Seznam obrázků

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Poděkování:

Rád bych zde poděkoval v prvé řadě Ing. Miloši Müllerovi, Ph.D., za čas a cenné rady, které mi věnoval při řešení dané problematiky a nejen za jeho rady, ale i trpělivost při konzultacích.

Následující díky patří také Ing. Janu Hujerovi, který mi byl nápomocný při praktické části práce. Dále bych chtěl poděkovat rodině za podporu při studiu a Bohu za provedení celou diplomovou prací.

Václav Jiřiček

(6)

Diagnostika kavitace ve vodních čerpadlech Anotace:

Cílem této diplomové práce je návrh systému sloužícího k detekci kavitace v čerpadlech.

Práce se proto zabývá především zkoumáním stavu techniky a vědeckého poznání diagnostiky kavitace ve vodním čerpadle. Velká část diagnostiky je založena na invazivních metodách, které jsou nákladné a mnohdy ani není možné tyto druhy měření instalovat do zařízení.

Existují metody neinvazivní (například diagnostika pomocí vibrometrů), ale i tyto metody jsou velice nákladné. Proto se první část práce zabývá současnou technikou a různými metodami diagnostiky, v druhé polovině pak vlastním experimentálním měřením pomocí PVDF filmů, které mají potenciál býti užitečnými nástroji v průmyslovém využití. Metoda je neinvazivní (měřící filmy se umisťují zvnějšku na čerpadlo) a pracuje s akustickým tlakem, který vzniká při kavitaci. Signál je z PVDF filmů zpracován technickou diagnostikou a následně je z dosažených výsledků měření ve frekvenčním spektru signálu vyhodnoceno, zda ke kavitaci dochází nebo ne.

V závěru je práce zaměřena především na samotnou diagnostiku signálu a nástroje použité k dosažení kvalitních informací.

Klíčová slova: Kavitace, čerpadlo, diagnostika, PVDF film, detekce kavitace.

(7)

Diagnostics of cavitation in water pumps Annotation:

According to the assignment, thesis is aimed to design a system for cavitation detection in pumps. Thesis examines the state of technology and scientific knowledge related to diagnostic methods of cavitation in water pumps. Most of the available diagnostic methods are invasive, quite expensive and usually cannot be installed into the devices. Some non-invasive methods exist (e.g. diagnostics with vibrometers), but are also expensive. First part of the thesis deals with a current state of technology and various diagnostic methods, second focuses on experimental measurement with PVDF films, which have a great potential to be used in industrial praxis. Described diagnostic method is non-invasive (PVDF films are set on the surface of the water pump) and it is based on measurement of acoustic pressure that occurs within the cavitation. Signal from PVDF films is processed using technical diagnostics and subsequently the frequency spectrum of the signal is evaluated to be decide, whether the cavitation is present or not. Final part of the thesis describes the diagnostics of the signal itself as well the tools that were used to obtain a high-quality information.

Keywords: Cavitation, pump, diagnostics, PVDF film, cavitation detection.

(8)

O

^BSAH

ÚVOD ... 12

1. ČERPADLA ... 13

1.1 Základní hydraulické pojmy čerpadel ... 13

1.2 Charakteristické křivky odstředivých čerpadel ... 16

2. METODY DIAGNOSTIKY KAVITACE ... 19

2.1 Metody zabývající se kolapsem bublin ... 20

2.1.1 Měření kavitace pomocí akcelerometrů ... 20

2.1.2 Princip vibrační diagnostiky... 20

2.2 MĚŘENÍ POMOCÍ PVDF FILMŮ ... 28

2.3 Detekce kolapsů kavitačních bublin pomocí hydrofonů ... 29

3. ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLU... 32

4. MĚŘENÍ CHARAKTERISTIKY ČERPADLA ... 35

4.1 Měření charakteristiky čerpadla ... 40

5. DIAGNOSTIKA KAVITACE V ČERPADLE POMOCÍ PVDF FILMŮ ... 44

5.1 Umístění PVDF filmů ... 44

5.2 Nastavení měřícího zařízení ... 46

5.3 Nastavování režimů k měření kavitace ... 47

5.4 Zpracování naměřeného signálu pomocí programu FlexPro 2017 ... 49

5.4.1 Kroky použité k diagnostice signálu ... 50

5.4.2 Rozbor nízkých frekvencí ... 53

5.5 Shrnutí analýzy signálu ... 55

6. NÁVRH SYSTÉMU DIAGNOSTIKY KAVITACE ... 56

ZÁVĚR ... 57

Seznam literatury ... 58

Internetové zdroje ... 58

Přílohy: ... 60

(9)

Seznam obrázků

Obrázek 1 Schéma trati pro měření charakteristiky čerpadla ... 18

Obrázek 2 Ukázka PVDF filmů a jejich konstrukce ... 28

Obrázek 3 Ukázka hydrofonů ... 29

Obrázek 4 Schematické zapojení ABS metody ... 30

Obrázek 5 Klasifikace signálů ... 32

Obrázek 6 Časový průběh a spektrum deterministického signálu ... 33

Obrázek 7 Časový průběh a spektrum širokopásmového signálu ... 34

Obrázek 8 Zapojení trati ... 35

Obrázek 9 Schéma trati ... 36

Obrázek 10 Ukázka použitého snímače tlaku ... 36

Obrázek 11 Ukázka nastavení DEWEtronu ... 37

Obrázek 12 Použitý průtokoměr ... 38

Obrázek 13 Nalepení PVDF filmu na výstupu z čerpadla ... 44

Obrázek 14 Nalepení PVDF filmu na vstupu do čerpadla ... 45

Obrázek 15 Nastavení osciloskopu ... 46

Obrázek 16 Nově zapojená trať... 48

Obrázek 17 Ukázka prostředí FlexPro 2017 ... 49

Obrázek 18 Nastavení filtru ... 50

Obrázek 19 Nastavení časového - frekvenčního spektra ... 51

Obrázek 20 Nastavení mean vaule ... 52

(10)

Seznam grafů

Graf 1 QH křivka + pracovní bod čerpadla ... 14

Graf 2 Účinnost čerpadla v závislosti na průtoku ... 15

Graf 3 Příkon čerpadla ... 15

Graf 4 Průmět různých charakteristických křivek ... 16

Graf 5 Křivka NPSH typického odstředivého čerpadla ... 17

Graf 6 - Frekvenční spektrum ... 20

Graf 7 Frekvenční spektrum pro rotační stroj s kavitací ... 21

Graf 8 Velikost amplitudy v čase v různých režimech kavitace ... 21

Graf 9 Časově frekvenční spektrum ... 23

Graf 10 Frekvenční analýza před a s kavitací ¹⁸ ... 24

Graf 11 Frekvenční spektrum záznamu akustického tlaku produkované čerpadly bez kavitace ... 25

Graf 12 Charakteristiky měřeného čerpadla ... 39

Graf 13 Naměřená QH křivka ... 41

Graf 14 Naměřená účinnost čerpadla ... 42

Graf 15 Naměřený příkon čerpadla ... 42

Graf 16 Vypočítaná NPSHa křivka ... 43

Graf 17 Frekvenční analýza měření na PVDF filmu na sání čerpadla ... 52

Graf 18 Frekvenční analýza měření na PVDF filmu na oběžném kole ... 53

Graf 19 Frekvenční spektrum do 1000 Hz ... 53

Graf 20 Neznámé oblasti ve frekvenčním spektru ... 54

Graf 21 Frekvenční spektrum měření na PVDF filmu na OK do 10kHz ... 54

Graf 22 Frekvenční spektrum režimů měřených dat na PVDF filmu umístěných na oběžném kole pro všechny režimy ... 61

Graf 23 Frekvenční spektrum měřených dat PVDF filmu nalepeným na oběžném kole do 1 kHz pro všechny režimy ... 62

Graf 24 Frekvenční spektrum měřených dat na PVDF filmu z místa sání do 1 kHz pro všechny režimy ... 63

Graf 25 Frekvenční spektrum měřených dat na PVDF filmu z místa sání do 10 kHz pro všechny režimy ... 64

(11)

Seznam tabulek

Tabulka 1 Třídy kavitace, např. pro čerpadlo ... 22

Tabulka 2 Měřené režimy ... 49

Tabulka 3 Naměřené hodnoty na diagnostiku kavitace ... 60

Tabulka 4 Naměřené hodnoty pro charakteristiku čerpadla ... 60

(12)

Použité symboly:

ABS – měření spektra bublinek pomocí akustického bublinkového spektrometru, bar – vedlejší jednotka tlaku v soustavě SI [10⁵ Pa],

Dh – čistá pracovní výška [m],

Dhi´ – teoretická sací výška při počátku kavitace, Dhi – sací výška při počátku kavitace,

DT1-028K/L – piezoelektrické fólie použité v této práci, g – tíhové zrychlení [9,81 m/s²],

H – dopravní výška [m],

NPSH – čistá pozitivní sací výška, křivka (Net Positive Suction Head) [m], psta – statický tlak,

pdyn – dynamickýtlak,

ρ – hustota kapaliny v [kg/m³], P – výkon čerpadla [W]

Pa – pascal, jednotka tlaku [N/m²],

PSI – anglosaská jednotka tlaku (pound per square inch, lb/in²), Q – průtok objemový [m³/h],

Qm – průtok hmotnostní [kg/s],

ν – rychlost proudění kapaliny v [m/s].

(13)

12

ÚVOD

Tato práce se zabývá diagnostikou fyzikálního jevu kavitace.^1,2 Jedná se o dynamický fenomén vzniku a zániku bublin v kapalině, jak již zmíněný termín kavitace (z latinského slova cavitas = dutina) naznačuje. Lze ho najít v místech s kapalinou, v níž dochází ke snížení tlaku za stálé teploty. Tento pokles tlaku může být způsoben například lokálním zúžením potrubí či průchodem silné akustické vlny. Pokud bublina zůstává v místě nižšího tlaku, konkrétně nedosáhne úrovně tlaku nasycených par, její poloměr se zachovává, nebo roste. Z počátku je vyplněna vakuem, později se do ní dostává pára z okolní kapaliny.

Jakmile se kavitační bublina stoupne nad úroveň tlaku sytých par, začne kolabovat. Při tom do bubliny vniká velikou rychlostí okolní kapalina. Pokud se tato dutina nachází v blízkosti stěny, může imploze způsobit mechanické poškození daného tělesa. Dochází tak ke kavitační erozi.

Přestože je kavitace zkoumána již řadu desetiletí, zájem o její výzkum se zvýšil teprve v posledních letech. Je to způsobeno zvyšováním požadavků na různá hydraulická zařízení, jako jsou vodní turbíny, čerpadla, jejich armatury atd. Kavitace způsobuje hluk, snižuje účinnost strojů a má další negativa, a proto je potřeba se jí bránit, případně navrhovat stroje tak, aby nevznikala. Kavitace ovšem nemá jen záporné účinky, ale používá se i účelně například v lékařství – s její pomocí se odstraňuje zubní kámen či ledvinové kameny. Lze ji využít i v průmyslu, v němž se její zásluhou dociluje zpevnění povrchu.

Čerpadla se často instalují do míst, u nichž není zcela jasné, v jakých režimech pracují a jestli v nich právě nedochází ke kavitaci. Je proto dobré vědět, jestli se tento jev tam objevuje a má vliv na životnost čerpadla a jeho charakteristice. Tak lze včas předejít nečekaným odstávkám čerpadel, plánovat jejich opravy a zajistit nehavarijní provoz.

Vytváří se možnost upravit podmínky potrubí natolik efektivně, aby ke kavitaci nedocházelo.

Diagnostika k určení kavitace ve vodních čerpadlech neinvazivní metodou není pro trh ještě příliš zajímavá (především cenou). Tím se otevírají možnosti ke zkoumání nových a levných alternativ.

Tato práce se zabývá jednou z těchto alternativ, konkrétně se věnuje využití PVDF filmů k diagnostice kavitace ve vodním odstředivém čerpadle, které je neinvazivní a mohlo by přinést několik výhod.

1 JIŘIČEK, Václav. Kavitace ve vodním čerpadle. Liberec TUL, 2015, s. 6.

2 https://cs.wikipedia.org/wiki/Kavitace

(14)

13

1. ČERPADLA

³

Čerpadlo nebo pumpa (v olejové hydraulice se nazývá hydrogenerátor) je mechanický stroj, který dodává kinetickou, potenciální nebo tlakovou energii tekutině, která jím protéká. Poháněno bývá obvykle jiným strojem – zpravidla motorem.

Průmyslová výroba klade velké požadavky na čerpadla všude tam, kde se vyžadují optimální provoz, vysoká spolehlivost a nízká energetická náročnost.

1.1 Základní hydraulické pojmy čerpadel⁴

Mezi základní parametry čerpadel patří průtok, dopravní výška a tlak.

Průtok

Jedná se o údaj, který říká, jaké množství kapaliny čerpadlo přepraví za jednotku času.

U čerpadel se udávají dva typy průtoku:

Objemový – značíme ho písmenem Q – obvykle udává objem dopravované kapaliny v [m³/h].

Hmotnostní – značíme ho písmenem Qm – obvykle udává hmotnost dopravované kapaliny za jednotku času [kg/s].

Tlak

Rozlišujeme tlak statický, dynamický a celkový. Celkový tlak je součtem statického a dynamického tlaku:

ptot = pstat + pdyn

(1.1).

Statický tlak (psta) je měřen manometrem umístěným kolmo na průtok nebo v kapalině v klidovém stavu.

Dynamický tlak (pdyn) je způsoben rychlostí proudění kapaliny, který odpovídá kinetické energii kalaliny. Nelze ho měřit běžným manometrem; vypočte se pomocí vzorce:

pdyn = ½ × ρ × ν²

(1.2), kde:

ρ je hustota kapaliny v [kg/m³], ν je rychlost proudění kapaliny v [m/s].

3 JIŘIČEK, Václav. Kavitace ve vodním čerpadle. Liberec TUL, 2015, s. 20-25.

4 GRUNDFOS Management A/S. Příručka čerpací techniky [online]. 2004 [cit. 2014]. Dostupné z:

http://net.grundfos.com/doc/webnet/waterutility/_assets/downloads/gcz/pumphandbook_gcz.pdf

(15)

14

Oba tlaky se udávají buď pascalech v Pa (N/m²), barech (10⁵ Pa), nebo v PSI (lb/in²).

Charakteristiky čerpadla

K čerpání kapalin se nejčastěji používá odstředivých čerpadel, proto je nutná znalost charakteristik, které pak pomáhají posuzovat hospodárnost provozu, a také slouží k výběru konkrétního čerpadla.⁵

Charakteristikou odstředivého čerpadla se nazývá především vztah mezi dopravovanou výškou H a objemovým tokem kapaliny čerpadlem. Tento graf je sestrojen při konstantních otáčkách rotoru. Dále lze vytvořit univerzální charakteristiku čerpadla, která zahrnuje i různé frekvence otáček hřídele. Tyto křivky bývají doplněny i dalšími křivkami jako jsou účinnost, příkon čerpadla nebo NPSH křivka. Průběh jednotlivých křivek je ovlivněn samotnou konstrukcí čerpadla, závisí ale i na dílenském zpracování a na vlastnostech čerpané kapaliny.

Dopravní výška QH

Křivka QH (graf 1) zobrazuje závislost mezi dopravní výškou čerpadla a průtokem. Za běžných podmínek se dopravní výška udává v metrech vodního sloupce [m]. Tato křivka není zatížena druhem kapaliny, která je čerpána.

V grafu je červeně znázoněn i pracovní bod. Jedná se o závislost mezi množstvím kapaliny za jednotku času a dopravovanou výškou, která je tvořena převýšením, rozdílem hladin a ztrátami v systému. Červená křivka značí průběh ztrát v systému.

