electrotehnologie cu brat robotizat

Universitatea HyperionFacultatea de Electronica, Automatica si informatica aplicataAn IV

Tema proiectului: Electrotehnologie cu brat robotizat

Bucuresti2012/2013

of 62

CUPRINS

CAPITOLUL 1- Notiuni generale privind robotii industriali...1.1 Tehnologii robotizate1.2 Tipuri de configuratii ale robotilor industriali 1.3 Electrotehnologii moderne in procesele industriale

CAPITOLUL 2 - Roboti industriali-aspecte cinematice si organologice.....2.1 Consideratii generale.....2.2 Sisteme de actionare…..2.3 Aplicatii industriale ale robotiilor.

CAPITOLUL 3.Electrotehnologii cu roboti si aplicatii industriale......3.1 Generalitati3.2 Utilizarea robotilor industriali in operatii de sudura 3.2.1 Particularitati ale operatiilor de sudare executate cu ajutorul robotilor industriali…. 3.3 Utilizarea plasmei non-termice, caracterisitici

3.3.1 Tipuri de generatoare de plasma.3.3.2 Aplicatii generale cu plasme..

3.4 Tehnologia PEF - aspecte generale... 3.4.1 Factori determinanti in tehnologia PEF......3.4.2 Aplicatii industriale ala tehnologiei PEF........

3.5 Detectia magnetica si localizarea defectelor in conductele feromagnetice, prin metode inteligente – aspecte generale.....

3.5.1 Structura PIG – configuratia echipamentului..3.5.2 Subansamblul de masurare a deplasarii (odometrul)..

3.5.3 Sistemul de achizitie...3.5.4 Stabilirea algoritmului de achizitie si prelucrare de semnale folosind componenta tangentiala a campului magnetic

CAPITOLUL 4. Aplicatie brat robotizat folosind electrotehnologie-de sudare…...........4.1. Identificarea functiilor si schema logica 4.2. Proiectare si executie sistem4.3 Experimentari.Rezultate practice

Concluzii………………………………………………………………………………..Bibliografie……………………………………………………………………………...

of 62

CAPITOLUL 1- Notiuni generale privind robotii industriali

Termenul de robot este un sistem alcatuit din mai multe elemente, si anume: mecanica, senzori, mecanism de ghidare. Mecanica este procedeul prin care robotul isi infatiseaza miscarile posibile pe timpul functionarii. Senzorii sunt intrebuintati la interactia cu mediul sistemului. Mecanismul de ghidare are ca rol ca robotul sa isi indeplineasca obiectivul cu succes, evaluand informatiile primite de la senzori. Acest mecanisc regleaza motoarele si planifica miscarile care trebuie efectuate.

Primele modele de masini pot fi mai degraba numite automate. Acestea nu puteau efectua decat un singur obiectiv, fiind limitate din constructie. Termenul robot a fost folosit pentru prima data in anul 1920, fiind folosit de scriitor ceh Karel Capek , iar in limba ceha inseamna “munca grea”. Primul robot industrial introdus a fost in Statele Unite ale Americii in uzinele Trenton ale companiei General Motors in anul 1963.

Dezvoltarea electrotehnicii din secolul XIV a adus cu sine si o dezvoltare a roboticii. Realizarea robotilor a fost prin combinatia dintre trei mari discipline si anume: mecanica, electrotehnica, informatica, rezultatand din aceste discipline mecatronica. Cele mai importante componente ale robotiilor sunt senzorii, care permit mobilitatea acestora in mediu si o dirijare cat mai precisa.

Termenul de robot contine un domeniul foarte vast, robotul fiind incadrat in diferite categorii cum ar fi: Robot autonom mobil Robot umanoid Robot industrial Robot de servicii Robot militar

In 1970 au fost introdusii primi roboti industriali in Germania avand functia de sudura. La ora actuala manipulatoarele si robotii industriali au ajuns cele mai raspandite si universal mijloace de automatizare complexa a tuturor ramurilor economice: Industria constructiilor de automobile Industria metalurgica si extractive Transporturi Constructii Industria aeronautica Industria nucleara Industria acvatica

In prezent manipulatoarele si robotii industriali sunt utilizati indeosebi pentru deservirea utilajelor tehnologice sau la realizarea unor operatii precum: sudarea, asamblarea, vopsire control etc.

Manipulatorul industrial este un dispozitiv de deplasare in spatiu a unor piese prinse intr-o “mana mecanica” (mecanism de prehensiune) dispozitiv comandat de operatorul uman sau avand o comanda dupa un program rigid prestabilit. Programul de lucru al manipulatorului este un program rigid conceput pentru o anumita instalatie, masina unealta sau utilaj.

of 62

Fig. 1.1 Schema manipulator industrial

Robot industrial: un sistem integrat mecano-electrono-informational, utilizat in procesul de productie in scopul realizarii unor functii de manipulare analoage cu cele realizate de mana omului, conferind obiectului manipulat orice miscare programata liber, in cadrul unui proces tehnologic ce se desfasoara intr-un mediu specific. Robotul industrial executa miscari dupa un program flexibil, modificabil, in functie de sarcinile de productie si de conditiile de mediu.

Fig. 1.2 Structura tip a unui robot industrial

Mecatronica – sistemele mecatronice sunt acele sisteme care preiau informatii din mediu, le prelucreaza rational si/sau inteligent in raport cu sarcina urmarita si actioneaza in si/sau asupra mediului prin forte si/sau deplasari.

