Artykuł naukowy

WYKORZYSTANIE KAMERY TERMOWIZYJNEJ
W BADANIACH ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH
MŁYNA ELEKTROMAGNETYCZNEGO
Sebastian Styła
Katedra Inżynierii Komputerowej i Elektrycznej, Politechnika Lubelska,
20-618 Lublin, ul. Nadbystrzycka 38a; e-mail: [email protected]
Streszczenie.
W
artykule
zaproponowano
metodę
kontroli
stanu
technicznego
młyna
elektromagnetycznego z wykorzystaniem kamery termowizyjnej. Przedstawiono problemy podczas
przeprowadzania tego typu badań oraz metody zwiększenia dokładności ich wykonania. Analiza
otrzymanych wyników pozwala w szybki i łatwy sposób wskazać miejsca występowania zagrożeń,
które mogą być przyczyną uszkodzeń urządzenia. W artykule zaprezentowano ponadto procedurę
postępowania podczas tego typu badań, a także przedstawiono sposoby interpretacji uzyskanych
wyników.
Słowa kluczowe: termogram, podczerwień, kamera termowizyjna, młyn elektromagnetyczny,
wzbudnik pola wirującego
USE OF AN INFRARED CAMERA IN RESEARCH
OF STRUCTURAL ELECTROMAGNETIC MILL
Summary. This paper suggests a method of checking the technical condition of the electromagnetic
mill using an infrared camera. It shows the problems in carrying out this type of research. It also
presents methods to increase the accuracy of this experiment. The analysis of the results allow
a quick and easy way to identify the location of the risk which can cause damage. The article also
presents the procedure to be followed in this type of research and shows methods of interpretation
of the results.
Keywords: thermogram, infrared, infrared camera, electromagnetic mill, rotating field inductor
1
WSTĘP
Proces rozdrabniania polega na oddziaływaniu na dany materiał odpowiednią siłą pod
wpływem której ulega on zniszczeniu. Proces ten składa się z kruszenia i mielenia materiału.
W celu osiągnięcia ziaren o wielkościach mniejszych od 1 mm należy zastosować odpowiednią
konstrukcję młyna. Dokonując przeglądu literatury polskiej i obcojęzycznej można stwierdzić, że
istnieje wiele urządzeń służących do rozdrabniania materiałów sypkich. Charakteryzują się one
różną wydajnością, budową, zużyciem energii, przeznaczeniem [1, 2, 3]. Urządzenia te są
indywidualnie dobierane do konkretnych zastosowań. Jedno jest pewne: proces rozdrabniania jest
bardzo energochłonny, a elementy młynów ulegają zużyciu, co pogarsza ich sprawność.
Innowacyjność młyna, nazywanego elektromagnetycznym ze względu na zasadę działania,
polega na wykorzystaniu w roli wzbudnika stojana silnika asynchronicznego. W jego wnętrzu
zamiast wirnika umieszczona została komora robocza z elementami mielącymi. Zadaniem
wzbudnika z biegunami utajonymi jest wytworzenie wirującego pola elektromagnetycznego, które
porusza elementami mielącymi. Ulegają one zderzeniom z rozdrabnianym materiałem, powodując
zmniejszenie wymiarów ziaren rozdrabnianego materiału lub surowca. Wewnątrz komory roboczej
zachodzi szereg przemian energetycznych. Jedną z nich jest powstanie pola cieplnego o dużych
gradientach temperatury, pod wpływem którego nagrzewają się elementy konstrukcyjne młyna.
Poza tym zasilanie uzwojeń wzbudnika, przez które płynie prąd o dużej gęstości, powoduje
konieczność zastosowania odpowiednich układów chłodzących w celu uniknięcia uszkodzenia tych
uzwojeń. Jedną z metod analizy rozkładu temperatury między poszczególnymi elementami
konstrukcyjnymi oraz jej wpływu na pracę młyna elektromagnetycznego są badania termowizyjne
z wykorzystaniem kamer na podczerwień.
DOKŁADNOŚĆ POMIARÓW TERMOWIZYJNYCH
Coraz częściej w diagnostyce maszyn, w tym maszyn elektrycznych do których można
zaliczyć młyn elektromagnetyczny, wykorzystuje się badania termowizyjne [8, 9, 10, 11].
Powiązanie temperatury z danym parametrem fizycznym pozwoliło na opracowanie szybkich
i bezinwazyjnych metod oceny stanu technicznego wybranych urządzeń lub ich elementów
składowych.
Pomiary termowizyjne opierają się na wizualizacji niewidzialnego przez oko ludzkie
promieniowania podczerwonego wypromieniowanego przez dane ciało, którego temperatura jest
większa od zera bezwzględnego. Właściwość ta określana jest mianem współczynnika emisyjności,
czyli zdolności danego ciała do oddawania energii. Emisyjność zależy od właściwości fizyko2
chemicznych i jest niepowtarzalna dla każdego przedmiotu. Urządzeniem służącym do pomiaru
i analizy temperatury jest kamera termowizyjna natomiast uzyskany obraz nazywany jest
termogramem.
Dzięki swoim zaletom, do których można zaliczyć uniwersalność i możliwość
bezstykowego pomiaru temperatury, badania termowizyjne doskonale nadają się do analizy
elementów, które podczas swojej pracy wydzielają pewną ilość ciepła. Dokładność zależy przede
wszystkim od zastosowanej metody, kalibracji urządzenia oraz od dokładności samej kamery
termowizyjnej. Największe znaczenie mają błędy zastosowanej metody, do której można zaliczyć
[4, 5, 6, 7, 12]:
błędy oszacowania emisyjności;
błędy spowodowane geometrią badanego obiektu;
błędy spowodowane wpływem odbitego przez obiekt promieniowania;
błędy spowodowane przepuszczaniem promieniowania przez atmosferę;
błędy spowodowane przepuszczaniem promieniowania podczerwonego przez samą
kamerę;
błędy spowodowane brakiem możliwości uśrednienia wyników.
Ponieważ błędy te mogą sięgać nawet kilkunastu procent, traktowane są priorytetowo przy
pomiarach termowizyjnych. Podczas wykonywania badań przedstawionych w niniejszym artykule
błędy te zostały zminimalizowane dzięki zastosowaniu odpowiedniej procedury pomiaru opisanej
w rozdziale „Metodyka badań”.
METODYKA BADAŃ
Badania przedstawione w niniejszym artykule wykonano za pomocą kamery termowizyjnej
ThermaCAM E45 firmy FLIR. Aby zminimalizować niedokładności metody pomiaru,
podporządkowano się poniższym kryteriom:
1. Ze względu na brak informacji o materiale, z którego była wykonana izolacja uzwojeń
wzbudnika młyna elektromagnetycznego oraz inne części urządzenia, za każdym razem
naklejano na badany element czarną taśmę o znanej emisyjności. Miało to na celu
wyznaczenie poprawnego współczynnika emisyjności, od której zależy natężenie
promieniowania badanego elementu, zgodnie z prawem Stefana-Boltzmana:
M (T )
0
T4
(1)
gdzie: ε – emisyjność,
3
σ0 – stała Stefana-Boltzmana dla ciała czarnego,
T – temperatura.
2. Badania wykonano w kierunku normalnym do powierzchni badanego urządzenia zgodnie
z prawem kosinusów Lamberta:
M( )
M (T )
cos
(2)
gdzie: M(T)┴ - wartość natężenia promieniowania w kierunku normalnym do powierzchni obiektu badanego.
3. Zminimalizowano wpływ promieniowania atmosferycznego oraz odbitego od badanego
obiektu poprzez wykonanie pomiarów w zaciemnionym pomieszczeniu, bez oświetlenia
elektrycznego.
4. Pomiary wykonane zostały w odstępach jednominutowych z odległości 2 m od badanego
obiektu i wilgotności powietrza 45%. W przypadku złego określenia podczas badań
któregokolwiek z parametrów, można je skorygować podczas komputerowej analizy
otrzymanych wyników.
Spełnienie powyższych kryteriów pozwoliło na uzyskanie obiektywnych wyników, z zachowaniem
warunku minimalizacji błędu pomiarowego.
