Mechanical engineering | Maintenance » Termográfia alkalmazása mechatronikai szerkezetek állapotvizsgálatában

TERMOGRÁFIA ALKALMAZÁSA MECHATRONIKAI SZERKEZETEK ÁLLAPOTVIZSGÁLATÁBAN Szabó József Zoltán Főiskolai adjunktus BMF Bánki Donát Gépészmérnöki Főiskolai Kar Gépészeti és Rendszertechnikai Intézet Az előadás tartalama 1. Bevezető 2. Karbantartás és diagnosztika 3. Az infravörös sugárzáson alapuló hőmérséklet mérés fizikai alapjai 4. A hősugárzás törvényszerűségei 5. Valós mérési körülmények, a termográfia méréstechnikai problémáinak áttekintése 6. Infravörös sugárzást mérő és képalkotó eszközök felépítése és jellemzői 7. Termográfiai felvételek kiértékelése 8. Gépek műszaki állapotának megállapítása hőképek elemzése alapján (esettanulmányok) 9. A termográfia egyéb alkalmazási területei 10. Műszer és szoftver bemutató Bevezető • Amint egy berendezést üzembe állítunk azonnal elkezdődnek azok a folyamatok, melyek a gépet még szakszerű, előírás szerinti üzemeltetés esetén

is egész további élettartama alatt károsítják. • Ez természetesen a mechatronikai szerkezetekre éppúgy igaz, mint a többi termelő berendezésre • Az alkatrészek elhasználódásának, kopásának legmeghatározóbb eleme a súrlódás, melyet csökkenteni ugyan tudunk, kiküszöbölni azonban nem. • A koptató erők (mechanikai terhelés és súrlódás) hatására az egymással érintkező felületekről apró anyagrészecskék válnak le, melyek növelik a súrlódást. • Ez már a kopás kezdetén hőfejlődéssel jár, a későbbiekben pedig az alkatrészek méret és tömegváltozásában nyilvánul meg. • A melegedési, súrlódási helyek, a gép belsejében fejlődő hő az alkatrészek felszínén jut ki a szabadba, így a súrlódási helyek jól kimutathatók a termovíziós technika segítségével. Előre nem tervezhető Előre tervezhető KARBANTARTÁSI STRATÉGIÁK Hibajavító karbantartás Megelőző karbantartás vagy gyógyító

karbantartás rendszeres (tervszerű megelőző) karbantartás vagy működési időn alapuló karbantartás álapottól függő karbantartás vagy előrejelző karbantartás melyet üzemzavar esetén végeznek amelyet szabályos időközönként (naptári idő, üzemeltetési idő) végeznek javítás csak hiba esetén, ha üzemzavar bekövetkezése várható gondozás felülvizsgálat elemek cseréje műszeres állapotfigyelés teljes felújítás - hibák korai meghatározása - nincs előrejelzés - kieső termelés - gépkárosodás - nagy költségek - jól tervezhető - csökkenti az üzemzavarok számát - alkatrészeket feleslegesen is cserélnek - nagy költségek - hibák bekövetkezésének előrejelzése - gépkihasználás növelése - alkatrészek élettartamának kihaszn. - csökk. a karbantartás okozta hibák A műszaki diagnosztika fogalma, felosztása • A műszaki diagnosztika műszerek és mérőeszközök segítségével – a gép lényeges

megbontása nélkül – lehetőleg üzemi körülmények között (terhelés alatt) a mérhető jelekből hatásokból következtet a gép jelenlegi állapotára, illetve várható viselkedésére. • A diagnosztika kiterjedhet a gép funkcionális működőképességi ellenőrzésére valamint egy adott berendezés bizonyos alkatrészeinek hiba megállapítására. A műszaki rendszerek és berendezések vizsgálatával, állapotuk meghatározásával kapcsolatban háromféle feladat tűzhető ki: a) Múltbeli állapot felderítése, b) A jelenlegi állapot meghatározása, c) A rendszer, a gép jövőjére vonatkozó előrejelzés. Hibaeredet GENEZIS múlt Jelenlegi állapot Várható meghibásodás DIAGNOSZTIKA PROGNOSZTIKA jelen jövő Tremográfiai vizsgálatok Az infravörös sugárzás mérésének fizikai alapelvei • Az infravörös sugárzáson alapuló hőmérsékletmérés, Vagyis a termográfia és távhőmérés (érintésmentes

hőmérsékletmérés, A fehérlézeres fény célzómegvilágítás spektruma miatt gyakran amelyet az alkalmazott tévesen lézeres hőmérésnek neveznek azt a fizikai jelenséget használja fel, hogy az abszolút nulla K hőmérséklet (-273,15 C) felett a testek elektromágneses hullámokat bocsátanak ki, így például rádióhullámokat, fényt, illetve hő(sugárzás)t. • • Planck - törvénye Minden anyag, amelynek hõmérséklete az abszolút 0° fölött van, a környező térbe elekromágneses sugárzást bocsát ki, és ezzel energiát ad le. Valamely test elektromágneses sugárzásának energiatartalma nem azonos minden hullámhosszon, hanem az a hullámhossz és a sugárzó test T hõmérsékletének a függvénye Planck - törvénye • • Minél nagyobb a sugárzó anyag felszíni hőmérséklete, annál nagyobb az időegység alatt, általa kisugárzott energia mennyisége. Minél nagyobb a maximális energia tartalmat hordozó hullámhossz, annál

kisebb a sugárzó test felszíni hőmérséklete A Stefan Bolzman törvény • a törvény tehát a sugárzó testfelszín által időegység alatt kibocsátott összenergia mennyiségét adja meg. • a tárgyak által kibocsájtott teljes sugárzás mértéke kiszámítható a spektrális sugárzási intenzitás összes hullámhosszra történő összegzéséből (integrálásából). A Wien- összefüggés és parabola • Minél alacsonyabb a mért tárgy hőmérséklete, annál jobban tolódik el a sugárzási maximum a hosszabb hullámhosszak irányába. Szobahőmérséklet közelében ez 10 µm körüli érték Az érintésmentes hőmérséklet mérés elvi ábrája • Az érintésmentes hőmérésnél figyelembe kell venni a hőmérsékletmérési eljárás fizikai alapokból adódó sajátosságait: • egyrészt optikai mérési módszerről van szó, tehát a mérési objektumnak láthatónak kell lennie a mérőkészülék felől; • másrészt a mérési

elrendezés két kulcseleme (tárgy és mérőműszer tulajdonságai) mellett döntő szerepet játszanak a mérésnél a mérési útszakasz jellemzői és állapota, valamint a sugárforrás(ok) esetleges jelenléte az elő-, illetve a háttérben is • a mérés alapját képező infravörös sugárzásnak valamilyen közegen keresztül kell áthaladnia a mérendő tárgytól a mérőberendezésig, a közeg infravörös-tartományú viselkedése (karakterisztikája) természetesen befolyásolja a mérést A levegő mint átviteli közeg • • A legtöbb esetben az átviteli közeg a levegő. A levegő esetében az infravörös sugárzás átvitelére hatással van a benne lévő vízpára és a széndioxid, tehát közvetve a levegő szennyezettsége és hőmérséklete is befolyásolja a mérést!) A levegő átviteli tulajdonsága nagymértékben függ a hullámhossztól. A nagy átvitel veszteséggel jellemzett tartományok szomszédságában jó átviteli képességű

(satírozott) tartományok Is megfigyelhetők. Az utóbbiakat atmoszférikus ablaknak is szokás nevezni. Míg az átviteli tényező a 814 µm tartományban az ún. hosszúhullámú atmoszférikus ablakban - szinte tökéletes átvitelt biztosít akár nagy távolságokra is, a 3. 5 µm tartományban - az ún. rövidhullámú atmoszférikus ablakban - az atmoszféra mérhető veszteségeket okoz már néhányszor tízméteres távolságok esetén is. Összefüggés az emisszió, az abszorpció, a reflexió és a transzmisszió között • • A hősugárzás alapegyenlete szerint a kamerába beérkező infravörös sugarak nem csak a mérendő test által kibocsátott sugarak lehetnek, hanem a környezetben lévő hősugárzók által a mérendő testen áthaladó (átbocsátott) sugárzás, a test által visszavert sugárzás, valamint a mérendő tárgy és a kamera közötti közeg (általában levegő) átbocsátó képessége is befolyásolja a sugárzás intenzitását.

A Kirchoff-féle sugárzási törvény szerint egy test azonos hullámhosszra vonatkozó emissziós és abszorpciós tényezője azonos, ε λ =α λ • • Azaz ugyanolyan sugárzás elnyelő képességgel rendelkezik, mint amennyit kibocsátani képes. Az energia megmaradás törvényeit figyelembe véve az infravörös sugárzásra jellemző mennyiségek között az alábbi összefüggés áll fenn: ahol ε λ + τ λ + ρ λ =1 ε – az emissziós tényező, a test hősugárzás kibocsátási képessége (értéke 0 – 1), α – az abszorpciós tényező a test hősugárzás elnyelési képessége (értéke 0 – 1), τ – a transzmissziós tényező a test hősugárzás átbocsátó képessége (értéke 0 – 1), ρ – a reflexiós tényező a test hősugárzás visszaverési képessége (értéke 0 – 1). Speciális esetekben különleges képességekkel rendelkező tárgyakat különböztethetünk meg. Hősugárzási- A többi paraméter A tárgy jellemző

viselkedése A tárgy megnevezése ε=1 τ = 0, ρ = 0 Minden sugarat átereszt Fekete test (ideális sugárzó) ρ=1 ε = 0, τ = 0 Minden sugarat visszaver Ideális tükör τ=1 ε = 0, ρ = 0 Teljes mértékben sugároz Ideális ablak τ=0 ε+ρ=1 Nem engedi át a sugarat Átláthatatlan test • Látható, hogy érintésmentesen sem ideális tükrök, sem ideális ablakok nem mérhetők, mivel ezeknek nincs kibocsátott hősugárzásuk. • Ezek a testek azért fontosak a termográfiában, mert ezekből készülnek az érintésmentes hőmérők és hőkamerák alkatrészei. A mérési pontosságot befolyásoló tényezők • A mérendő tárgy emissziós tényezője: - ez elsősorban a hőmérséklettől, az anyagminőségtől, valamint a felület érdességétől függ. Ez a legfontosabb jellemző, melyet mi magunk állítunk be és amelynél a tévedés akár 20 - 100%-os hibát is okozhat. Az emissziós tényező rossz beállítása okozta hiba annál

nagyobb, minél nagyobb az eltérés a mérendő tárgy és a környezet hőmérséklete között. Szerencsére a hosszúhullámú tartományban számos nemfémes anyagot, festéket, valamint műanyag bevonatot nagy értékű, viszonylag állandó emissziós tényező jellemez. A gépészetben alkalmazott acélanyagok, illetve festékek emissziós tényezői általában ε = 0,93 – 0,98 körül vannak, a gépészeti gyakorlat számára az így beállított műszer általában megfelelő pontosságot nyújt. • Zavaró sugárzás jelenléte, visszaverődése a mérendő tárgyról: ilyen lehet pl. a napsugárzás, vagy erős hősugárzó a mérendő tárgy közelében, ami megnövelheti az érzékelő-kre jutó infravörös sugárzás mennyiségét, magasabb hőmérsékletet mérünk a valóságosnál. • Jelveszteség a kamera és a mérendő tárgy közötti útszakaszon: - Az átviteli szakasz általában a közönséges légkör, amelyen a nagyobb távolságok esetén az

infravörös sugárzást elnyelő, illetve csillapító tényezők például köd, aeroszolok, nagy koncentrációjú CO2, CO, egyéb gázok vagy vízgőz jelenléte határozzák meg a fellépő veszteségeket. Az emissziós tényező téves megadásából keletkező hiba A termográfiai rendszerek osztályozása • A termográfiai berendezés „lelke” az infravörös sugárzás detektora (hőérzékelő chip), mely a tárgy képének információját olyan villamos jellé alakítja, mely elektronikusan elemezhető. • A kereskedelmileg beszerezhető hőkamerák és a napjainkban ajánlott infravörös megjelenítő eszközök a következő képalkotó elveken alapulnak, bár nem mindegyik elv használható mindkét spektrális – a rövidhullámú (3.5) µm és a hosszúhullámú (814) µm - mérési tartomány esetén: Főbb műszertípusok : Letapogató hőkamerák • A letapogató (szkennelő) kamerák egy egyelemű (pont-) detektort használnak az

infravörös sugárzás • átalakítására, és a mérendő tárgyat mechanikus rendszerrel tapogatják le. E képalkotó módszer nagy • sebességű detektort és nagy precizitású mechanikai komponenseket igényel. Nagy előnye az összes • többi módszerrel szemben, hogy minden egyes képpont számára a jelet egyetlenegy - nagyon precízen • beállított és korrigált érzékenységi görbével rendelkező - pontdetektor alakítja át 1 detektor, 2+5 objektív 3 vízszintes eltérítő tükör 4 függőleges eltérítő tükör 6 tárgy 7 mérésfelület Mátrixdetektoros (Focal Plane Array = FPA) hőkamerák • A mátrixdetektoros hőkamera optikai sugármenete egyszerű (részei 1- detektor, hőérzékelő chip, 2 – objektív, 3 – mérendő tárgy), • Nincs szükség mechanikai kitérítőegységre, ezáltal a kamera mechanikailag egyszerűbb, kisebb méretű és könnyebb • A fő probléma azonban az, hogy a hőkép minden egyes képpontját egy-egy

egyedi érzékelő alakítja át, melynek karakterisztikája nagyon hasonlíthat a szomszédos eleméhez, de mégis mérhetően különbözik attól. • Kb. 80000 pixel azaz ennyi egyedi hőérzékelő karakterisztikáját kell egységesíteni. A pixeleken mért hőmérséklet egységesítése, kompenzálása nagymennyiségű valós idejű képfeldolgozást igényel Fontosabb készülékparaméterek • Spektrális méréstartomány : A technikailag releváns hőmérsékletek érintkezés nélküli mérésére alkalmas infravörös sugárzás hullámhossztartománya mintegy 0,8 µm-nél kezdődik és 20 µm-ig terjed. A termográfia számára szolgáló tartomány két, a 3 (esetleg 2) és 5 µm közötti, illetve a 8.14 (12) µm intervallumra korlátozódik, ami az ún. rövid-, illetve hosszúhullámú atmoszferikus ablak kihasználásából adódik. • Hőmérsékletfelbontás : - Ha a mérendő tartomány a szobahőmérséklet és a méréstartomány alsó határa közé

esik, a hőmérsékletfelbontás határozza meg döntően a képminőséget. • A hőkamerák képpontszáma – 60 000-től 120 000-ig meglehetősen szerény, ha összehasonlítjuk egy olcsó közönséges digitális kamera 300000-es képpontszámával (480 sor, soronként 640 pixel). Fontosabb készülékparaméterek • Geometriai felbontás : A hőmérsékleti felbontáson túl a geometriai felbontás is jelentősen befolyásolja a hőkamera képminőségét. Az úgynevezett IFOV paraméter (legkisebb elemi látószög) azt a látószöget (így tehát a tárgy felületén lévő köralakú felület nagyságát) adja meg, amely egy-egy képponttal kerül leképzésre. A részletek jó reprodukálása és a mérési adatok pontossága érdekében fontos, hogy ez az érték minél kisebb legyen. Például az 1,5 mrad érték azt jelzi, hogy minden egyes pixelhez rendelt mérési pont 1 méteres távolságban 1,5 mm átmérőjű. A Mobir M4 hosszúhullámú (8 – 14 µm) FPA