Notiunea de mecatronica integreaza sinergetic disciplinele: mecanica, electronica si informatica pentru imbunatatirea functionalitatii utilajelor si sistemelor tehnice.Mecatronica cuprinde patru subfunctii principale si anume: Functia mecania de deplasare, generare si aplicare de forte; Functia de decizie pentru prelucrarea rationala si/sau inteligenta a informatiilor in

raport cu sarcina urmarita; Functia de control pentru realizarea actiunilor; Functia de perceptie pentru prelucrarea semnalelor din mediu.

of 62

Fig. 1.3 Contextul functional al sistemelor mecatronice obtinut prin integrare sinergetica

1.1. Tehnologii robotizate

Robotii industriali pot fi comandati in mod servo sau nonservo. Robotii servo robots sunt comandati prin intermediul sistemului senzorial care monitorizeaza continuu axele robotului, respectiv pozitiile si vitezele. Robotii nonservo nu au feedback, axele acestora fiind comandate printr-un sistem mecanic de stopuri si limit switches.

Cele mai utilizate configuratii de roboti pentru automatizarea industriala sunt cele cu structura articulata, robotii tip SCARA si robotii tip Gantry (robotii in coordonate carteziene). In contextul general al roboticii, majoritatea robotilor industriali pot fi considerati brate robot. Robotii industriali au diferite grade de autonomie. Acestia sunt programati sa indeplineasca actiuni specifice, in mod repetat, cu un inalt grad de precizie. Aceste actiuni sunt determinate de catre rutinele de programare care specifica legea de miscare, viteza, acceleratia.

Exista roboti industriali care sunt mult mai flexibili, care sunt capabili sa modifice orientarea obiectului supus procesului tehnologic sau chiar operatia care urmeaza sa fie executata asupra obiectului respectiv, pe care robotul poate sa il identifice. Pentru o ghidare mai precisa, robotii contin sisteme de vedere artificiala machine vision, conectate la computere puternice sau la controlere. Inteligenta artificiala devine o problema importanta si pentru robotii industriali moderni.Functia de manipulare a obiectelor la roboti include urmatoarele etape de baza: Prinderea obiectelor in functie de forma, dimensiunile si caracteristicile materialului; Deplasarea obiectului pe o traiectorie corecta in raport cu sarcina executata si cu

conditiile suplimentare de siguranta si securitate; Amplasarea obiectului in locatia impusa de sarcina efectuata, realizandu-se prin

dezvoltarea de produse mecatronice de tip robot.

of 62

In functie de gradul de autonomie in functionare se determina: Robotii care pot realiza o multitudine de niveluri de capabilitate de decizie

independenta in rezolvarea sarcinii; Minipulatoarele sunt cele care executa sarciniile printr-o repetare rigida de actiuni. Telerobotii sunt sisteme mecatronice de tip robot care lucreaza impreuna cu utilizatorul

uman, avand posibilitatea de a face anumite functii intr-o maniera independenta, acesti roboti se mai numesc si roboti teleautonomi.

Functia de manipulare este definita la nivelul etapelor integrate prin modul de definire care impune pentru acest tip de produse mecatronice sa se adopte conceptul de spatiu de lucru ca domeniu geometric spatial bidimensional/tridimensional, in care au loc executiile sarcinilor rigide sau flexibile de catre robot, in conditii de siguranta, securitate, performanta.Modul in care este generat spatiul de lucru in mediul de lucru, exista: Roboti de manipulare cu baza fixa-spatiul de lucru se realizeaza in jurul unui punct sau

drepte fixe; Roboti de manipulare cu baza mobila-spatiul de lucru este definit de intreb mediul de

lucru in care se pot realiza deplasari.

Exista doua categorii principale de roboti de manipulare: Roboti cu baza fixa; Roboti cu baza mobila.

Roboti de manipulare cu baza fixa

Relizarea si utilizarea robotilor de manipulare cu baza fixa necesita stabilirea punctului de fixare in mediul in care urmeaza sa se dezvolte actiunile, raportat la obiectele care vor fi manipulate si la locatiile (pozitii si orientari) in care acestea urmeaza sa fie amplasate (fig. 1.1.1).Operatiile de miscare ale robotiilor sunt limitate de structura mecanica prin: Numarul si dimensiunile elementelor cinematice care intra in realizarea actiunilor

(exemplu, elementelor de tipul 2,3,4 din fig. 1.1.1); Caracteristicile si tipurile cuplelor cinematice dintre elementele mecanice; Formele constructive ale elementelor si ale cuplelor cinematice.

Aceste restrictii sunt considerate limitari pentru domeniul de definitie al variabilelor cuplelor de la nivelul software, care trebuie imbinate corespunzator pentru sustinerea aptitudinilor decizionale ale robotului.

Fig. 1.1.1 Robot manipulare cu baza fixa

of 62

0-punct fixare; 1-baza fixa; 2.3-elemente cinematice intermediare de realizare a miscarii; 4-bratul robotului; 5-mana robotului; c12, c23, c34-interconectarile mobile (cuplele cinematice) dintre elementele robotului.

Pentru un astfel de produs mecatronic modurile de utilizare pot fi diverse, alegerea unuia dintre ele fiind dependenta de gradul de instruire al utilizatorului si/sau nivelul de dezvoltare si complexicitate al interfetei om-robot. Daca nivelul de instruire al utilizatorului este minim, se poate aplica ca instalarea si programarea sa se desfasoare conform functiilor in mediul de lucru specific sa se realizeze de catre furnizor.