WYNIKI BADAŃ TERMOWIZYJNYCH
MŁYNA ELEKTROMAGNETYCZNEGO
Określenie rzeczywistej temperatury pracy młyna elektromagnetycznego jest niezwykle
istotne z punktu widzenia zakwalifikowania urządzenia do pracy ciągłej S1, dorywczej S2 lub
okresowej przerywanej S3. Poza tym, określenie wpływu temperatury w poszczególne elementy
maszyny wymagane jest w celu dobrania odpowiednich materiałów konstrukcyjnych. Dotyczy to
przede wszystkim doboru izolacji uzwojeń wzbudnika młyna. Przedstawione badania termowizyjne
mogą być także symptomami diagnostycznymi służącymi do określenia stanu technicznego
maszyny oraz zaplanowania terminów przeglądów technicznych urządzenia.
Na rysunku 1 przedstawiono termogramy młyna elektromagnetycznego podczas długotrwałej
pracy. W czasie pracy urządzenia, przez uzwojenia wzbudnika przepływał prąd znamionowy.
Badania przeprowadzono dla dwóch przypadków:
pracy młyna bez dodatkowego obwodu chłodzącego (rys. 1a),
pracy młyna z wymuszonym obiegiem powietrza - dodatkowym obwodem
chłodzenia (rys. 1b).
4
Wymuszony obieg powietrza został wykonany z wykorzystaniem wydajnego wentylatora
i odpowiednio zaprojektowanego obwodu rozprowadzającego. Przyczynia się to do znacznego
zmniejszenia temperatury elementów konstrukcyjnych młyna.
a)
b)
Rys. 1. Termogramy podczas pracy młyna elektromagnetycznego (czas t=600 s.):
a) bez chłodzenia, b) z wymuszonym chłodzeniem
Głównymi miejscami analizowanymi z wykorzystaniem oprogramowania komputerowego,
branymi pod uwagę podczas badań były:
uzwojenia wzbudnika (punkt Sp1, rys. 1),
komora robocza (punkt Sp2, rys. 1),
rdzeń wzbudnika (punkt Sp3, rys. 1).
Na rysunkach 2 i 3 przedstawiono charakterystyki rozkładu średniej temperatury
w podstawowych elementach konstrukcyjnych młyna elektromagnetycznego. Z badań wynika, że
punktem w którym wydzielana jest największa ilość energii cieplnej są uzwojenia wzbudnika.
W głównej mierze jest to energia strat, na którą składają się straty podstawowe w miedzi, straty na
prądy wirowe i prądy wyrównawcze płynące między uzwojeniami. Ponadto we wzbudniku
występują straty wynikające ze stratności materiału, częstotliwości zasilania, rozkładu pola
magnetycznego, a także zmian reluktancji obwodu magnetycznego.
Kolejnym źródłem ciepła występującym w młynie elektromagnetycznym jest komora
robocza. Poruszające się elementy mielące pod wpływem zderzeń oraz tarcia nagrzewają się
i przekazują swoją energię cieplną ścianom komory roboczej oraz rozdrabnianemu materiałowi.
Ponadto mielniki oraz ściany komory roboczej nagrzewają się indukcyjnie pod wpływem
wirującego pola elektromagnetycznego wytworzonego przez obwód wzbudnika. Mała wartość
temperatury rury na termogramach przedstawionych w niniejszym artykule jest wynikiem
zastosowania materiału izolacyjnego uszczelniającego komorę roboczą.
5
Rys. 2. Średni rozkład temperatury na elementach konstrukcyjnych młyna elektromagnetycznego
bez chłodzenia
Rys. 3. Średni rozkład temperatury na elementach konstrukcyjnych młyna elektromagnetycznego
z wymuszonym obiegiem powietrza
Zastosowanie
dodatkowego,
wymuszonego
obiegu
powietrza,
z
wykorzystaniem
dedykowanej wentylacji mechanicznej, znacząco obniża temperaturę uzwojeń wzbudnika co
pozwala na długotrwałą pracę młyna elektromagnetycznego bez przestojów. Zmniejszenie
temperatury przyczynia się ponadto do wydłużenia bezawaryjnej pracy urządzenia, ze względu na
wydłużenie procesu starzenia się elementów konstrukcyjnych pod wpływem znaczących zmian
temperatury. Zastosowanie wymuszonego obiegu powietrza poprawia współczynnik wymiany
6
ciepła poprzez przewodzenie i konwekcję z otoczeniem, co zmniejsza wzajemny wpływ
poszczególnych elementów młyna.
Na
podstawie
charakterystyk
można
stwierdzić,
że
zastosowanie
odpowiednio
zaprojektowanego obwodu chłodzenia pozwala na zastosowanie młyna elektromegnetycznego
w pracy ciągłej np. w linii technologicznej, w której występuje potrzeba rozdrabniania materiałów
sypkich z wysoką efektywnością i wydajnością. W takim przypadku nie nastąpi uszkodzenie
termiczne maszyny pod wpływem oddziaływania pola cieplnego występującego w uzwojeniach
wzbudnika i komorze roboczej.
WNIOSKI
1. Przedstawione badania wykazały, że metody termowizyjne mogą w łatwy i szybki sposób
posłużyć
do
diagnostyki
wybranych
elementów,
lub
całych
układów
młyna
elektromagnetycznego. Wyznacznikiem do ich stosowania jest odpowiednia interpretacja
uzyskanych wyników – termogramów.
2. Zastosowanie kamery termowizyjnej pozwala w szybki sposób ocenić stan izolacji uzwojeń
zasilających wzbudnik, a także wskazać miejsca potencjalnie narażone na uszkodzenia. Za
pomocą tej metody możliwe jest ujawnianie wad eksploatacyjnych, konstrukcyjnych oraz
technologicznych młyna.
3. Dokładna
analiza
komputerowa
otrzymanych
wyników
(termogramów)
umożliwia
zakwalifikowanie danego elementu lub całego układu (obwodu) jako niesprawnego. Zdjęcia
termowizyjne są symptomami diagnostycznymi zapewniającymi szybkie i pewne wykrycie
uszkodzonego miejsca.
4. Badania termowizyjne są obiektywną, bezinwazyjną i bezdotykową metodą oceny stanu
technicznego elementów konstrukcyjnych młyna elektromagnetycznego, pozwalającą na
uzyskanie informacji diagnostycznych bez konieczności demontażu poszczególnych jego
części.
5. Zdjęcia termowizyjne mogą ponadto posłużyć, jako baza danych pomocnych przy
konstruowaniu nowych rozwiązań, zwiększeniu niezawodności i wydajności młynów
elektromagnetycznych. Pozwalają także dokonać analizy zjawisk cieplnych zachodzących
podczas pracy młyna.
LITERATURA
1. Ciszek T.: „Układy Technologiczne młynowni. Cz. 1”, Magraf, Bydgoszcz 2009.
7
2. Drzymała Z.: „Badania i podstawy konstrukcji młynów specjalnych”, PWN, Warszawa 1992.
3. Flizikowski J.: „Rozdrabnianie tworzyw sztucznych”, Wydawnictwo Uczelniane Akademii
Techniczno – Rolniczej w Bydgoszczy, Bydgoszcz 1998.
4. Madura H.: "Pomiary termowizyjne w praktyce", PAK, Warszawa 2004.
5. Maldague X.: "Non destructive evaluation of materials by infrared thermography", SpringerVerlag, London 1993.
6. Minkina W.: "Pomiary termowizyjne – przyrządy i metody", Wydawnictwa Politechniki
Częstochowskiej, Częstochowa 2004.
7. Minkina W. A., Rutkowski P., Wild W. A.: "Podstawy pomiarów termowizyjnych. Część II –
Współczesne rozwiązania systemów termowizyjnych, błędy metody", PAK 1/2000, Warszawa
2000, s. 11-14.
8. Orzechowski T.: "Technika pomiarów termowizyjnych w diagnostyce maszyn", PAK 4/2002,
Warszawa 2002, s. 18-20.
9. Poloszyk S., Różański L.: "Thermographic Diagnosis Station of Machines", 7th International
DAAAM Symposium, Wienna 1996, s. 351-352.
10. Poloszyk
S.,
Różański
L.:
"Termowizyjna
diagnostyka
maszyn
technologicznych",
PAK 1/2000, Warszawa 2000, s. 15-18.
11. Więcek B., Lis M., Zwolenik S., Danych R., Wajman T.: "Zastosowanie termowizji
w badaniach nieniszczących i w mikroelektronice", PAK 11/2002, Warszawa 2002,
s. 8-12.
12. Wesołowski M., Niedbała R., Kucharski D.: „Wiarygodność termowizyjnych technik pomiaru
temperatury”, Przegląd Elektrotechniczny, 12 (2009), s. 208-211.
8