Measurement systems for industrial plants condition monitoring

Negli ultimi decenni, il mercato mondiale dell’energia ha dovuto far fronte ad una richiesta di produzione sempre crescente e ad un costante mutamento del settore industriale, sempre più attento all’impatto ambientale e all’innovazione tecnologica. Oltre agli impianti per la produzione di energia da fonti rinnovabili, quelli a ciclo combinato o a cogenerazione basati su turbine a gas sono i più diffusi, in quanto garantiscono maggiore rendimento e minori emissioni, a parità di energia prodotta rispetto agli altri impianti a combustione disponibili nel settore. Inoltre, offrono una maggiore flessibilità operativa consentendo una migliore modulabilità del carico. In questo contesto, una sempre maggiore spinta innovativa ha coinvolto gli operatori del settore nel mettere a punto nuove tecnologie di controllo e monitoraggio degli impianti per garantire una maggiore affidabilità e rimanere competitivi a lungo termine. A tale scopo, sono diverse le tecniche che possono essere implementate per raccogliere informazioni sulle condizioni operative delle macchine, consentendo quindi un rilevamento e una manutenzione precoce dei guasti che posso avere un forte impatto sulla produttività e sulla riduzione complessiva dei costi. Il mio lavoro di tesi si inserisce in questo contesto applicativo. L’obiettivo finale è stato quello di sviluppare delle tecniche di monitoraggio innovative e a basso costo basate sul principio di induzione elettrostatica per il rilevamento di detriti solidi, generati da guasti o malfunzionamenti, nel percorso dei gas di scarico di una turbomacchina. In questo lavoro vengono presentati diversi sistemi innovativi di monitoraggio basati sull’utilizzo di sensori elettrostatici e amplificatori di carica, con prestazioni migliorate che possono essere impiegati anche in altre applicazioni che coinvolgono processi di combustione o in impianti industriali che impiegano tubazioni per il trasporto pneumatico. Il sistema di rilevamento consiste in uno o più sensori elettrostatici montati all’interno del condotto di scarico della turbomacchina i quali rilevano le particelle con carica elettrostatica presenti nel flusso di gas. L’amplificatore di carica ha il compito di convertire il segnale di carica in un segnale di tensione adatto ad essere acquisito e processato da un sistema appositamente implementato. La tecnica di misura implementata sfrutta le informazioni fornite dal modello fisico usato per descrivere il problema di misura e le caratteristiche geometriche del set-up scelto per i sensori per ricostruire la traiettoria, il livello di carica, la posizione e la velocità della particella carica rilevata. Il sistema di misura realizzato è stato caratterizzato in un ampio intervallo di condizioni operative e studiato sia dal punto di vista teorico che sperimentale. In particolare, è stato sviluppato un sistema di misura basato su array circolari di tre sensori elettrostatici per il quale si riesce ad ottenere un errore relativo inferiore all’1% sulla stima dei parametri necessari alla ricostruzione della traiettoria, della velocità e della carica della particella in movimento rilevata. Inoltre, dalla caratterizzazione teorica dell’accuratezza di misura del sistema emerge come quest’ultima sia indipendente dalla direzione assunta dalla particella in movimento rispetto alla disposizione dei sensori, garantendo un’accuratezza isotropica planare. Inoltre, rimanendo nello stesso ambito applicativo, una parte di questo lavoro ha riguardato lo studio e la realizzazione di una sonda capacitiva triassiale. La particolarità del dispositivo proposto è quella di essere realizzato per essere depositato direttamente sul componente dell’impianto da monitorare e per questo definita: "on-component. Un prototipo del sensore è stato realizzato con tecnologia serigrafica e il suo comportamento caratterizzato in frequenza, dimostrando caratteristiche comparabili alle comuni sonde triassiali ("bulk").