mátrix detektoros hőkamera és főbb jellemzői Esettanulmányok 1. Gördülőcsapágy „fretting” kopása Hőkép csapágycsere előtt Tárgyparaméter Érték Tárgyparaméter Érték Max 92.5°C Fájlnév IMAGE10.IRI S1 69.4°C Emisszió 0.97 S2 57.2°C Páratartalom 70% S3 42.1°C L1:Átlaghom. 61.9°C Távolság 1.0 L1:Max.hom 92.5°C Környezet 27.1°C L1:Min.hom 38.6°C Max.hőm 92.5°C Min.hőm 24.1°C Dátum megadás 2006. június 8 Ido megadás 9:56:03 Megjegyzés • • • DIAGNÓZIS : - a főmotoron a rendszeres havi rezgésméréssel egyidőben június 8.án termográfiai vizsgálatot is végeztem, melynek során a kuplung melletti Y csapágy veszélyes melegedését tapasztaltam. A rezgéssebesség mérési eredmények még nem voltak veszélyesek és a kenési állapotra utaló Envelop mérések is megfelelő állapotra utaltak, a hőkép elemzése során azonban látható, hogy a maximális

hőmérséklet olyan nagy mértékű súrlódásra utal, amely alapján a csapágy várható tönkremenetelére lehet következtetni. JAVASLAT : - a hőkép alapján a csapágy már „menthetetlen”, ezért sürgős cseréje javasolt INTÉZKEDÉS : - javaslatomat a gyár szakemberei megfogadták, csere előtt azonban megpróbálkoztak a csapágy kenésével. Mivel a nagy mennyiségű kenőanyag gördülési ellenállást okoz,(ami szintén hő fejlődéssel jár) a csapágyhőmérséklet 100 ºC fölé emelkedett, ezért június 9.-én azonnal kicserélték mindkét Y csapágyat. Hőkép csapágycsere után Tárgyparaméter Érték Fájlnév IMAGE16.IRI Emisszi? 0.97 Páratartalom Tárgyparaméter Érték Max 63.8°C 70% S1 63.1°C Távolság 1.0 S2 42.3°C Környezet 26.6°C S3 52.2°C Max.hom 63.8°C S4 41.0°C Min.hom 25.4°C Dátum megadás 2006. június 9 L1:Átlaghom. 45.8°C Ido megadás 12:22:51 L1:Max.hom 63.7°C L1:Min.hom 28.0°C

Megjegyzés Hőkép lézeres egytengelyűség beállítás után Tárgyparaméter Érték Fájlnév IMAGE22.IRI Emisszi? 0.97 Páratartalom 70% Tárgyparaméter Érték Távolság 1.0 Max 58.8°C Környezet 28.3°C S1 57.5°C Max.hom 58.8°C S2 45.5°C Min.hom 28.0°C S3 50.1°C Dátum megadás 2006. június 12 S4 47.7°C L1:Átlaghom. 45.2°C Ido megadás 14:14:21 L1:Max.hom 56.8°C L1:Min.hom 31.9°C Megjegyzés CSAPÁGY TÖNKREMENETEL HŐKÉP ÉS REZGÉSSPEKTRUM ELEMZÉSÉVEL • • A vizsgált P=20 kW teljesítményű és n=3000 1/min fordulatszámú ventillátort egy nagy multinacionális cég üzemelteti, feladata egy gyártósorba szervezett, a termelésben a keletkezett melléktermék (hulladék) vákuum segítségével történő elszívása. Ha az elszívás nem működik, azaz a ventilátor leáll, a gépsor termelés képtelenné válik. A termelésből való kiesés a cég számára óránként a tízmillió forintot is

meghaladó veszteséget jelent, a ventilátor cseréje kb. 4-5 órát, vesz igénybe, a csapágyak helyszínen történő cseréje nem kivitelezhető. A gép üzemeltetése során többször előfordul, hogy a gépkezelők figyelmetlensége folytán a ventilátor forgórészébe kerül az elszívott anyag, amely a lapátokra tapadva kiegyensúlyozatlanságot okoz. A legutolsó termografikus inspekciónál a szíj felőli csapágy hőmérsékletének 60ºC fölé emelkedését tapasztaltam. Mivel ezek a csapágyak 35 - 40ºC körüli hőmérsékleten üzemelnek, a hőmérséklet emelkedés a tengely, illetve a csapágyház melegedésére utaló hőkép miatt soron kívüli rezgésmérést végeztünk Rezgéssebesség RMS „vízesés diagram” a 10 – 1000 Hz frekvencia tartományban • A rezgésmérés során a kiegyensúlyozatlanság ténye egyértelműen bebizonyosodott, melyet aZ ábrán látható vízesés diagram mutat. • Láthatjuk, hogy a januári méréshez képest

