Využití „akustických“ kamer pro prediktivní údržbu  

Obrázek 1: Detekce částečných výbojů pomocí jednobodového detektoru a parabolické antény [4] Obrázek 1: Detekce částečných výbojů pomocí jednobodového detektoru a parabolické antény [4]

Metoda akustické emise (AE) je poměrně standardní diagnostickou metodou využívanou v oblasti NDT, vědy a výzkumu, ale i v oblasti prediktivní údržby. Používají se jak kontaktní, tak bezkontaktní metody. V tomto materiálu budou představeny možné aplikace tzv. akustických kamer pro oblast prediktivní údržby, respektive jejich aplikace na detekci poruchových stavů ve dvou různých oblastech.

Use of “acoustic” cameras for predictive maintenance

Diagnostic method of acoustic emission is pretty common diagnostic method used in NDT, RD but in the area of predictive maintenance too.  This method can use contact and non-contact sensors. In this materials authors would introduce possible application of, so called „acousticcameras“ in the predictive maintenance area, respectively its application in two different application areas.

Úvod

Metoda akustické emise je dlouhodobě užívána v širokém spektru diagnostických činností a je standardně aplikována na široké spektrum prvků. Běžně se využívá jak pro monitoring, tak pro testování, a to nejen v oblasti točivých strojů, ale například i v materiálovém výzkumu.

Kontaktní měření

Metoda je založena na snímání elastického vlnění, které vzniká v důsledku dynamických procesů objevujících se v materiálu při jeho zatěžování vnitřními nebo vnějšími silami. Technika AE umožňuje sledovat kumulaci poškození, průběh plastické deformace, iniciaci a šíření trhlin, různé fázové transformace, korozní děje, ale např. i proudění tekutin apod. Vzniklé mechanické vlnění je snímáno na povrchu sledovaných vzorků a konstrukcí pomocí různých typů snímačů AE, v nichž je transformováno na elektrický signál. Běžná zařízení pro sledování AE využívají piezoelektrické snímače, které pracují v oblasti od desítek až stovek kHz až po malé jednotky MHz. Tyto prvky snímají povrchové vlny a společně s různými zesilovači a filtry vytvářejí elektrický signál, který je nositelem informací o dějích probíhajících v zatěžovaném materiálu.

Akustická emise je tedy velmi univerzální metodou NDT pro mnoho průmyslových odvětví:

  • tlakové testy nádrží, zásobníků a potrubí,
  • příprava zatěžovacích měření,
  • vznik, vývoj a šíření trhlin,
  • systém pro detekci úniků,
  • monitorování koroze,
  • detekce výbojů v olejových transformátorech,
  • kontrola kvality ve výrobě,
  • delaminace v kompozitních materiálech a betonech,
  • kontrola výrobních procesů (svařování, obrábění, sledování laseru nebo vodního paprsku, fermentační procesy, sušení dřeva),
  • diagnostika rotačních strojů (ložiska, převody),
  • diagnostika vn a vvn vypínačů.

V naprosté většině případů je nutno používat kontaktní snímače, což je vhodné z pohledu monitorovacích systémů, avšak z hlediska prediktivní údržby či v případě nutnosti kontroly velkého množství prvků se právě z instalace snímačů stává časově omezující úkon. Na druhou stranu je zapotřebí zohlednit fakt, že právě fyzické umístění a připevnění kontaktních snímačů umožňuje mít kontrolu i nad geometrickým šířením signálu či jeho útlumem.

Bezkontaktní měření

Samostatnou kapitolou je snímání akustické emise bezkontaktně, tj. pomocí mikrofonů či jejich sestav. Na jednu stranu odstraňuje problémy s instalací senzorů na snímaný prvek, na druhou stranu je zapotřebí vzít v potaz faktory, jako je odraz akustického signálu, případně interpolace signálů z více zdrojů.

Jednobodové bezkontaktní senzory

Relativně často jsou používány v oblasti prediktivní údržby samostatné (jednotlivé senzory) vybavené doplňky pro koncentraci signálu, ať už se jedná o trychtýře, či parabolické antény. Takovéto řešení se obvykle používá na delší jevy, jako jsou např.:

  • mechanické tření,
  • periodicky se opakující výbojová aktivita,
  • úniky stlačených plynů, například vzduchu.

