Pełny tekst - Instytut Elektrotechniki

Jarosław ZADROŻNY
MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA
PROMIENIOWANIA OPTYCZNEGO
W BADANIACH MAŁYCH MASZYN
ELEKTRYCZNYCH
STRESZCZENIE
Zakres zastosowania promieniowania optycznego w praktyce badań małych maszyn elektrycznych jest niedoceniany. Okazuje się, że poza niejako naturalnymi zastosowaniami, jak
wizualizacja czy oświetlenie, może być ono wykorzystywane do pomiaru praktycznie wszystkich właściwości maszyny. Ze względu na
dużą odporność na zakłócenia zewnętrzne i możliwość miniaturyzacji
rysuje to szerokie perspektywy powszechnego wykorzystywania
czujników optycznych w przyszłości.
Słowa kluczowe: promieniowanie optyczne, badania maszyn elektrycznych
1. WSTĘP
Promieniowanie optyczne stanowi jedynie wąski wycinek z szerokiego
spektrum fal elektromagnetycznych wykorzystywanych przez człowieka. Pod
tym pojęciem rozumiane jest promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie
widzialne i promieniowanie podczerwone. Razem obejmuje ono zakres długości
fali od 1 nm do 1 mm. O ile wykorzystanie pozostałych rodzajów fal elektromag-
dr inż. Jarosław ZADROŻNY
e-mail:[email protected]
Instytut Elektrotechniki
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 228, 2006
350
J. Zadrożny
netycznych w elektrotechnice, w tym w maszyna elektrycznych, nie budzi żadnych wątpliwości, to zastosowanie promieniowania optycznego najczęściej
kojarzone jest jedynie z badaniami materiałowymi.
Tymczasem w praktyce zakres zastosowania promieniowania optycznego w badaniach małych maszyn elektrycznych jest już bardzo szeroki, począwszy od badań podczas procesu produkcji, a na badaniach właściwości
i badaniach diagnostycznych kończąc. Poza oczywistymi zastosowaniami do
oględzin i oświetlenia – tu ciekawymi rozwiązaniami są mini- i mikro-kamery
oraz endoskopy – powszechnie wykorzystuje się promieniowanie optyczne do
pomiaru drgań, hałasu, temperatury, prędkości i momentu obrotowego, a także
indukcji magnetycznej oraz do identyfikacji materiałów. W diagnostyce rozpowszechniona jest analiza drgań i hałasu oraz badania endoskopowe i defektoskopia.
2. WIZUALIZACJA I OŚWIETLENIE
Zastosowaniami najbardziej naturalnymi są wizualizacja i oświetlenie.
O ile bezpośrednie wykorzystanie oka sprowadza się jedynie do oględzin, to
wsparcie za pomocą mini- i mikro-kamer lub endoskopów pozwala obserwować
niedstępne normalnie elementy maszyny, także podczas jej pracy.
Postęp w technologii wykonania kamer elektronicznych spowodował taką
ich miniaturyzację, że możliwe jest umieszczenie kamery w tak małych obszarach jak szczelina między wirnikiem a stojanem maszyny.
Rys. 1. Przykład mikrokamer
Możliwości wykorzystania promieniowania optycznego w badaniach ...
351
3. POMIAR HAŁASU I DRGAŃ
Przy pomiarach drgań i hałasów przede wszystkim wykorzystuje się promień lasera. Skoligowany promień lasera emitowany w kierunku badanego obiektu odbija się od drgającej powierzchni, co powoduje modulowanie powracającej fali.
Rys. 2. Zasada działania mikrofonu laserowego
Na tej zasadzie działają zarówno mikrofony optyczne jak i czujniki drgań.
Jako czujniki drgań są też często stosowane mikro–lustra, zaliczane do mikroukładów mechatronicznych (MEMS).
352
J. Zadrożny
4. POMIAR TEMPERATURY
W pomiarach temperatury przede wszystkim są wykorzystywane pirometry. Optyczny pomiar temperatury pozwala mierzyć temperaturę elementów
trudno dostępnych, skrytych pod wszelkimi osłonami, a także temperaturę elementów wirujących podczas ich normalnej pracy.
