Przykład bazy wiedzy wspomagającej projektowanie układów diagnozujących i procedur diagnostycznych w zakresie diagnostyki termicznej

(1)

Rozdział 11

Przykład bazy wiedzy wspomagającej projekto

wanie układów diagnozujących i procedur dia

gnostycznych w zakresie diagnostyki termicznej

Marek FIDALI

11.1. W stęp

Diagnostyka term iczna stosowana jest wszędzie tam , gdzie na podstawie sym ptom ów tem peraturo

wych możliwe jest zidentyfikowanie stanu badanego obiektu. Obserwacja wartości tem peratury jest jednym z najstarszych sposobów określania przyczyny występowania nieprawidłowości w funkcjonowa

niu obiektu. Sym ptom , którym je st podwyższona tem peratura, pozwala od wielu wieków diagnozować ludzkie choroby, czy też niesprawności maszyn i urządzeń. Do dzisiaj tem peratura jest kluczowym symptomem diagnostycznym stosowanym w diagnostyce technicznej maszyn i urządzeń. M etody diagnostyki term icznej w zasadzie różnią się od siebie sposobem pomiaru tem peratury, który de

term inuje sposób dalszego postępowania w celu identyfikacji stanu technicznego badanego obiektu.

Istnieje wiele sposobów pomiaru tem peratury i zjawisk cieplnych zachodzących w obiektach tech

nicznych. Ogólnie można je podzielić na m etody kontaktowe i bezkontaktowe. M etody kontaktowe wymagają ingerencji w strukturę obiektu i najczęściej wykorzystują punktow y pomiar tem peratu

ry realizowany przez różnego rodzaju czujniki (term istory, term opary itp .). M etody bezkontaktowe nie wymagają ingerowania w konstrukcję obiektu i umożliwiają zdalny pomiar tem peratury jego po

wierzchni. Bezkontaktowe sposoby pomiaru tem peratury bazują na pomiarach emisji promieniowania podczerwonego i w zależności od stosowanych urządzeń pozwalają dokonywać pomiarów punktowych (pirom etry) oraz jednoczesnych pomiarów w ielopunktowych w wyselekcjonowanym obszarze zainte

resowania na powierzchni obiektu (kamery term ow izyjne). Zaletą stosowania kamer term owizyjnych jest również możliwość wizualizacji rozkładu tem peratury na obserwowanej powierzchni i jego zapisu w postaci obrazu, co pozwala na stosowanie do nich istniejących nowoczesnych rozwiązań w dzie

dzinie cyfrowego przetwarzania, analizy i rozpoznawania obrazów. Szeroko rozumiana diagnostyka term iczna ma bardzo obszerne zastosowanie. Nawet krótkie omówienie wszystkich je j aspektów i metod w ramach niniejszego opracowania nie byłoby możliwe. W opracowaniu skoncentrowano się na term icznych aspektach diagnozowania maszyn i urządzeń bloków energetycznych, z uwypukleniem m etodyki diagnozwania bazującej na pomiarach term owizyjnych.

11.2. Zjawiska cieplne zachodzące w m aszynach

Ciepło je st nieodłącznym zjawiskiem towarzyszącym maszynom i urządzeniom podczas ich działa

nia. U podstaw powstawania energii cieplnej w maszynach i urządzeniach leżą zjawiska powodujące

(2)

rozpraszanie różnych rodzajów energii lub ilościową zmianę energii w układzie przez je j dodanie albo odebranie. Przykładem może być rozproszenie energii w w yniku występowania naturalnych procesów fizycznych takich ja k tarcie, przepływ prądu lub reakcje chemiczne. Istnieją inne przyczyny rozpra

szania energii związane głównie ze sposobem eksploatacji maszyny i powstawaniem niesprawności.

Czynnikami mającymi w p ływ na zakłócenia równowagi cieplnej obiektu mogą być np.:

• kontrolowane zmiany w sterowaniu maszyny dokonane celowo przez operatora,

• niekontrolowane zm iany w sterowaniu maszyny wynikające z uszkodzeń napędu i urządzeń sterujących,

• pojawienie się niesprawności elementów maszyny i zakłócenia w ich wzajemnym współdziałaniu,

• zaburzenia w przepływie mediów roboczych,

• lokalne i globalne zm iany oporu cieplnego elementów i mediów roboczych.

Zjawisku powstawania ciepła zawsze towarzyszy proces cieplnego przepływu energii lub inaczej w ym iany ciepła. W ym iana ciepła może dokonywać się na trz y sposoby, przez:

• przewodzenie,

• konwekcję,

• promieniowanie.

Całkowita ilość ciepła

Q

c przepływająca między obiektem a otoczeniem można zdefiniować jako następującą sumę [11.1]:

Q

c

= Q

p +

Q

k +

Q

r (11.1)

gdzie:

Q

p - ilość ciepła przekazywana przez przewodzenie,

Q

k - ilość ciepła przekazywana przez konwekcję,

Q

r - ilość ciepła przekazywana przez promieniowanie.

11.2.1. Przepływ ciepła przez kondukcję (przewodzenie)

Przewodzenie ciepła zachodzi w ciałach stałych, w cieczach, a także w gazach. Polega na wymianie energii pomiędzy cząstkami obszarów c ia ł(a ) o różnej tem peraturze . W ciałach stałych wymiana ta zachodzi dzięki drgającemu ruchowi atom ów oraz ruchowi swobodnemu elektronów. W arunkiem zaistnienia przepływu są występujące w danym ciele różnice tem peratur. Przepływ ciepła wyłącznie przez przewodzenie odbywa się w ciałach stałych nieprzenikliwych dla promieniowania tem peraturo

wego.

11.2.2. Przepływ ciepła przez konwekcję

Konwekcja (unoszenie ciepła) polega na przekazywaniu energii w w yniku makroskopowego ruchu substancji. Cząsteczki medium są w tym procesie nośnikami energii, toteż kierunek ruchu strum ie

nia cząsteczek je st kierunkiem przekazywania ciepła. W różnych urządzeniach technicznych najważ

niejszym konwekcyjnym ruchem ciepła jest ruch zachodzący pomiędzy poruszającą się substancją a nieruchomą powierzchnią ciała stałego. Taki konwekcyjny ruch ciepła nazywa się konwekcyjnym przejmowaniem (wnikaniem ) ciepła. Rozróżnia się konwekcję swobodną i konwekcję wymuszoną. W przypadku konwekcji swobodnej ruch cząsteczek przenoszących ciepło je st spowodowany tylko ist

niejącymi różnicami tem peratury środowiska i danego ciała stałego (istotne znaczenie ma siła pola grawitacyjnego). W przypadku konwekcji wymuszonej ruch cząsteczek środowiska jest wywołany środkami technicznym i (np.: pompy, wentylatory, dmuchawy).

(3)

11. Przykład bazy wiedzy w zakresie diagnostyki term icznej 133

11.2.3. Przepływ ciepła przez radiację (promieniowanie)

Radiacja (promieniowanie ciepła) polega na przekazywaniu energii pomiędzy ciałam i lub częściami tego samego ciała za pośrednictwem tem peraturowego promieniowania elektromagnetycznego (in- kadescencyjnego). W szystkie ciała, których tem peratura jest wyższa od zera bezwzględnego w skali Kelwina (- 273,150

°

C) em itują promieniowanie cieplne (term iczne). Promieniowanie term iczne może występować przy dowolnych długościach fal zawartych między 0 a to . Ze względu na wymianę ciepła najbardziej istotne jest promieniowanie w zakresie długości fal 0.4 — 1000 [^ m ], czyli obejmujące zakres fal świetlnych (promienia widzialnego) oraz bliskiej i dalekiej podczerwieni (rys. 11.1).

Rys. 11.1: W id m o elektromagnetyczne z zaznaczonym zakresem promieniowania cieplnego [11.4]

Pasmo podczerwieni je st często dzielone na cztery węższe pasma, których granice są również przyjęte umownie. Są to:

• bliska podczerwień 0.78 — 3 [^ m ],

• pośrednia podczerwień 3 — 6 [^ m ],

• daleka podczerwień 6 — 15 [^m ],

• bardzo daleka podczerwień > 15 [^m ].

Źródłem promieniowania energii cieplnej są drgania atom ów w okół stanu równowagi. Prom ienio

wanie term iczne można rozpatrywać ja ko fale elektromagnetyczne lub jako zbiory kwantów energii promieniowania tzw . fotonów.

Fale elektromagnetyczne podlegają określonym prawom fizycznym, do których należą [11.4]:

1. Prawo Plancka, określające zależność między gęstością mocy promieniowania, jego rozkładem widm owym oraz tem peraturą ciała doskonale czarnego.