Graf 1 QH křivka + pracovní bod čerpadla⁶

5 HOVORKA, František. Charakteristika odstředivého čerpadla [online]. 2017 [cit. 2014]. Dostupné z: http://uchi.vscht.cz/uploads/pedagogika/labchi/Ch.pdf

(16)

15 Účinnost čerpadla⁶

Všeobecně je účinnost definovaná jako poměr přiváděné energie do stroje a následně míra jejího využití. U čerpadel se jedná o vztah mezi energií, kterou čerpadlo předává kapalině (PH), a příkonem na hřídeli čerpadla (P2).

Platí zde tedy vztah

η_𝑝 = ^𝑃^𝐻

𝑃₂ = ^{ρ .g .Q .H}

𝑃₂ , (1.3)

kde ρ = hustota kapaliny [kg/m³], g = tíhové zrychlení [9,81 m/s²], Q = průtok v [m³/h], H

= = dopravní výška v [m].

Graf 2 Účinnost čerpadla v závislosti na průtoku⁷

V grafu 2 je vynesena závislost průtoku a účinnosti. Je patrné, že je důležité volit čerpadlo se správným pracovním bodem, který vyhovuje požadovaným průtokům.

Příkon: V grafu 3 vidíme typický příklad svázání příkonu čerpadla s rostoucím průtokem

.

Graf 3 Příkon čerpadla⁷

6 GRUNDFOS Management A/S. Příručka čerpací techniky [online]. 2004 [cit. 2014], str. 10

Dostupné z: http://net.grundfos.com/doc/webnet/waterutility/_assets/downloads/gcz/pumphandbook_gcz.pdf

7 Tamtéž, str.10

(17)

16

1.2 Charakteristické křivky odstředivých čerpadel⁸

Celkové výkonové parametry čerpadla se skládají z více křivek. Jedná se především o závislost mezi dopravní výškou, spotřebou energie, účinností a NPSH. Všechny tyto parametry jsou zaznamenány v grafech jako funkce průtoku (viz graf 4).

Graf 4 Průmět různých charakteristických křivek ⁹

Obecně lze říci, že křivky čerpadla se stanoví podle normy ISO 9906, která specifikuje tolerance křivek takto:

• Q +/-9 %, • H +/-7 %, • P + 9 %, • -7 %.

8 JIŘIČEK, Václav. Kavitace ve vodním čerpadle. Liberec TUL, 2015, s. 23-25.

(18)

17

Křivka NPSH = Net Positive Suction Head (čistá pozitivní sací výška)⁹

Křivka se odečítá v místě nejvyššího provozního průtoku. Tato hodnota udává, do jaké míry je čerpadlo schopno vytvořit absolutní vakuum, tj. utvořit plný sloupec vody s výškou 10,33 m nad hladinou moře. Při různých nadmořských výškách se tato výška plného sloupce mění.

Graf 5 Křivka NPSH typického odstředivého čerpadla⁹

Hodnota NPSH čerpadla odpovídá minimální absolutní tlak, který musí být přítomen na sací straně čerpadla k vyloučení kavitace. Tato hodnota tlaku se přepočítává na [m] a závisí na velikosti průtoku. Při zvyšujícím se průtoku se hodnota NPSH zvyšuje.

Tato křivka se stanoví tak, že při konstantním průtoku se začne snižovat tlak na sání a jakmile klesne dopravovaná výška způsobená intenzitou kavitace o 3 %, dosáhlo se bodu na křivce.

Hodnotu NPSH je poté třeba odečítat od teoretické dopravní výšky čerpadla.

Měření charakteristik čerpadel

Tyto zkoušky se provádějí často především za účelem ověření charakteristik od výrobce nebo pro potvrzení vypočtených hodnot. Zkoušku lze provést nejen v laboratorních podmínkách, ale i přímo na nainstalovaném čerpadle. Měří se při ní především všechny výše zmíněné hodnoty, průtok, měrná energie, výtlačná výška, příkon a sací schopnost.¹⁰

9 GRUNDFOS Management A/S. Příručka čerpací techniky [online]. 2004 [cit. 2014], str.11 Dostupné z:

http://net.grundfos.com/doc/webnet/waterutility/_assets/downloads/gcz/pumphandbook_gcz.pdf

10 https://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=6696

(19)

18 Postup při měření charakteristik čerpadla

1. Zásadní je kontrola celého zařízení (přístrojů k měření, tratě atd.).

2. Nastavení konstantních otáček.

3. Nastavení požadovaného průtoku (nastavení lze uskutečnit pomocí škrtícího ventilu; škrcení může probíhat od maximálního otevření po maximální zaškrcení (nebo obráceně). Doporučený počet měření je cca 20–30.

4. Odečtení hodnot (tlak, průtok, příkon a teplota vody).

5. Odstavení systému.

Schéma měřící tratě je na obrázku číslo 1.

Obrázek 1 Schéma trati pro měření charakteristiky čerpadla¹⁰

(20)

19

2. METODY DIAGNOSTIKY KAVITACE

Z ekonomického hlediska jsou čerpací soustavy navrhovány s minimální sací výškou. To však vede ke zvýšené pravděpodobnosti, že v čerpadle nastane kavitace, jež má za následek snížení účinnosti a také může mít dopad na čerpanou kapalinu. V neposlední řadě kavitační eroze v čerpadle může být jednou z příčin, že čerpadlo selže, což přinese materiální škody, nebo může dokonce ohrozit lidské životy. Proto jednou z nejúčinnějších metod prevence proti poškození je diagnostika kavitace a dalších provozních vlastností na čerpadle. V blízké budoucnosti se předpokládá nárůst autonomních a neinvazivních metod pro provádění diagnostiky na čerpadlech a menších zařízení.

Postupy detekování kavitace v čerpadle či v jiném systému lze v základu rozdělit do dvou skupin.¹¹

Detekce kavitace podle podmínek v systému

Tyto metody jsou založeny na principu detekce (sledování) podmínek v systému, při nichž se předpokládá vznik kavitace. Jednou z nich může být například metoda pracující s hodnotou čisté sací výšky Dh, jež se pak porovnává s hodnotou Dhi (počátek kavitace) pro určitý pracovní bod čerpadla. Toto měření má za účel získání modelu závislosti Dhi´ (odhad Dhi) jako funkce (Q – objemový tok a W – úhlová rychlost otáčení hrídele). Tato metoda má tu výhodu, že Q a W jsou předem známé či je lze snadno změřit. Ovšem tyto postupy mají několik nedostatků. Hodnota Dh není závislá pouze na hodnotách Q a W.

Tím se model stává nepřesným. Zpřesnit ho je možné zjištěním dalších veličin, jako jsou například tlak a teplota kapaliny. Zde ovšem nastává problém v jejich měřitelnosti. Tyto veličiny lze často změřit pouze invazivně. Tím se však zařízení stává dražším a také náročnějším jak pro údržbu, tak pro samotný chod čerpadla.

Detekce kavitace podle projevu kolapsu bublin¹²

Tyto metody jsou založeny již na samotném kolapsu bublin. Snahou je snímat projevy jejich zhroucení. To je výhoda již sama o sobě, protože měříme jev, o který se zajímáme, nikoli pouze podmínky, při kterých se pravděpodobně vyskytuje. Druhou skupinu lze rozdělit do dvou základních metod. První je optická a druhá akustická.

Do metody optické můžeme zařadit například metody stínovou, šlírovou a PIV (Particle Image Velocimetry).

Do akustických metod náleží: měření kolapsů bublin pomocí hydrofonů, měření spektra bublinek akustickým bublinkovým spektrometrem (ABS), měření akcelerometry a metoda měřící pomocí PVDF filmů, kterou se tato práce zabývá.