Toto řešení se obvykle nepoužívá na sledování strukturálních změn materiálu, konstrukcí nebo prvků, neboť se jedná o velmi rychlé jevy vyžadující vysokou vzorkovací frekvenci ve stovkách kHz až jednotkách MHz, kde se jeví jako výhodnější použití kontaktních senzorů. Stejně tak je zapotřebí vzít v potaz, v případě bezkontaktních systémů, i kvantifikaci signálu. Vzhledem k tomu, že akustický signál se šíří vzduchem, je obvyklá kvantifikace v dB, avšak při šíření signálu dochází k jeho útlumu v závislosti na vzdálenosti, vlhkosti a teplotě atmosféry, případně na konkrétní frekvenci emitovaného signálu.

V případě jednotlivých senzorů, byť doplněných o trychtýře či parabolické antény (viz obr. 1), je nutno zohlednit směrovou selektivitu řešení. Pokud je prostorový úhel (můžeme si ho pro jednoduchost představit jako zorné pole) příliš široký, znamená to horší vyhledání konkrétního zdroje akustického signálu, případně určení, zdali se jedná o zdroj skutečný nebo zdánlivý, tzn. odraz skutečného zdroje. Opačný případ nastává za situace, kdy je směrová charakteristika úzká, což sice umožňuje lepší a jednodušší určení místa emise signálu, avšak současně vyžaduje nutnost detailního prozkoumání celé oblasti, přičemž problematika odražených signálů zůstává identická, stejně jako v případě senzorů se širším prostorovým úhlem. Pokud je jev ve větší vzdálenosti, nastává i riziko špatného určení zdroje.

Vícebodové bezkontaktní systémy – akustické kamery

Akustickými kamerami se obvykle nazývají sestavy složené z většího množství jednotlivých senzorů (mikrofonů) doplněných o vizuální kameru, přičemž signály/záznam z obou zdrojů jsou následně překryty a je vytvořena akustická mapa na pozadí viditelného snímku. Takové řešení umožňuje nejen přehled o zdrojích signálu a jejich umístění, tzn. jejich lokalizaci, ale i výrazné usnadnění prezentace výsledku. Za akustickou kameru tedy nelze považovat řešení, kdy je obraz vizuální kamery doplněn signálem (hodnotou) jednoho akustického senzoru.

Fixní aplikace

EkolaObrázek 2: Fixní aplikace

Až do nedávné minulosti se obvykle jednalo o poměrně rozsáhlé systémy (včetně řídicí jednotky, event. PC) určené pro stacionární aplikace, tzn. umístění na jednom místě, případně statické sledování konkrétního objektu v laboratoři. Příklad takové aplikace můžete nalézt na obrázku 2 ze zdroje [2]. Tyto systémy na jednu stranu umožňují vysokou přesnost a frekvenční rozsah daného měření, ale současně právě koncepce uspořádání je limitujícím faktorem pro účely prediktivní údržby nebo pochůzkové kontroly zařízení.

Mobilní systémy

Pokud se jedná o požadavky na pochůzkovou kontrolu, můžeme mezi vhodné aplikace zahrnout následující jevy:

  • mechanické tření,
  • výbojovou aktivitu,
  • úniky stlačeného vzduchu.

Podmínkou je vždy mobilita řešení, jež umožňuje právě snadnou přemístitelnost, respektive flexibilitu příslušného pracovníka při vyhledávání poruchových jevů a tím snadnou kontrolu širokého spektra a množství prvků. V následujících částech budou popsány aplikace určené k detekci výbojové aktivity a úniků stlačeného vzduchu. Aplikace zahrnující mechanické tření není opomenuta, ale není rozebrána podrobněji vzhledem k nedostatečnému množství dat, která na dané aplikaci autoři pořídili.

Detekce výbojové aktivity

Detekce výbojové aktivity, respektive částečných výbojů, umožňuje detekovat prvky, u nichž dochází k tvorbě tohoto jevu. Jedná se hlavně o následující příčiny:

  • selhání izolačního systému,
  • přetěžování izolačního systému,
  • chybu v konstrukčním návrhu prvku,
  • nedostatky při výrobě nebo instalaci.

