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.

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.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Pomiar i test

Laserowe czujniki pomiarowe – zasada działania, charakterystyczne cechy i typowe zastosowania

Gdy wymagane są wyjątkowo duża precyzja pomiaru albo wykrycie małych obiektów czy też ich specyficznych cech optymalnym rozwiązaniem mogą okazać się laserowe czujniki pomiarowe. Dodatkową ich zaletą są kompaktowe rozmiary oraz możliwość detekcji bardzo różnorodnej powierzchni – od czarnej gumy aż po lustrzane powierzchnie.

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