11http://automa.cz/cz/casopis-clanky/diagnostika-kavitace-v-hydrodynamickych-cerpadlech- 2004_11_32626_2745/

12 HUJER, Jan. Diagnostika kavitace v hydraulickém tlumiči [bakalářská práce]. Liberec TUL, 2010, s. 33.

(21)

20 2.1 Metody zabývající se kolapsem bublin 2.1.1 Měření kavitace pomocí akcelerometrů¹³

Tato metoda sice není novým objevem, ale v poslední době se jí začíná užívat v širším měřítku. Do obliby přichází proto, že k diagnostice kavitace používá, jak již z jejího názvu vyplývá, akcelerometry. Tyto přístroje v dnešní době výrazně zlevňují a začínají být zajímavým řešením diagnostiky právě tohoto problému. Ovšem stále je zde překážka v podobě odborníka, který musí být přítomen. Cílem dnešní doby je proto nahradit člověka autonomním zařízením, které by vyhodnocovalo signály z akcelerometrů.

2.1.2 Princip vibrační diagnostiky

Chvění čerpadla může být způsobeno jednak silami nahodilými nebo periodickými.¹⁴ Periodické síly mohou býti způsobeny otáčením rotoru čerpadla. Projeví se pak ve frekvenčním spektru jako násobek frekvence otáček čerpadla.

Periodické síly jsou především ovlivněny tím, v jakém pracovním bodě se právě čerpadlo nalézá.

Graf 6 - Frekvenční spektrum¹³

Na obrázku číslo 6 je znázorněno frekvenční spektrum čerpadla, v němž není kavitace. V těchto případech je vidět, že jednotlivé čáry jsou vždy v násobcích právě frekvence hřídele.

Jednotlivé nahodilé síly mají rozdílný původ. Jejich hlavními příčinami jsou turbulence kapalin a v neposlední řadě kavitace. Když se kavitační dutiny (mračna) hroutí, vyvolávají tlakové pulsy. Tyto jednotlivé imploze lze považovat za náhodný jev rozložený v čase. Za následek má nárůst širokého spektra frekvenčních složek.¹⁵

13 http://automa.cz/cz/casopis-clanky/diagnostika-kavitace-v-hydrodynamickych-cerpadlech- 2004_11_32626_2745/

14 Předmět na TUL: Technická diagnostika, zápisky z roku 2017

15 Předmět na TUL: Technická diagnostika, zápisky z roku 2017

(22)

21

Graf 7 Frekvenční spektrum pro rotační stroj s kavitací¹⁶

Z grafu 7, zobrazujícím závislost zrychlení (a = zrychlení, v = rychlost, x = dráha) a frekvenci, lze pozorovat, že nárůst velikosti amplitud není rovnoměrný. Při nízkých frekvencích lze vidět amplitudy od rotoru značené 1X a její harmonickou složku. Dále zde je zobrazen vrchol od lopatkové frekvence (fL = počet lopatek x RPM). Vliv kavitace pozorovat na frekvenčním spektru ve vyšších frekvencích, kde tvoří širokopásmové vibrace. Zpravidla s rostoucím průtokem se kavitace projevuje výrazněji.¹⁶

Graf 8 Velikost amplitudy v čase v různých režimech kavitace¹⁶

Následné grafy 8, které zobrazují závislost zrychlení na čase, popisují rozdíl mezi vibracemi čerpadla, kdy se v něm se nenachází žádná kavitace (úplně vlevo). V čerpadle se jen výjmečně objevují amplitudy, které jsou způsobeny jeho chodem a nejsou nikterak výrazné. V grafu uprostřed je čerpadlo měřeno v počáteční kavitaci. Je zde vidět mírná akcelerace čerpadla v řádech několika desítek mm/s². V grafu úplně napravo je plně rozvinutá kavitace. Čerpadlo zde dosahuje zrychlení až 500 m/s². Snímkovací čas je 10 ms, snímkovací frekvence 200 kHz. Kavitace je velice snadno poznatelná. Vibrace snímače na čerpadle prakticky z nulového měřeného zrychlení dosahuje amplitud až 500 m/s².

Způsob, jak se kavitace projevuje v jednotlivých čerpadlech v podobě vibrací, záleží hodně na jednotlivém typu čerpadla. Výsledkem vibrací skříně čerpadla je superpozice nahodilých a zároveň periodických sil. Periodické složky se kvantitativně mění podstatně

16 http://automa.cz/cz/casopis-clanky/diagnostika-kavitace-v-hydrodynamickych-cerpadlech- 2004_11_32626_2745/

(23)

22

více než nahodile. Proto nelze sledovat pouze jen amplitudy jednotlivých vibrací, ale je nutno použít frekvenční analýzy signálů.

Měřený signál obsahuje velké množství dat, která jsou nadbytečná. Proto je nutné tyto informace před vstupem do klasifikátoru kavitace (který určuje třídu kavitace) odfiltrovat.

Následná přesnost klasifikátoru, v němž se třídí až pět různých rozsahů kavitace, dosahuje přesnosti zhruba 80 %. Pokud není požadováno přesné určení třídy kavitace, ale čistě jen zjištění, jestli tento jev nastal, dosahuje tato metoda přesnosti až 90 %. Hranicí využitelnosti se v běžné praxi považuje spolehlivost 85 %.

Kavitační stupně představují kvantitativní obraz, jak velká kavitace právě probíhá. Byla stanovena na základě pozorování výskytu kavitačních bublin ve speciálním potrubí, v němž byla průhledná skříň. Od počínající až po plně rozvinutou kavitaci bylo pozorováním stanoveno 5 stupňů kavitace.¹⁷

Třída 0 bez kavitace

Třída 1 výskyt prvních ojedinělých kavitačních dutin

Třída 2 stabilní oblak kavitačních dutin na náběžných hranách lopatek oběžného kola

Třída 3 souvislý proud kavitačních dutin Třída 4 kritická kavitace: Dh < Dhkr

Tabulka 1 Třídy kavitace, např. pro čerpadlo

Měření akustického tlaku

Je mnoho rozdílných mechanismů, které v čerpadle vydávají zvuk a projevují se vibracemi.

Jedním z nejvýznamnějších zdrojů hluku je kavitace, jež vytváří širokopásmové vysokofrekvenční zvuky. Frekvence vibrací záleží na velikosti implodujících bublin.¹⁸ Velké bubliny se při počáteční kavitaci více objevují v nižších frekvencích. Ovšem je zde mnoho dalších faktorů, jako např. velikost čerpadla atd., které frekvenční rozsah ovlivňují.

Hluk se vytváří při hroucení bublin. Při tom jsou generovány vysoké tlakové impulsy.

Jejich velikost záleží na počtu bublin a také na materiálu oběžného kola. Kavitace nemusí být v počátcích lidským uchem slyšitelná. Následná vyvinutá kavitace se však již může

17 FLEK, Ondřej. Diagnostika kavitace v hydrodynamických čerpadlech [online]. Praha: Výzkumné středisko Rockwell Automation Praha [cit. 11.2004]. Dostupné z:

http://automa.cz/cz/casopis-clanky/diagnostika-kavitace-v-hydrodynamickych-cerpadlech- 2004_11_32626_2745/

18 Experiences on cavitation detection methods authors: Researcher, M. Sc. Timo KOIVULA, Professor, Dr.Tech. Asko ELLMAN and Professor, Dr.Tech. Matti VILENIUS, Institute of Hydraulics and Automation (IHA), Tampere University of Technology, s. 20.

(24)

23

projevovat zřetelným prskáním či praskáním. Tyto projevy lze zaznamenat mikrofonem, kterým můžeme detekovat i počáteční kavitaci.

Pokud je proudění s kavitací stálé (počáteční), zůstává i hladina hluku poměrně konstantní především kvůli šumu v pozadí (hluk rotujících lopatek, ventilátoru a dalších hluků vznikajících provozem čerpadla).

Nejnižší hlučnost čerpadla se očekává v optimálním pracovním bodě. Pokud se pohybuje mimo svůj pracovní rozsah, vzniká větší hluk například kvůli pulsujícímu tlaku. Jednotlivé šumy lze v diagnostice i odfiltrovat na základě známých frekvencí a velikosti (například rotoru). Pokud se zařízení dostane do pásma plně rozvinuté kavitace, roste rapidně i úroveň akustického tlaku.