Samotná detekce jevu nemusí být dostačující pro určení jeho podstaty, proto je vizuální informaci vhodné doplnit o rozložení výbojové aktivity vůči periodě excitačního zdroje (obvykle napětí), dále o průběh signálu, FFT analýzu, případně analýzu spektra signálu.  

TD17 1Obrázek 3: Detekce výbojové aktivity v transformovně vvn a zvn akustickou kamerou

Na předchozí skupině obrázků (obr. 3) je uveden příklad výbojové aktivity mezi komponenty, včetně rozložení aktivity vůči sinusovému průběhu signálu. Podstatná není pouze intenzita jevu (v tomto případě vyjádřená v dB), ale právě průběh detekovaného signálu. Pokud bychom mu chtěli lépe porozumět, můžeme vycházet z následujícího grafu popisujícího závislost odezvy na průběhu napětí:

charakteristikaObrázek 4: Průběh výbojové aktivity v závislosti na typu příčiny

Jedná se o znázornění průběhů odezvy na aktuálním defektu a jeho úrovně v pC. I když jde v tomto případě o akustickou detekci, nikoli elektrickou, je možno tyto průběhy úspěšně aplikovat i na naměřený akustický signál. Kvantifikace v případě akustické detekce je prováděna v dB. Tuto hodnotu je možno za znalosti okolních podmínek (teplota, vlhkost, vzdálenost, případně frekvence) převést na údaj v pC, avšak tento převod je v terénních podmínkách komplikovaný a vzniká riziko zavedení značné nejistoty do výsledné hodnoty. Grafické znázornění je na obrázku 4.

Pro určení typu poruchy je též možno použít obdobnou formu vyjádření závislosti výbojové aktivity na průběhu signálu; jde o Lissajousovy charakteristiky uvedené na následujícím obrázku (obr. 5):

lissajousObrázek 5: Lissajousovy charakteristiky [3]

Platí, že i když jsou tyto charakteristiky obvykle používány pouze pro metody, při nichž je detekce výbojové aktivity prováděna na elektrickém principu, je možno je s úspěchem použít i pro detekci akustickou. Na základě těchto charakteristik uvedených na obrázku 5 je tedy možno poměrně spolehlivě usuzovat na charakter a příčinu jevu a tím i na možný rozsah nápravných opatření. Stejně tak důležité je rovněž frekvenční rozložení odezvy daného signálu.

Detekci výbojů je možno provádět nejen na venkovních prvcích distribuce a přenosu elektrické energie (AIS), ale i na prvcích vn, jako jsou rozváděče, kabely (povrchové jevy), ale například i vinutí elektrických strojů, jako jsou motory či generátory, viz následující příklad:

5 generalObrázek 6: Výbojová aktivita na statoru točivého stroje – generátor

V tomto případě (obr. 6) se jedná o ukázku z napěťové zkoušky generátoru s naprosto jednoznačnou lokalizací místa vzniku výbojové aktivity, tj. na horní straně statorových tyčí. Takovéto měření (platí přeneseně nejen pro vinutí generátorů, ale též pro motory) umožní určit místa, v nichž je například zeslabena protikoronová ochrana, ať již degradací, či nedodrženými technologickými postupy, případně jevy způsobenými propojením jednotlivých statorových tyčí.

Mezi přednosti v porovnání s obdobnými metodami patří nejen jednoznačné určení místa, ale současně i kvantifikace jevu, zachycení průběhu signálu pro následnou analýzu a současně i schopnost detekovat nejen induktivní, ale i kapacitní výboje.

Pokud bychom detekci částečných výbojů v akustickém spektru chtěli dát do souvislosti s vizualizací jevů v UV nebo IR (v infračerveném spektru), je potřeba vždy vzít v potaz fyzikální podstatu jevu jako takového.

