MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA PROMIENIOWANIA OPTYCZNEGO W BADANIACH MAŁYCH MASZYN ELEKTRYCZNYCH

Transkrypt

1 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 jarek.zadrozny@iel.waw.pl Instytut Elektrotechniki PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 228, 2006

2 350 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

3 Możliwości wykorzystania promieniowania optycznego w badaniach 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).

4 352 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.

5 Możliwości wykorzystania promieniowania optycznego w badaniach a) b) 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) b) a) 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.

6 354 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, , s Rękopis dostarczono, dnia r.

7 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.