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: s.styla@pollub.pl 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 fizyko- 2
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: 4 M ( T) 0 T (1) gdzie: ε emisyjność, 3
σ 0 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", Springer- Verlag, 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