Физико-химические методы диагностики

 

Как правило, основу оперативных методов диагностики электрооборудования составляют физико-химические методы. Энергетическое воздействие на изоляцию электрических устройств приводит к изменениям на молекулярном уровне вне зависимости от типа изоляции, завершающимся химическими реакциями с образованием новых химических соединений. Энергетическому воздействию подвержены все элементы изоляции. Применительно к жидкой углеводородной изоляции, каковой являются минеральные масла, и к другим органическим жидкостям, эти виды воздействия инициируют химические процессы разрыва связей С-Н, С-С, в результате чего протекают радикальные реакции, которые с участием кислорода и воды, всегда присутствующих в изоляции, и при повышенной температуре приводят к широкой гамме новых химических соединений: от легких газов - водорода, окислов углерода и легких углеводородов - до сложных кислородсодержащих и высокомолекулярных соединений - спиртов, органических кислот, их солей (мыл), восков. Электрическое воздействие на целлюлозу, являющуюся неотъемлемой частью масляной изоляции (масло-барьерная, бумажно-масляная), также ведет к образованию воды и окислов углерода. Мощные электрические разряды приводят к образованию углерода и воды, тепловое воздействие на бумагу инициирует процессы дегидратации, приводящие к образованию воды и соединений фуранового ряда. Полимерная изоляция под действием разрядов и факторов естественного старения разрушается с разрывом полимерных связей. Воздействие электрических разрядов на газообразную изоляцию приводит к образованию химически активных веществ, в свою очередь влияющих на твердую изоляцию из композиционных или керамических материалов. Таким образом, физико-химический диагностический контроль основан на объективной реальности: вследствие каких-либо энергетических воздействий в изоляции электрических аппаратов протекают химические процессы деградации изоляции, по конечным продуктам которой можно судить о количественной характеристике энергетического воздействия и степени разрушения изоляции. Образование новых химических соединений является идеологической основой физико-химической диагностики, а определение количества вновь образованных характерных компонентов и скорости их образования лежит в основе определения состояния изоляции и глубины энергетических воздействий на нее.

Методы физико-химического диагностического контроля имеют свои преимущества и недостатки. Среди преимуществ - независимость физико-химических определений от электрических показателей, т.е. последние не создают помех для измерения.

В настоящее время известно более 50 физико-химических методов диагностического контроля, из которых для решения задач диагностирования электротехнического оборудования нашли применение следующие методы.

Вольтампермия – электрохимический метод количественного и качественного анализа и исследования веществ, основанный на определении зависимости между силой тока в цепи электролитической ячейки и напряжением поляризации Е при электролизе раствора или расплава изучаемого вещества.

Электрохимический метод – анализ физико-химических свойств ионных систем, а также явлений, возникающих на границе двух фаз с участием заряженных частиц (ионов и электронов).

Инфракрасная спектроскопия – исследует колебательные и вращательные переходы в молекулах, используя спектры испускания, поглощения и отражения.

Фотометрия – измерение экстинкций при установленных длинах волн для определения концентраций растворов.

Нефелометрия – измерение рассеяния света мутными растворами и суспензиями.

Масс-спектрометрический метод – основан на свойстве ионов газов, ускоренных электрическим полем, отклоняться и двигаться в однородном магнитном поле по различным траекториям, зависящим от массового числа ионов.

Атомно-эмиссионная спектроскопия – измерение параметра линейчатого спектра возбужденных атомов для определения природы и количества определенных элементов.

Спектрофотометрия – осуществляющая фотометрирование через сравнение измеряемого потока излучения с эталонным.

Кондуктометрический метод – совокупность электрохимических методов исследования и анализа вещества, основанных на измерении электрической проводимости электролитов.

Атомно-абсорбционная спектроскопия – метод элементного анализа и исследования по атомным спектрам поглощения.

Ионнообменная и жидкостная хроматография – основаны на разделительной способности разделяемых ионов в растворе к ионному обмену с ионитом (неподвижная фаза).

Газовая хроматография – основана на различии скоростей движения концентраций зон исследуемых компонентов, которые перемещаются в потоке подвижной фазы (элюента) вдоль слоя неподвижной.

