트한 결과, 기존 진단 장비로 20분 동안 1개의 누설을 발견했다면 플루크 ii900은 5분 동안 2개의 누설을 발견했다. 이처럼 ii900은 쉬운 측정 방식이기 때문에 시간을 절약할 수 있다.

또한, 비용 절감도 매우 효과적이다. 자동차를 제조하는 A업체의 경우, 자체 연구결과 지난해 공기 누설로 약 8,000만원의 손실을 보았다. 어느 기계제조업체의 유지보수 관리자는 공기 누설을 보상하기 위해 97kW 컴프레샤를 24시간 가동했는데, 1년에 약 1억 원이 소비됐다고 말했다. 또 식음료업체의 유지보수 관리자는 누설 검사를 위해 외부 전문가에게 1주일에 800만 원을 지불했고 지난 검사에서 약 70개 이상의 누설을 찾았다고 했다.

누설로 인한 압축공기의 압력이 부족하면 그에 따른 생산량이 저하되고 품질도 떨어질 수 있다. 또한, 추가로 누설을 진단하기 위해 인건비, 외주 용역비 등 다양한 비용이 발생할 수 있다. ii900으로 누설 위치를 찾아 절감하게 되면 이 비용을 절약할 수 있다.

마지막으로 ii900은 LeakQ라는 누설량을 예측하는 기능이 있다. 누설의 세기에 따른 음향의 세기를 측정하여 최대한 누설값과 유사한 값을 추정하는 것으로, 다양한 변수값을 보정하므로써 더욱 정확한 예측값을 제공한다.

그 외에도 누설 보고서로 관리할 수 있다. ii900은 누설 위치를 기록하고 수리 결과를 수지화할 수 있기 때문에 보고서로 작성할 수 있다. 누설 보고서에는 각각의 누설 위치, 누설량, 누설 비용 등이 포함된다.

플루크 ii900의 특장점

플루크 ii900의 기본 사양은 10m 거리에서 7bar 압력이 걸려 있을 때 2.5㎤/s 누기를 탐지할 수 있다. 또한, 7인치의 넓은 LCD 터치스크린 디스플레이로 누설 위치를 확인할 수 있고 SoundMap으로 이미지와 비디오를 저장할 수 있다. 그 외 압력이나 누설량에 따라 최대 50m까지 측정이 가능하다.

표 1. Fluke ii900의 특장점

특장점은 다음과 같다. 누설을 시각화해 화면에 표시할 수 있고 거의 교육이 필요 없어 처음 사용자도 수분 안에 누기 확인이 가능하다. 또한, 사진으로 누설을 보고할 수 있기 때문에 누설수리 담당 팀에게 정확한 데이터를 전달할 수 있다. 무엇보다 초음파 범위를 측정할 수 있어 시끄러운 환경에서 조차 누기 탐지가 가능하며, 사운드 기반이기 때문에 주위 환경이 측정에 영향을 주지 않는다. 뿐만 아니라 진공누설을 포함하여 여러 타입의 컴프레샤 가스의 누설도 탐지할 수 있다.

적용 분야로는 압축공기·스팀·진공·가스와 같은 기체 누설, 공기나 가스를 이용한 리크테스트, 기계적 소음 및 결함, 전기 결함 등의 측정에 사용된다. 특히, 고압의 전기설비는 접속부의 접속 불량이나 절연체의 상태에 따라 부분 방전이 발생할 수 있다. 지금까지 이 결함은 위치 파악이 힘든 접촉식 피지 측정이나 자외선 방식을 사용해 왔다. 하지만 방전 결함은 자외선 열이나 전류 외에 음파와 초음파가 함께 발생한다. 따라서 음파와 초음파를 측정할 수 있는 플루크 ii900으로 전기설비의 결함 위치를 정확하게 파악할 수 있다.

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[Q&A로 본 Fluke ii900]

“보이지 않는 누설도 다 본다”

Q. 플루크 ii900만의 차별화된 포인트는.

A . 기존에는 청각적인 초음파 진단 장비들이 많았다. 이 방식은 숙련된 청력이 필요했으며, 주변 소음에도 취약했다. 그러나 플루크 ii900 음향카메라는 초음파 범위를 측정할 수 있어 시끄러운 환경에서 조차 누기 탐지가 가능하며, 사운드 기반이기 때문에 주위 환경이 측정에 영향을 주지 않는다. 또한, SoundSight 기술을 탑재함으로써 20kHz 이상의 초음파도 볼 수 있다.

Q. 측정하는 데 어느 정도 소음까지 가능한지.

A. 현장에는 들을 수 있는 소음과 들을 수 없는 소음이 있다. 우리가 시끄럽다고 느끼는 거는 들을 수 있는 소음이다. ii900의 주파수 필터를 제대로 사용하면 주변의 소음을 제거하고 원하는 결함 신호만 볼 수 있다.

Q. 초음파 음향카메라 진단 장비를 선택해야 할 때 고려할 점들이 있다면.

A. 플루크 ii900은 산업용 음향카메라이다. 대부분 현장에 계신 분들은 작업장에서 오랜 시간 근무한다. 때문에 장비를 사용하려면 하루 12시간 이상을 작업할 수 있는 배터리 용량이 필요하다. 그리고 현장에는 반사도 있고 시끄러운 환경도 있다. 그것을 구분할 수 있는 게 바로 주파수 필터이다. 따라서 내가 원하는 신호만 정확하게 볼 수 있는 주파수 필터는 필수이다. 마지막으로 작업자에게 가장 필요로 하는 게 보고서이다. ii900을 이용하면 에너지 절감도 가능하고 안전도 확보할 수 있다. 하지만 데이터화할 수 없다면 큰 효과를 거둘 수 없다. 플루크의 LeakQ라는 누설량 예측 기능을 사용하면 누설량을 예측해서 리포트할 수 있고 그에 따른 비용도 눈으로 확인할 수 있다.

Q. ii900이 출시된 후, 적용 사례로 본 효과는.

A. 지난해 출시된 이후 100대 이상 판매됐다. 대기업들이 상당수 포함되어 있고 큰 석유화학 업체들도 ii900을 사용하고 있다. A업체의 경우 이 장비를 이용함으로써 점검시간을 10분의 1로 단축시켰고 누설을 보수함으로써 전기세도 감축했다. 물어보니 1년에 약 3천만 원 비용절감 효과가 있었다고 했다.

Q. 왜 플루크 ii900을 사용해야 하는지 정리한다면.

A . 많은 고객들이 플루크 장비를 사용할 텐데, 플루크는 현장에 맞는 제품을 개발해서 공급하고 있다. 그렇기 때문에 현장에 맞는 산업용 음향카메라를 새로 출시하게 됐다. 현장의 느낌을 알고 뭐가 필요한지 그 내용을 ii900에 담았기 때문에 믿고 사용해도 된다. 플루크는 50년 동안 현장용 계측기를 취급해왔으며, 이후에도 그에 걸맞는 장비를 계속 공급해나갈 것이다.