Senzorika a alternativní zdroje energie, zejména větrné : SENSOR + TEST 2011

Nepostradatelné senzory a s nimi způsob získávání informací o reálném prostředí, patří dnes už k obvyklým jevům nejrůznějších procesů, od zdravotnictví až po průmysl. Široký sortiment senzorů, založený na různých fyzikálních principech, prochází ale neustálým vývojem a postupně vznikají nejen nové jednotlivé typy, ale i celé nové generační řady. Dát určitý řád do přehledu o směrech vývoje se už po léta pokouší každoroční norimberský veletrh Sensor + Test, pořádaný německým svazem pro senzoriku AMA Fachverband. Jeho letošního ročníku se zúčastnilo 580 vystavovatelů a svou samostatnou společnou expozici tu měly i fi rmy z České republiky. Za ústřední moto veletrhu vybrali letos pořadatelé senzoriku spojenou s alternativními zdroji energií, především pak s výrobou a provozem zařízení větrných elektráren. Tady se uplatňuje celá řada senzorů, a to nejen speciálních, spojených s každodenním provozem, jako jsou např. senzory síly a směru větru nebo senzory natočení listů vrtulí, ale i takových, které lze aplikovat v širším měřítku. Už při výrobě kompozitních listů rotorů, s rozpětím i 70 m, patří mezi zajímavá užití pevnostní a tvarová kontrola listu rotoru za simulovaného provozního zatížení pomocí lankových senzorů. Lankový senzor měří lineární pohyb kontrolovaného objektu pomocí pleteného lanka z nerezových vláken, navíjeného na bubínek senzoru, propojený axiálně s víceotáčkovým potenciometrem nebo inkrementálním, popř. absolutním enkoderem. Lineární pohyb zatěžovaného listu rotoru je tak převáděn na rotační a posléze na změnu odporu. Veškeré tyto práce má ve své vývojové náplni Fraunhoferův institut IWES, Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik, který byl s tímto záměrem ustaven teprve nedávno v roce 2009. Zajímavou souhrou náhod právě v době konání veletrhu Sensor + Test otevřel po předchozí menší zkušební hale další novou pro zkoušky až 90metrových rotorových listů. Lankové senzory používá od Micro-Epsilon, série P 115 s rozsahem 3 až 10 m a s digitálním výstupem signálů. Zajímavým, ale především užitečným při náhradě nebezpečné a obtížné práce, je i způsob užití senzorů v kombinaci s robotem k ověřování kvality listů rotoru za provozních podmínek. Robot rámové konstrukce, zavěšené na lanech, je stejně jako celý senzorový systém dílem Fraunhoferova institutu IFF. Při 16 stupních volnosti šplhá robot po profilu listu vrtule, kde ověřuje jeho celistvost, případně zjišťuje výskyt různých materiálových vad, povrchových rysek, korozi náběhových hran nebo některých jiných defektů. Rámová konstrukce robotu nese senzorový systém tvořený IR zářičem, termografickou IR kamerou, ultrazvukovým senzorovým systémem a digitální kamerou s vysokým rozlišením. Po provedeném měření robot sám vystaví závěrečný protokol. Vyvinutý systém je univerzální, parametry listu vrtule jej nijak neomezují a lze jej používat při kontrole i jiných rozměrných zakřivených ploch. Senzory spojené s činností větrných elektráren jsou důležitým prvkem i při sledování jejich často kritizované provozní hlučnosti. Informaci poskytují akustické kamery, které dokáží rozlišit provozní hlučnost, způsobenou nejen mechanickými částmi konstrukce, ale i aerodynamickými jevy při obtékání vzduchu kolem listů vrtule, gondoly i celé stavební části. Akustické kamery zachytí rozsah a intenzitu úrovně hluku a naměřené hodnoty prezentují mapováním akustických polí, svým výrazem obdobných záznamům teploty při IR termografii. Na on-line výstupu hlukové mapy se v barevné stupnici s posloupností od červené, přes žlutou a zelenou k modré určí tak hlučnost od nejvyšší k nejnižší u podstatných dílů zařízení, v případě větrných elektráren i odchylky hlučnosti rotoru v závislosti na změnách tvaru lopatek rotoru. Tuto metodu, pokrývající při kontrole hlučnosti celou oblast slyšitelného pásma, prezentovala na veletrhu Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik (GFaI), která ji při modulární koncepci vypracovala až k funkci univerzálního nástroje. Vedle mapování hlučnosti a úrovně zvuku ve volném prostředí, prováděném většinou v zájmu ekologie, nabízí široké uplatnění i všude tam, kde se nějaký zvuk vyskytuje. V průmyslu, dopravě nebo u různých služeb, kde úroveň zvukové hladiny může prozradit i kvalitu a případnou poruchu výrobků. K uživatelským přednostem akustické kamery patří možnost zachytit a monitorovat úroveň zvuku rovněž v závislosti na časovém průběhu a vytvoření i souvislého zvukového záznamu extrémně rychlých dějů. Zajímavý příklad univerzálního užití optické kamery je z měření hlučnosti v dopravě, kde se kromě jiného zjišťovala také závažnost valivého hluku na styku pneumatika – vozovka při vyšších rychlostech. Pomocí akustické kamery se tak přišlo např. k překvapujícímu zjištění, že