Метод акустической эмиссии является довольно стандартным диагностическим методом, используемым в неразрушающем контроле, науке и исследованиях, а также в профилактическом обслуживании. Используются как контактные, так и бесконтактные методы.
Обнаружение разрядной активности в трансформаторных подстанциях с помощью акустической камеры
Использование акустических камер для профилактического обслуживания
Диагностический метод акустической эмиссии является довольно распространенным методом технической диагностики, используемым в неразрушающем контроле, а также в области профилактического обслуживания. Этот метод может использовать контактные и бесконтактные датчики.
Метод акустической эмиссии давно используется в широком спектре диагностических мероприятий и стандартно применяется к широкому кругу элементов. Он широко используется как для мониторинга, так и для тестирования не только в области вращающихся машин, но и, например, при исследовании материалов.
Контактное измерение
Метод основан на улавливании упругих волн, возникающих в результате динамических процессов, происходящих в материале при его нагружении внутренними или внешними силами.
Методика акустической эмиссии позволяет следить за накоплением повреждений, ходом пластической деформации, зарождением и распространением трещин, различными фазовыми превращениями, коррозионными процессами, а также, например, течением жидкостей и т. д.
Возникающие механические волны обнаруживаются на поверхности контролируемых образцов и конструкций с помощью различных типов датчиков акустической эмиссии, в которых преобразуется в электрический сигнал.
В обычных устройствах контроля по методу акустической эмиссии используются пьезоэлектрические датчики, работающие в диапазоне от десятков и сотен кГц до малых единиц МГц.
Эти элементы воспринимают поверхностные волны и совместно с различными усилителями и фильтрами создают электрический сигнал, несущий информацию о происходящих событиях.
Таким образом, акустическая эмиссия является очень универсальным методом неразрушающего контроля для многих отраслей промышленности:
-
опрессовки резервуаров и трубопроводов;
-
мониторинга образования, развития и распространения трещин;
-
обнаружения утечек;
-
мониторинга коррозии;
-
обнаружения разрядов в масляных трансформаторах;
-
контроля качества на производстве;
-
определение расслоения в композитных материалах и бетоне;
-
контроля производственных процессов (сварка, механическая обработка, лазерное или гидроабразивное слежение, процессы ферментации, сушка древесины);
-
диагностики вращающихся машин (подшипники, шестерни);
-
диагностики выключателей высоковольтных выключателей.
В подавляющем большинстве случаев необходимо использовать контактные датчики, что подходит с точки зрения систем мониторинга, но с точки зрения профилактического обслуживания или в случае необходимости проверки большого количества элементов, установка датчиков становится операцией, ограничивающей время.
С другой стороны, необходимо учитывать тот факт, что именно физическое расположение и крепление контактных датчиков позволяет контролировать геометрическое распространение сигнала или его затухание.
Бесконтактное измерение
Отдельной главой является бесконтактное зондирование акустического излучения, т.е. с помощью микрофонов или их сборок.
С одной стороны, это избавляет от проблем с установкой датчиков на сканируемый элемент, с другой стороны, необходимо учитывать такие факторы, как отражение акустического сигнала, либо интерполяция сигналов от нескольких источников.
Прецизионная акустическая камера Fluke ii910 обнаруживает электрические разряды и утечки
Одноточечные бесконтактные датчики
Относительно часто в сфере профилактического обслуживания используются отдельные (индивидуальные датчики), оснащенные аксессуарами для концентрации сигнала, будь то воронки или параболические антенны.
Такое решение обычно используется для более длительных явлений, таких как: механическое трение, периодически повторяющаяся разрядная активность, утечки сжатых газов, например воздуха.
Это решение обычно не используется для мониторинга структурных изменений в материале, конструкциях или элементах, так как это очень быстрые явления, требующие высокой частоты дискретизации от сотен кГц до единиц МГц, где контактные датчики кажутся более выгодными.
Также необходимо учитывать, в случае бесконтактных систем, количественную оценку сигнала. Поскольку акустический сигнал распространяется по воздуху, обычно его измеряют в дБ, но по мере распространения сигнал ослабляется в зависимости от расстояния, влажности и температуры атмосферы или от конкретной частоты излучаемого сигнала.
В случае индивидуальных датчиков, даже дополненных воронками или параболическими антеннами, необходимо учитывать направленную избирательность решения.
Если пространственный угол (для простоты можно представить его как поле зрения) слишком широк, то это означает, что труднее найти конкретный источник акустического сигнала, или определить, является ли он реальным или кажущимся источником, т.е. отражение реального источника.
Обратный случай имеет место, когда характеристика направленности узкая, что позволяет лучше и проще определить точку излучения сигнала, но в то же время требует детального обследования всей области, при этом проблема отраженных сигналов остается идентичной, как и в случае датчиков с более широким пространственным углом. Если явление находится на большем расстоянии, также существует риск ошибочной идентификации источника.
Многоточечные бесконтактные системы - акустические камеры
Акустическими камерами принято называть сборки, состоящие из большого количества отдельных датчиков (микрофонов), дополненных видеокамерой, при этом сигналы от обоих источников затем накладываются и на фоне видимого изображения создается акустическая карта.
Такое решение позволяет не только просматривать источники сигналов и их местоположение, т.е. их локализацию, но и существенно облегчающую представление результата. Поэтому решения, в которых изображение камеры визуального наблюдения дополняется сигналом (значением) одного акустического датчика, не могут считаться акустической камерой.
Обнаружение и локализация частичных разрядов передовым акустическим методом
Фиксированное приложение
До недавнего прошлого это были, как правило, относительно обширные системы (включая блок управления, возможно, ПК), предназначенные для стационарных приложений, т.е. нахождение в одном месте, либо статическое наблюдение за конкретным объектом в лаборатории.
С одной стороны, эти системы обеспечивают высокую точность и частотный диапазон заданного измерения, но в то же время компоновочная концепция является ограничивающим фактором для целей профилактического обслуживания или осмотра оборудования.
Мобильные системы
Когда речь идет о требованиях к управлению поручениями, мы можем включить следующие явления в качестве подходящих приложений: механическое трение, разрядная активность, утечки сжатого воздуха. Условием всегда является мобильность решения, обеспечивающая легкую переносимость, или гибкость соответствующего работника при поиске явлений неисправности и, таким образом, легкое управление широким спектром и количеством элементов.
Обнаружение разрядной активности
Частичный разряд (ЧР) — это проблема технического обслуживания, встречающаяся в высоковольтном оборудовании по всему миру, особенно в старой, устаревающей инфраструктуре.
В настоящее время специалисты по профилактическому обслуживанию начинают использовать акустическую визуализацию для обнаружения частичного разряда, находя его характерную звуковую сигнатуру еще до того, как оборудование перегреется.
Акустическая диагностика частичных разрядов
Обнаружение разрядной активности или частичных разрядов позволяет обнаруживать элементы, вызывающие это явление. В основном это следующие причины: неисправность системы изоляции, перегрузка системы изоляции, ошибка в конструктивном оформлении элемента, производственные или монтажные дефекты.
Одного обнаружения явления может быть недостаточно для определения его природы, поэтому визуальную информацию целесообразно дополнить распределением разрядной активности по отношению к периоду источника возбуждения (обычно напряжения), а также сигнала.
Важна не только интенсивность явления, но и ход обнаруженного сигнала. Хотя в данном случае это акустическое обнаружение, а не электрическое, можно успешно применить эти формы сигналов и к измеренному акустическому сигналу.
Количественная оценка в случае акустического обнаружения выполняется в дБ. Это значение можно преобразовать в значение в пКл при знании окружающих условий (температура, влажность, расстояние, возможно, частота), но это преобразование усложняется в полевых условиях и существует риск внесения значительной неопределенности в результирующее значение.
Для определения вида неисправности можно также использовать аналогичную форму выражения зависимости разрядной активности от хода сигнала.
Это характеристики Лиссажу. И хотя эти характеристики обычно используются только для методов, в которых регистрация разрядной активности осуществляется по электрическому принципу, их можно с успехом использовать и для акустической регистрации. Таким образом, на основе этих характеристик, можно достаточно надежно сделать вывод о характере и причине явления и, таким образом, также о возможном диапазоне корректирующих мер.
Не менее важно частотное распределение отклика данного сигнала. Обнаружение разряда может производиться не только на внешних элементах распределения и передачи электрической энергии, но и на таких внешних элементах, как распределительные щиты, кабели (поверхностные явления), а также обмотки электрических машин, таких как электрические двигатели или генераторы.
Среди преимуществ по сравнению с аналогичными методами не только однозначное определение местоположения, но и количественная оценка явления, захват хода сигнала для последующего анализа, и в то же время возможность обнаружения не только индуктивных, но и емкостных разрядов.
Использование акустической визуализации для мониторинга частичных разрядов
Если мы хотим связать обнаружение частичных разрядов в акустическом спектре с визуализацией явлений в УФ или ИК (в инфракрасном спектре), то необходимо всегда учитывать физическую сущность явления как такового.
В УФ-спектре мы можем изобразить ионизированные молекулы азота в окружающей атмосфере. Эта ионизация вызвана превышением предельного градиента напряжения, который обычно составляет 2 кВ/мм.
Как и в акустическом спектре, требуется прямая видимость источника, но принцип отражения акустического сигнала нельзя использовать в случае необходимости диагностики пространств, не видимых непосредственно.
Следует также отметить, что емкостные разряды не видны в УФ-спектре. С точки зрения репортажной способности акустические камеры можно считать заменой визуализации в УФ-спектре.
Что же касается сравнения с визуализацией явлений в ИК-спектре, то здесь необходимо исходить из сущности явления в области электрических элементов и машин.
Подавляющее большинство тепловых явлений, связанных с этой областью, вызвано переходными сопротивлениями, в то время как другие явления или механизмы отказа и деградации (ОПН, разрушение вводов, намагничивание обмоток вращающихся машин) можно рассматривать как явления с незначительной частотой.
При определенных обстоятельствах частичные разряды сопровождаются тепловым явлением, размер которого можно обнаружить с помощью тепловизионных камер для области предиктивной диагностики и технического обслуживания. Это всегда зависит от интенсивности явления и его локализации внутри электрического элемента.
Визуализацию в инфракрасном спектре можно рассматривать только как подтверждение вывода, а не как подходящий метод обнаружения как таковой.
Из-за ожидаемой продолжительности периода развития расстройства невозможно достаточно заблаговременно спланировать корректирующие мероприятия, а также контрольные периоды, рассчитанные на временные интервалы, которые не гарантируют достоверного обнаружения развивающегося явления.
Возможность одновременного отображения фазового распределения акустического явления является преимуществом не только в связи с количественной оценкой и идентификацией обнаруженного явления, но, как это ни парадоксально, и как средство исключения ложноположительных результатов.
Испытание на частичный разряд с помощью акустической камеры SonaVu™
SonaVu™ — это многочастотная акустическая камера, которая сочетает визуальные и слуховые ощущения с обнаружением неисправностей, которые угрожают безопасности и надежности электрооборудования.
Благодаря массиву из 112 высокочувствительных ультразвуковых датчиков SonaVu™ прослушивает широкое поле обнаружения, которое отображается на 5-дюймовом цветном экране.
Источники ультразвука, создаваемые наличием частичных разрядов, накладываются на изображение, что позволяет инспекторам интуитивно определять их местоположение.
Испытание на частичный разряд с помощью акустической камеры
Ультразвук — лучшая технология для снижения риска воздействия электрической дуги при одновременном обеспечении надежности оборудования. Это достигается за счет обнаружения дефектов, которые, если их оставить для ухудшения состояния, могут привести к возникновению дугового разряда.
Это не означает, что ультразвук устраняет необходимость в средствах индивидуальной защиты и других мерах безопасности. Рабочие по-прежнему должны соблюдать все действующие протоколы безопасности при работе вблизи электрооборудования.
Возможности акустической камеры SonaVu™ для получения звуковых изображений на большие расстояния делают ее важным инструментом для проверки электрических систем на наличие частичных разрядов при сохранении электрической безопасности и надежности.
Вывод
Использование акустических камер для профилактического обслуживания — это сдвиг не только с точки зрения возможности отчетности, но главным образом в отношении точной локализации места, возможности анализа неисправностей, а также предоставления понятной информации руководству, которые могут не владеть другими методами диагностики, но способны хорошо понимать графическую информацию.
В то же время этот подход позволяет перейти от обслуживания, ориентированного на период, к обслуживанию, ориентированному на статус, включая определение приоритетов и рисков в рамках эксплуатации оборудования.