Viability study of acoustic emissions for production testing of a UPS assembly

Abstract

Acoustic emission testing has been used for health monitoring of bearings and large structures like bridges. Recent studies examined the acoustic emissions of insulated gate bipolar transistors and ceramic capacitors. In both studies damaged components could be told apart from the pristine ones with the acoustic emission testing. This thesis takes the acoustic emission testing to a bigger scale: The viability of using acoustic emissions for production testing of a fully assembled UPS is studied. The UPS used in the study is Eaton 93PS 10 kW.

In this thesis the acoustic emissions are studied outside the UPS enclosure. Detection of simple defect, a removed screw, is attempted with two experiments. The first experiment uses an external impact from a pendulum construction as the source of the acoustic emissions. On the second experiment the UPS unit is the source of the acoustic emissions as it's running idle and a 6kW load. The measurement setup consists of acoustic emission sensor, preamplifier and oscilloscope. The recorded data is analyzed using spectral density estimates and spectrograms.

It was found that the UPS emits acoustic emissions when in operation and they can be told apart from the electromagnetic interference. With the first experiment it was verified that it is possible to detect a missing screw with acoustic emissions. On the the second experiment it was found that the acoustic emissions emitted by the UPS vary considerably within the same measurement conditions and so the missing screws were not detected. With these findings using acoustic emissions for production testing outside of the fully assembled device is not found viable. It is recommended that such acoustic emission testing would take place closer to the source of the emissions, inside the UPS units enclosure.

Akustisiin emissioihin perustuvia mittauksia on käytetty perinteisesti erilaisten laakereiden ja suurten rakennelmien, kuten siltojen, kunnon monitoroimiseen. Viimeaikoina on tutkittu elektronisten komponenttien, keraamisten kondensaattoreiden ja eristehilabipolaaritransistorien akustisia emissioita. Molemmissa tapauksissa viallisia komponentteja on tunnistettu niiden akustisten emissioiden perusteella. Tutkimuksessa arvioidaan akustisten emissioiden käyttöä täysin kootun UPS laitteen tuotantotestauksessa. Tutkittu laite on Eaton 93PS 10 kW.

Tässä diplomityössä akustisia emissioita tutkitaan laitteen peltikuoren ulkopuolelta käsin. Tutkimus koostuu kahdesta kokeesta, joissa akustisten emissioiden lähteenä käytetään ulkopuolista heiluria sekä itse UPS laitetta sen toimiessa tyhjäkäynnillä ja kuormitettuna 6 kW:lla. Molemmissa kokeissa yritetään tunnistaa kotelosta irroitettu ruuvi mittausten perusteella. Mittausjärjestelmä koostuu akustisten emissioiden anturista, esivahvistimesta ja oskilloskoopista. Mittauksia analysoidaan spektrogrammeina ja tehospektreinä.

Mittausten perusteella UPS tuottaa akustisia emissioita ollessaan toiminnassa ja nämä emissiot voidaan erottaa sähkömagneettisista häiriöistä. Heilurikokeen perusteella irroitettu ruuvi on mahdollista tunnistaa mittauksista. Toisessa kokeessa irroitettuja ruuveja ei voitu tunnistaa. Samojen mittausryhmien sisällä huomattiin merkittäviä eroavaisuuksia ja siten eroja ruuvillisten ja ruuvittomien mittausten välillä ei voitu tunnistaa. Näiden kokeiden tulosten perusteella akustisten emissioiden käyttöä valmiin UPS:n tuotantotestauksessa ei suositella. Mittauksia suositellaan tehtävän lähempänä akustisten emissioiden lähdettä laitteen sisällä.