elektrotechnik AUTOMATYK
Reklama
Reklama

Systemy czujników do pracy w ekstremalnych warunkach

Fraunhofer IZM
Reklama
Reklama

Obecnie w przemyśle brakuje wytrzymałych czujników, które są w stanie działać w ekstremalnie wysokich temperaturach i ciśnieniu. Osiem Instytutów Fraunhofera opracowało platformę technologiczną do budowy tego typu systemów czujników w ramach projektu latarni morskiej „eHarsh”. Są one nawet w stanie monitorować np. wnętrza turbin i głębokie odwierty pod kątem systemów geotermalnych.

Wyczuwają zakłócające wibracje, wyświetlają ostrzeżenia, gdy maszyna się nagrzewa, i są w stanie zidentyfikować uszkodzone komponenty na linii produkcyjnej. Czujniki odgrywają kluczową rolę w dzisiejszych procesach produkcyjnych. Kompletne linie produkcyjne są zarządzane za pomocą niezawodnych czujników i sztucznych oczu. Jednak nie było jeszcze możliwe rozmieszczenie tych czujnych asystentów w każdej dziedzinie przemysłu: konwencjonalne czujniki nie wytrzymują długo w środowiskach, które są klasyfikowane jako wyjątkowo surowe. Należą do nich wnętrza elektrowni lub turbin lotniczych oraz odwierty w ziemi, w których panują wysokie temperatury i ciśnienia. Czujniki są również uszkadzane przez agresywne gazy i ciecze lub kurz. Aby rozwiązać ten problem, osiem Instytutów Fraunhofera połączyło siły w ramach projektu „eHarsh”, by opracować pierwsze wysoce wytrzymałe czujniki do ekstremalnie trudnych warunków.

Posiadamy bardzo dogłębną wiedzę w poszczególnych instytutach – mówi koordynator projektu „eHarsh”, Holger Kappert z Instytutu Fraunhofera ds. Obwodów Mikroelektronicznych i Systemów IMS. – Wiele wiemy o ceramice żaroodpornej i mamy możliwość badania właściwości materiałów i produkcji wytrzymałych obwodów mikroelektronicznych. Nikt z nas nie był w stanie stworzyć tego typu czujnika. Dopiero dzięki współpracy i połączeniu wielu indywidualnych technologii udało nam się odnieść sukces.

Przetwarzanie sygnału bezpośrednio na miejscu

Zespół najpierw skupił się na zastosowaniach o wysokich temperaturach i ciśnieniach – wspomnianych turbinach i otworach wiertniczych. Celem było nie tylko włączenie solidnych elementów ciśnieniowych i termicznych do turbin i otworów wiertniczych, ale także elementów elektronicznych do oceny pomiarów.

Zaletą posiadania komponentów elektronicznych na miejscu i przetwarzania sygnału w samym czujniku jest to, że poprawia to jakość sygnałów czujnika – mówi Holger Kappert. – Oznacza to również, że w przyszłości będziemy mogli lepiej łączyć czujniki, oszczędzając nakłady związane z okablowaniem.

Byłoby to szczególnie przydatne w silnikach lotniczych, ponieważ zmniejszyłoby ich wagę. Te silniki są złożone. Przepływy powietrza, napięcia i moc elektryczna muszą być dokładnie kontrolowane w zależności od manewru lotu. Za pomocą małych, solidnych czujników, umieszczonych bezpośrednio w silniku, można mierzyć stan silnika i sterować procesem spalania z dużo większą precyzją w przyszłości, aby na przykład paliwo mogło być wykorzystywane efektywniej.

Grafika
Głowica czujnika z ceramicznym elementem czujnikowym
Reklama

Obudowa czujnika wykonana jest z metalu, a elementy czujnika z ceramiki, która wytrzymuje temperatury do 500ºC. Wewnętrzna elektronika wytrzymuje około 300º C. Jednym z wyzwań było połączenie różnych komponentów, aby nie rozpadły się, nawet przy wielokrotnym ogrzewaniu i chłodzeniu, mimo że są wykonane z materiałów, które rozszerzają się i kurczą w różnym tempie. Wśród użytych materiałów znalazły się żaroodporne płytki ceramiczne i przewodniki z domieszką wolframu.

Czujniki do systemów geotermalnych

Czujniki są nie tylko odporne na ciepło, ale również wytrzymują ciśnienie do 200 barów – prawie sto razy większe niż ciśnienie w oponie samochodowej. Jednym z możliwych przyszłych zastosowań tych czujników są pompy do systemów geotermalnych. W systemach geotermalnych budynki ogrzewane są gorącą wodą z ziemi. Pompy są umieszczone głęboko w odwiercie i muszą być w stanie wytrzymać zarówno ciepło, jak i ciśnienie na tej głębokości. Te nowe czujniki umożliwiają łatwe i stałe monitorowanie pomp. Rozszerzone możliwości mogą również pomóc producentom maszyn w testowaniu żywotności ich czujników. Testy te poddają komponenty działaniu wysokich ciśnień lub temperatur, dzięki czemu starzeją się szybciej, co umożliwia określenie żywotności produktu w rozsądnym przedziale czasowym.

Reklama

Jeżeli czujniki będą w stanie funkcjonować w bardziej ekstremalnych warunkach, stanie się możliwe przeprowadzenie testów przy większym obciążeniu. To znacznie skróci czas testowania.

Ogólnie rzecz biorąc, interdyscyplinarny charakter„eHarsh” pozwolił nam z powodzeniem opracować platformę technologiczną dla wytrzymałych systemów czujników do wielu różnych zastosowań – podsumowuje Holger Kappert.

Źródło: Fraunhofer

Reklama

O Autorze

Czasopismo elektrotechnik AUTOMATYK jest pismem skierowanym do osób zainteresowanych tematyką z zakresu elektrotechniki oraz automatyki przemysłowej. Redakcja online czasopisma porusza na stronie internetowej tematy związane z tymi obszarami – publikuje artykuły techniczne, nowości produktowe, a także inne ciekawe informacje mniej lub bardziej nawiązujące do wspomnianych obszarów.

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama