Simcenter Testing Solutions Overloads : Korean

 과부하 (Overload)는 입력 신호 전압이 변환기(Transducer or Sensor) 혹은 DAS(Data Acquisition System)이 다룰 수 있는 최대 전압 "Range"보다 클 경우 발생합니다.
"Overload"가 발생할 경우 Range limit을 넘어간 부분은 절단(Clip)됩니다. 그림 1에서 신호 0.5V는 잘려서 과부하가 발생하고, 과부하 되면 신호의 진폭과 주파수 내용들이 왜곡됩니다.
 

 그림1. Overload_입력 신호의 진폭은 1 Volt(왼쪽), Range limit은 0.5Volt(오른쪽)

1.1 Data Acquisition System overloads
 

설명 : DAS(Data Acquisition System)의 과부하는 입력 신호의 진폭이 DAS의 Range limit 보다 클 경우 발생하며, 그림 1과 같이 신호가 변형됩니다. DAS의 입력 신호는 변환기(Transducer)에 변환된 신호를 의미합니다.

확인 방법 : 보통 이런 현상이 발생할 경우 SCADAS에서 빨간불이 켜지고 Testlab에서는 Overload Flag가 표시됩니다.

설명 : 변환기(Transducer) 과부하는 물리적 혹은 자연적 입력 신호가 변환기(Transducer or Sensor)의 허용 입력 Range보다 클 경우 나타납니다. Transducer overloads는 입력 신호를 디지털화 하기 전에 그 신호를 절단(Clipping)합니다. 

 

그림 2. Transducer overloads_민감도가 다른 두 센서 비교 (10mV/g와 100mV/g)

 

그리고 변환기(Transducer) 과부하는 데이터 획득 시스템의 범위가 수신 데이터의 범위보다 큰 경우에도 발생합니다. 

그림 2에서는 민감도(Sensitivity)가 다른 2개의 가속도계를 가지고 같은 일시적인 이벤트(Transient event) 신호를 측정하여 두 센서의 출력 값을 비교합니다. 10mV/g센서와 비교하여 100 mV/g 가속도계의 출력 범위는 초과되어 Peak Amplitude이 작습니다. 이는 Time이 0일 때의 100 mV/g 가속도계의 피크 진폭이 10 mV/g보다 작음을 의미합니다.
추가로 가속도계 포화로 인한 과도 이벤트가 발생하고 그 후 느린 감쇠 오프셋(Decaying Offset)이 생성됩니다. 풀어서 설명드리자면 신호의 끝단(Time이 1.7s)에서 두 신호를 비교하면 100 mV/g의 값이 더 높음을 확인하실 수 있습니다.

 

1) Sensitivity가 낮은 가속도계를 사용하시면 됩니다.

예를 들어, 100mV/g 가속도계를 사용하는 대신 10mV/g 가속도계로 변경하면, 같은 양의 진동에 대해서는 더 적은 전압이 발생할 것입니다.

2) 변환기 데이터 시트를 확인하고 변환기가 변환기의 정격 최대 레벨을 찾아야 합니다.

예를 들어 가속도계는 최대 레벨이 500g일 수 있는데, DAS(Data Acquisition System)가 500g을 읽고 있다면 가속도계에 과부하가 걸릴 수 있습니다.

 

확인 방법 : SCADAS 하드웨어나 Testlab 소프트웨어에는 변환기 과부하 시 과부하가 발생했다는 표시가 없습니다.

대역폭 외 과부화(An out-of-band overload)는 지정된 대역폭을 초과하는 주파수 성분이 시스템의 Range limit 보다 높은 진폭일 때 발생합니다. 

그림 3. Out of band overloads_대역폭(Bandwidth) 및 주파수 성분들 비교

 

상기 그림3은 DAS(Data Acquisition System)의 대역폭 및 몇 개의 주파수 성분들은 Frequency domain에서 나타냈습니다. 그 중  에 있는 주파수 성분은 대역폭(Bandwidth)외에 있으며, 주파수 성분의 진폭은 DAS(Data Acquisition System)의 최대 Range limit보다 큽니다. 그림 3에서 보여주는 에 있는 주파수 성분은 Out of band overloads를 야기합니다.

그림 3과 같이 대역폭 외 과부화(An out-of-band overload)는 진단하기 어려울 수 있는데, 그 이유는 대역폭 안에 있는 데이터가 DAS의 Range limit 안에 있지만, DAS는 해당 신호를  에 있는 주파수 성분으로 인해 Overload로 인식하기 때문입니다.

Out of band overloads 해결 방법 : 
 

1) Sensitivity가 낮은 변환기를 사용합니다.

앞에서 설명 드린 것과 같이 덜 민감한 변환기는 출력 전압의 진폭이 상대적으로 감소합니다. 단, 주의 사항으로는 Sensitivity가 낮은 변환기를 사용하면 SNR이 더 낮아집니다.

2) LPF(Low Pass Filter)를 사용합니다.

LPF는 과부하를 유발할 수 있는 고주파 성분을 제거합니다. 단, 외부 필터 또한 과부하가 걸리지 않도록 주의하십시오. 외부 필터는 데이터 획득 시스템보다 더 큰 범위를 필요로 합니다.
 

이번 Chapter에서는 Overload의 영향을 그림 4를 통해 확인하려 합니다.
Range가 1Volt인 신호(Transient signal)를 측정 경우 Input range를 다르게 하여 두 값을 Time domain과 Frequency Domain에서 비교합니다.
 

그림 4. What Does an Overload Do?_a) Time domain에서 두 신호 비교, b) Frequency domain에서 Input range가 다른 두 신호 비교_Input range 10V(Green), Input voltage 0.16V(Red)

상기 그림 4는 같은 입력 신호를 서로 다른 Input range로 측정한 값을 비교합니다. 그림에서 녹색은 Input ranage가 10V, 빨간색은 Input range가 0.016V인 경우 입니다.
a) Time domain에서 Red line은 Green line과 같은 입력 신호임에도 Input Range가 달라 Overload가 발생하였고, 그 결과로 Range limit 이상 진폭 값들이 절단(Clipping)됨을 확인 할 수 있습니다.
그리고 b) Frequency domain을 통해 Green line 비교하여 Red line이 저주파 대역에서는 진폭이 낮아졌고, 고주파 대역에서는 진폭이 높아짐을 확인 할 수 있습니다. 이로써 Overload는 측정한 전체 대역폭에 걸쳐 영향을 끼침을 확인 할 수 있습니다. 그 영향으로는 신호를 증폭 시키거나 낮출 수도 있고, 추가적인 Noise를 생성할 수 있습니다.

신호가 과부하 될 경우 스펙트럼 성분(Spectral Content)들이 많이 유입되는데, 그 이유는 무엇일까요?

우선 Time domain에서, 신호가 과부하(Overload)되면 일정 진폭 이후로 신호가 절단(Clipping)되는데, 이는 Sine파가 Square wave로 변형됨을 의미합니다.

Square wave의 푸리에 급수는 파동의 진동수의 모든 홀수 고조파 성분(Odd harmonic)으로 구성되어 무한대로 계속됩니다. 입력 신호를 절단(Clipping)하여 다양한 주기와 진동수에서 사각파(Square wave)가 만들어지기 때문에, 사각파의 기본적인 홀수 고조파 성분(Odd harmonic)들이 많은 진동수에서 만들어 집니다. 또한 이러한 기본적인 홀수 고조파 성분(Harmonic)들은 많은 스펙트럼 성분(Spectral Content)을 만드는 전체 진동수 범위에 걸쳐 수행됩니다. 그리고 이러한 고조파 성분들은 왜곡을 야기하는데, 이를 고조파 왜곡(Harmonic Distortion)이라고 합니다.
 

 

그림 5. Spectral Content and Overloads_a) 사각파 1개의 스펙트럼, b)서로 다른 주파수인 사각파가 3개일 경우,  c) 서로 다른 주파수인 사각파가 4개일 경우 스펙트럼

 

상기 그림 5를 통해 단 서로 다른 주파수인 사각파 3개 혹은 4개만으로도 고조파 왜곡(Harmonic distortion)이 스펙트럼에 크게 영향을 끼침을 확인 할 수 있습니다.

주의 사항으로 과부하(Overload)가 범위를 벗어났더라도 전체 주파수 범위에서 고조파 왜곡이 발생합니다. 과부하는 대역을 벗어났더라도 데이터에 영향을 미칩니다.

Testlab에서는 데이터 취득 중에 과부하 상태를 확인 또는 피하는 몇 가지 방법이 있습니다.

4.1 Range 설정 탭 (Ranging setting tap)

 

Simcenter 테스트랩 채널 설정 워크북의 "Range" 열 아래에서 채널의 동적 범위를 설정할 수 있습니다.

 

 

그림 6. Range_Channel setup에 있는 Range Column

 

상기 그림 6과 같이 Simcenter 테스트랩 채널 설정 워크북의 "범위" 열 아래에서 채널의 동적 범위를 설정할 수 있습니다. 모듈의 Spec.마다 다르지만 SCM-V8-E 기준으로 Range를 최대 값은 10V입니다.

 

 

더 많은 정보는 다음 KBA를 참조하시기 바랍니다. : Gain, Range, and Quantization : Korean

 

 

Simcenter Testlab의 Acquisition Setup tab에는 DAS의 Overload 여부를 나타내는 레벨 바가 있습니다.
흰색 막대는 범위가 너무 크다는 것을 나타내며, 녹색 막대는 범위가 적절하게 설정되었음을 나타냅니다.
주황색은 신호가 상한/오버헤드 영역 내에 있음을 나타내고, 빨간색 막대는 범위가 너무 낮게 설정되어 있고 Overload 상태임을 나타냅니다. 하기 그림 7을 참고하세요.
 

 

그림 7. Auto-Ranging_Range 적합 여부 표시 Level bar

 

Auto-ranging 을 설정하기 위해선, 하기 그림 8과 같이 Start ranging, Hold level 그리고 Set ranging 을 클릭해야 합니다.
 

 

그림 8. Auto-Ranging_The Autoranging sequence

 

Auto-ranging 기능은 Range를 적절한 레벨로 맞춰 과부하의 리스크를 최소화합니다.

그림 8의 버튼 중 More...를 클릭하면, 하기 그림 9와 같이 Range checking 창이 열리고, 여기서 추가적인 옵션들을 선택할 수 있습니다.
 

그림 9. Auto-Ranging_추가 옵션 선택 창

Ranging checking 창에서는 Ranging에 사용되는 Overhead의 dB 레벨을 설정할 수 있습니다.

Overhead는 안전을 위한 "Headroom"이며, 과부하(Overload)를 야기할 수 있는 Data Spike로부터 보호할 수 있는 범위의 추가 공간입니다. 일반적인 Overhead 설정은 6dB(또는 입력 범위의 50%)이고, 필요에 맞게 이 숫자를 늘리거나 줄일 수 있습니다.

또한 "Use full range when auto-ranging" 체크 박스를 활성화하는 것이 좋습니다. 활성화된 경우 auto-ranging 절차가 시작되기 전에 Range는 전체 범위로 설정됩니다.

 Measure workbook에 있는 입력 신호를 모니터링 할 수 있습니다. 순서로는 우선 하기 그림 10에서와 같이
Measure workbook에서 display를 생성합니다. 그 후 Data Explorer 클릭하면 활성화된 Data Explorer 창을 확인 하실 수 있습니다.
마지막으로 해당 창에서 입력 신호(Spectrum point 1_그림 10기준)를 Measure workbook로 "drag and drop"하시면 됩니다.
 

그림 10. Monitoring_Measure workbook에서 입력 신호 monitor 하는 방법 설명

데이터가 예상대로 되는지 확인하기 위해 들어오는 데이터를 모니터링하는 것이 중요합니다. 이를 통해 어떤 유형의 과부하가 발생하는지 감지하는 것이 더 쉬워질 것입니다.

Measure workbook에서 run을 멈추면, “accept or reject run” 메세지 박스가 나타납니다(안 나타날 경우 해당 메세지 설정이 종료되어 있습니다). 만약 과부하(Overload)가 나타날 경우, 메세지 박스에서 하기 그림 11과 같이 Overload에 대한 경고 메세지가 포함됩니다.
 

그림 11. Overload Logging_ 과부하 경고 메세지 포함한 “Accept or reject run” 메세지 창

반면 과부하(Overload)가 아닐 경우, 하기 그림 12와 같이 정상 메세지 박스가 나타납니다.
 

그림 12. Overload Logging_“Accept or reject run” 메세지 창

오버로드 보고서에 대한 자세한 내용을 보려면 Navigator workbook의 "Run" 폴더를 찾아보십시오.
하기 그림 13과 같이 Navigater이 workbook에서 "Run 1"에는 "OfflineOverloadLogging"과 "OnlineOverloadLogging" 두 개의 보고서가 나열됩니다.
보고서의 내용을 보려면 보고서를 마우스 오른쪽 단추로 클릭하고 "View"를 클릭하십시오.
 

그림 13. Overload Report_Navigator에서 Overloadlog 확인하는 방법

그러면 하기 그림 14와 같이 "File view" 창이 열립니다(왼쪽 참고). 해당 창 안에 있는 .txt 파일을 두 번 클릭하면 상세한 Overload 보고서가 열립니다(오른쪽 Notepad 파일).
 

그림 14. Overload Report _ "File view" 창과 Overload 보고서 사진

보고서에는 과부하가 걸린 채널과 어느 시점에 있는지 시간도 포함되어 있습니다.