In cazul produselor mecatronice de tip robot destinate utilizatorilor individuali se recomanda simplificarea interactiunilor de programare prin constructia robotului si a interfetei om-masina. Structura suport a miscarilor si a interactiunilor mecanice cu mediul este subsistemul mecani care impune restrictii asupra spatiului de lucru, realizarii unor sarcini si asupra posibilitatilor de programare ale robotului.In functie de mecanismele de miscare specifice acestei structuri se pot identifica:

Roboti cu structuri mecanice de amplificare avand similitudine constructiva si de miscare, dar pentru care nivelul de actionare este diferit.

Roboti cu structuri mecanice care contin lanturi cinematice inchise, numiti roboti paraleli, destinati manipularii de obiecte avand gabarit redus, cu viteze mari si precizie ridicata.

Roboti de manipulare cu baza mobila

Produsele mecatronice de tip roboti de manipulare cu baza mobila se caracterizeaza prin faptul ca functia de manipulare se realizeaza in raport cu o platforma sau o zona a acesteia care este deplasabila in mediul de lucru.

FIG….

Mobilitatea platformei in mediul de lucru se poate realiza in orice tip de solutie, de la platforme pe roti, senile si pana la deplasari de tip patruped sau miriapod. Conditiile privind modurile de utilizare si contextul de interactiune utilizator-produs mecatronic se mentin si in cazul robotilor de manipulare cu baza mobila, la care se adauga aspecte specifice privind: Deplasarea in mediul de lucru cu ocolirea obstacolelor statice si mobile; Coordonarea deplasarilor cu manipularea obiectelor; Paralelismul partial sau total al executarii functiilor de deplasare si de manipulare; Capabilitati senzoriale, decizionale si de comunicare cu utilizatorul.

Caracteristicile robotilor industriali

Numarul axelor - comanda completa a situarii efectorului final necesita trei axe pozitionare si trei axe pentru orientare.

Cinematica - situarea relativa a elementelor si cuplelor cinematice care determina miscarile posibile ale robotului; exista roboti articulati, cartezieni, paraleli si SCARA.

of 62

Volumul accesibil al spatiului de lucru - regiunea din spatiu pe care o poate atinge robotul.

Capacitatea - greutatea maxima ridicata. Viteza - cat de repede poatefi atinsa situarea efectorului final. Precizia - cat de mari sunt erorile de situare fata de situarea comandata. Sursa de putere - motoare electrice, hidraulice, pneumatice. Conducerea - unii roboti conecteaza motoarele de cuplele cinematice prin angrenaje,

altii in mod direct.

Dupa forma miscarii, respectiv a volumului accesibil al spatiului de lucru, robotii se clasifica in: Roboti coordonate rectangulare; Robot coordonate cilindrice; Robot coordonate sferice; Brat robot articulat; Robot suspendat; Robot scara.

In fig.1.1.1.a-f se prezinta unele variante ale acestor roboti.

Fig. 1.3. Clasificarea robotilor dupa tipul de miscare

of 62

1.2. Tipuri de configuratii ale robotilor industriali

Robotii industriali indiferent de obiectiv (pozitionarea sau efectuarea unor operatii tehnologice), trebuie sa pozitioneze sau orienteze un obiect in spatiu. Pentru orientarea sau fixarea unui corp in spatiu se face cu ajutorul a sase parametrii: trei pentru pozitie si trei pentru orientare. Acesti parametri se pot realiza prin rotatii, translatii, sau rotatii combinate cu translatii.

Un solid rigid se poate caracteriza printr-un punct apartinand lui numit punct caracteristic si al unei drepte ce contine punctul caracteristic numita drepta caracteristica. Sistemul mecanic al unui robot industrial de topologie serialã are urmãtoarea structurã: Dispozitiv de ghidare Dispozitiv de prehensiuneDispozitivul de ghidare are rolul de a realiza deplasarea punctului caracteristic şi orientarea dreptei caracteristice. El se compune din : Mecanismul generator de traiectorie Mecanismul de orientare

Mecaniscmul generator de traiectorie are scopul de pozitiona in spatiu punctul caracteristic, deplasandu-l din pozitia initiala in cea finala. Pozitia unui punct in spatiu se poate definitiva prin intermediul a trei coordonate, rezultand ca mecanismul generator de traiectorie trebuie sa aiba trei grade de libertate.

Mecanismul de orientare trebuie sa realizeze orientarea in spatiu a dreptei caracteristice. Dreapta caracteristica trebuie sa realizeze modificarea celor trei unghiuri Euler care determina pozitia dreptei caracteristie rezultand ca mecanismul de orientare are trei grade de libertate.

Dispozitivul de ghidare trebuie sa aiba cel putin sase grade de libertate pentru realizarea pozitionarii sau orientarii unui corp in spatiu. Avand trei grade de libertate, mecanismul generator de traiectorie poate avea cuple de rotatie (R) sau translatie (T), in timp ce mecanismul de orientare este constituit din trei cuple cinematice de rotatie.

Miscarea de pozitionare este alcatuita din trei cuple de rotatie (R) sau translatie (T). Exista 8 combinatii posibile de rotatie si translatie si anume: RRR , RRT , RTR , RTT , TRR , TRT , TTR , TTT.