drasztikusan nőtt a rezgéssebesség amplitúdó az 1x-es forgási frekvencián A ventilátor csapágy rezgésgyorsulás Envelop „vízesés diagramja” a csere előtt és után. Az alsó ábrán a gördülő elem hibára utaló jelek • A mérések során természetesen a csapágyak elhasználódására utaló rezgés-gyorsulás, Envelop, SEE és HFD méréseket is végeztem. • Mindegyik mérési jellemző a szíj felőli csapágy várható tönkremenetelét jelezte • Az un. Envelop rezgés spektrumokból a hiba is beazonosíthatóvá vált, amely az alsó spektrumképen egyértelműen a csapágy gördülő elemeinek hibájára utaló hibafrekvenciákon nem megfelelő nagyságú amplitúdókat mutatja A ventillátort a mérés után azonnal kitisztították, majd egy héten belül javaslatomra a tervezett karbantartási időben kicserélték. A csapágyon a kiszerelés után megtaláltuk a gördülő elemek kipattogzását Szervo hajtások termográfiai és

rezgésdiagnosztikai vizsgálata A rezgésmérés és termográfia együttes diagnosztikai alkalmazása • A két módszer egy időben történő alkalmazása még egyszerű rezgésmérő készülékkel és terndelemzéssel is tökéletes diagnosztikát és előrejelzést lehet lehet végrehajtani, mivel a mérési eredmények kiegészítik egymást • A melegedő csapágyat a helyszínen lehet rezgésdiagnosztikai módszerrel ellenőrizni, illetve a hőképek alátámaszthatják a rezgésméréssel kimutatott tönkremeneteli helyek melegedését, a magas rezgést produkáló gép gerjesztési helyét • Azonnal megállapítható, hogy a hajtómű melegíti a motort, vagy a motor a hajtóművet. • A hiba helyének behatárolása és a megfelelő szakmai tapasztalat, a hosszú időre visszanyúló trendek, valamint a hibák határértékeinek kikísérletezése alapján a hatómű cseréjét előre lehet tervezni. • A motor melegedése nem elsősorban

csapágyhibára, hanem inkább elektromos problémára vezethető vissza • A magas hőmérsékleten történő üzemelés jelentősen csökkenti a szervo motor élettartamát. • Ilyen esetekben a hajtás kártya megfelelő átprogramozásával (M – n – I viszony) jelentősen csökkenteni lehet a hőmérsékletet és a hajtás még hosszú ideig problémamentesen üzemeltethető. Felderíthető a szíjfeszítő csapágyak tönkremenetele is Tárgyparaméter Érték S1 67,0 °C S2 61,1 °C S3 42,5 °C S4 33,3 °C S5 42.6°C S6 37,4°C S7 41,3°C Szíjfeszítő csapágy tönkremenetel Villamos csatlakozások, kötések, szervo motor hajtás kártyák vizsgálata Fogazott szíj melegedés Szíjfeszítő csapágy tönkremenetel Villamos csatlakozások, kötések vizsgálata Egyéb alkalmazások Katalizátorok vizsgálata Tárgyparaméter Érték Tárgyparaméter Érték Max 177.8°C Fájlnév IMAGE18 L1:Átlaghom. 91.0°C

Emisszi? 0.97 L1:Max.hom 160.4°C Páratartalom 70% L1:Min.hom 40.4°C Távolság 1.0 S1 106.7°C Környezet 23.7°C S2 112.3°C Max.hom 177.8°C S3 49.2°C Min.hom 22.7°C S4 98.3°C Dátum megadás 2000. február 22 Ido megadás 22:05:06 Megjegyzés Köszönöm megtisztelő figyelmüket