W Xt

=

C

1 /A 5(eC2

/XT —

1 )-1 (11.2)

gdzie:

A - długość fali [^ m ],

T

- tem peratura bezwzględna [K ],

C 1

- stała 3, 7415 * 10— 16 [W • m 2],

C 2

- stała 14388 [^ m •

K

].

(4)

2. Prawo Stefana-Boltzm anna, określające gęstość mocy promieniowania wysyłanego przez ciało doskonale czarne w zależności od długości fali w danej tem peraturze

/■ A=0

W = W X

t

a \ = a T 4

(11.3)

J

\ =

(X>

gdzie:

a

- stała = 5,670400 * 10~8[ W /m 2K 4].

3. Prawo przesunięć W iena określające długość fali, dla której gęstość m ocy promieniowania

W T

, dla danej tem peratury osiąga wartość maksymalną

\ mT

=

B

(11.4)

gdzie:

B

= 2897,8

\pm • T

].

W ym ienione prawa odnoszą się dla ciała doskonale czarnego. W praktyce większość m ateriałów i powierzchni to

ciała szare,

które częściowo pochłaniają, częściowo odbijają i częściowo przepusz

czają promieniowanie. Właściwości promienne takich c ia ł można scharakteryzować współczynnikiem emisyjności e, którego wartość jest zawsze mniejsza od jedności e < 1 (dla ciała doskonale czarnego

e

= 1) i zależy od parametrów fizyko-chemicznych m ateriału.

11.3. M etody pomiaru tem peratury

Wszelkie procedury i m etody diagnostyki term icznej nierozerwalnie związane są z koniecznością po

miaru tem peratury. Istnieją różnorodne m etody i narzędzia pozwalające mierzyć tem peraturę w spo

sób kontaktow y i bezkontaktowy, w szerokim zakresie i z różną dokładnością. Na rysunku 11.2 przedstawiono klasyfikację przyrządów do pomiaru tem peratury, natom iast rysunek 11.3 przedstawia zakresy pomiarowe wybranych urządzeń.

11.3.1. Stykowe metody pomiaru temperatury

Stykowe m etody pomiaru tem peratury wykorzystują czujniki (te rm o m e try) o różnej konstrukcji. Ich zasada działania w większości przypadków polega na przetworzeniu wielkości nieelektrycznej jaką jest tem peratura na wielkości elektryczne. Pomiaru dokonuje się przez bezpośredni ko n ta kt term om etru z badanym obiektem co wymaga ingerencji w strukturę obiektu w celu zamocowania czujnika w ta ki sposób, aby czujnik osiągał podczas pomiaru tem peraturę obiektu oraz zapew niał małą wartość rezystancji cieplnej styku. Miejsce i sposób zamocowania czujnika na obiekcie ma decydujący w p ływ na dokładność uzyskiwanego pomiaru. Podstawą działania wszystkich czujników je st przepływ cie

pła. Przepływ ciepła związany je st z istnieniem opóźnień pomiarowych w czujnikach wynikających z pojemności cieplnej środowiska i czujnika oraz oporu cieplnego. W ynika z tego, że opóźnienia pomia

rowe są tym większe im większe rozmiary czujnika i mniejsza pojemność cieplna badanego ośrodka.

Konstrukcja czujnika powinna być dostosowana do obiektu w taki sposób, aby zmiany tem peratu

ry obiektu, spowodowane zastosowanym czujnikiem , nie wprowadzały zakłóceń w działaniu obiektu przy jednoczesnym zapewnieniu właściwej inform acji pomiarowej. Czujniki tem peratury działają w torach pomiarowych, składających się często z wielostopniowych przetworników, które mają za zada

nie dopasowanie sygnału wyjściowego czujnika do wymagań obwodu wejściowego współpracującego z czujnikiem przyrządu lub układu pomiarowego. Niejednokrotnie celem przetwarzania sygnałów elek

trycznych czujników je st ich normalizacja np. do standardów stosowanych w systemach pomiarowych.

Zadania wielokrotnego przetwarzania sygnału elektrycznego z czujnika tem peratury mogą być reali

zowane w specjalizowanych przetwornikach scalonych, tworzących pod względem konstrukcyjnym

(5)

Rys. 11.2: Klasyfikacja przyrządów do pomiaru tem peratury (na podstawie [11.8] [11.11])

Rys. 11.3: Zakresy tem peratur mierzone przez różne term om etry [11.11]

jedną całość razem z czujnikiem . Typowy ogólny schemat blokowy układu do pomiaru tem peratury metodami elektrycznym i przestawiono na rysunku 11.4.

Dobór term om etru wykonywany jest zwykle na podstawie jego zakresu zakresu pomiarowego. W

(6)

Rys. 11.4: Ogólny schemat blokowy układu do pomiaru tem peratury m etodami elektrycz

nymi [11.11]

przypadku pomiarów tem peratury prowadzonych na urządzeniach bloków energetycznych powszech

nie stosowane są czujniki term oelektryczne (term opary). Do pomiaru tem peratury łożysk turboze

społu zaleca się stosowanie term opar K, J lub termorezystora Pt100 [11.13]. W praktyce mierzy się tem peraturę panewek dolnych łożysk ślizgowych w jednym lub dwóch punktach na jednej panewce oraz tem peraturę klocków pracujących i nie pracujących łożyska oporowego. Czujniki podłączone są do wzmacniacza pomiarowego skąd sygnał prądowy, w standardzie 4-20mA, proporcjonalny do mierzonej tem peratury przesyłany jest do układów przetwarzania, gdzie wypracowywane są sygnały dwustanowe dla układów zabezpieczeń oraz sygnał dla celów diagnostycznych przekazywany dalej do układów diagnozujących [11.14]. Na rysunku 11.5 zaprezentowano sposób pomiaru różnic tem peratur w grubościennych korpusach turbin lub zaworów za pomocą sond termoparowych. Termopary mierzą

A B

Rys. 11.5: Przykład przygotowania grubościennych korpusów do pomiaru różnic tem pe

ratur za pomocą sond termoparowych [11.14]

tem peraturę metalu dochodzącą do 450° C, a różnica tem peratur na grubości metalu korpusu nie przekracza zwykle 50° C. W tego typu pomiarach pożądana dokładność wynosi około 2%.

Od term om etrów stosowanych w diagnostyce term icznej turbozespołów wymagana jest duża nie

zawodność, gdyż możliwość ich wym iany zachodzi tylko podczas remontów. Do zalet term om etrów stykowych należy stosunkowo prosta konstrukcja, duża niezawodność, niski koszt i stosunkowo pro

sty układ pomiarowy. Wadą term om etrów stykowych jest bezwładność cieplna ograniczająca pomiar zmiennych tem peratur, konieczność dobrego styku z obiektem (mała rezystancja cieplna), m ożli

wość zakłócania pola temperaturowego obiektu, spowodowana przepływem ciepła między obiektem a czujnikiem, ograniczenie pomiarów obiektów o małych wymiarach, ruchomych, trudnodostępnych i działających w agresywnym środowisku.

(7)

11.3.2. Bezstykowe metody pomiaru temperatury

Urządzenia do bezkontaktowych pomiarów tem peratury można podzielić na takie, które mierzą tem peraturę w określonym punkcie lub rejestrują jej rozkład na powierzchni. Działanie urządzeń do bezkontaktowego pomiaru tem peratury opiera się na rejestracji promieniowania podczerwonego emi

towanego przez badane obiekty.

Do bezkontaktowych pomiarów punktowych są stosowane pirom etry oraz specjalne głowice po

miarowe. Urządzenia te zbudowane są z układu optycznego, detektora podczerwieni i m odułu elek

tronicznego przetwarzającego sygnał elektryczny na wartość tem peratury. W ynik pomiaru może być dostępny w postaci cyfrowej na m onitorze pirom etru lub w form ie sygnału, np. w standardzie 4..20 mA. Należy pamiętać, że określenie pomiar punktowy jest umowne i w rzeczywistości wielkość obsza

ru, z którego dociera promieniowanie podczerwone, jest uzależniona od układu optycznego przyrządu i od odległości, z jakiej prowadzony jest pomiar. Na przykład, z odległości 2m prosty pirom etr mierzy średnią tem peraturę z obszaru koła o średnicy ok. 70 mm. Oznacza to, że precyzyjny pomiar tem peratury obiektów o niewielkich rozmiarach z dużych odległości jest niemożliwy, ponieważ pirom etr uśredni tem peraturę obiektu oraz jego tła . W ynik pomiaru może być obarczony dużym błędem.

W przypadku obserwacji rozkładu tem peratury na powierzchni stosowane są urządzenia obrazo- wań term icznych nazywane kamerami term ow izyjnym i lub term ograficznym i. Pojęcia term ografia i term owizja stosowane są wymiennie, aczkolwiek ze względu na zasadę działania współczesnych urzą

dzeń obrazowania w podczerwieni bardziej uzasadnione jest stosowanie pojęcia term owizja \11.6].

Rozróżnia się kamery term owizyjne pomiarowe i obserwacyjne. Urządzenia te w obu przypadkach um ożliwiają wizualizację i rejestrację rozkładu tem peratury w postaci kolorowych term ogram ów, co w przypadku kamer obserwacyjnych jest wystarczające, gdyż w celu wykrycia odstępstw od prawidło

wych warunków term icznych obiektu dokonuje się porównania obrazów term owizyjnych zarejestrowa

nych w różnych chwilach eksploatacji obiektu. W przypadku gdy zachodzi konieczność wykonywania dokładnych pomiarów tem peratury (dokładność pomiaru zależy od wielu czynników), stosowane są kamery pomiarowe. Są one o droższe od kamer obserwacyjnych, gdyż posiadają wbudowane wzorce tem peratury odniesienia potrzebne do autom atycznej kalibracji i bardziej zaawansowane oprogram o

wanie pozwalające na kompensację w pływ u warunków zewnętrznych. Na rysunku 11.6 przedstawiono ogólną budowę kamery term owizyjnej. Do podstawowych podzespołów kamery term owizyjnej zaliczyć należy \11.4]:

1. układ optyczny,

2. układ detekcji (detektor) z lub bez układu chłodzenia,

3. zespół elektroniczny toru wzmocnienia i odczytu sygnału z detektora, 4. elektroniczne zespoły przetwarzania, rejestracji i analizy sygnałów, 5. zespół pamięci wewnętrznej i interfejs komunikacyjny,

6. zespół wizualizacji obrazów (ekran LC D ).

Rys. 11.6: Schemat blokowy kamery term owizyjnej

W kamerach term owizyjnych, w zależności od budowy układu detekcji kamery term owizyjnej, ob

raz term ograficzny może być form owany w różny sposób, co pokazano na rysunku 11.7. Bez względu

(8)

na różnice w układzie detekcji, główna zasada działania kamer term ow izyjnych je st taka sama. Pro

mieniowanie podczerwone, przechodząc przez obiektyw pada na detektor podczerwieni, gdzie gene

rowane są sygnały elektryczne proporcjonalne do mocy padającego promieniowania podczerwonego.

Sygnały elektryczne z detektora przez układy wzmacniające przekazywane są do układów elektro

nicznych gdzie są przetwarzane i analizowane. U kłady elektroniczne bazują na układach m ikropro

cesorowych i specjalizowanych układach scalonych, których celem jest wygenerowanie, wyświetlenie, zmagazynowanie obrazów term ow izyjnych, a także przesłanie ich do urządzeń zewnętrznych.

b)

Rys. 11.7: M etody formowania obrazu term owizyjnego a) z wykorzystaniem pojedynczego detektora, b) z wykorzystaniem linijki detektorów, c) z wykorzystaniem m atrycy detektorów [11.4])

W artości te m peratur na obrazie term ow izyjnym reprezentowane są przez kolory należące do umownie przyjętej palety barw. Rozdzielczość przestrzenna kamer je st wyższa niż pirom etrów. Przy

kładowo, kamera o rozdzielczości 0,6K umożliwia poprawny pomiar tem peratury obiektów o w ym ia

rach 6 x 6 mm z odległości 10 m. W ybór urządzenia zależy od potrzeb, wymaganej dokładności i rodzaju obserwowanych zjawisk. A ktualnie do inspekcji term ow izyjnej i zastosowań ogólnych stosuje się kamery z niechłodzonymi bolom etrycznym i m atrycam i detektorów. Typowe m atryce pozwalają uzyskać obraz o rozdzielczości 320x240 pikseli, występują też kamery o wyższej rozdzielczości m atry

cy, jednak są one znacznie droższe. W przypadku zapotrzebowania na dokładne pomiary lub stabilne obserwacje stosowane są kamery z pojedynczym detektorem . Tego typu urządzenia są łatwiejsze w kalibracji, jednak posiadają ograniczenia w szybkości działania.

(9)

Prawidłowe wykonywanie pomiarów tem peratury metodam i bezkontaktowym i, a w szczególności urządzeniami term ow izyjnym i nie jest zadaniem prostym, ponieważ podczas obserwacji do kamery dociera nie tylko promieniowanie emitowane przez obserwowany obiekt ale składniki promieniowania z otoczenia, które zakłócającą pomiar. Do obiektywu kamery może docierać [11.4]:

1. Promieniowanie obserwowanego obiektu równe

e rW

o

,

gdzie e jest emisyjnością obiektu,

t

jest współczynnikiem przepuszczalności atmosfery.

2. Promieniowanie odbite od obiektu pochodzące ze źródeł w otoczeniu i wynoszące (1 —

e)TW

^t

,

gdzie (1 —

e)

je st refleksyjnością obiektu. Należy pamiętać, że emisyjność otoczenia je st równa jedności. Założenie takie je st poprawne, gdyż dla dłuższego odcinka czasu całe promieniowanie

padające na powierzchnię w otoczeniu zostaje w końcu wchłonięte.

3. Promieniowanie atmosfery, równe (1 —

t ) W

a

,

gdzie (1 —

t

) je st emisyjnością atmosfery.

Całkowita moc promieniowania odbierana przez kamerę jest sumą wszystkich składników promienio

wania i wynosi:

W

^c

= eTW

^o + (1 —

e)TW

^t + (1 — T

)W

^a (11.5) Ponadto na obserwowaną wartość tem peratury maja w p ływ takie czynniki jak:

• atmosfera znajdująca się na drodze pomiaru i tłum iąca promieniowanie. T łum ienie to jest zależne od:

- wilgotności powietrza, - zapylenia.

• rodzaj i stan powierzchni obserwowanego obiektu,

• otaczające źródła promieniowania (grzejniki, piece, samochody, ogniska itp .),

• atmosferyczne źródła ciepła (słońce, chm ury itp .).

Niektóre zakłócenia są ta k małe, że w praktyce są one pomijane. W przypadku większych zakłóceń nie można ich pominąć i należy ich w p ływ uwzględnić poprzez np.:

• zmianę układu pomiarowego, ta k aby uniknąć lub też zmniejszyć w p ływ zakłóceń,

• zmianę kierunku obserwacji,

• ekranowanie silnych źródeł promieniowania,

• przeprowadzenie obserwacji w innym czasie, np. aby uniknąć w pływ u promieniowania słonecz

nego.

Promieniowanie słoneczne wprowadza znaczne błędy pomiarowe, szczególnie jeśli badany obiekt cechuje się małą emisyjnością (np. elementy o powierzchniach chromowanych, polerowane alum i

nium ). W zakresie widm owym pracy kamer krótkofalowych natężenie promieniowania Słońca jest ponad 15 razy większe niż w zakresie długofalow ym . Dlatego też do pomiarów obiektów znajdują

cych się w wolnej przestrzeni używa się częściej kamer długofalowych, zwłaszcza w dniach o silnym nasłonecznieniu. Dla uzyskania dokładnych w yników pomiaru tem peratury kamerą term ow izyjną, nie

zbędne je st skompensowanie w pływ u różnych zakłócających pomiar, źródeł promieniowania. Pełne wyeliminowanie wszystkich zakłócających źródeł promieniowania je st oczywiście niemożliwe. W wie

lu typach kamer term ow izyjnych częściowa kompensacja zakłóceń dokonywana je st autom atycznie przez kamerę, po wprowadzeniu przez użytkownika następujących danych:

• emisyjność obiektu,

• tem peratura otoczenia,

• odległość między obiektem a kamerą,

• względna wilgotność atmosfery.

(10)

Ponadto niektóre kamery term ow izyjne (bądź też programy do analizy term ogram ów ) um ożliwiają kompensację w pływ u na pomiar tem peratury takich czynników jak:

• tem peratura elementów optycznych kamery,

• współczynnika przepuszczania zewnętrznych elementów optycznych,

• tem peratura i transm itancja atmosfery.

Z powyższych rozważań wynika, że zaletami term om etrów bezstykowych są: zdalny pomiar te m peratury obiektu, brak zakłóceń pola tem peraturowego obiektu, w przypadku urządzeń term ow izyj

nych, uzyskanie obrazu tem peraturowego całego obiektu, bądź jego wybranych fragm entów, które mogą być przedstawione w postaci obrazów pseudoprzestrzennych. Na podstawie obrazów możliwe je st uzyskanie profili tem peraturow ych w zdłuż wybranych linii, autom atyczne diagnozowanie przez

porównanie z obrazem wzorcowym, cyfrowe zobrazowanie żądanych parametrów.

Do wad bezstykowych pomiarów tem peratury zalicza się w p ływ wartości współczynnika emisyj- ności obiektu, zapylenia, zawartości pary wodnej oraz gazów w powietrzu znajdującym się między obiektem a przyrządem na jego wskazanie, większy koszt w stosunku do term om etrów stykowych, dotyczy to szczególnie urządzeń term ow izyjnych.

11.3.3. Metodyka pomiarów termowizyjnych

Aby prawidłowo przeprowadzić pomiar za pomocą kamery term ow izyjnej konieczna jest znajomość konstrukcji obiektu oraz zastosowanych m ateriałów i ich param etrów fizykochemicznych. Istotną rolę odgrywają warunki środowiskowe i techniczne obiektu. Prawidłowo dokonany pomiar rozkładu tem peratury opiera się na znajomości współczynnika emisyjności obiektu i tem peratury otoczenia oraz innych czynników środowiskowych, których wartości wprowadzane są do kamery term ow izyjnej przed wykonaniem pomiarów. W arunki techniczne dotyczą przede wszystkim stabilności głównych param etrów pracy obiektu, gdyż wpływa to na rozkład tem peratury powierzchni. Dotyczą również stabilności pracy wszystkich urządzeń towarzyszących, które mogą mieć w p ły w konwekcyjny lub promienisty na obiekt badań [11.4],[11.6]. Aby przystąpić do pomiarów kamerą term ow izyjną należy się najpierw upewnić czy:

• zapewniony je st dostęp optyczny do powierzchni podlegających badaniu pod odpowiednim kątem i z odpowiedniej odległości,

• obiekt musi być odpowiednio obciążony,

• obiekt musi być gotowy do przeprowadzenia badania we właściwym czasie i miejscu,

• niezbędna je st asysta osoby znającej obiekt, jego historię, uwarunkowania techniczne, regula

cyjne i eksploatacyjne.

W ykonywanie badań term ograficznych powinno być zgodne z następującymi zasadami:

• wykonawcą badań powinien być pracownik o odpowiednim przygotowaniu ogólnym, odpowied

nim przeszkoleniu i doświadczeniu oraz wiedzy o obiekcie;

• badanie powinno odbyć się za pomocą sprawnego i skalibrowanego sprzętu;

• obiekt badań powinien być odpowiednio przygotowany i obciążony;

• badania powinny odbywać się wyłącznie w odpowiednich warunkach środowiskowych (tzn. nie powinny być wykonywane podczas ekstremalnych zjawisk meteorologicznych)

• wykonawca badań powinien natychm iast reagować na stwierdzone znaczne anomalia w rozkła

dzie i wartości tem peratury powiadamiając o tym użytkownika obiektu.

Uzyskane w yniki z pomiarów przedstawia się w postaci sprawozdań, które powinny zawierać:

• listę elementów badanych, ich umiejscowienie i stan pracy;

(11)

• wszystkie niezbędne elementy oraz przyczyny (np. niedostępność, zasłonięcie, brak obciążenia itp .)

• term ogram y miejsc potencjalnego zagrożenia (np. ekstremalne tem peratury, nietypowe rozkłady i wartości pól tem peraturow ych itp .)

• wydzieloną listę elementów wadliwych wraz z warunkami ich pracy i klasyfikacją.

Dodatkowo sprawozdanie z badania powinno zawierać :

• inform ację o miejscu badania (miejscowości, obiektu, orientacji względem stron świata);

• czasu badania (data, pora dnia),

• charakterystykę warunków meteorologicznych mogących mieć w p ływ na wartość i rozkład te m peratury,

• opis rodzaju, typu aparatury i wyposażenia dodatkowego,

• charakterystykę miejsc rejestracji term ogram ów,

• dane wykonawcy badań,

• dane o warunkach pracy obiektu, obciążeniu (jeśli warunki pracy obiektu nie były stabilne, wówczas przebieg obciążenia w ostatnim czasie).

W niektórych krajach badania term ow izyjne mogą być wykonywane wyłącznie przez osoby posia

dające odpowiednie certyfikaty wydawane na podstawie standaryzowanych procedur certyfikacyjnych.

Tego typu wymagania wynikają z konieczności elim inacji fałszywych alarmów, które mogą być form u

łowane przez niedoświadczonych diagnostów, a powodujące duże straty związane np. z odstawieniem maszyn lub instalacji. W Polsce obowiązuje norma PN-EN 473:2002 zawierająca wymagania dla personelu wykonującego badania nieniszczące metodą podczerwieni. Ze względu na aktualny brak możliwości certyfikacji w instytucji krajowej, odpowiedni ce rtyfika t można uzyskać w takich krajach wspólnoty europejskiej ja k Niemcy, Francja, Szwecja.

11.3.4. Wybór metody pomiarowej

Przy wyborze m etody i aparatury pomiarowej w celu rozwiązania określonego zadania w zakresie diagnostyki term icznej, należy się kierować, między innymi, następującymi względami:

• wielkością badanego obiektu,

• utrudnieniam i związanymi z dostępem do badanego obiektu,

• zakresem mierzonych tem peratur,

• dynamiką procesów term icznych,

• dokładnością pomiaru,

• czułością urządzenia pomiarowego,

• oddziaływaniem środowiska (agresywność chemiczna, zapylenie, para wodna, zawartość gazów w atmosferze, drgania itp .),

• kwalifikacjam i obsługi,

• analizą ekonomiczną.

W niektórych przypadkach metoda pomiaru tem peratury zdeterminowana je st przez zewnętrzne i wewnętrzne przepisy lub procedury diagnostyczne dla pojedynczych obiektów lub ich klas. Przy

kładem może być zarządzenie m inistrów górnictwa i energetyki oraz gospodarki materiałowej i pali

wowej w sprawie szczegółowych zasad eksploatacji tu rb in parowych \11.10], w którym zarządza się, aby tu rb in y nowe lub przebudowane, przyjmowane do eksploatacji, były wyposażone w urządzenia umożliwiające nieprzerwaną kontrolę m.in. tem peratury stopu łożyskowego i oleju smarującego przy wylocie z łożysk, a niezależnie od tego tu rb in y nowe lub przebudowane o mocy większej od 25 M W

(12)

powinny być wyposażone w układy pomiarowe z autom atyczną rejestracją te m peratur metalu i pa

ry, um ożliwiające nieprzerwaną kontrolę pośrednich naprężeń term icznych w wybranych elementach.

Tego typu zalecenia poniekąd determ inują kontaktową metodę pomiaru tem peratury. W przypadku pomiarów bezkontaktowych, praktyka pokazuje, że w większości przypadków stosowane są one cy

klicznie i realizowane są w postaci np. inspekcji term ow izyjnych wykonywanych przez przeszkolony personel według m etodyki bazującej na doświadczeniu i in tu icji osoby dokonującej inspekcji. Pomiary bezkontaktowe stosowane są w ciągłym m onitorowaniu, głównie procesów, aczkolwiek stosowane są rzadko, ze względu na cenę urządzeń i ich czułość na zmianę warunków zewnętrznych.

11.4. Diagnostyka term iczna

Diagnozowanie na podstawie tem peratury jest zagadnieniem obszernym obejm ującym różne dzie

dziny diagnostyki technicznej. W zależności od rozpatrywanych zagadnień, m etod pomiaru i klas diagnozowanych obiektów diagnostyka oparta na tem peraturze przyjmuje różne nazwy. W publi

kacjach stosowana je st taka term inologia jak: diagnostyka tem peraturowa, diagnostyka term alna, diagnostyka term iczna, diagnostyka term ograficzna, diagnostyka term owizyjna. Należy zaznaczyć, że z punktu widzenia zasobów słownikowych i encyklopedycznych, prawidłową nazwą dla diagnostyki bazującej na tem peraturze je st diagnostyka term iczna. Pojęcie term alny (term alna) dotyczy term , cieplic, starożytnych łaźni i odnosi się do pojęcia ciepły. Bez względu na różnice term inologiczne, cel diagnostyki bazującej na tem peraturze jest ten sam - na podstawie sym ptom ów tem peraturow ych zidentyfikować i ocenić stan techniczny obserwowanego obiektu. Opis stanu technicznego obiektu na

podstawie tem peratury może być realizowany dwiema metodam i [11.1]:

• pasywną - wykorzystującą ciepło własne badanego obiektu, generowane podczas jego eksplo

atacji.

• aktywną - bazującą na obserwacji reakcji obiektu na zewnętrzne, sterowane pobudzenie cieplne.

11.4.1. Pasywna diagnostyka termiczna

W maszynach i urządzeniach podczas ich działania powstaje energia cieplna związana z istnieniem zjawisk fizycznych zachodzących we wnętrzu obiektu oraz w m ateriałach, z których został wykonany.

Stan cieplny maszyny, je st charakteryzowany przez jeden z istotnych parametrów roboczych maszy

ny ja kim je st tem peratura. Dzięki wykorzystaniu tem peratury do obserwacji naturalnych procesów cieplnych obiektów, możliwa jest w sposób pasywny identyfikacja stanu technicznego maszyn i urzą

dzeń. Podstawowym i najczęściej uwzględnianym tem peraturow ym symptomem diagnostycznym jest w zrost tem peratury w wybranym punkcie obiektu. Uwzględniając ogromną różnorodność obiektów, dla których stosowana je st diagnostyka term iczna oraz wiele m etod pomiaru tem peratury możliwe je st zdefiniowanie ogromnej liczby zróżnicowanych sym ptom ów tem peraturow ych. Przykładem dia

gnostycznych sym ptom ów tem peraturow ych definiowanych dla np. turbozespołów energetycznych mogą być [11.3]:

• tem peratura pary świeżej i w tórnej oraz pary w stopniu regulacyjnym,

• tem peratura oleju smarnego, lewarowego i w układzie regulacji,

• tem peratura metalu łożyska poprzecznego i wzdłużnego,

• tem peratura metalu w wybranych punktach kadłubów i zaworów W P i SP,

• tem peratura metalu zaworu odcinającego W P i SP,

• tem peratura kadłuba wewnętrznego W P i SP,

• różnice te m peratur para-metal,

• różnice te m peratur między poszczególnymi punktam i kadłubów,

• tem peratura uzwojeń stojana generatora.

(13)

Na podstawie sym ptom ów tem peraturow ych możliwa je st identyfikacja, różnych niesprawności mogących się pojawić w maszynie. Przykładem może być obserwacja tem peratury metalu łożysk turbozespołu oraz oleju na wylocie łożysk. Sym ptom y te pozwalają na wykrycie nieprawidłowości w rozkładzie obciążeń łożysk, mogą zatem być pomocne w diagnozowaniu rozosiowań. Jest to istotne w przypadkach, kiedy analiza drganiowych sym ptom ów rozosiowań nie daje jednoznacznych wyników.

W iele z pośród sym ptom ów tem peraturow ych np. tem peratura metalu łożyska i oleju na wylocie odpowiada parametrom mierzonym i m onitorowanym w sposób ciągły przez systemy diagnostyczne.

Niektóre z nich ja k np. tem peratury w metalu kadłubów wysoko- i średnioprężnego i różnice te m peratur w elementach turbozespołu oraz gradienty tych wielkości pozwalają określać stany naprężeń tu rb in y i stanowią wielkości wejściowe dla układów zabezpieczeń i sterowania turbozespołów. Ob

serwacja tych parametrów i utrzym ywanie ich wartości w granicach odpowiadających optym alnemu punktowi pracy określonemu przez producenta jest istotna dla prawidłowego prowadzenia rozruchu turbozespołu oraz jego prawidłowej eksploatacji. Z punktu widzenia diagnozowania sym ptom y takie można traktow ać na ogól ja ko dwustanowe. Przekroczenie ich wartości wiąże się z obniżeniem żyw ot

ności elementów turbozespołu, a także ze wzrostem prawdopodobieństwa wystąpienia niesprawności, dlatego zwykle nagły wzrost wartości sym ptom u je st jednoznaczny z wyłączeniem obiektu z eks

ploatacji. Przykładem pokazującym celowość ciągłej obserwacji sym ptom ów tem peraturow ych może być wykrycie przedostania się wody do turbiny. Niesprawność tą można w ykryć poprzez obserwację i analizę przebiegów czasowych takiego sym ptom u tem peraturowego ja k różnica te m peratur między górną a dolną połową kadłuba turbiny. Dolna połowa kadłuba jest w takich przypadkach intensywnie schładzana [11.3].

Diagnozowanie z zastosowaniem pomiarów bezkontaktowych, w większości przypadków je st re

alizowane w oparciu o jednorazowe lub cyklicznie prowadzone inspekcje obiektów. Stosowane są tu ta j głównie urządzenia term owizyjne. M onitorowanie i ciągła diagnostyka term ow izyjna realizowana jest przeważnie w przypadku procesów przemysłowych, gdzie bezkontaktowe urządzenia pomiaru tem pe

ratury montowane są na stanowiskach produkcyjnych lub kontroli jakości. Ocena stanu w głównej mierze polega na analizie rozkładów tem peratury na powierzchni badanego obiektu i porównywaniu obrazów term ow izyjnych zarejestrowanych w różnych chwilach eksploatacji obiektu.

11.4.2. Aktywna diagnostyka termiczna

Aktyw na diagnostyka term iczna polega na wstępnym nagrzewaniu obiektu i następującym po nim pomiarze rozkładu tem peratury na jego powierzchni. W artości tem peratury w określonych punktach obiektu charakteryzują warunki odprowadzania ciepła, co pozwala wnioskować o składzie fizykoche

micznym, grubości, strukturze, istnieniu defektów itp. Przy aktywnych metodach obiekt nagrzewany jest w całości bądź, gdy nie jest to możliwe, strefowo. W aktywnej diagnostyce term icznej najczęściej stosowane są badania z zastosowaniem kamer term ow izyjnych, które dzięki możliwościom jednocze

snej obserwacji rozkładu tem peratury na całej powierzchni obserwowanego obszaru pozwalają na uzyskanie odpowiedzi całego obserwowanego obszaru obiektu na zewnętrzne pobudzenie (grzanie lub chłodzenie). Tego typu badania nazywane są również aktywną term ografią dynamiczną. Odpowie

dzią obiektu na wymuszenie cieplne może być w zrost lub spadek tem peratury, natom iast szybkość zmian tem peratury niesie inform ację o wartościach pojemności i przewodności cieplnej obiektu - wielkościach charakteryzujących jego strukturę wewnętrzną. W badaniach aktywnych oprócz kamery term ow izyjnej wykorzystuje się zewnętrzne źródło energii cieplnej, którym może być: lampa błyskowa, promiennik podczerwieni, wiązka promieni lasera, strum ień cieplny powietrza lub wody itp. Głównym zadaniem zewnętrznego źródła ciepła je st dostarczenie do badanego obiektu energii cieplnej o zna

nych parametrach, wśród których najważniejsze są: m oc/energia, czas trw ania oraz charakter źródła (np. impulsowy, sinusoidalny itp .). M etody pomiarowe stosowane w aktywnej term ografii dynamicz

nej zostały podzielone ze względu na sposób prowadzenia badań na: projekcję przednią i projekcję tylną (rys. 11.8). Obie m etody polegają na zewnętrznym cieplnym pobudzeniu badanego obiektu przy czym, różnicą jest miejsce pomiaru odpowiedzi obiektu na wymuszenie cieplne. W przypadku,

(14)

projekcji przedniej, rejestrowane są term ogram y powierzchni podlegającej bezpośrednio pobudzeniu, natom iast projekcja tylna polega na obserwacji powierzchni przeciwnej do pobudzanej dzięki czemu otrzym ujem y odpowiedź obiektu po przejściu przez niego fali cieplnej.

/O

Rys. 11.8: M etody term ografii aktywnej

Głównym parametrem w term ografii dynamicznej jest rodzaj funkcji pobudzającej. Jako w ym u

szenie możemy zastosować: fale ultradźwiękowe, promieniowanie podczerwone lub m ikrofale. Ma ono najczęściej charakter impulsowy lub ciągłej fali harmonicznej. Ze względu na rodzaj pobudzenia term icznego m etody term ografii aktywnej można podzielić na:

• impulsowe,

• impulsowo-fazowe,

• synchroniczne.

Termografia impulsowa (PT)

Term ografia impulsowa jest aktywną techniką badań nieniszczących, w której powierzchnia badane

go obiektu (próbki) poddawana je st impulsowemu pobudzeniu cieplnemu o zadanym czasie trwania impulsu. Wymuszenie może stanowić również seria impulsów. W term ografii impulsowej wykorzy

stuje się analizę stałych czasowych wybranych elementów struktury. Głównymi celem badania jest wykrycie w badanej próbce różnego rodzaju defektów, tj.: wtrącenia, pęknięcia, ubytki m ateriału, ja m y itp. Defekt lokalizowany je st dzięki istnieniu różnych wartości stałych czasowych nagrzewania

(chłodzenia) dla m ateriału rodzimego i defektu \11.6].

W term ografii impulsowej wyróżnione zostały również dwa sposoby prowadzenia badań \11.6]

\1 1 7 ]:

• Termiczne impulsowe pobudzenie obiektu z rejestracją term ogram ów w fazie chłodzenia,

• Termiczne impulsowe pobudzenie obiektu z rejestracją term ogram ów w fazie nagrzewania i chłodzenia.

W drugim sposobie badań podstawowym problemem je st nakładanie się fal promieniowania od

bitego i generowanego przez obiekt, co powoduje kło p o ty z późniejszą analizą obrazów i może być

(15)

przyczyną błędnych wniosków. W obec czego częściej wykorzystywana je st rejestracja term ogram ów w fazie chłodzenia.

Termografia impulsowa, której wynikiem jest seria obrazów przedstawiająca zm iany rozkładu pola te m peratur na powierzchni badanej, pozwala jedynie na jakościową analizę otrzym anych term o- gramów. Nie możliwe je st odczytanie z otrzym anych obrazów inform acji ilościowych, tj. głębokość umiejscowienia w ykrytego defektu. Na potrzeby analizy zostały zdefiniowane między innymi trzy współczynniki wyznaczane na podstawie otrzym anych obrazów [11.7]:

• W spółczynnik kontrastu cieplnego (W K C )

• Znormalizowany Różnicowy W spółczynnik Term ografii Impulsowej (Z R W T I)

• O dw rotny Znormalizowany Różnicowy W spółczynnik Term ografii Impulsowej (O Z R W T I)

Termografia impulsowa fazowa (PPT)

M etoda ta je st w dużym stopniu oparta na term ografii impulsowej. Stosuje się identyczne warunki przeprowadzenia pomiarów. Różnica występuje podczas obróbki otrzym anych term ogram ów. W celu otrzym ania obrazów parametrycznych korzysta się z przekształcenia Fouriera. W ynikiem są dwa ob

razy parametryczne: am plitudogram y (podobnie ja k w P T ) i fazogramy (obrazy fazowe) [11.4, 11.5].

Termografia impulsowa fazowa wykazuje pewne zalety w stosunku do term ografii impulsowej, np.

na jakość uzyskiwanych obrazów fazowych mniejszy w p ływ ma nierównomierność nagrzania bada

nej powierzchni. Jeżeli chodzi o fazogramy, próby pozyskania z nich dokładnych inform acji nie dają jeszcze zadowalających rezultatów [11.6]. W ynika to z właściwości przekształcenia Fouriera, które tłu m i całkowicie inform ację czasową. Niedogodność tą można ominąć stosując przekształcenie fal

kowe. Przekształcenie to zastosowane w P P T zachowuje inform ację czasową i dlatego pozwala w miarę dokładnie określić głębokość defektu pod powierzchnią. Jedyną niedogodnością wynikającą z stosowania przekształcenia falkowego je st konieczność doboru falki pierwotnej. W literaturze [11.6]

wykazano, iż spośród wielu falek najlepszą je st falka Morleta.

Termografia synchroniczna (Lock-in thermography)

Termografia synchroniczna polega na pobudzeniu obiektu harmonicznym wymuszeniem cieplnym o odpowiedniej częstości. Idea analizy polega na tym , że dla defektu wartość współczynnika przewodze

nia ciepła je st inna niż dla badanego m ateriału bez defektów. Analiza am plitudy i kąta przesunięcia fazowego odpowiedzi względem wymuszenia cieplnego pozwala określić miejsce i rodzaj anomalii występującej w badanym obiekcie [11.5, 11.6, 11.7].

Dla otrzym anych term ogram ów przy użyciu term ografii synchronicznej zostało opracowanych kilka algorytm ów obliczeniowych pozwalających na wyznaczenie z term ogram ów obrazów parame

trycznych. Podobnie ja k w przypadku P T T metoda pozwala na wygenerowanie am plitudogram ów i fazogramów. Poniżej została przedstawiona grupa najczęściej spotykanych algorytm ów (m etod) wyznaczania obrazów parametrycznych (am plitudogram ów i fazogram ów):

1. M etoda klasyczna - polega na wymnożeniu zarejestrowanego sygnału odpowiedzi obiektu z sygnałem wymuszającym i sygnałem odpowiedzi przesuniętym o 90° względem wymuszenia [11.7]. W ykonując odpowiednie przekształcenia na pikselach obrazów otrzym am y am plitudo

gram y i fazogramy.

2. M etoda czterech obrazów - metoda polega na rejestracji czterech równo oddalonych od siebie w czasie obrazów odpowiedzi badanego obiektu. Na przykład dla sygnału wymuszającego o prze

biegu sinusoidalnym powinny one być oddalone od siebie o czas równy zmianie fazy wymuszenia o 90°. Czas pobrania wszystkich obrazów odpowiada jednem u pełnemu okresowi wymuszenia termicznego. W ykorzystując równania przedstawione w [11.7] otrzym ujem y am plitudogram i fazogram.

(16)

3. M etoda wariacyjna - opiera się na założeniach analizy statystycznej. Polega na dw ukrotnym rejestrowaniu obrazów: w pierwszym kroku dla obiektu nie poddawanego stym ulacji term icz

nej a w drugim kroku pobudzanym sinusoidalnie. Realizując przekształcenie przedstawione w

\11.7] otrzym ujem y obraz wynikowy. M etoda poza am plitudogram em nie pozwala pozyskać żadnych inform acji na te m a t czasowych i częstotliwościowych zależności między przebiegami tem peratur.

4. M etoda średniokwadratowa - wykorzystuje ona proces m inim alizacji błędu średniokwadrato- wego pomiędzy sygnałem zmierzonym a teoretycznym . Sposób wyznaczenia obrazów parame

trycznych na podstawie term ogram ów została szczegółowo omówiona w \11.7].

5. M etoda pobudzeniem falą ultradźwiękową - wykorzystuje do badań s tru ktu ry obiektu drgania w zakresie ultradźwięków o zakresie częstotliwości 0-25\KH z]. Pobudzenie obiektu wibracjam i powoduje w miejscach istnienia wad tarcia i zamiany energii mechanicznej na energię cieplną co pozwala zidentyfikować uszkodzenie w bardzo precyzyjny sposób \11.5].

11.4.3. Metodyka diagnostyki termicznej

Dla potrzeb diagnostyki bazującej na tem peraturze można sformułować ogólną metodykę badaw

czą obejmującą grupę zadań, jakie muszą być zrealizowane aby możliwe było skuteczne ocenianie bieżącego stanu technicznego obserwowanego obiektu. Są to:

1. Pobudzenie cieplne obiektu - zadanie to je st szczególnie istotne w przypadku term icznej dia

gnostyki aktywnej. W przypadku term icznej diagnostyki pasywnej je st to jednoznaczne z uru

chomieniem obiektu lub pozyskaniem inform acji o możliwości wystąpienia zaburzeń równowagi cieplnej wywołanej np. zmianami w sterowaniu maszyny.

2. Pomiar tem peratury - zadanie to może dotyczyć:

(a) określonego punktu obiektu,

(b ) określonego zbioru punktów tworzących prostą lub krzywą, w celu wyznaczenia profilu temperaturowego,

(c) określonego obszaru obiektu w celu wyznaczenia pola temperaturowego, (d ) całej powierzchni obiektu.

3. Określenie relacji diagnostycznych między wartościami sym ptom ów a stanami technicznym - zadanie to stanowi jeden z najważniejszych, ale i najtrudniejszych etapów diagnostyki term icz

nej.

4. Sformułowanie diagnozy poprzez np. porównanie w yników pomiarów z pomiarami wzorcowymi, lub wynikam i pozyskanymi na podstawie symulacji modeli numerycznych pozwalających na analizę procesów cieplnych zachodzących w danym obiekcie

Należy zaznaczyć, że nie ma sformalizowanej m etodyki diagnozowania w oparciu o sym ptom y temperaturowe. Procedury diagnostyczne w przypadku ciągłych pomiarów tem peratury w sposób stykowy np. łożysk ślizgowych opierają się na obserwacji wartości sym ptom u w czasie i kontroli prze

kroczenia wartości granicznych podawanych przez producenta albo wyznaczonych doświadczalnie.

Diagnostyka bazująca na bezstykowych pomiarach tem peratury, głównie diagnostyka term owizyjna bazuje na zaleceniach form ułowanych na podstawie wieloletnich doświadczeń zespołów badawczych.

Określono m.in. kryteria \11.9], które wykrywane w trakcie badań stany awaryjne dzielą na 3 kate

gorie: Pierwsza kategoria (kat. C) to te stany, w których przyrost tem peratury (m ierzony względem średniej tem peratury badanego pola) jest mniejszy od 5° C; zaleca się naprawę podczas najbliższego przeglądu. Drugi stan (kat. B) dotyczy przedziału te m peratur od 5° C do 35° C; zaleca się szyb

ką naprawę z uwzględnieniem możliwości dokonania stosownych wyłączeń. W przypadku przyrostów tem peratury większych niż 35° C (kat. A ) zalecana jest niezwłoczna naprawa \11.9]. Przyjmowane

(17)

są również przedziały do 10° C, 10 — 30° C i powyżej 30° C. Zakłada się, że badania muszą być prowadzone przy obciążeniu większym od 30% obciążenia znamionowego [11.9].

Szczegółowym przykładem m etodologii diagnostyki term ow izyjnej może być opracowana w

Z B E Energopom iar

metoda oceny i klasyfikacji wad połączeń prądowych rozdzielnic energetycznych [11.12][11.4]. Bazuje ona na obserwacji przyrostu tem peratury zacisku ponad tem peraturę przy

łączonych przewodów z uwzględnieniem warunków pomiarowych takich ja k tem peratura otoczenia, prędkość w iatru, czy wartość obciążenia. Zakłada się, że prędkość w iatru nie może przekraczać 4 m /s , a prąd obciążenia nie powinien być mniejszy od 30% prądu znamionowego dla danego pola rozdziel

nicy lub lini przesyłowej. Szczegółowe kryteria zestawiono w tabeli 11.1

Tab. 11.1: Kryteria oceny stanu zacisków prądowych [11.4]

Parametry Zm ierzony przyrost tem peratury [° C]

Prędkość w iatru < 2 [m /s] 3 — 10 11 — 30 31 — 50 > 50 Prędkość w iatru > 2 [m /s] 3 — 10 11 — 20 21 — 35 > 35

Ocena stanu zacisku

Prąd obciążenia 30 —

60% In

dostateczny zły bardzo zły bardzo zły Prąd obciążenia > 6 0 % In dostateczny zły zły bardzo zły

11.5. Zastosow anie diagnostyki term icznej

Diagnostyka term iczna znajduje zastosowanie do oceny stanu każdego obiektu lub procesu, w których można posłużyć się tem peraturą ja ko wskaźnikiem prawidłowości przebiegu zjawiska lub sygnałem o zagrożeniu lub uszkodzeniu. Zastosowanie term odiagnostyki je st bardzo szerokie i przedstawienie oraz dokładne omówienie wszystkich aplikacji je st niemożliwe. W licznych pozycjach literaturow ych przy

taczane są przykłady stosowania pomiarów tem peratury do diagnostyki różnych maszyn, urządzeń i instalacji przemysłowych [11.4, 11.6, 11.8, 11.2, 11.1]. Poniżej przedstawiono wybrane dziedziny zastosowania, diagnostyki term icznej w przemyśle eletroenergetycznym, który ze względu na swoje strategiczne znaczenie, znajduje najszerszy obszar stosowania diagnostyki bazującej na pomiarach tem peratury. W oparciu o sym ptom y tem peraturowe diagnozowane są praktycznie wszystkie ogni

wa systemu wytwarzania i dystrybucji energii elektrycznej począwszy od elektrowni, poprzez linie przesyłowe, stacje energetyczne, linie średniego napięcia stacje lokalne, aż po końcowego odbior

cę. Dla potrzeb diagnostyki term icznej stosowane są zarówno m etody pasywne i aktywne, stosujące aparaturę do kontaktowego ja k i i bezkontaktowego pomiaru tem peratury. K ontaktowe m etody po

miaru tem peratury stosowane są najczęściej w urządzeniach bloku energetycznego, gdzie prowadzony jest ciągły m onitoring tem peraturow ych parametrów eksploatacyjnych i procesowych. Czujniki te m

peratury umiejscawiane są w łożyskach i korpusach turbozespołu, w dolotach i w ylotach instalacji parowych i olejowych itp. Tory pomiaru tem peratury podłączane są do systemów nadzoru SCADA i dzięki tem u możliwe je st gromadzenia przebiegów tem peratury w czasie, przydatnych w ocenie stanu technicznego [11.3]. Coraz większe znaczenie dla systemów diagnozujących mają pomiary realizowa

ne w sposób bezkontaktowy z zastosowaniem kamer term ow izyjnych. Termowizja wykorzystywana jest do badań urządzeń i instalacji energetycznych i elektroenergetycznych takich ja k osłony kotłów, rurociągi wodne i parowe, węzły cieplne, generatory, transform atory, zespoły prądotwórcze, ponadto badane są wybrane urządzenia mechaniczne oraz składowiska węgla, składowiska z paliwami płynn- mi. W procesie diagnozowania stanu urządzeń stacji rozdzielczych i linii energetycznych term owizja pozwala wykrywać wadliwe zestyki i styki (wyłączników, odłączników, rozłączników, połączeń śrubo

wych i prasowych), a także upływności występujących na elementach izolacyjnych. Z zastosowaniem kamer term ow izyjnych monitorowane są transform atory oraz przekładniki [11.9]. M etody term ow izji

(18)

dynamicznej stosowane są do diagnostyki remontowej, a w szczególności do oceny jakości prac re

m ontowych prowadzonych głównie w obrębie bloków energetycznych. W trakcie odstawienia maszyn i urządzeń lub w trakcie rozruchów możliwe je st ich kontrolowane nagrzewanie, co pozwala na detekcję miejsc w których zachodzi nierównomierne nagrzewanie zwykle świadczące o istnieniu niesprawno

ści. Przykładem mogą być badania drożności rur ścian ekranowych kotów energetycznych [11.12].

Term owizję dynamiczną stosuje sie również do poprodukcyjnej oceny stanu rdzenia transform atora w celu wykrycia i zlokalizowania ewentualnych zwarć poszczególnych blach pakietów rdzenia.

11.6. Przykład zapisu wiedzy dotyczącej diagnostyki term icznej ma

szyn i urządzeń

Pozyskiwanie i zapis wiedzy diagnostycznej nie je st zadaniem łatw ym i jest procesem d łu g o trw a łym wymagającym udziału wielu specjalistów. Powyższe stwierdzenie dotyczy każdej dziedziny w tym diagnostyki term icznej maszyn i urządzeń bloków energetycznych. Istnieją m etody pozwalające na skuteczne pozyskiwanie i zapisywanie wiedzy diagnostycznej w sposób sformalizowany, a następnie wykorzystywanie je j przy tworzeniu reguł postępowania. Przykładem narzędzia pozwalającego pozy

skiwać i zapisywać wiedzę diagnostyczną je st opracowany w Katedrze Podstaw Konstrukcji Maszyn, system DiaDyn. System poza, możliwością zapisywania wiedzy w postaci haseł i treści, podobnych w form ie do wiedzy zgromadzonej w encyklopediach pozwala na tworzenie sieci stwierdzeń, na podstawie której możliwe jest rozwiązywanie różnorodnych zadań. Przykładem zastosowania sieci stwierdzeń, może być wspomaganie projektowania układów diagnozujących i tworzenia procedur diagnostycznych służących do term icznego diagnozowania obiektów technicznych instalowanych w nowoczesnych blo

kach energetycznych. Budowa sieci stwierdzeń za pomocą systemu DiaDyn związana je st z realizacją kilku podstawowych kroków:

• Sformułowanie i analiza problemu rozwiązywanego za pomocą sieci stwierdzeń,

• Formułowanie stwierdzeń,

• Zapis stwierdzeń i budowa słownika stwierdzeń,

• Tworzenie systemu objaśniającego za pomocą haseł,

• Konstruowanie i definiowanie sieci stwierdzeń,

Przykład Bazy wiedzy dotyczącej wspomagania projektowania układów diagnozujących i procedur diagnostycznych w zakresie diagnostyki term icznej dostępna jest w systemie DiaDyn w projekcie o nazwie P rojekt P B Z -K B N -1 0 5 /T 1 0 /2 0 0 3 w grupie tem atycznej T 7.3.4 pt.

Specyfikacja układów diagnozujących i procedur diagnostycznych przeznaczonych do diagnozowania bloków energetycznych nowej generacji.

Problemem, rozważanym w niniejszej części opracowania je st wspomaganie i sterowanie wyborem elementów układu diagnozującego oraz metodyką badawczą w tym sposobem analizy pozyskanych danych w zakresie diagnostyki term icznej. Należy zaznaczyć, że przedstawiony sposób rozwiązania omawianego problemu nie je st jedynym z możliwych i zależy od zakresu i jakości wiedzy zapisanej w bazie wiedzy. Dzięki dużej elastyczności systemu DiaDyn baza wiedzy oraz proponowana struktura sieci stwierdzeń mogą być uzupełniane i modyfikowane przez ekspertów z różnych dziedzin, co stanowi jedną z jego wielu zalet. Rozwiązanie problemu wymaga jego analizy w celu zgromadzenia wiedzy niezbędnej do sformułowania stwierdzeń. W przypadku omawianego problemu należy rozpatrywać wiedzę odnoszącą się do:

• elementów wchodzących w skład term icznych układów diagnozujących, takie ja k aparatura, przyrządy, oprogramowanie itp. oraz ich parametrów technicznych i użytkowych. Wiedza ta powinna również odnosić się do cech układów diagnozujących,

• m etodyki badawczej stosowanej w diagnostyce term icznej,

(19)

• badanych obiektów, a uwzględniającą specyficzne cechy obiektu i jego stanu mające w p ływ na dobór m etody badawczej oraz niezbędnej aparatury. Mogą to być m.in. cechy konstrukcyjne, geometryczne, materiałowe.

• uwarunkowań mających w p ływ na zasadność diagnozowania, np. sposób eksploatacji, koszty itp.

• otoczenia obiektu i jego w pływ u na dobór elementów składowych układu diagnozującego i jakość pozyskiwanych danych diagnostycznych,

• wiedzy i doświadczenia personelu ludzkiego eksploatującego i diagnozującego obiekt.

Uwzględniając powyższe uwagi sform ułowano następujące stwierdzenia, które mogą stanowić podstawę do budowy sieci stwierdzeń:

• O biekt je st eksploatowany w sposób ciągły

• Powierzchnia obiektu jest ciemna

• W ymagana je st duża czułość pomiarowa

• Dokładność pomiaru je st duża

• O biekt je st duży

• W artość emisyjności powierzchni obiektu je st niska

• K ontakto w y pomiar tem peratury na obiekcie je st utrudniony

• Powierzchnia obiektu jest matowa

• Maksymalna tem peratura powierzchni obiektu je st nośnikiem inform acji o jego stanie technicz

nym

• Możliwa je st ingerencja w stru ktu rę obiektu w celu montażu czujników

• Koszty diagnostyki powinny być niskie

• O biekt je st w trakcie remontu

• O biekt je st widoczny dla układu optycznego urządzeń bezkontaktowego pomiaru tem peratury

• O biekt znajduje się w pomieszczeniu zamkniętym

• Ocenę stanu technicznego można przeprowadzić na podstawie obserwacji term ow izyjnej

• Na obiekcie zainstalowano osłony

• Ocenę stanu technicznego można przeprowadzić na podstawie punktowych pomiarów tem pe

ratury

• Zmiana stanu technicznego może być przyczyną równomiernej zm iany średniej rezystancji ciepl

nej badanego obiektu

• Rozkład tem peratury powierzchni obiektu jest nośnikiem inform acji o jego stanie technicznym

• Średnia tem peratura powierzchni obiektu je st nośnikiem inform acji o jego stanie technicznym

• Na obiekt pada promieniowanie słoneczne

• W ymagana je st duża szybkość rejestracji term ogram ów

• Tem peratura jest decydującym parametrem o zmianie stanu technicznego

• O biekt je st ważny ze względu na udział w realizowanym procesie

• Zastosuj ciągły m onitoring term iczny obiektu

• Pomiary tem peratury prowadź kamerą term ow izyjną

• Zastosuj oprogramowanie do analizy term ogram ów

• Pomiary tem peratury prowadź pirometrem

• Ocenę stanu technicznego można przeprowadzić stosując m etody term ografii aktywnej

(20)

• Pomiary tem peratury prowadź termoelementem

• Pomiary tem peratury prowadź term om etrem stykowym

• Pomiary tem peratury prowadź term om etrem rtęciowym

• Zastosuj wzmacniacz term oelem entu

• Zmiana stanu technicznego może być przyczyną zmiany lokalizacji wewnętrznego źródła ciepła

• Zmiana stanu technicznego może być przyczyną zm iany tem peratur wewnętrznych źródeł ciepła

• Na obiekt pada promieniowanie cieplne z innych zewnętrznych źródeł

• Zmiana stanu technicznego może być przyczyną zróżnicowanej, lokalnej (punktow ej) zmiany rezystancji cieplnej badanego obiektu

Redagowanie stwierdzeń prowadzone jest w module D iaW iki systemu DiaDyn i polega na wprowa

dzeniu identyfikatora stwierdzenia, jego ty tu łu , treści i jeśli to konieczne niezbędnego opisu. Możliwe jest również wskazanie lite ra tu ry powiązanej ze stwierdzeniem i wprowadzenie autorów stwierdze

nia. Szczegółowy opis procedury redagowania stwierdzeń zawarto w rozdziale 4. Na rysunku 11.9 przedstawione przykładowe okno wybranego stwierdzenia.

Rys. 11.9: Przykład zredagowanego stwierdzenia w systemie DiaDyn

System DiaDyn umożliwia grupowanie stwierdzeń w słowniki stwierdzeń, co jest bardzo istotne z punktu widzenia projektowania i budowy sieci stwierdzeń. W szystkie zaproponowane stwierdze

nia połączono w słownik o nazwie Wspomaganie projektowania układu diagnozującego w zakresie diagnostyki term icznej.

Dla potrzeb wyjaśnienia znaczenia określeń zawartych w zaproponowanych stwierdzeniach, zgod

nie z zaleceniami zawartymi w rozdziale 4, przygotowano przykładowy zestaw następujących haseł:

• Ciepło

• Czułość

• D etektor podczerwieni

• Diagnostyka termiczna

• Dokładność

• Emisyjność

• Kamera term owizyjna

(21)

• Kondukcja

• Konwekcja

• M onitoring

• P irom etr

• Podczerwień

• Prawo Plancka

• Prawo Stefana-Boltzm anna

• Prawo przesunięć Wiena

• Promieniowanie

• Rezystancja Cieplna

• Tem peratura

• Termoelement

• Termografia aktywna

• Termografia impulsowo-fazowa

• Termografia impulsowa

• Termografia synchroniczna

• Term om etr

• Term om etr rtęciowy

• Termopara

• Term orezystor

• Układ detekcji

• Układ optyczny

W ybrane hasła stosowane są w objaśnieniach treści innych haseł. Hasła pogrupowano w tematy, których treść przedstawiono poniżej:

• Bezstykowe m etody pomiaru tem peratury

• Stykowe m etody pomiaru tem peratury

• M etody term ografii aktywnej

• Podstawy przepływu ciepła

• Teoretyczne podstawy term ografii

Zaproponowany zestaw haseł nie opisuje w pełni dziedziny jaką je st diagnostyka term iczna, jednak dzięki elastyczności systemu DiaDyn zestaw ten w każdej chwili, może zostać uzupełniony o nowe hasła, wprowadzone przez ekspertów współtworzących bazę wiedzy.

Na bazie przygotowanej w module Dia_Wiki bazy wiedzy, skonstruowano i zdefiniowano sieć stwierdzeń wspomagającą dobór elementów układu diagnozującego w dziedzinie diagnostyki te rm a l

nej. Procedurę budowy sieci stwierdzeń rozpoczęto od poinformowania adm inistratora systemu Dia- Dyn o konieczności aktywacji wcześniej opracowanego słownika stwierdzeń dotyczącego diagnostyki term icznej. Sieć stwierdzeń przygotowano w module Dia_Sta systemu DiaDyn, zgodnie z instrukcjam i zawartymi w rozdziale 5. Przygotowanie sieci stwierdzeń w ym agało wcześniejszego określenia, które stwierdzenia zawarte w słowniku stwierdzeń będą stanow iły węzły sieci i jakie będą relacje między ty mi stwierdzeniami. Zaproponowano przykładową sieć, której stru ktu rę przedstawiono schematycznie na rysunku 11.10.

Można zauważyć, że zaproponowana struktura uwzględnia tylko wybrane stwierdzenia z pośród wszystkich stwierdzeń dostępnych w słowniku stwierdzeń. Ograniczenie się do wybranych stwier

dzeń m iało na celu przygotowanie zwięzłego przykładu pokazującego potencja ł systemu DiaDyn w

Przykład bazy wiedzy wspomagającej projektowanie układów diagnozujących i procedur diagnostycznych w zakresie diagnostyki termicznej

Rozdział 11