Roboţi industriali tip “braţ articulat” ( BA )

Acest tip de robot industrial are ca mecanism generator de traiectorie un lanţ cinematic deschis compus din cuple cinematice de rotaţie.

Fig.1.1.1 Robot braţ articulat

of 62

Aceştia au o mare supleţe care permite accesul în orice punct al spaţiului de lucru. Dezavantajul sãu principal îl constituie rigiditatea sa redusã Cei mai cunoscuţi roboţi industriali aparţinând acestei arhitecturi sunt : ESAB (Suedia) , Unimation ( SUA ) 6CH aRm Cincinnati Millacrom ( SUA ).

Roboţi industriali de tip “lanţ închis “( LI )

La acest tip de roboţi mecanismul generator de traiectorie este un lanţ cinematic închis, de tip patrulater articulat. Cuplele cinematice care intrã în componenţã lui sunt cuple de rotaţie. Datoritã construcţiei, ei au un spaţiu de lucru considerabil mãrit faţã de roboţii de tip BA. Având în vedere rigiditatea lor ridicatã ei manipuleazã sarcini mari. Principalul lor dezavantaj constã în construcţia relativ complicatã. Cei mai reprezentativi roboţi aparţinând acestei arhitecturi sunt : Trallfa ( Norvegia ) , K15 (Germania ).

Fig. 1.2.2 Robot industrial de tip “lant inchis”

Roboţi industriali de tip “pistol” (P )

Acest tip de roboţi industriali este constituit dintr-un corp central ce poartã numele de braţ , asemãnãtor unei ţevi de pistol , care-şi poate modifica direcţia şi lungimea. Construcţia lor este simplã şi ei se remarcã printr-o supleţe şi o dexteritate scãzutã. Spaţiul lor de lucru este relativ mic. Se utilizeazã în special la manipularea unor mase reduse. Din punct de vedere structural sunt roboţi de tip TRT. Dintre roboţii aparţinând acestui tip cei mai reprezentativi sunt MHU Senior ( Suedia ) , Unimate ( SUA ) , Kawasaki ( Japonia ). Schema cinematicã a unui astfel de robot este redatã în figura de mai jos:

Fig. 1.2.3 Schema cinematica a unui robot de tip “pistol” (P)

of 62

Roboţi tip “turelã “ (T )

Roboţii industriali de tip turelã au o arhitecturã asemãnãtoare celor de tip pistol. Caracteristic pentru acest tip de robot este faptul cã între corpul central şi braţ, având construcţia şi mişcãrile similare cu cele ale subansablului similar de la tipul pistol, se interpune un subansamblu de tip turelã, care permite o rotaţie suplimentarã în jurul unei axe care se gãseşte într-un plan orizontal.

Fig. 1.2.4 Robot tip “turela”

Robusteţea şi supleţea acestui tip de roboţi este superioarã celor de tip pistol. Roboţii de tip turelã sunt utilizaţi în aproape orice tip de aplicaţie având din acest punct de vedere un caracter universal. Din punct de vedere structural sunt roboţi de tip RRT. Cel mai reprezentativ robot aparţinând acestei arhitecturi este robotul Unimate 1000. Schema cinematicã a unui robot turelã este redatã în figura 1.2.4.

Roboţi tip “cadru” ( CD )

Acest tip de roboţi au o rigiditate deosebitã, coloana de la tipul precedent fiind înlocuitã cu un cadru. In rest ei au structura roboţilor de tip coloanã.

Fig. 1.2.5. Robot tip “cadru”

Roboţi de tip “cãrucior”( CA )

In vederea mãririi spaţiului de lucru roboţii se monteazã pe cãrucioare care se pot deplasa liber pe şine. Acestea sunt cele mai des utilizate arhitecturi de roboţi industriali de topologie serialã. Pe lângã aspectul general arhitectura roboţilor influenţeazã în mod direct performanţele acestora, în principal rigiditatea, forma şi dimensiunile spaţiului de lucru. Astfel roboţii de tip coloanã, pistol au un spaţiu de lucru cilindric, în timp ce cei portal au

of 62

spaţiul de lucru de formã paralelipipedicã. Roboţii de tip turelã şi braţ articulat au spaţiul de lucru sferic.

Fig. 1.2.6. Robot de tip “carucior”

1.3. Electrotehnologii moderne in procesele industriale

Cu ani in urma, determinati de rapiditatea derularii multor fenomene – care, desi la prima vedere erau doar “posibilitati”, deveneau prin forta aplicatiei tehnologii de baza intr-o societate a carei performanta era judecata prin productivitate, calitate, respect si atitudine prietenoasa fata de mediu si fata de om – ne-am hotorat sa facem cunoscute aceste “posibilitati” specialistilor, sa aratam ce pot schimba ele intr-un proces si de ce este nevoie a fi tratate cu o deosebita atentie.

Un motiv era acela ca atat in Romania, cat si in Republica Moldova, colective puternice de cercetare aveau prioritati remarcate in plan international in domeniul dezvoltarii de noi tehnologii avand la baza fenomene electrofizice.