už při rychlosti nad 30 km/h převažuje úroveň valivého hluku nad úrovní hlučnosti motoru. Ústřední moto veletrhu, zaměřené na alternativní energetické zdroje, ale nijak neomezovalo širokou nabídku senzorové techniky i z jiných oborů. Poměrně značná část novinek pocházela z řad optoelektronických senzorů, reagujících doposud převážně na změnu množství přijímaného světla. I tady existuje řada typových variant, od nejčastějších pro měření polohy, pohybu nebo posuvu přes měření vzdálenosti až třeba po měření tlaku. Jako zdroje záření se většinou používá LED dioda nebo některý typ laseru, většinou polovodičový. Záření LED diod je monochromatické, u laserových diod dochází k vyšší koherenci. Zásadní novinkou, a to už i v přístupu k uváděnému principu, představila firma Pepperl+ Fuchs u svých nových senzorů řady VDM. Postup měření nebo snímání je u nich založen na technologii nazvané Pulse Ranging Technology (PRT) ve významu přímého měření vzdálenosti. U PRT je u laserového vysílače senzoru použito místo dosavadních laserů s kontinuálním režimem pulzního způsobu s intenzivními laserovými pulzy. Laserový pulz má v tomto případě až 1000krát větší intenzitu, než kterou vykazoval souvislý slabší paprsek. Vzdálenost je nyní propočítávána na základě známé intenzity emitovaného pulzu a rychlosti šíření světla po odrazu a dopadu na přijímač. Nový postup při vysoké intenzitě paprsku tak vylučuje jakékoliv ovlivnění výsledku měření kvalitou odrazové plochy nebo působením vnějšího rušivého světla. Oproti další, triangulační metodě měření, není výsledek měření u PRT metody ovlivněn geometrickým uspořádáním optiky. Řada VDM zahrnuje několik typů s celkovým rozsahem měření od 0,2 do 300 m, které podle individuálního rozsahu nacházejí uplatnění pro přesné odměřování nebo nastavování polohy v celé řadě průmyslových oborů – od měření drobných výrobků na pásovém dopravníku přes kontrolu odstupu jednotlivých závěsů u podvěsných dopravníků až např. pro řízení polohy regálových zakladačů nebo polohování výtahů. V rozšířené verzi se na veletrhu prezentovala i laserová senzorová technika pro měření geometrických veličin, založená na principech triangulace. Dosavadní metody byly založené převážně na bodovém snímání, ale významným přínosem triangulace pro měření jsou v poslední době i profilové senzory pro kontrolu a záznam celého profilu, kde se laserový paprsek opticky tvaruje do širšího liniového záběru. Výstupem u takového systému je 2D informace o tvaru profilu, u pohyblivých objektů nebo při posunu senzoru ve smyslu další osy lze dosáhnout i třírozměrného zobrazení. Micro-Epsilon, firma která má u metod laserové triangulace už svou tradici, vyvinula také dva typy profilových liniových senzorů ScanControl s měřicími rozsahy 25 – 100 mm a rozlišením 640 a 1024 bodů na profil. Programovou skladbu si připravuje sám uživatel nebo mohou být použity specifické programy pro nejčastější výskyt úloh. U skenerů je možné předem nastavit rozlišení a frekvenci profilu, výšku a šířku měřeného pole. Specifikem Micro-Epsilon je pak provedení s vyšší intenzitou světla, která kompenzuje nižší stupeň odrazu při kontrole málo odrazivých povrchů. Gumárny ji užívají např. ke kontrole profilu pneumatiky. Co platilo vždy, ale po nedávné hospodářské krizi dvojnásob, je snaha výrobců o snižování vlastních nákladů a zajištění plynulosti výroby bez nenadálých výpadků. Je to i otázkou údržby, jejího vhodného plánování a včasných diagnostických metod. U obzvlášť rizikových zařízení, jako jsou např. točivé stroje, se dnes doporučuje proto zavádět i trvalou diagnostiku. Jako jeden z nejvhodnějších ukazatelů stability chodu se zde ukazuje chvění stroje. Pro jeho průběžný záznam vyvinuli ve Schaeffler Gruppe zcela malý, snadno umístitelný senzor FAG SmartCheck o rozměrech pouhých 44 x 58 x 45 mm. Pro základní testy má senzor už své vlastní programové vybavení, individuálně jej lze doplnit další, více než dvacítkou ukazatelů. Sledované a měřené údaje jsou ukládané, vyhodnocované, v případě překročení limitních mezí s alarmem. Dnešní veletržní procházku zakončíme u nového multikamerového systému s objektivem 360° od MaxxVision, který v řadě aplikací může při automatizované kontrole kvality povrchu nahradit nákladné nasazení vícero kamer, nastavených při kontrole z různých úhlů. Při kontrole předmětu, např. na dopravním pásu, nový objektiv zabírá jak horní stranu, tak i boční strany dílu. Na snímku jsou tyto boční strany zobrazené na obvodu kruhového obrazu, s jednoduchým programem mohou být obrazy uspořádané i do lineárního tvaru. Kamera disponuje řadou speciálních objektivů, kdy je možné kontrolovat povrch dílu i za pohybu pásu, získávat snímky dutin se zobrazením stěn i dna vrtů a při užití tzv. PolyView objektivů i větší počet pohledů kontrolovaného dílu na jednom snímku. /jš/