V UV spektru můžeme zobrazovat ionizované molekuly dusíku v okolní atmosféře; tato ionizace je způsobena překročením limitního napěťového gradientu, který bývá udáván obvykle jako 2 kV/mm. Stejně jako v akustickém spektru je potřebná přímá viditelnost zdroje, nelze však využít principu odrazu akustického signálu v případě potřeby diagnostiky prostor, které nejsou přímo viditelné. Je třeba si též uvědomit, že v UV spektru nejsou zobrazitelné kapacitní výboje. Z hlediska vypovídací schopnosti je možno akustické kamery považovat za substitut k vizualizaci v UV spektru.

Co se týče porovnání s vizualizací jevů v IR spektru, je nutno vyjít z podstaty jevu v oblasti elektrických prvků a strojů. Naprostá většina tepelných jevů v souvislosti s touto oblastí je způsobena přechodovými odpory, zatímco ostatní jevy či mechanismy poruch/degradací (svodiče přepětí, degradace průchodek, magnetizace vinutí rotačních strojů) je možno považovat za jevy s minoritním výskytem v porovnání s přechodovými odpory z předchozí části. Procentuální podíl není možno odhadnout; ten značně závisí na specializaci diagnostika, napěťové úrovni a struktuře elektrických prvků, která je brána v potaz při statistickém zpracování.

Za určitých okolností jsou částečné výboje doprovázeny tepelným jevem o velikosti detekovatelné termokamerami pro oblast prediktivní diagnostiky a údržby. Vždy záleží na intenzitě jevu a jeho lokalizaci v rámci elektrického prvku.

TD19 1Obrázek 6: Současné zobrazení výbojové aktivity v akustickém a tepelném spektru

Jak je uvedeno na předchozím obrázku (kabelová koncovka 110 kV, obr. 6), je možno poruchový jev vidět jak v akustické oblasti, tak v IR spektru. Nicméně je potřeba dodat, že tento příklad není zcela typický. Například zdroje CIGRE uvádějí, že pokud se částečný výboj začne projevovat signifikantní teplotní změnou, jež bude spolehlivě detekovatelná termokamerou, lze dobu do poruchy předpokládat v řádu hodin, případně několika dnů. Zobrazení v infračerveném spektru lze tedy považovat pouze za verifikaci nálezu, nikoli za vhodnou detekční metodou jako takovou. Vzhledem k předpokládané délce období rozvoje poruchy není možno naplánovat nápravné opatření s dostatečným předstihem, stejně tak periody kontrol definované ŘPÚ či jinými lokálními předpisy počítají s časovými intervaly, které nezaručují spolehlivou detekci rozvíjejícího se jevu. Případné nasazení monitoringu je komplikované požadavky na geometrické rozlišení a dostatečnou citlivost senzorů.

Možnost současného zobrazení fázového rozložení akustického jevu je předností nejen v souvislosti s kvantifikací a identifikací detekovaného jevu, ale paradoxně i jako nástroj na vyloučení falešné pozitivity nálezu. Tento aspekt je použit jako poslední příklad v pasáži věnované částečným výbojům. Na následujícím příkladu (obr. 7) je možno názorně ilustrovat tuto situaci.

Transformer falseObrázek 7: Příklad akustického projevu nezpůsobeného částečnými výboji

Na výše uvedeném záznamu je možno rozeznat zdánlivě aktivní zdroj v místě, kde by mohlo k výbojové aktivitě docházet, a mohla by naznačovat výbojovou aktivitu v oblasti připojení průchodky na nádobu transformátoru. Současně se jedná o místo poměrně obtížně přístupné, obzvlášť pokud je stroj pod napětím. Pokud však analyzujeme rozložení „událostí“ vůči periodě napětí, zkušený diagnostik rozpozná, že se jedná o mechanické vibrace, nikoli výbojovou aktivitu.

Právě fázové rozložení umožňuje vytvoření kvalitního diagnostického závěru nejen vzhledem k vyloučení falešně pozitivních nálezů, ale zejména vzhledem k určení charakteru případných jevů a tím i k zefektivnění nápravných opatření.

