EXPERIMENTÁLNÍ METODY I 14. Provozní měření rotačních strojŧ

Transkript

1 FSI VUT v Brně, Energetický ústav Odbor termomechaniky a techniky prostředí prof. Ing. Milan Pavelek, CSc. EXPERIMENTÁLNÍ METODY I 14. Provozní měření rotačních strojŧ OSNOVA 14. KAPITOLY Úvod do měření rotačních strojŧ Měření proudového zatíţení elektromotorŧ Měření otáček rotačních strojŧ Měření vibrací Rotor parní turbíny Zdroj: ČEZ

2 Typické fyzikální veličiny měřené u rotačních strojŧ jsou především: ÚVOD DO MĚŘENÍ ROTAČNÍCH STROJŦ Proudové zatíţení elektromotorŧ Nutno předejít škodám přehřátím Otáčky (u ventilátorŧ, čerpadel ) Vibrace (ovlivňují hlučnost) Další veličiny: Byly jiţ probrány nebo přesahují rámec těchto přednášek Termogram ventilátoru Zdroj: InfraTec Termogram teplotního pole statoru Termogram čerpadla InfraTec InfraTec 2

3 PROUDOVÉ ZATÍŢENÍ ELEKTROMOTORŦ - 1 U vadných elektromotorŧ nebo téţ při neodborné manipulaci mŧţe dojít k proudovému přetíţení elektromotorŧ, k zahřátí nebo i zničení. Měření proudového zatíţení se provádí: Při uvádění elektromotorŧ čerpadel a ventilátoru do provozu, Při změnách parametrŧ zařízení (dopravovaného mnoţství, prvkŧ potrubí, převodu mezi motorem a strojem, apod.) Měření proudového zatíţení vyţaduje: InfraTec Zpŧsobilost pracovníkŧ k provádění měření: Viz vyhláška ČÚBP č. 50/1978 Sb. o odborné zpŧsobilosti v elektrotechnice Měřicí přístroje pro provozní měření proudového zatíţení jsou: Ampérmetry (pro měření proudu) - rozvaděče mají prvky nahuštěné v malém prostoru KLEŠŤOVÉ AMPÉRMETRY Multimetry (pro měření proudu, napětí, odporu) Wattmetry (pro měření příkonu) 3

4 PROUDOVÉ ZATÍŢENÍ ELEKTROMOTORŦ - 2 Postup při zprovoznění elektromotoru Elektromotor musí být: Schválen dle zákona 30/68 o státním zkušebnictví (ve znění zákona č. 54/87 Sb., zákona č. 94/88 Sb. a zákona č. 479/92 Sb.) Proměřen montáţní firmou (stav izolačního vinutí) Před spuštěním elektromotoru je třeba provést: Určení vodiče či vodičŧ, ve kterých máme sledovat elektrický proud Připojení ampérmetru Úpravu rozsahu ampérmetru (pro měření 5 aţ 10x vyšších hodnot) Spuštění elektromotoru se provádí s napojeným poháněným zařízením, přičemţ je nutné sledovat proud nebo otáčky. Pozn.: Asynchronní elektromotory s kotvou nakrátko se mohou bez připojeného zařízení zničit. Po ustálení chodu elektromotoru: Nastavíme prŧtok a kontrolujeme proudové zatíţení I všech fází Naměřené hodnoty porovnáme se štítkovými údaji Závěry zaznamenáme do protokolu o měření. Jsou-li údaje dobré, lze zařízení provozovat, po předepsanou dobu. 4

5 MĚŘENÍ OTÁČEK ROTAČNÍCH STROJŦ - 1 Měření otáček slouţí k monitorování stavu elektromotorŧ, ventilátorŧ, čerpadel, či dalších rotačních strojŧ. Otáčkoměry (tachometry) rozdělujeme na: Dotykové - zatěţují měřený objekt Bezdotykové - mohou měřit i na dálku DOTYKOVÉ OTÁČKOMĚRY Mechanické odstředivé otáčkoměry Wattŧv regulátor Síla F pŧsobící na těleso o hmotnosti m rotující na poloměru r úhlovou rychlostí w = 2p.n, kde n je počet otáček a platí: Skříň ventilátoru bývá opatřena dveřmi s okénkem k měření otáček - skříň nelze otevírat za provozu 2 F m r ω 2 konst n 5

6 MĚŘENÍ OTÁČEK ROTAČNÍCH STROJŦ - 2 Mechanické chronometrické otáčkoměry Jde o počítadla otáček spojená s hodinovým strojkem. Na krátkou dobu (např. 3 s) se připojí počítadlo k hřídeli a počítá otáčky, pak se vynuluje a cyklus se opakuje. Výhodou je malý zatěţovací moment. Mechanické rezonanční otáčkoměry Jazýčky s rŧznými vlastními kmitočty se montují na zařízení. Jazýček s kmitočtem blízkým otáčkám se rozkmitá. Tyto otáčkoměry dávají jen orientační hodnoty. Elektrické indukční otáčkoměry Vyuţívají vznik vířivých proudŧ v měděném nebo hliníkovém kotouči K v magnetickém poli magnetu M, který se otáčí s frekvencí otáčení n. Předností je lineární závislost mezi otáčkami n a výstupním signálem, kterým je natočení kotouče K. 6