Rys.3. Przykład pirometrycznego miernika temperatury
5. POMIAR PRĘDKOŚCI I MOMENTU OBROTOWEGO
W pomiarach prędkości obrotowej przede wszystkim są wykorzystywane
wszelkiego rodzaju tarcze z naniesioną podziałką lub wałki z elementami odbijającymi. Pomiar prędkości może być przy tym wykonywany na zasadzie pomiaru liczby impulsów w zadanym czasie (częstotliwości) lub pomiaru czasu pomiędzy kolejnymi impulsami (okresu).
Ciekawym i oryginalnym pomysłem jest fotooptyczny pomiar kata skręcenia wałka skrętnego wykorzystywanego do pomiaru momentu obrotowego.
Możliwości wykorzystania promieniowania optycznego w badaniach ...
353
b)
a)
c)
Rys. 4. Zasada działania fotooptycznego miernika momentu [1]
Ciekawym, jeszcze nie wykorzystywanym powszechnie zjawiskiem, jest
zjawisko piezooptyczne występujące w światłowodach. Wpływ siły ściskającej
lub skręcającej światłowód na jego właściwości optyczne daje szerokie możliwości zastosowań.
a)
a)
b)
b)
Rys. 5. Rodzaje występowania efektu piezooptycznego:
a) przy ściskaniu, b) przy skręcaniu
6. POMIAR INDUKCJI MAGNETYCZNEJ
W pomiarach indukcji jest wykorzystywane zjawisko magnetooptyczne
Faraday’a. Polega ono na skręceniu płaszczyzny polaryzacji spolaryzowanego
światła pod wpływem pola magnetycznego. Zależność kąta skręcenie jest wprost
proporcjonalna do wartości indukcji.
354
J. Zadrożny
ϕ
l
Rys. 6. Efekt Faraday’a wykorzystywany do pomiaru wartości indukcji magnetycznej
7. PERSPEKTYWY
Postęp technologii mikrooptyki, zwłaszcza światłowodów i przetworników
MEMS skłania do stwierdzenia, że w najbliższych latach nastąpi gwałtowny
rozwój specjalistycznych przyrządów pomiarowych pozwalających na lepsze
poznanie zjawisk wewnątrz małych maszyn elektrycznych oraz dających możliwości bieżącej, bezinwazyjnej diagnostyki podczas pracy.
Odzwierciedleniem tego SA zarówno pojawiające się prace o charakterze naukowo-badawczym, jak i pojawiające się w ofertach firma opracowania
nowych przyrządów pomiarowych.
LITERATURA
1. Bodnicki M., Sakowicz P.: Rozwój konstrukcji momentomierzy obrotowych typu OPM
przeznaczonych do badania układów napędowych techniki precyzyjnej. IX Sympozjum
„Mikromaszyny i Serwonapędy MiS’94”, Kraków - Przegorzały, 5-9.09.1994, s. 139-148
2. http://www.polytec.com/
3. http://www.sennheiser.de/
Rękopis dostarczono, dnia 13.09.2006 r.
Możliwości wykorzystania promieniowania optycznego w badaniach ...
POSSIBILITIES OF OPTICAL RAYS APLICATION
IN THE SMALL ELECTRICAL MOTORS TESTING
J. ZADROŻNY
ABSTRACT
In the practice the range of application of optical
rays in small electrical machines testing is underestimated. It turns
out that beyond natural uses like visualization or lighting, it can be
used to measure practically all machine features. Because of high
immunity to external disturbances and possibility of miniaturization
there are wide perspectives to common use of optical sensors in the
future.
Dr inż. Jarosław Zadrożny ukończył studia na Wydziale Elektroniki Politechnik Warszawskiej w 1986 roku (specjalność: automatyka). W 1985 roku rozpoczął pracę w Instytucie
Elektrotechniki w Warszawie, zajmując się przede wszystkim badaniami małych maszyn elektrycznych oraz symulacją komputerową występujących w nich zjawisk fizycznych. W 1999 roku
obronił pracę doktorską w Instytucie Elektrotechniki. Ukończył
w 2000 r. podyplomowe studia menedżerskie MBA.
Obecnie jest Pełnomocnikiem Dyrektora Instytutu Elektrotechniki ds. Jakości.
355