Detekce netěsností tlakových rozvodů

V případě tlakových rozvodů se jedná o klasickou aplikaci v oblasti prediktivní údržby. Některé zdroje uvádějí obvyklé ztráty v tlakových rozvodech (například stlačený vzduch) v rozmezí 15–30 %. Tyto ztráty mají za následek nejen nadměrný provoz kompresorů (spojený se zvýšenou spotřebou), ale i jejich zvýšené opotřebení a nadměrné spotřebovávání zbytkové životnosti. Současně je možno brát v potaz i snížení tlaku v soustavě, případně jeho nedostatečnou úroveň v místě upotřebení.

S netěsnostmi se můžeme setkat nejen na ventilech či spojkách vedení, ale v některých případech se setkáváme i s netěsnostmi materiálu rozvodu jako takového, i když tyto případy jsou méně časté než právě zmiňované spojky a ventily. Ukázka detekce úniku je na následujícím obrázku (obr. 8):

6 leak quantifObrázek 8: Ukázka netěsnosti rozvodu stlačeného vzduchu včetně kvantifikace

V tomto případě je možno nejen jednoznačně lokalizovat místo úniku, ale současně, a to po zadání vzdálenosti mezi akustickou kamerou a lokalizovaným místem (případně doplněním o teplotu atmosféry a relativní vlhkost), kvantifikovat množství vzduchu unikajícího netěsností a po zadání jednotkových cen i finančně ocenit každý jednotlivý únik. Stejně jako v případě částečných výbojů je možno provést detailní analýzu průběhu akustického signálu, ať již pomocí časového průběhu, FFT či analýzy spektra signálu. Za hlavní přínos je ale možno považovat přesnou lokalizaci úniku a jeho kvantifikaci, což umožňuje managementu rozhodnout o efektivním nasazení nápravných opatření, včetně určení jejich priorit. Výše uvedený způsob diagnostiky je též zcela v souladu s ISO 50001.

Vzhledem ke korekci vlivu vzdálenosti je možno takovéto kamery využívat i pro poněkud odlišnou aplikaci. Určité technologie vyžadují simultánní průtok stlačeného vzduchu ze sady trysek o identickém množství (průtoku). Pomocí akustických kamer je možno tyto trysky bezdemontážně sledovat a korigovat naměřené hodnoty o vzdálenost.

Aplikace je vhodná nejen pro detekci úniku stlačeného vzduchu, ale obecně pro úniky stlačených plynů jako takových. Příkladem mohou být měření (obr. 9) na následujících záznamech. Médiem byl v tomto případě zemní plyn. V prvním případě byla nalezena netěsnost na šroubení, v případě druhém únik netěsnící maznicí. Úniky byly v obou případech následně verifikovány laserovým detektorem koncentrace plynu, přičemž koncentrace v těsné blízkosti místa úniku se pohybovala v řádech desítek ppm.

TD20 1Obrázek 9: Úniky zemního plynu (vlevo šroubení, vpravo maznice)

Tyto experimenty potvrdily aplikovatelnost metody i pro jiná stlačená plynná média, než je vzduch. Pro tato média je potřeba provést individuální korekci parametrů kvantifikace objemového množství a ceny úniku, což kvalitní kamery umožňují, případně mají tato nastavení uložena.

Pokud bychom porovnali se stávajícími metodami, v úvahu pro porovnání připadají termokamery adaptované na vizualizaci úniku plynů (souhrnně nazývané OGI – optical gas imaging). Jedná se o termokamery osazené spektrálními filtry, jež umožňují zobrazení (a v některých případech i kvantifikaci koncentrace) úniku konkrétního plynu. Tyto kamery zobrazují plyn na základě faktu, že některé plyny jsou v daném úzkém spektrálním pásmu (šířka pásma obvykle v malých desetinách µm) netransparentní, případně méně transparentní než okolní atmosféra. Spektrální pásmo filtru je zvoleno s ohledem na konkrétní plyn, případně skupinu plynů, přičemž právě toto spektrální pásmo je zcela klíčové, neboť jeho posun byť o jednotlivé desetiny µm často dramaticky ovlivňuje citlivost systému i pro zdánlivě blízké skupiny plynů, jako jsou například jednoduché a složité uhlovodíky. Pro konkrétní plyny je tedy třeba mít kameru s vhodným spektrálním filtrem; neexistuje jedna univerzální kamera. V některých případech je možno setkat se s koncepcí, kdy je spektrální filtr pevně zabudován, což je v porovnání se systémy umožňujícími výměnu spektrálního filtru uživatelem v terénu nevýhodou, která ve finále omezuje citlivost a aplikovatelnost takovýchto systémů. Současně je nutno vzít v úvahu, že některé plyny (například H2 /vodík/) jsou v infračerveném spektru transparentní a nejsou zobrazitelné před přidáním dostatečných příměsí, což je v mnoha případech neakceptovatelné a nepoužitelné. Stejně tak pokud by se jednalo o vizualizaci úniku stlačeného vzduchu – tam se nedá použít ani termografie jako taková, neboť potrubí a elementy vedoucí stlačený vzduch jsou často z materiálů s vysoce reflexními povrchy, takže kvantifikace teplotní diference je prakticky nemožná.