7 MĚŘENÍ OTÁČEK ROTAČNÍCH STROJŦ - 3 Elektromagnetické otáčkoměry Generují stejnosměrné či střídavé napětí úměrné otáčkám. Stejnosměrná jsou tachodynama (kolektor zpŧsobuje jiskření nevhodná pro výbušná prostředí), střídavé jsou tachogenerátory. Výhodou je lineární závislost otáček na výstupním napětí, které lze dále vyuţít pro automatizované měření, nebo pro regulaci. Elektrické impulsní otáčkoměry Měří počet pulsŧ produkovaných fotonkou, nebo obvodem řízeným magnetickým polem, kolem kterého procházejí magnety, nebo magnetickým snímačem u ozubeného kola apod. Pozn.: Existují i bezdotyková provedení impulsních otáčkoměrŧ (viz dále). Počty pulsŧ se načítají čítači v měřicím přístroji nebo na měřicích kartách PC. Jsou vhodné pro přesná měření. Z ţárovka K kotouč F fotonka 7

8 MĚŘENÍ OTÁČEK ROTAČNÍCH STROJŦ - 4 Hydraulické otáčkoměry - odstředivé a čerpadlové Odstředivé otáčkoměry - Jde o válcové rotující nádoby naplněné kapalinou tvořící rotační paraboloid. Pokles hladiny je snímám plovákem. Čerpadlové otáčkoměry - Jde o malé odstředivé čerpadlo pracující do uzavřeného prostoru, či zubové čerpadlo pracující v okruhu s odpory. Za čerpadlem je přetlak úměrný otáčkám. n n Pneumatické otáčkoměry - Jde o malý radiální ventilátor v otevřeném okruhu se škrticím orgánem na výstupu. Mezi ventilátorem a škrticím prvkem je tlakoměr měřicí přetlak úměrný otáčkám. 8 n

9 MĚŘENÍ OTÁČEK ROTAČNÍCH STROJŦ - 5 BEZDOTYKOVÉ OTÁČKOMĚRY Mechanické stroboskopy Pozorování rotoru s vyznačeným bodem (za denního osvětlení) skrz štěrbinu na rotujícím kotouči. Otáčky kotouče měřicího přístroje n se plynule mění aţ do okamţiku, kdy se bod na rotoru zastaví. n n x Pozn.: Stroboskopický jev vzniká i při harmonickém počtu otáček n x nutné nalézt nejvyšší frekvenci. Rozsahy otáček n x od 5 do 250 s -1. Do 5 s -1 stroboskopický jev zaniká. Zábleskové stroboskopy Osvětlování rotoru záblesky z výbojky při zatemnění. Frekvence zábleskŧ se plynule mění, aţ do chvíle, kdy je rotor zdánlivě v klidu. f n x 9

10 MĚŘENÍ OTÁČEK ROTAČNÍCH STROJŦ - 6 Bezdotykové impulsní otáčkoměry (elektro-optické a magnetické) Elektro-optické impulsní otáčkoměry Na rotor je třeba nalepit malou odráţející plošku, otáčkoměr ji kontinuálně osvětluje a současně snímá frekvenci odraţených zábleskŧ. Pozn.: Je to vhodná metoda např. pro měření otáček ventilátorŧ vzduchotechnických zařízení, kde se měří přes vestavěné okénko. Magnetické impulsní otáčkoměry Tyto otáčkoměry pracující na principu snímání pulsŧ magnetického pole rotoru, které se mohou projevovat i skrz neprŧhledné stěny hermeticky uzavřených rotačních strojŧ. f n x 10

11 MĚŘENÍ VIBRACÍ - 1 Vibrace generují motory, rotační stroje, technologické procesy, pracovní stroje, systémy s proudícími tekutinami, zařízení pro techniku prostředí, dopravní prostředky, hudební produkce, výbuchy, seismická aktivita Země, aj. Vibrace pŧsobí negativně na člověka Celkové pŧsobení (na vnitřní orgány a nervový systém), Lokální pŧsobení (např. jen na ruce při práci s motorovou pilou...) Vibrace pŧsobí negativně na zařízení a budovy: Únava materiálŧ Uvolňování spojŧ Mechanické poškozování aj. 11

12 MĚŘENÍ VIBRACÍ - 2 Rozdělení vibrací dle časového prŧběhu Kmitání harmonické - lze popsat rovnicemi y y 0 sin ω τ dy v cos ω τ [m] výchylka v 0 d τ [m.s -1 ] rychlost dv a a 0 sin ω τ [m.s d τ -2 ] zrychlení kde w = 2p f je úhlová frekvence [s -1 ] Kmitání periodické - superpozice rŧzného počtu harmonických kmitŧ s frekvencemi danými celistvými násobky základní frekvence Kmitání stochastické - nahodilé prŧběhy charakteristických veličin Otřes - jednorázový kmitavý děj vyvolaný mechanickým rázem 12

13 MĚŘENÍ VIBRACÍ - 3 Rozdělení vibrací dle buzení Vlastní netlumené kmity v ideálních systémech bez tření, kde nepŧsobí ani vnější síly Samobuzené kmity, kdy síly mají takový charakter, ţe během cyklu zvýší energii kmitu Vynucené kmity, kdy frekvence kmitŧ je u lineárních soustav totoţná s frekvencí budící síly externího zdroje Vlastnosti snímačŧ Nesmí ovlivňovat měřený objekt musí být splněna podmínka 2 m2ω m , m 2 [kg] hmotnosti objektu a snímače, 2 m1ω w 1 1, w 2 [s -1 ] vlastní úhlové frekvence objektu a snímače Vlastní úhlová frekvence je dána vztahem ω c m m [kg] c [kg.s -2 ] je hmotnost pohybujících se části je tuhost pruţiny 13

14 MĚŘENÍ VIBRACÍ - 4 Snímače vibrací dělíme na: Absolutní a relativní. Elektrické, mechanické a optické. ABSOLUTNÍ SNÍMAČE VIBRACÍ Vyuţívají klidnou setrvačnou hmotu snímače propojeného s kmitajícím objektem článkem s malou tuhostí a s tlumením. Snímače zrychlení pracují pod rezonanční frekvencí, s velkým tlumením. Nejistota aţ 1%. Snímače amplitudy pracují nad rezonanční frekvenci, s malým poměrným tlumením. Piezoelektrické snímače Mají velkou tuhost, jsou určené pro měření zrychlení (rychlosti a výchylky určují integrací). Nepotřebují napájení, mají, linearitu, široký frekvenční a dynamický rozsah, jsou spolehlivé a časově stabilní. 1 Piezoelektrický krystal 2 Zatěţující hmota 3 Destička pro snímání napětí 4 Pruţina 14

15 MĚŘENÍ VIBRACÍ - 5 Tenzometrické snímače - pouţívají člen s tenzometrem, snímajícím deformace v tomto členu. Piezorezistentní snímače - slouţí k měření zrychlení a pracují v podrezonanční oblasti. Indukční snímače - pracují na principu změny magnetického toku v obvodu při změně jeho magnetické impedance. Jejich rezonanční frekvence bývá okolo 500 Hz. Kapacitní snímače - pracují na principu změny kapacity desek kondenzátoru, mají velmi malou přesnost měření (okolo 3 %). Elektrodynamické snímače - jsou určené k měření amplitudy rychlosti, rezonanční frekvence bývá okolo 5 Hz. RELATIVNÍ SNÍMAČE VIBRACÍ Setrvačná hmota je spojena s měřeným objektem. Měřítkem vibrací je pohyb hmoty snímače vzhledem ke klidnému předmětu. Jedná se většinou o dotykové snímače (drţí se v ruce) nepřesné. Pracují na principu elektrodynamickém, indukčním nebo kapacitním. 15

16 MĚŘENÍ VIBRACÍ - 6 UPEVNĚNÍ SNÍMAČŦ PRO MĚŘENÍ VIBRACÍ Vliv nedokonalého upevnění: Menší přesnost Menší frekvenční rozsah (sníţí se rezonanční frekvence) Zdroj parazitních příčných kmitŧ Vhodný zpŧsob upevnění: Šroubové (s rezonanční frekvencí aţ 31 khz) Šroubové s namazáním stykových ploch vrstvou tuku Pomocí včelího vosku (s rezonanční frekvencí aţ 29 khz) Pomocí epoxidové pryskyřice (s rezonanční frekvencí okolo 28 khz) Pomocí magnetu (rezonanční frekvence se sníţí aţ na 7 khz) KALIBRACE SNÍMAČŦ PRO MĚŘENÍ VIBRACÍ Provádí se ve výrobě i v provozu Kontroluje se frekvenční a teplotní závislost citlivosti, příčná citlivost, rezonanční frekvence, amplitudová charakteristika, vnitřní svodové odpory a kapacity Při kalibraci se snímač budí generátorem mechanických kmitŧ 16

17 MĚŘENÍ VIBRACÍ - 7 MĚŘICÍ PŘÍSTROJE PRO MĚŘENÍ VIBRACÍ Měřicí řetězec: Snímač - předzesilovač - měřicí přístroj. Měřicí přístroj obsahuje: Integrátory (pro vyjádření rychlosti nebo výchylky) Filtry (pro nastavení frekvenčního pásma) Obvody pro vyjádření efektivní hodnoty Obvody pro vyjádření hladin zrychlení v db, Paměťové moduly apod. Draţší přístroje: Umoţňují frekvenční analýzu a výstup signálu na externí zařízení. Pozn.: K měření vibrací lze pouţít i zvukoměrné aparatury, ale místo mikrofonŧ se připojují snímače vibrací. 17