Více informací nám poskytne zařízení schopné měřit oblast širokých frekvencích. Pokud vyneseme na osu x čas, na osu y frekvence a na osu z úroveň akustického tlaku (graf 9), lze poměrně čistě vidět kavitaci. V době 3 s, při počátku kavitace, je vidět náhlý nárůst akustického tlaku při vysokých frekvencích. Pokud se kavitace více rozvíjí, přechází vyšší tlak i do nižších frekvencí.

Graf 9 Časově frekvenční spektrum ¹⁸

(25)

24

Jedno z dalších měření lze vidět na grafu 10 (je v něm vynesena závislost úrovně akustického tlaku na frekvenci). Vlevo je čerpadlo bez kavitace a napravo s vyvinutou kavitací. Zřetelně je vidět, že šum zůstává stejný, ale přibyl vrchol v oblasti 800 Hz, který lze považovat za kavitační hluk.¹⁹ Dále lze pozorovat další frekvenční složky jako například rotorovou frekvenci, či lopatkovou v nízkém frekvenčním spektru.

Graf 10 Frekvenční analýza před a s kavitací ¹⁸

Dalším speciálním jevem nastávajícím při plně vyvinuté kavitaci je, že čerpadlo obsahuje velké množství plynu, a proto hluk a vibrace klesají. Důvodem je absorpce tlakové energie přítomnými bublinami.

19 KOTB, Ashraf, MORGAN Abdulaziz. Cavitation Detection in Variable Speed Pump by Analyzing the Acoustic and Vibration Spectrums. Ain Shams University, 2015, str. 711

(26)

25

Další z ukázek měření, které prováděli na Universitě v Ljubljaně, kde opět použili měření akustického tlaku:

Autoři měřili dvě čerpadla A a B. Každé bylo vyrobeno ze zcela odlišných materiálů. První měření se konalo při podmínkách, kdy kavitace nemohla nastat. Obě čerpadla mají frekvenci rotoru 49 Hz. Frekvence lopatek je 295 Hz a má též harmonické složky.

Graf 11 Frekvenční spektrum záznamu akustického tlaku produkované čerpadly bez kavitace²⁰

Signály z obou čerpadel, když nedochází ke kavitaci (graf 11), jsou významnou součástí k detekci kavitačního jevu, protože slouží, jako základ k porovnání mezi režimem bez kavitace a s kavitací. Na grafu číslo 11 je zároveň důležité si povšimnout, že každé čerpadlo má bez kavitace rozdílný průběh frekvenčního spektra. Z toho vyplívá, že pro každý typ vyrobeného čerpadla je nutné měřit vlastní frekvenční spektrum a k němu dělat jeho vlastní diagnostiku.

20 CERNETIČ, J., J. PREZELJ, M. CUDINA. Use of noise and vibration signal for detection and monitoring of cavitation in kinetic pumps. and University of Ljubljana, Faculty of Mechanical Engineering, Aškerčeva 6, 1000 Ljubljana, Slovenia, jan.cernetic@fs.uni-lj.si, 2008, s. 2202.

(27)

26

První srovnání mezi frekvenčního spektra s kavitací a bez kavitace lze vidět na grafu číslo 12.

Graf 12 Čerpadlo A – s a bez kavitace²¹

Významné pásmo pro čerpadlo A je úzký rozsah okolo frekvence 1600 Hz. V tomto pásmu se výrazně začíná lišit od normálního chodu. Tato oblast může být pro sledování kavitačního jevu relativně spolehlivým ukazatelem.

Pro každé čerpadlo jsou však specifické charakteristiky, jak detekovat kavitaci, protože signál se projevuje, jak již bylo zmíněno, velice specificky. Především závisí na skladbě materiálu, typu oběžného kola, formě a rozměrech.

(28)

27

Graf 13 Rozdíl naměřených hodnot bez a s kavitací čerpadla B²²

Rozdíl v hluku způsobeném kavitací v běžném použití je cca 10 dB, jak je patrné z grafu 13. Zde je zobrazeno frekvenční spektrum akustického tlaku.

(29)

28 2.2 MĚŘENÍ POMOCÍ PVDF FILMŮ

PVDF filmy (piezoelektrický polyvinylidenfuorid) se stávají čím dál častěji používaným měřicím snímačem. Jsou oblíbené především pro možnost měřit rychlé dynamické jevy, které mají vysokou amplitudu. Dobrých výsledků dosahuje též jejich životnost. PVDF jsou založené na piezoelektrickém jevu, kdy tlaková síla mechanicky deformuje piezoelektrický element. Lze je použít při měření impulzů síly. Jak již bylo zmíněno, bubliny vytvářejí tlakové změny, které lze vyjádřit silou. Když bubliny kolabují, projevuje se to na vnějším zařízení tlakovými změnami.²³

Element, který je deformován, je polarizován a vytváří určitý náboj, který je pak v zesilovači zesílen a změřen. Následnou kalibrací (testováním, kde se k určité velikosti náboje přiřadí odpovídající síla) lze určit odpovídající hodnotu tlaku v kapalině.

Tyto filmy se především instalují na profily lopatek čerpadel, turbín a dalších profilů.

Jedním ze způsobů, jak dále aplikovat tento film, je zařízení zvané hydrofon (popsán je níže).

PVDF piezoelektrické fólie (DT1-028K/L) použité v této práci vyrábí firma Measurement Specialties, Inc., PA, USA. Skládají se z aktivní oblasti 12 mm × 30 mm, která má potisk stříbrnou barvou, jež představuje elektrody na povrchu obou ochranných fólií (uretanu) s rozměry 15 mm × 40 mm. Ochranná fólie má tloušťku 28 µm. Dva elektrické vodiče jsou pak přinýtovány na konci filmu k elektrodám pro výstupní signál. Celková tloušťka je 40 µm. Jelikož je tloušťka tak malá, dosahuje film podle odhadu výrobce vysoké citlivosti až 0,013 V/N (citlivost = napětí/síla).

Obrázek 2 Ukázka PVDF filmů a jejich konstrukce²⁴

(30)

29

2.3 Detekce kolapsů kavitačních bublin pomocí hydrofonů²⁵

Jedním z dalších akustických snímačů v kapalině jsou hydrofony (viz obrázek 4).

K zachycení kolapsů kavitačních bublin využívají hydrofony opět již zmíněné PVDF filmy pro jejich obecně dobré vlastnosti. Jejich přesnost je dána kalibrací. Hydrofon patří ke skupině snímačů měřících kavitaci, které je nutno instalovat dovnitř zařízení. Výstupem tohoto čidla je tlakový signál, který obecně obsahuje velké množství frekvenčních složek, které je opět nutné zpracovat vhodnou analýzou. Bývá následně zesílen a přiveden do osciloskopu. Odtud je veden do sběrnice v počítači. Ke zpracování signálů z hydrofonu nebo PVDF filmů se používají externí programy např. Labview 2012, FlexPro a další.

Ilustrativní obrázek č.4 hydrofonu a technické parametry několika typů hydrofonů:

Typ hydrofonu s l

Prostorové rozlišení 1 mm 3 mm

Odezva typ. 150 ns typ. 150 ns

Šířka pásma typ. 1 kHz to 3

MHz

typ. 1 kHz to 3 MHz

Rozlišení jednoho impulzního tlaku typ. +/- 5 kPa typ. +/- 0.7 kPa

Citlivost typ. 20

mV/MPa

typ. 150 mV/MPa

Přesnost +/- 15 % +/- 15 %

Teplotní rozsah 10 °C to 35 °C 10 °C to 35 °C

Obrázek 3 Ukázka hydrofonů

(31)

30

Výhoda měření pomocí hydrofonu spočívá, že lze pozorovat akustický tlak za testovanou lopatkou přímo uprostřed proudu. Nevýhoda spočívá v zásahu do konstrukce a často nereálného řešení v instalaci tohoto zařízení.