Pokud bychom tedy měli porovnat systémy OGI s akustickými kamerami, oba z přístupů mají své přednosti. Systémy OGI nemusejí vidět přímo místo úniku, je možné zobrazit unikající plyn za předpokladu, že je použit systém s vhodným spektrálním filtrem. Akustické kamery by měly mít v zorném poli místo úniku, i když velmi často je možné využít odrazu akustického signálu od okolních struktur. Stejně tak akustické kamery nejsou závislé na konkrétním médiu. Investiční náklady na akustickou kameru v porovnání s OGI jsou výrazně ve prospěch kamer akustických.

Detekce mechanického tření

V této oblasti, jak bylo uvedeno výše, nemají autoři prozatím dostatek relevantních měření. Autorům nepřišlo vhodné prezentovat převzaté výsledky, avšak hodlají se této oblasti ve spolupráci s experty věnovat v budoucnu.

Shrnutí

Použití akustických kamer pro oblast prediktivní údržby je posunem nejen z hlediska vypovídací schopnosti, ale hlavně s ohledem na přesnou lokalizaci místa, možnost analýzy poruchy, ale též pro předložení srozumitelné informace managementu, který nemusí být zběhlý v jiných diagnostických metodách, avšak je schopen dobře pochopit grafickou informaci. Současně tento přístup umožňuje přechod z periodicky orientované údržby na údržbu stavově orientovanou, včetně definice priorit a rizik v rámci asset managementu.

Literatura

[1]        Diagnostika metodou akustické emise. Nejčtenější strojírenský časopis - MM spektrum [online]. Copyright © 2020 www.mmspektrum.com [cit. 08.05.2020]. Dostupné z: https://www.mmspektrum.com/clanek/diagnostika-metodou-akusticke-emise.html

[2]        Měření hluku, vibrací, osvětlení, prašnosti, EIA/SEA, IPPC - EKOLA group, spol. s r.o. [online]. Copyright © [cit. 08.05.2020]. Dostupné z: http://www.ekolagroup.cz/data/files/page/big/1/f4f3991e8ba5620230b6f372359503ed.jpg

[3]        ZÁLIŠ, Karel. Částečné výboje v izolačních systémech elektrických strojů. Praha: Academia, 2005. Česká matice technická (Academia). ISBN 80-200-1358-X.

[4]        Partial Discharge Solutions | EA Technology [online]. Copyright © [cit. 08.05.2020]. Dostupné z: https://www.eatechnology.com/engineering-products/partial-discharge-solutions

[5]        Makingsenseofsound - NL Acoustics. Makingsenseofsound - NL Acoustics [online]. Copyright © [cit. 08.05.2020]. Dostupné z: https://nlacoustics.com/

[6]        Akustická kamera NL Acoustics - TMV SS. TMV SS [online]. Copyright © [cit. 08.05.2020]. Dostupné z: https://www.tmvss.cz/vyrobci/tmv-ss/akusticka-kamera-nl-acoustics

[7]        Měření provedená TMV SS

Autoři: Ing. Václav Straka, Ing. Antonín Krňoul, Pavel Petráň
TMV SS, s. r. o.
Studánková 395, Praha 4
Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.

Recenzent: Ing. Daniel Zuth, Ph.D., VUT v Brně; osoba certifikovaná na funkci Technik diagnostik termografie – Kategorie I 

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz