Kiedy gaz pod ciśnieniem przenika przez nieszczelność, zmienia się charakter jego przepływu, z laminarnego na turbulentny. Ten pierwszy jest uporządkowany. Cząstki płynu przemieszczają się po torach równoległych (warstwowo) i nie dochodzi do ich mieszania się. W drugim przypadku ruch staje się chaotyczny.
Turbulencjom wyciekającego przez otwór gazu towarzyszy emisja dźwięków w szerokim zakresie częstotliwości. Część można usłyszeć – wszyscy kojarzymy syczenie powietrza uciekającego z opony. Jest to jednak zazwyczaj zaledwie około jednej trzeciej (a w przypadku bardzo małych nieszczelności jeszcze mniej) pełnego spektrum dźwięków, emitowanych podczas wycieku. Resztę stanowią te, które mieszczą się poza zakresem częstotliwości słyszalnych dla ludzkiego ucha. Głównie są to ultradźwięki w przedziale 25‒100 kHz.
W środowisku przemysłowym okazuje się to ogromną zaletą. Wynika to stąd, że większość hałasu, jaki w normalnych warunkach pracy generują maszyny, mieści się w zakresie słyszalnym. Dzięki temu dźwięki otoczenia nie maskują ultradźwięków będących skutkiem wycieku. Poza tym, ze względu na ich kierunkowość, zlokalizowanie miejsca wycieku za pomocą detektorów ultradźwiękowych staje się łatwiejsze niż w oparciu na składowej słyszalnej.
Zalety...
Detektory ultradźwiękowe mają również inne zalety. Kluczową jest możliwość wykrycia wycieku natychmiast po jego wystąpieniu, zanim jeszcze gaz nagromadzi się w określonym stężeniu. To ważne szczególnie w przypadku substancji toksycznych i palnych, gdyż zapobiega kumulowaniu się ich w niebezpiecznej ilości, przy której pracownikom grozi zatrucie lub możliwe jest powstanie atmosfery wybuchowej.
Chmury gazów nie muszą mieć kontaktu z detektorami ultradźwiękowymi. Ponieważ reagują na sam wyciek, a nie na obecność danej substancji, wyróżniają je: szybkość reakcji bez względu na rodzaj ulatniającego się gazu (toksyczne, palne, szlachetne) oraz większa elastyczność w trudnych warunkach pomiaru. Z kolei dzięki niewrażliwości na niekorzystne warunki pogodowe i wpływy wiatru, który rozrzedza gaz, sprawdzają się w pomiarach na otwartej przestrzeni. Mają oprócz tego zazwyczaj małe wymagania w zakresie konserwacji.
…i wady
Detektory tego typu mają też ograniczenia. Przede wszystkim wykrywają wycieki wyłącznie w instalacjach z gazami pod ciśnieniem i tylko wypływy skutkujące przepływem turbulentnym – musi w związku z tym wystąpić odpowiednia różnica ciśnień po obydwu stronach nieszczelności. Nie sprawdzają się przez to np. w detekcji oparów z rozlanych cieczy. Z drugiej jednak strony, pozwalają na lokalizację tzw. wycieków próżni, czyli zasysania powietrza z atmosfery do instalacji pod niższym ciśnieniem.
Niestety, urządzenia te nie rozróżniają, jaki konkretnie gaz się ulatnia ani w jakiej ilości. Przez to nie zastępują czujników mierzących stężenie, ale raczej stanowią ich uzupełnienie. Detektory ultradźwiękowe są oprócz tego podatne na wpływy innych niż wycieki gazów źródeł ultradźwięków – tak naturalnych, jak i sztucznych. Dzięki temu sprawdzają się one jednak w wykrywaniu rozmaitych problemów związanych z działaniem maszyn. Przykładami są: nadmierne tarcie w silnikach, przekładniach, łożyskach, wentylatorach, na rolkach przenośników, pasach i ich połączeniach, kawitacja w pompach, wyładowania niezupełne, łukowe, koronowe.
Typy detektorów
Obecnie popularne są dwa typy konstrukcji detektorów ultradźwiękowych.
W pierwszych element pomiarowy stanowi ruchoma metalowa membrana mikrofonu, która wymaga częstej kalibracji oraz okresowej wymiany. Takie detektory mają też ograniczoną orientację montażu i promień zasięgu.
W konstrukcji drugiego rodzaju elementem aktywnym jest materiał piezoelektryczny osadzony w ceramicznej obudowie. Zachodzi w nim zamiana odkształcenia na elektryczny sygnał pomiarowy. Zazwyczaj detektory zbudowane są z kilku takich elementów, co zwiększa promień ich zasięgu. Wyróżniają się również odpornością na trudne warunki pracy oraz szerokim pasmem przenoszenia. Mogą zostać zamontowane w dowolnej orientacji. Nie mają ruchomych części, dzięki czemu mniej się zużywają i są odporne na uszkodzenia. Nie wymagają także zerowania ani kalibracji.
Detektory ultradźwiękowe są dostępne w dwóch wersjach: przenośnej (ręcznej), zasilanej bateryjnie, oraz stacjonarnej, do montażu. Pierwsze pozwalają operatorowi usłyszeć wyciek w słuchawkach, gdyż przekształcają rejestrowane ultradźwięki w sygnał o częstotliwości z zakresu słyszalnego. Na ekranie dodatkowo zostaje zobrazowana siła sygnału.
W przypadku detektorów ręcznych zalecana procedura pomiarowa jest następująca: po założeniu słuchawek operator powinien ustawić sondę w kierunku miejsca, w którym podejrzewa wystąpienie nieszczelności. Warto rozpocząć od przełączenia przyrządu w tryb o maksymalnej czułości. Po usłyszeniu sygnału charakterystycznego dla wycieku należy podejść bliżej, stopniowo zmniejszając czułość w miarę zbliżania się do jego źródła, które będzie wtedy najgłośniejsze.
Dodatkowe funkcje i akcesoria
Producenci detektorów ultradźwiękowych wprowadzają różne udogodnienia dla ich użytkowników. Przykładem jest wyposażenie przyrządów ręcznych w laserowy wskaźnik ułatwiający precyzyjne wskazanie punktu nieszczelności. Jako wyposażenie opcjonalne dostępne są specjalne tuby akustyczne, które działają jak mikrofon kierunkowy. Oferowane są ponadto kamery ultradźwiękowe z przystawkami w postaci matrycy zbudowanej z kilkudziesięciu mikrofonów, które tworzą mapę rozkładu nieszczelności. Jest ona wizualizowana na wyświetlaczu przyrządu.
Dostępne są również detektory ultradźwiękowe, w których mapa rozkładu wycieków jest nakładana w czasie rzeczywistym na obraz miejsca inspekcji, rejestrowany przez wbudowaną kamerę wizyjną. Dodatkowe wyposażenie obejmuje m.in giętkie sondy zapewniające dotarcie do trudno dostępnych miejsc. Odsłuch sygnału audio jest możliwy przez głośnik albo słuchawki. Można dodawać zdjęcia, notatki głosowe, komentarze dla punktów pomiarowych. Detektory ultradźwiękowe są też dostępne w wersjach dopuszczonych do użytku w miejscach zagrożonych wybuchem.
Wielu producentów dołącza w zestawie z detektorem albo oferuje osobno, zasilane bateryjnie lub z sieci, źródła ultradźwięków. Są używane do wykrywania nieszczelności instalacji uszczelnionych, ale nie pod ciśnieniem, jak np. kontenery czy pomieszczenia. W tym celu źródło umieszcza się wewnątrz nich, z zewnątrz nasłuchując wycieku. Zwykle możliwe jest zmienianie częstotliwości nadawania oraz regulowanie natężenia generowanych ultradźwięków. To drugie ułatwia precyzyjną lokalizację zarówno małych nieszczelności, jak i dużych wycieków.
Detekcja wycieków w praktyce
Detektory ultradźwiękowe są wykorzystywane m.in. w diagnozowaniu problemów w systemach sprzężonego powietrza. Takim są spadki ciśnienia w instalacji jego dystrybucji, z powodu których występuje różnica w ciśnieniu tego medium na wyjściu sprężarki w stosunku do ciśnienia na wejściu zasilanego nim odbiornika. Skutkuje to np. awariami maszyn, zbyt małą siłą wytwarzaną w cylindrach pneumatycznych w stosunku do tej wymaganej w danej aplikacji albo niewystarczającym momentem obrotowym narzędzi pneumatycznych. W prawidłowo funkcjonującym systemie spadek ciśnienia nie powinien przekraczać 10%. Próba skompensowania większych strat przez zwiększanie ciśnienia na wyjściu sprężarki spowoduje wzrost kosztów operacyjnych.
Spadki ciśnienia w instalacjach sprężonego powietrza mogą mieć kilka przyczyn. Jedną z nich są jego wycieki. Dochodzi do nich w różnych miejscach instalacji.
Te najbardziej newralgiczne to: złącza, które się poluzowały, i przewody, którymi powietrze jest prowadzone. Do wycieków dochodzi wzdłuż węży i rurociągów, jak też w miejscach ich połączeń. Są one tym bardziej prawdopodobne, im większa jest odległość między sprężarką a odbiornikiem. Potencjalnymi stratnymi punktami są także takie komponenty systemu dystrybucji powietrza, jak rozdzielacze (trójniki), kolanka i elementy instalacji, spełniające dodatkowe funkcje, takie jak filtry, regulatory, zawory czy dysze. W razie podejrzenia wycieku miejsca te warto sprawdzić pod tym kątem.
Detektory ultradźwiękowe w tym zastosowaniu coraz powszechniej wypierają takie przestarzałe metody, jak np. spryskiwanie wodą z mydłem miejsc, w których podejrzewa się wystąpienie nieszczelności. Jeśli do ubytku medium rzeczywiście tam dochodzi, pojawiają się wówczas bąbelki powietrza. Metoda ta jest jednak pracochłonna i czasochłonna, niedokładna, a poza tym pogarsza bezpieczeństwo na stanowiskach pracy, ponieważ rozlewanie mydlin zwiększa poślizg posadzki.
Monika Jaworowska