Použití pomocné metody ABS k detekci kavitace

Jedná se o další akustickou metodu. Množství bublin v kapalině, které se určí z poloměru bublin, a objemový zlomek, který je též závislý na poloměru, se měří akustickým bublinkovým spektrometrem (dále jen ABS). Metoda je založena na šíření zvuku ve vícesložkových látkách – jedná se o jednu dominantní látku, ve které je rozptýlena druhá látka. V našem případě se to týká vody, která je v systému dominantní, a vzduchových bublin, které jsou v ní rozptýleny. Této směsi se říká disperzní prostředí. Rychlost zvuku procházejícího právě tímto prostředím je závislá na jeho frekvenci. Na základě matematického modelu, který řeší závislosti mezi prostředím, spektrem bublin, šířením zvuku atd., se řeší ve výpočetním softwaru.

Zvukový signál je vysílán a přijímán dvěma piezokeramickými převodníky. Prvním se signál vyšle tekutinou směrem ke druhému a druhým se tento signál přijímá. Dva převodníky se umístí naproti sobě za podmínky vzájemné akustické izolovanosti, aby nedocházelo k přenosu signálu skrz konstrukci. Dále však musí být zajištěn kvalitní přenos mezi samotnými převodníky disperzním prostředím. Proto je potřeba volit vhodné prostředí, které má podobné akustické vlastnosti jako materiál použitého převodníku (například plexisklo). Ke zlepšení těchto vlastností lze použít ještě indiferentní gel, který kvalitu prostředí zlepší.

Na obrázku 4 je znázorněno možné zapojení ABS metody.

Obrázek 4 Schematické zapojení ABS metody²⁶

(32)

31

Převodníky: měřicí komora, vodiče, měřicí karta, vodiče, počítač s výpočtovým softwarem.

Z generátoru signálu je opakovaně vyslán signál o různé frekvenci, který je zesílen výkonovým zesilovačem. Následně je odeslán do prvního převodníku, který ho vyšle do disperzního prostředí. Druhý převodník tento signál, který je „utlumený“, zachytí. Po opětovném zesílení je poslán do měřicí karty. Z ní se data odešlou do počítače k analýze.

Jedná se o relativně složitou metodu, ale dodává kvalitní informace o počtu bublin v kapalině.

(33)

32

3. ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLU

Dříve, než se autor této práce bude zabývat samotnou analýzou signálu, je potřeba stručně popsat jednotlivé principy, které jsou k diagnostice použity.

Klasifikace signálů²⁷

Prvním krokem ke zpracování signálů je určit, jaký typ signálu je k dispozici. Obvykle se pojem signál vztahuje k svázanosti časové veličiny a další funkce, které reprezentují fyzikální veličiny (bez šumu). Dále v práci však pojem signál bude zahrnovat i na časovou funkci, která šum obsahuje (protože i šum může být pro měřený objekt nositelem informace).

Jedno ze základních dělení je vidět na obrázku 5. V nejvyšším patře rozdělení je samotný signál, který lze rozčlenit na dva základní typy – deterministický a stochastický (náhodný).

Deterministický je signál, který určuje funkční předpis, s jehož pomocí lze jeho průběh předvídat předem. Signál získaný z měření na čerpadle se řadí mezi stochastické, u nichž nelze předem určit, jak budou vypadat. I když v některých místech ho lze pro svou charakteristiku nazvat deterministickým, například je vidět pravidelnost rotoru čerpadla či lopatek. Ovšem doprovodný a měřený jev je nepravidelný.

Obrázek 5 Klasifikace signálů

Stochastické signály

Dělit je lze na další dvě podskupiny – stacionární a nestacionární. Hlavním rozdílem, jak již z názvu vyplývá, je, zda se signál v časovém průběhu mění, nebo ne. Zde nastává menší komplikace v určování, o který typ signálu se jedná, protože některé se v krátkém časovém horizontu mohou jevit jako nestacionární, ale kdyby se měřily v delším časovém pásmu,

27 TŮMA, J. Zpracování signálů získaných z mechanických systémů. 1. vyd. Praha: Sdělovací technika, 1997, s. 17.

(34)

33

mohly by působit jako stacionární. Příkladem může být například mluvené slovo. Když se bude analyzovat pouhé jedno slovo, signál je označen jako nestacionární. Ovšem pokud se záznam protáhne na desetiminutový monolog, signál bude možno určit za stacionární.

Stochastické signály lze dále rozdělit na další dvě podskupiny – úzkopásmové a širokopásmové. Úzkopásmové jsou ty, které obsahují významné frekvence frekvenční složky pouze v oblasti s nízkou frekvencí, a jejich záznam obsahuje většinou jenom jednu hlavní složku. Na rozdíl od širokopásmových, které jsou zcela náhodné a mohou obsahovat více významných frekvenčních složek.

Příklady signálů a jejich spekter²⁸

Nejprve je nutné definovat, co znamená spektrum signálu: Jednotlivé složky spektra popisují jednotlivé periodické jevy signálu. Velmi zjednodušeně je lze označit za podíl jednotlivých „čistých“ tónů například záznam hluku. Spektrum je funkcí frekvence.

Ukázka z deterministického signálu je na obr. 6. Signál obsahuje impulsní periodický charakter, kde se střídají dvě hodnoty. Protože je signál periodický jako spektrum obsahuje jen několik frekvenčních složek (vpravo).

Obrázek 6 Časový průběh a spektrum deterministického signálu³⁰

Na dalším obrázku 7 je průběh signálu (vlevo) a jeho spektrum (vpravo), který lze považovat za širokopásmový. Podobný záznam, který je měřen na čerpadle, je výsledkem i této práce. Jeho spektrum obsahuje mnoho frekvenčních složek.

28 Tůma, J. Zpracování signálů získaných z mechanických systémů. 1. vyd. Praha: Sdělovací technika, 1997, s. 18.

(35)

34

Obrázek 7 Časový průběh a spektrum širokopásmového signálu³⁰

Ukázkový příklad je záznam hluku od osmiválcového vznětového motoru nákladního automobilu. Spektrum obsahuje několik izolovaných složek, které mírně převyšují ostatní spektra. Při prvním pohledu se jeví, že je plně nahodilý. Teprve pomocí spektra o něm lze říci bližší informace – jednotlivé vrcholy znamenají například počty zubů ozubených kol rozvodů, frekvence zápalů motoru a další. V signálu je přítomen také šum na relativně vysoké úrovni.

Z měření na čerpadle signál lze řadit mezi stochastické s podílem deterministických složek od rotoru a jeho lopatek.

Fourierova transformace

Jedním ze základních postupů v diagnostice je využití Fourierova transformace.²⁹ Při ní transformací nahrazujeme původní časovou funkci, posloupností harmonických funkcí odlišných kmitočtů fází, abychom dostali součet z jednoduchých funkcí zpětně originál.

Výsledkem těchto transformací jsou již zmíněná spektra. Ovšem kmitání je náhodný proces často a Fourierova transformace by ze své definice pro tyto signály vyprodukovala opět náhodnou funkci. Jelikož ale neznáme funkci signálu, je nutné najít jinou cestu.

Pro diskrétní měřená data se používá Diskrétní Fourierova transformace (DFT). Při zachování určitých teoretických předpokladů dává stejné výsledky jako Fourierova transformace. Výsledkem upravování rovnice Fourierovy transformace je výraz

, (3.5)

kde d(k) = jednotlivé vzorky, N = počet vzorků, n = pořadí vzorku.

Výpočty pomocí DFT jsou velice náročné. Existuje však výpočetně efektivnější algoritmus FFT. Proto se přechází k takzvané Fast Fourier transformation (FFT – rychlá Fourierova transformace).

29 Tůma, J. Zpracování signálů získaných z mechanických systémů. 1. vyd. Praha: Sdělovací technika, 1997, s. 18.

(36)

35

4. MĚŘENÍ CHARAKTERISTIKY ČERPADLA

Pro praktickou část této práce byla nainstalována trať, na které proběhlo měření čerpadla a jeho charakteristiky, a dále probíhalo měření kavitace pomocí PVDF filmu.

Trať má 200litrový zásobník vody v podobě sudu, který lze vidět na obrázku 6 vlevo.