Жидкостная хроматография – хроматография, в которой подвижной фазой служит жидкость. В зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы, различают распределительную (или жидко-жидкофазную) и адсорбционную (жидко-твердофазную).

Тонкослойная хроматография – основана на различии скоростей перемещения компонентов анализируемой смеси в плоском тонком слое сорбента при движении по нему растворителя (элюента).

В каждом конкретном случае из компонентов химико-аналитических признаков формируются химико-аналитические коды определяемых веществ, позволяющих селективно и с требуемой точностью произвести химический анализ. Такими компонентами являются: индексы хроматографического удерживания, интенсивности пиков спектров, градуировочные коэффициенты детекторов и другие, включая двойные и тройные соотношения компонентов. Эти коды поддаются математической формализации, что позволяет создать компьютерные программы надежной идентификации определяемых веществ.

Хроматографический анализ растворенных газов является общепризнанным в мировой практике экономически выгодным и наиболее эффективным способом предупреждения повреждений маслонаполненного электрооборудования. Контроль растворенных газов является обязательной частью большинства программ обслуживания по состоянию.

 

Оптические методы

 

Оптические методы диагностики основаны на анализе взаимодействия оптического излучения (ОИ) с объектом контроля (ОК). Информационными параметрами ОИ являются пространственно-временные распределения его амплитуды, частоты, фазы, поляризации и степени когерентности. Для получения диагностической информации используют изменение этих параметров при взаимодействии ОИ с ОК в соответствии с явлениями интерференции, дифракции, поляризации, преломления, отражения, поглощения, рассеяния, дисперсии света, также изменение характеристик самого ОК под действием света в результате эффектов фотопроводимости, фотохромизма, люминесценции, электрооптических, механооптических (фотоупругость), магнитооптических, акустооптических и других явлений.

Основными информационными параметрами объектов оптического контроля являются их спектральные и интегральные фотометрические характеристики, которые в общем случае зависят от строения вещества, его температуры, физического (агрегатного) состояния, микрорельефа, угла падения излучения, степени его поляризации, длины волны. Использование оптического излучения как носителя информации перспективно. Электромагнитное поле по природе многомерно, что позволяет вести многоканальную (многомерную) обработку информации одним устройством с большой скоростью, определяемой скоростью света в данной среде.

При работе с приборами визуального контроля важно правильно использовать свойства зрения оператора. Зрение (видение) является сложным динамическим нелинейным процессом, включающим сканирующие, конвергенционные (фокусирующие) и адаптационные (изменение диаметра зрачка) движения глаз и обработку зрительной информации в центральной нервной системе человека. В практической работе оператор решает зрительную задачу, состоящую из следующих элементов: обнаружение из фона, различение в деталях и распознавание конкретного объекта как обобщенного образа. В ряде случаев необходимо измерение изображения объекта или другие операции, связанные с его обработкой. Вероятность успешного решения зрительных задач зависит от контраста объекта, его углового размера, яркости фона и времени наблюдения.

В составе оптических приборов контроля наиболее перспективно применение лазерных источников. Применение лазеров позволяет существенно расширить границы традиционных методов диагностики и создать принципиально новые методы оптической диагностики, например, голографические, акустооптические и др., основанные на использовании основных свойств лазерного излучения – монохроматичности, когерентности и направленности.

Для контроля геометрии объектов широко применяются оптико-электронные приборы, которые принято делить на фотокомпенсационные, фотоследящие и фотоимпульсные. В отдельную группу выделяют телевизионные, лазерные и растровые системы. Основной частью оптической системы этих приборов является объектив для получения изображения контролируемого изделия. В ряде случаев используют волоконно-оптические световоды. В качестве сканаторов в современных приборах применяют в основном фотодиодные или ПЗС-линейки и двумерные матрицы с дискретной структурой светочувствительного слоя и электронной схемой развертки.

Для контроля деформаций, изменений зазоров и амплитуд вибраций используются лазерные волоконно-оптические интерферометры, позволяющие регистрировать перемещения порядка 0,01 мкм.

Приборы для контроля внутренних поверхностей и обнаружения дефектов в скрытых местах называют эндоскопами и бороскопами. Принцип действия эндоскопов заключается в осмотре объекта с помощью специальной оптической системы, позволяющей передавать изображение на значительное расстояние (до нескольких метров). При этом отношение длины эндоскопа к поперечному сечению >> 1. Существуют линзовые, волоконно-оптические и комбинированные эндоскопы.

Компьютерные технологии в неразрушающем контроле. При рассмотрении задачи НК как информационного процесса и абстрагировании от используемых физических методов неразрушающего контроля, можно выделить следующие три характерные части этого процесса:

- получение первичной измерительной информации с помощью преобразователей и приведение ее в форму удобную для дальнейшей обработки;

- обработка информации и представление результатов обработки в форме пригодной для анализа и дальнейшей интерпретации;

- проведение анализа полученной информации и формирование решения о состоянии контролируемого объекта, возможности его нормального функционирования или прогнозирование его остаточного ресурса.

Под преобразователями могут подразумеваться любые устройства как активного, так и пассивного принципа действия, которые обеспечивают взаимосвязь контролируемого физического параметра (или нескольких параметров) с поддающимся регистрации выходным параметром преобразователя (откликом). В ряде методов НК отклик может регистрироваться в форме образа, который может непосредственно подвергаться анализу (капиллярные, оптические методы). В других методах НК используется отклик в форме электрического сигнала, который наиболее удобен для регистрации и дальнейшей обработки. Первичная информация, как правило, регистрируется в виде пространственно-временного распределения откликов. Дальнейшая обработка информации может осуществляться как в аналоговом виде, так и цифровом видах в зависимости от сложности алгоритма и ценовой целесообразности. В настоящее время преобладает тенденция использования цифровой обработки информации обеспечивающей ряд преимуществ.

В зависимости от используемого метода контроля алгоритмы обработки первичной информации могут отличаться, но в пределе, конечным результатом, наиболее пригодным с точки зрения человеческого восприятия, является изображение контролируемого объекта (в плане, схематичное или в виде трехмерной проекции) на которое нанесено распределение искомой физической величины (например, карта дефектов и их физические параметры). Предполагается, что значения искомой величины достаточно точно реконструируются на основании полученной первичной информации. Кроме визуального представления необходимо иметь количественные значения параметров дефектов, которые необходимы для дальнейших прочностных и ресурсных расчетов, т.е. попутно решить задачу дефектометрии.

При всем разнообразии используемых методов контроля, типов контролируемых параметров и дефектов, количество алгоритмов получения конечного результата не так велико. Оно сводится в основном к различным типам комплексных преобразований, решений систем уравнений и методам обратной реконструкции (типа преобразование Радона, метод SAFT-C и т.п.). Следует отметить, что при использовании нескольких методов НК и сопоставлении полученных результатов, возможно получить сверхсуммарный эффект.

Конечной целью НК является не только получение информации о наличии дефектов и их физических параметрах, но и формирование решения о состоянии контролируемого объекта, возможности его нормального функционирования или прогнозирование его остаточного ресурса. Для ряда объектов можно провести прочностные расчеты и на основании их сделать выводы. Для однотипных объектов выработаны методические рекомендации, формализующие процесс принятия решения. В других случаях требуется эвристический подход или использование ассоциативных решений, принимаемых на основании выборочных тестовых разрушающих испытаний. Часто решение принимается человеком субъективно, на основании накопленного эмпирического опыта.

Данное звено информационного процесса является наименее поддающимся формализации и алгоритмизации. Это обусловлено большим многообразием контролируемых объектов и их физических свойств. Но в ряде случаев, когда существуют отработанные методические рекомендации, целесообразно реализовать их в форме программного обеспечения, которое непосредственно использует результаты предыдущей обработки информации и автоматически генерирует заключение о состоянии объекта контроля. В перспективе для этой цели можно использовать самообучающиеся структуры на основе нейронных процессоров, которые при наличии обратной связи подтверждающей или опровергающей правильность принятого решения могут повышать достоверность принятия решений на окончательном этапе НК. Причем при пространственном разнесении мест получения первичной информации, ее обработки и принятия решений связующим элементом может выступать Internet.