V dolní části je umístěno sání. Rozvod je tvořen pomocí měděných trubek, které jsou z důvodu snížení vibrací a celkově snadnější instalaci a manipulaci pospojovány vysokotlakou hadicí. Na vstupu u sání je ventil, kterým se reguluje ztráta a průtok na vstupu do čerpadla. Slouží především k vytvoření podtlaku, který vyvolá kavitaci v čerpadle za ním. Čerpadlo je od firmy Wilo a model Stratos – 30/1–12. Před a za ním jsou umístěny snímače tlaku. Před vstupem do průtokoměru je kulový ventil sloužící k vytvoření ztráty simulující dopravní výšku. Následuje průtokoměr a za ním další kulový ventil, který slouží čistě jako pojistný, kdyby nastala porucha někde na trati. Následně je voda čerpána do sudu. Takto zapojená trať sloužila k měření charakteristiky čerpadla.

Obrázek 8 Zapojení trati

Na obrázku číslo 8 lze vidět praktické zapojení měřené trati (čerpadla). Čerpadlo bylo vždy nastaveno na maximální otáčky a charakteristika se měřila pouze v tomto režimu.

(37)

36

Na obrázku číslo 9 lze vidět schématické zapojení trati.

Obrázek 9 Schéma trati

Popis použité měřicí techniky Tlak

Tlak se měřil se ve dvou místech – těsně před čerpadlem a těsně za ním. Jednotlivá místa byla měřena trojbodově pomocí snímače od firmy Kulite. Označení snímače je HKM-375, který je schopen v rozsahu 10bar měřit s přesností 0,1 % baru. Signál ze snímače byl dále veden stíněným kabelem do měřícího analyzátoru od firmy DEWEtron.

Obrázek 10 Ukázka použitého snímače tlaku

(38)

37

Tento měřící analyzátor obsahuje program, který slouží právě k měření různých signálů. V daném softwaru (DEWEsoft) lze nastavit pro různé měřené fyzikální veličiny přímo softwarové převodníky, které umožní měření elektrický signál v tlakových jednotkách.

Nejdříve je však nutné dané snímače kalibrovat a vyplnit následující okno:

Obrázek 11 Ukázka nastavení DEWEtronu

Po kalibraci je snímač připraven k měření.

(39)

38 Průtok

Průtok byl měřen pomocí průtokoměru od firmy Siemens (obrázek číslo 12).

Model Sitrans F C MASSLO MASS 2100

Toto zařízení dokáže měřit průtok s přesností 0.1 % a lze přes ně čerpat kapalinu o teplotách (-20 až 50 °C).

Zároveň dokáže měřit teplotu kapaliny a její hustotu.

Příkon

Příkon čerpadla byl měřen pomocí wattmetru zapojeného mezi napájecí kabel čerpadla a elektrickou síť.

Obrázek 12 Použitý průtokoměr

(40)

39 Měřené čerpadlo

Čerpadlo značky Wilo a model Stratos – 30/1–12. Na grafu 12 lze vidět jeho charakteristiku udávanou výrobcem. Zvoleno bylo proto, že je schopno dosáhnout podtlak sytých par. Jeho pouzdro je šedá litina (EN-GJL-200), oběžné kolo plast (PPE – 30 % GF), Hřídel čerpadla ušlechtilá ocel (X46Cr13) a ložisko z uhlíku, impregnovaným kovem.³⁰

Graf 12 Charakteristiky měřeného čerpadla²⁷

30 Prospekt k čerpadlu Wilo: Data sheet: Wilo-Stratos – 30/1–12.

http://productfinder.wilo.com/es/en/c0000001b0000accb00010023/_00000018000029430002003a/product.ht ml#tab=6

(41)

40 4.1 Měření charakteristiky čerpadla

Postup měření charakteristiky čerpadla Wilo a model Stratos – 30/1–12:

1. Při konstantních otáčkách změřit následující body:

a) dopravní výšku v závislosti na průtoku (cca 25 bodů), b) výkon čerpadla v různých pracovních bodech (cca 25 bodů), c) účinnost čerpadla (cca 25 bodů),

d) křivku NPSH.

Na začátku měření je nutné nejprve zjistit přesný rozdíl úrovně vodní hladiny v zásobníku h2 (horní hladina) a h1 (spodní hladina). Následuje odvzdušnění systému a při vypnutém čerpadle se odměří p1 (tlak před čerpadlem) a p2 (tlak za čerpadlem). Tím se pomocí Bernoulliho rovnice určí rozdíl výšek

^ρ∗v

2

2 + h₁∗ ρ ∗ g + p₁ = ^ρ∗v²

2 + h₂∗ ρ ∗ g + p₂, (2.1) kde ρ = hustota [kg/m³], v = rychlost kapalin [m/s], g = gravitační konstanta [m/s²], p = tlak [Pa]. Z rovnice lze následně vyjádřit rozdíl hladin, kde v = 0 (nedochází k pohybu tekutiny), ρ = konstanta. Poté lze vyjádřit rozdíl hladit vzorcem

h₂− h₁ = ^p¹^−p²

ρ∗g . (2.2) Následně je nutné připravit si jednotlivé vztahy pro výpočet dalších hodnot.

Postup měření pro stanovení charakteristiky³¹ 1. Odvzdušnění měřicího okruhu.

2. Kontrola funkcí snímačů tlaků.

3. Spuštění asynchronního motoru čerpadla.

4. Nastavení Q (průtok [kg/h] pomocí otevření výstupního ventilu.

5. Kontrola ustálení tlaků, příkonu, průtoku.

6. Vlastní měření nastaveného bodu. Měření bodu probíhá po dobu 5 a 3 sekundy.

7. Opakování od bodu číslo 4, dokud nezměříme všechny požadované průtoky.

9. Odstavení čerpadla.

10. Měření tlakové diference při odstaveném čerpadle.

31 http://www.mssch.cz/sites/default/files/_uzivatele/valentova/charaktcerp.pdf

(42)

41

Naměřená data se zapisovala do tabulky (viz. příloha tab č. 4) v programu Microsoft Excel a pak byla upravována do grafů. Naměřené hodnoty byly zaznamenány v pracovním režimu, kdy čerpadlo pracovalo při 4 800 ot/min.

Dopravní výška je získaná z přepočtu měřeného tlaku za čerpadlem pomocí Bernoulliho rovnice, kterou lze vidět na grafu 13.

Naměřená dopravovaná výška při stejném průtoku celkem dobře odpovídá hodnotám výrobce.

Naměřená křivka kopíruje křivku od výrobce v celém průběhu. Od minimálních průtoků křivka stoupá a pak od určitého bodu začne prudce klesat.

Graf 13 Naměřená QH křivka 0

2 4 6 8 10 12 14

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Dopravní výška [m]

Průtok Q [kg/s]

Dopravní výška v závislosti na průtoku

(43)

42

Graf 14 Naměřená účinnost čerpadla

Spotřeba energie odečtená přímo z wattmetru a při daném průtoku (graf č. 15). Odpovídá téměř identicky parametrům od výrobce.

Graf 15 Naměřený příkon čerpadla 0,00

0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Účinnost [-]

Průtok Q [kg/s]

Účinnost čerpadla závislá na hmotnostním toku

0 50 100 150 200 250 300 350

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Příkon čerpadla [W]

Hmotnostní tok Q [Kg/s]

Příkon čerpadla závislý na hmotnostním toku

(44)

43

K těmto grafům patří ještě hodnota NPSH (graf číslo 16), která byla stanovena pomocí vzorce

𝑁𝑃𝑆𝐻𝑎 = ^𝑝

𝜌 × 𝑔+ ^𝑣²

2 × 𝑔− ^𝑝^𝑣

𝜌 × 𝑔, (2.5) kde: p = tlak na sání [Pa], v = rychlost proudění [m/s], g = gravitační zrychlení [m²/s], pv = tlak sytých par. Vypočtená hodnota NPSHa je především ve vyšších průtocích vyšší o cca 20 % než naměřená hodnota.

Graf 16 Vypočítaná NPSHa křivka 0

1 2 3 4 5 6 7 8

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

NSPH [m]

Průtok [kg/s]

NPSHa

(45)

44

5. DIAGNOSTIKA KAVITACE V ČERPADLE POMOCÍ PVDF FILMŮ

5.1 Umístění PVDF filmů

Jak již bylo zmíněno na začátku této práce, cílem našeho projektu je docílení neinvazivní diagnostiky kavitace ve vodním čerpadle. K dosažení cíle jsme zvolili metodu měření pomocí PVDF filmů, které bylo třeba nalepit na vhodná místa na čerpadle a následně signál z těchto filmů zpracovat. Nalepení filmu lze vidět na obrázcích 13 a 14. Místo 1 bylo zvoleno tak, aby byl získán signál před vstupem do oběžného kola čerpadla. Místo 2 bylo vybráno tam, kde voda opouští komoru čerpadla. Tato místa by měla být zasažena kolapsem bublin nejvíce.

Obrázek 13 Nalepení PVDF filmu na výstupu z čerpadla

Jednotlivé filmy musely býti přilepeny na předem obroušenou a odmaštěnou plochu pomocí gelového lepidla od firmy Loctite. Části, kde jsou přivedeny kabely k filmu, musely být přilepeny jiným druhem lepidla, které je pružnější a snáze se s ním vytvoří větší izolační vrstva. Odizolování kabelu je nutné, neboť jinak by v signálu docházelo k mnoha zkreslujícím jevům. Následně byly kabely ještě přilepeny izolační páskou, aby při

(46)

45

náhodném zavadění o kabel, nedošlo k natržení filmu, který je k tomu při nalepení náchylný.

Obrázek 14 Nalepení PVDF filmu na vstupu do čerpadla

Celé zapojení čerpadla je pak stejné jako při měření jeho charakteristiky. Rozdíl je v tom, že filmy jsou zapojeny do osmikanálového měřícího záznamníku. Signál pak byl přenesen do PC k dalšímu zpracování pomocí programu SignalExpress.

(47)

46 5.2 Nastavení měřícího zařízení

Zásadní bylo nastavení osciloskopu pomocí programu NI Signal Express, který dokáže elektrická data ze záznamníku zpracovat. Nastavení ke snímání nalezneme zde na obrázku číslo 15.

Obrázek 15 Nastavení osciloskopu

Zde se nastavovalo, které kanály mají být snímány ze záznamníku a jaký bude rozsah daného měření ve voltech. Dále se přednastavoval druh signálu a odpor. V pravé části se nastavovala délka nahrávání signálu a rychlost snímkování. V našem případě se rychlost snímkování nastavila na 1 MHz (očekávané frekvence zkoumaného děje jsou do 10kHz) a délka signálu na 3 000 000 vzorků. Délku signálu a rychlost snímkování bylo nutné nastavovat rozumně vůči technice, která byla k dispozici. Měření se spouštělo ručně a nebylo nutné nastavovat další funkce jako trigger apod.³²

(48)

47

Naměřené hodnoty v SignalExpress byly dále exportovány do programu FlexPro 10.

SignalExpress má sice funkce ke zpracování signálu, ale pro podrobnou diagnostiku, která je nutná u tohoto měření, je nedostatečná.

5.3 Nastavování režimů k měření kavitace

Měření kavitace probíhá v různých režimech, které je třeba nastavit. Při charakteristice čerpadla se manipuluje s ventilem, který je za čerpadlem, čímž se simuluje dopravní výška, ale při tomto měření manipulujeme s ventilem před čerpadlem. Jeho zavíráním způsobujeme v potrubí tlakovou ztrátu a tlak tak klesá.

Celkově bylo provedeno 30 měření. Při každém třetím se z počátku měřil signál z PVDF filmů. Od místa, kdy bylo lidským uchem slyšet, že dochází ke kavitaci (začínalo pískání, praskání u ventilu), se měřený krok zjemnil, a měřil se proto krok každý. Při jednotlivých krocích proběhlo pět měření a záznam se ukládal do jednoho souboru.

Při prvním měření dat bylo zjištěno, že do systému je nasáván vzduch. Proto bylo nezbytné upravit trať, jelikož data, která byla naměřena, se znehodnotila.

Nejprve bylo nutné vyměnit dosavadní nádrž s vodou. Sud byl nahrazen nádrží Solario II, která slouží jako akumulační nádrž v systému solárního ohřevu vody. K okruhu byla přidána expanzní nádoba na vyrovnávání vody v systému. Nádrž má i vlastní odvzdušňovací ventil, tudíž s expanzní nádobou a dvěma odvzdušňovacími ventily by v trati nemělo docházet k zavzdušnění. Těmito prvky bylo docíleno uzavřeného systému.

Dále bylo rozebráno čerpadlo a pomocí silikonu přetěsněno, aby i v něm nebylo možné náhodné přisávání vzduchu z atmosféry. Jednotlivé další prvky potrubí byly také ještě precizněji přetěsněny. Některé prvky systému byly vyřazeny úplně, aby se minimalizovala možnost přístupu vzduchu do systému.

(49)

48 Úpravy okruhu lze vidět na obrázku 16.

Obrázek 16 Nově zapojená trať

Přestože byl systém přetěsněn a zvolen uzavřený okruh, do systému se i nadále při nízkých tlacích dostává do okruhu vzduch. Místo, kudy se tento vzduch do systému dostává, nebylo určeno. Jedna z teorií je, že se vzduch dostává do oběhu přímo čerpadlem. Konkrétně elektromotorem, v němž vzduch proudí podél hřídele až k oběžnému kolu. Tento systém však přinesl i výhody. Jednou z nich je, že je stabilnější (tlak nekolísá ve velkém rozpětí a s ním je i průtok je stabilnější). Samotné nasávání vzduchu bylo také zlepšeno, ale ne zcela dostačujícím způsobem. Trať však byla přizpůsobena dalším druhům měření, kde lze navyšovat tlak v soustavě. Přestože systém při nízkých tlacích nasával vzduch, měření byla provedena.

Měření bylo uskutečněno v pěti různých režimech. Postupovalo se od plně otevřeného sacího ventilu (největší tlak na sání) po uzavření ventilu na maximální podtlak na sání.

(50)

49 R

Q [kg/s]

p1

[bar]

p2

[bar]

Dp

[bar] dp [m] p [kPa] Qpvm Q power

meter [W] eff [-]

1 1,73 1,05 1,73 0,68 6,93585 68 117,98215 311 0,379364 2 1,556 0,88 1,64 0,76 7,75183 76 118,59994 309 0,383819 3 1,423 0,72 1,55 0,83 8,46581 83 118,45251 309 0,383341 4 1,025 0,5 1,41 0,91 9,28179 91 93,54628 311 0,300792 5 0,25 0,37 1,31 0,94 9,58779 94 23,56835 312 0,075540

Tabulka 2 Měřené režimy

Popis tabulky číslo 2 kde bylo naměřeno pět různých režimů čerpadla:

Kde R = číslo režimu, Q = hmotnostní tok v systému, p1,2 = tlak před a za čerpadlem, Dp = rozdíl tlaku před a za čerpadlem, dp = rozdíl tlaku v přepočtu na metry, p = rozdíl tlaků v kPa, Q power meter = příkon čerpadla, eff = účinnost čerpadla

5.4 Zpracování naměřeného signálu pomocí programu FlexPro 2017

Jeden z prvních kroku, které bylo nutno zařídit, bylo správné nahrání souborů, které byly naměřeny v programu SignalExpress. Byl zvolen formát souborů tdms, který je s programy kompatibilní.

Nyní mohla započít samotná analýza signálu. Na obrázku 18 je uvedeno ukázkové prostředí z programu FlexPro 2017. V levé části se nachází adresář importovaných signálů, uprostřed se nalézá zobrazovací plocha pro jednotlivé úkoly (zde je vidět vykreslení grafu), ve spodní části jsou zobrazeny použité funkce. V horní liště jsou klasicky zobrazeny ikony pro momentálně otevřený nástroj.

Obrázek 17 Ukázka prostředí FlexPro 2017