In Moldova, la Chisinau, Institutul de Fizica Aplicata a Academiei de Stiinte a Moldovei, cu un exceptional grup de cercetatori, era angrenat in dezvoltarea unor tehnologii bazate pe eroziunea metalului prin actiunea unor descarcari electrice, - savantul B. Lazarenco, care a condus Institut, este parintele electroeroziunii -, in dezvoltarea unor tehnologii electrodinamice, in regenerarea solventilor organici in camp electric, in prelucrarea anodica electrochimica a metalelor, in dezvoltarea tehnologiilor bazate pe electroplasmodializa si a aplicatiilor bazate pe laser.

Directorul Institutului, academicianul Mircea Bologa, si valorosul sau colectiv au continuat traditiile de prestigiu ale Institutului, adaugand la o valoroasa zestre a Institutului noi domenii, noi tehnologii puse la dispozitia specialistilor, autentice “deschideri de drumuri” in domeniul procesarii materialelor.

In Romania, la Institutul de Cercetari Electrotehnice (ICPE), profesorul Radu Cramariuc si colectivul sau dezvolta noi electrotehnologii, numeroase solutii reprezentand prioritati romanesti, dar si europene in domeniu. In aplicarea fenomenelor electrostatice bazate pe incarcarea si dirijarea particulelor in campul electric, modelarile si studiile facute au condus la realizarea in Romania a numeroaselor echipamente de vopsire electrostatica, dupuneri de insecticide prin pulverizare electrostatica, separatoare electrostatice, reprografie, generare de ozon prin descarcari coroana.

of 62

Utilizarea electronilor accelerati pentru iradieri de materiale si tratarea gazelor de la cosurile centralelor electrice pentru retinerea emisiilor de Nox si Sox se inscrie, de asemenea, prin rezultatele comunicate si tehnologiile propuse spre aplicare, ca o solutie promitatoare de depoluare a gazelor emise in procesul de ardere a combustibililor.

In aceeasi masura, un colectiv valoros de la Institutul National de Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiior din Bucuresti, condus de dr. ing. Diana Martin, a adus importante contributii in domeniul electrotehnologiilor bazate pe utilizarea electronilor accelerati si a microundelor si destinate protectiei mediului inconjurator si procesarii de materiale. Contributiile lor s-au materializat prin numeroase publicatii stiintifice, o teza de doctorat si importante tehnolgii.

La Univeristatea Tehnica din Cluj, profesorii Roman Morar, A. Iuga, A. Samoila, L. Dascalescu – acum la Universitatea Poitiers din Franta – au adus, la randul lor, contributii originale si valoroase in dezvoltarea de tehnologii de separare in campuri intense, studiul fenomenelor de incarcare si dirijare a particulelor in campul electric, in generarea ozonul si aplicarea lui in procese industriale.

In anul 1996, in cadrul unui proiect NATO, Romania a organizat la Prdeal un Colocviu International avand ca tematica: “The modern Problems of Electrostatics with Applications in Enviroment Protection”. Lucrarile prezentate de mari specialisti ai domeniului – la care s-au prezentat si rezultate ale cercetarii din Romania si R. Moldova – au fost remarcate pentru originalitatea lor, iar volumul editat la Editura Kluver si avand ca editori pe profesorii Ion Inculet, Florin Teodor Tanasescu si Radu Cramariuc a larg citat in literatura de specialitate.

Alaturi de mari specialisti ai domeniului – academicianul I. Inculet, fiu al Moldovei si Romaniei, cetatean canadian si reputat specialist in electrostatica – A.E. Seaver, M.D. Carabine (Anglia), S. Katsura si K. Asano (Japonia), G.S.P. Castle (Canada), Lucian Dascalescu (Franta), H. Paur (Germania), Crowley (S.U.A.), cercetatori din Romania si R. Moldova: Roman Morar, Mircea Bologa, Radu Cramariuc, A. Iuga, A Samuila, Bogdan Cramariuc, Al. Bologa au dovedit existenta unor reale contributii la dezvoltarea domeniului, remarcata ca atare de participantii la lucrari.

Publicarea primului volum din acest ciclu de lucrari, alocat unor tehnologii neconventionale bazate pe fenomene electrofizice, a fost in anul 1999 si inchinat in mare - problematicii care viza electrostatica ca fenomen, precum si aplicatiile pe care le poate genera. Trei ani mai tarziu – in anul 2002 - a aparut cea de a doua lucrare din acest ciclu, avand ca tinta “tehnologiile ce vizau procesarea materialelor si tehnologiile electrochimice”.

Modul in care cele doua lucrari au fost primite de specialisti a constituit o mare satisfactie pentru autorii lor, iar faptul ca astazi vorbim in procesul industrial de tehnologii pe care autorii le-au facut cunoscute specialistilor, oferindu-le chiar echipamente si tehnologii, este un motiv de realia satisfactie, de recompensare a unor eforturi nu mici, dar care au reprezentat “samantele” care au permis ca viata sa le faca sa creasca, sa rodeasca.

Electroeroziunea constituie astazi un proces care nu mai poate fi considerat neconventional, el intrand in practica industriala. Vopsirea electrostatica sunt deja procedee uzuale in procesele industriale. Tratarea apelor cu ozon sau separarea electrostatica constituie deja realitati industriale.

Noile tehnologii generate de accelerarea de electroni, depoluarea gazelor la cos, aplicatiile microundelor in sinteza si procesarea materialelor, aplicatii ale plasmei non-termice, tehnologia procesarii ohmice a alimentelor, detectia magnetica in conductele metalice prin metode inteligente – in Romania realizandu-se de prof. R. Cramariuc un asemenea echipamen – tehnici moderne de control nedistructiv (detectie magnetica, emisie acustica, interferometrie, studiul arborescentelor).

of 62

O imagine asupra modului in care tehnologiile avand la baza procese electrofizice se pot transforma in instrumente, echipamente si procese, deja astazi cu largi aplicatii in mediul industrial si al celui de cercetare sau de educare a viitorilor specialisti.

Electrotehnologiile sunt in general complexe, au multiple destinatii, atat directia procesarii de materiale, cat si a protectiei mediului inconjurator. De exemplu, tehnologiile bazate pe actiunea radiatiilor ionizate, a plasmei, a microundelor, acestea sunt prezentate cu aplicatii atat in protectia mediului cat si in procesarea de materiale.

Multe dintre noile electrotehnologii permit substituirea unui proces electric și / sau aparate electrice pentru aplicații care utilizează combustibili sau alte echipamente electrice mai putin eficiente. Electrotehnologiile sunt sisteme si echipamente care utilizează energie electrica pentru a produce și de a procesa bunuri de larg consum. Acesta poate fi de asemenea utilizata in diverse procese industriale, cum ar fi încalzirea, uscarea, tratament termic și topirea.

În cazul în care lanțul energetic implicat în producția de energie electrica are un rezultat scazut de emisii fata de curentul alternativ, electrotehnologiile vor oferi de obicei un beneficiu net pentru mediul înconjurător. Electrotehnologiile pot oferi, în plus, o reducere in costurile de investiții și de exploatare, îmbunătățirea calității produselor, precum și comoditatea de utilizare îmbunătățită. Cererile actuale ale electrotehnologiilor sunt în primul rând în sectorul comercial și industrial, cu toate acestea, aplicațiile rezidențiale sunt în creștere.

CAPITOLUL 2-Roboti industriali: aspecte cinematice si organologice

Robotii industriali se pot defini ca fiind masini automate, usor programabile, care pot executa lucrari simple, repetabile si au un numar minim necesar de legaturi cu mediul in care lucreaza. Din punct de vedere al proceselor de productie se poate afirma ca robotii industriali au fost folositi pana in prezent in special pentru lucrari de presare, procese tehnologice de prelucrare, sudare, vopsire si asamblare. In concordanta cu dotarea unitatilor industriale cu masini-unelte cu comanda numerica, lucrarile de montare pe masina si de evacuare a pieselor au revenit robotilor industriali, iar fabricile fara personal au inceput sa fiinteze prin combinatia dintre roboti si masini-unelte cu comanda numerica.

Un robot pentru sudare este echipat cu un pistol de sudura la extremitatea bratului sau si poate executa lucrari de sudare de mare precizie.In cazul lucrarilor de sudare prin puncte este necesar sa se realizeze sudarea automata prin grupe de roboti aranjati pe ambele parti ale liniei de sudura pentru a lucra asupra corpurilor caroseriilor de automobile.In cazul lucrarilor de sudare cu arc, robotii executa aceasta lucrare in concordanta cu conditiile sudurii cu arc, deplasandu-se de-a lungul unei linii fixate in exterior.Standardizarea robotilor industriali de catre princapalele tari producatoare:

Norma germana VDI 2860 BI.1 - “robotii autonomi sunt automate mobile universale, cu mai multe axe, ale caror miscari sunt liber programate pe traiectorii un unghiuri, intr-o anumita succesinune a miscarilor si anumite cazuri comandate prin senzori. Ele pot fi echipate cu dispozitive de prehenisune, scule sau alte mijloace de fabricatie si pot indeplini activitati de manipulare sau tehnologice.”

Norma franceza NF E61-100/1983 defineste robotul industrial astfel: “Un robot industrial este un mecanism de manipulare automata, aservit in pozitie, reprogramabil, polivalent, capabil sa pozitioneze si orienteze materialele, piesele, uneltele sau dispozitivele specializate, in timpul unor miscari variabile si programate, destinate executarii unor sarcini variate.”

of 62

Dupa forma rusa GOST 25685-83 “robotul industrial este masina automata care reprezinta ansamblul manipulatorului si al dispozitivului de comanda reprogramabil, pentru realizarea in procesul de productie al functiilor motrice si de comanda, inlocuind functiile analogice ale omului in deplasarea pieselor si/sau a uneltelor tehnologice.”

Standardul japonez JIS B 0124/1979 defineste robotul industrial ca: “un sistem mecanic dotat cu functii motoare flexibile analoage celor a organismelor vii sau combina asemenea functii motoare cu functii inteligente, sisteme care actioneaza corespunzator vointei omului.” In contextul acestei definitii, prin functie inteligenta se intelege capacitatea sistemului de a executa cel putin una din urmatoarele functii: judecata, recunoatere, adaptare, invatare.

2.1. Consideratii generale

Structura generala a robotilor industriali depinde foarte mult de utilitatea si scopul pentru care au fost propusi. Functiile de baza au fost reprezentate de: Subsistemul cinematic al robotului; Subsistemul de actionare al robotului; Subsistemul de comanda si programare al robotului; Subsistemul senzorial al robotului;

Subsistemul cinematic al robotului cuprinde structura capabila sa execute miscarile pentru a actiona asupra mediului inconjurator. Astfel in functie de mediul in care este folosit, robotul poate fi dotat cu: Roti; Senile; Picioare mecanice; Suporti; Benzi transportoare.

Organul de executie al robotului este alcatuit dintr-un lant cinematic inchis ori deschis oferind diverse grade de libertate prin intermediul carora dispozitivul de lucru poate actiona: Mana mecanica; Dispozitiv de manevrare; Dispozitiv de apucare.

2.2. Sisteme de actionare

Sistemul de actionare al unui robot cuprinde totalitatea surselor energetice ale robotului precum si elementele de control direct ale acestora. În acest sens, prin sistem de actionare se va întelege ansamblul motoarelor si convertoarelor prin care se obtine energia mecanica necesara deplasarii robotului precum si dispozitivele suplimentare ce controleaza acest transfer energetic.Un astfel de sistem va cuprinde: Sursa primara de energie; Un sistem de conversie al energiei primare în energie mecanica; Un sistem pentru transmisia energiei mecanice la articulatia corespunzatoare; Un control al parametrilor caracteristici ale acestor sisteme.

of 62

Fig. 2.1 Structura generala a unui sistem de actionare

Sistemele uzuale de actionare folosesc trei surse primare de energie : electrica , pneumatica sau hidraulica. Procentual, cel mai mare numar de sisteme de roboti industriali moderni utilizeaza actionarea hidraulica datorita unor caracteristici deosebite pe care aceste echipamente le ofera în ceea ce priveste raportul dintre forta exercitata la dispozitivul motor si greutatea acestuia. O arie larga o au deasemenea actionarile electrice, utilizate îndeosebi datorita facilitatilor de control pe care le pot asigura. Actionarea pneumatica ocupa o pondere redusa în aceasta directie , ea fiind de obicei utilizata în sistemele de comanda ale dispozitivelor auxililiare.

Sisteme de actionare electrica

Desi mai putin utilizata decât actionarea hidraulica, actionarea electrica ocupa o arie suficient de întinsa la robotii industriali datorita urmatoarelor avantaje principale: Sursa de energie electrica primara este usor de gasit; Sistemele de control sunt precise, sigure si relativ usor de cuplat la o conducere

numerica la nivel înalt; Se poate asigura o functionare autonoma prin alimentarea cu baterii; Nu se impun probleme specifice de poluare.

Motoare de curent continuu

Actionarea cu motoare de curent continuu are avantajul important ca momentul creat este practic independent de pozitia si viteza motorului, depinzând numai de câmpul înfasurarilor si curentul din armaturi. Daca înfasurarile de câmp sunt înlocuite cu un magnet permanent atunci momentul dezvoltat este proportional cu valoarea curentului din armaturi si deci cu tensiunea aplicata.

Anumite proceduri tehnologice au permis micsorarea greutatii motoarelor. Ele se refera, de exemplu, la eliminarea înfasurarilor de excitatie prin utilizarea motoarelor cu magnet sau micsorarea greutatii rotorului prin motoarele disc. Desi teoretic, orice motor electric este susceptibil de utilizare, pentru actionarea robotilor se utilizeaza numai motoare de curent continuu si pas cu pas, primul datorita sistemelor performante de control, iar al doilea datorita facilitatilor pe care le ofera în controlul în bucla deschisa la operatiile de pozitionare .

of 62

Dezavantajul principal al acestor actionari este greutatea componentelor. Raportul putere - greutate sau moment - greutate este mai mic decât la actionarile hidraulice. Aceasta greutate nu poate fi redusa în mod semnificativ datorita circuitului magnetic care, pentru asigurarea unor performante ridicate necesita o geometrie corespunzatoare.

Utilizarea motorului de curent continuu în actionarea robotilor impune: Un sistem de control utilizând tahogeneratoare si transformatoare de pozitie; Un sistem mecanic care sa realizeze conversia miscarii de rotatie in miscare de

translatie; Un sistem mecanic pentru blocarea motorului.

Motoarele de curent continuu sunt formate din doua parti : un sistem de excitatie si o înfasurare dispusa într-o armatura rotorica. Un sistem de comutatie, asigura în permanenta un sens unic al curentului în raport cu câmpul magnetic, deci asigura o forta în directie constanta.

Motoare pas cu pas

Motoarele pas cu pas sunt sisteme sincrone care realizeaza o corelatie directa între marimea comandata si pozitia obtinuta. Aceste motoare asigura conversia directa a semnalului de intrare, dat sub forma numerica, într-o miscare de pozitionare unghiulara prin cumulari incrementale. Aceasta proprietate determina o utilizare larga a motoarelor pas cu pas în toate sistemele de pozitionare în bucla deschisa. Conversia intrinseca a comenzii în pozitie asigura scheme de control simple, eficiente atât sub aspect tehnic, cât si economic.

Pe lânga aceste avantaje, trebuiesc subliniate si câteva dezavantaje printre care se mentioneaza: acceleratii si deceleratii discontinue, variatia cuplului cu pozitia rotorului, puteri mici etc.

Statorul cuprinde patru poli iar rotorul este realizat dintr-un magnet bipolar. Daca se alimenteaza înfasurarile 1-3, atunci rotorul se va deplasa într-o pozitie în care fluxul magnetic prin aceste înfasurari este maxim, deci el se va alinia pa axa înfasurarilor 1 - 3. Daca se alimenteaza înfasurarile 2 - 4 atunci rotorul se va roti cu , sensul de rotatie depinzînd de polaritatea aplicata, pâna se va alinia cu noua înfasurare. O combinatie de semnale aplicate va determina pozitii intermediare corespunzatoare. In absenta oricârui semnal de alimentare a înfasurarilor, rotorul va ocupa o pozitie bine determinata aliniindu-se cu unii din polii statorului , fara a conta polaritatea .

O solutie tehnologica superioara este oferita de motoarele pas cu pas cu reluctanta variabila. Constructiv, aceste motoare sunt cu rotor pasiv, având si crestaturi uniform repartizate pe suprafata rotorului. Prin alimentarea unei faze statorice, rotorul se va roti astfel încât circuitul magnetic sa prezinte reluctanta magnetica minima producând alinierea dintilor statorici si rotorici. Comutând alimentarea pe faza urmatoare se obtine o deplasare a rotorului pentru o noua realiniere a dintilor acestora, determinând aparitia unui cuplu.

Comutarea semnalelor pe înfasurari este realizata cu scheme de comanda specifica. Aceste scheme trebuie sa contina, pe de o parte, logica de comutare a fazelor, iar pe de alta parte dispozitive electronice de putere cuplate direct pe înfasurarile motorului.

of 62

Sisteme de actionare hidraulica

Aceste dispozitive se bazeaza pe principiul conversiei energiei unui fluid incompresibil în energie mecanica. Lichidul utilizat este un ulei mineral ce actioneaza la presiuni de pâna la 100 atm., sursa de presiune hidraulica fiind încorporata în sistemul de actionare propriu al robotului sau apartinând unui sistem centralizat.

Fig. 2.1.2. Schema de actionare hidraulica

Aceste dispozitive se utilizeaza pe scara larga în actionarea robotilor datorita unor avantaje specifice printre care mentionam: realizarea unui raport putere/greutate mare, posibilitatea actionarii directe, interconectarea lor directa în articulatiile de rotatie ale robotului etc.

Un rol esential în comanda acestor actionari îl joaca sistemele de control al cailor de fluid, servovalvele. Aceste dispozitive permit blocarea unor cai de fluid, schimbarea sensului pe o anumita cale sau comutarea traseelor de cale dupa o logica impusa. Un astfel de servosistem hidraulic este prezentat în figura 2.1.3.

Fig. 2.1.3. Servosistem hidraulic

Analiza comparativa a sistemelor de actionare utilizate în controlul pozitiei robotilor indica o pondere de peste 50% în favoarea actionarii hidraulice. Aceasta larga utilizare este datorata câtorva factori dinte care putem mentiona: Puterea realizata în aceste sisteme este mult mai mare decât a oricarui sistem, luând ca

referinta greutatea echipamentului utilizat; Actionarile hidraulice sunt mult mai robuste decât cele electrice amplificarea rezultata

este mai mare, precizia si raspunsul la frecventa sunt mai bune; Actionarea hidraulica are performante foarte bune la viteze mici; Sistemele hidraulice se pot cupla direct la sarcina fara dispozitive suplimentare;

of 62

Sisteme de actionare pneumatica

Caracteristica principala a acestor dispozitive este data de utilizarea aerului ca fluid compresibil al sistemului de actionare. Functiile de operare ale sistemelor pneumatice sunt similare cu cele hidraulice, particularitatile tehnologice si constructive specifice lor fiind datorate schimbarii fluidului, cu specificul si proprietatiile sale.Din factorii care argumenteaza în favoarea utilizarii sistemelor pneumatice, se pot retine: Simplitatea echipamentului de actionare; Robustetea dispozitivelor utilizate; Nepoluarea mediului de lucru; Sisteme de control simple; Raportul putere/greutate relativ ridicat; Rezistenta la suprasarcini de valori mari.

Compresibilitatea fluidului (aerului) face ca sistemele de control sa fie utilizate în special la elementele mecanice care lucreaza pe principiul "tot sau nimic" fara a fi necesar un reglaj intermediar. Ca urmare, ele pot fi introduse cu succes la dispozitivele de actionare ale griperelor unde sunt conturate întotdeauna numai doua stari distincte: deschis si închis.

Controlul pozitiei unui element mecanic prin sisteme pneumatice este rar utilizat datorita performantelor slabe rezultate în comparatie cu cele electrice sau hidraulice. Aceste rezultate slabe se atribuie compresibilitatii fluidului care introduce un timp de propagare, de întârziere, în dinamica dispozitivului. De asemenea, o deficienta de baza o constituie faptul ca aceste sisteme utilizeaza controlul dupa debit, parametru ce nu este întotdeauna indicat pentru controlul pneumatic al unei miscari. Din acest motiv, se recomanda utilizarea unui control al presiunii ce duce la o îmbunatatire considerabila a performantelor dar este mult mai complex si costisitor.

2.3 Aplicatii industriale ale robotiilor

Componenta esentiala a sistemelor de fabricatie automate flexibile este robotul industrial, acesta poate executa automat si operatiile proceselor discontinue (de manipulare) de mare complexitate si poate fi reprogramabil neavand cheltuieli mari de manopera, energie sau materiale.

Sistemul de fabricatie contine totalitatea mijloacelor tehnice (masini unelte, dispozitive, scule, programe) si relatiile dintre acestea, care contribuie la realizarea procesului de fabricatie.Sistemul de fabricatie poate fi: Flexibil – in mod automat se poate adapta la diferite sarcini de productie; Rigid.Acest sistem de fabricatie cuprinde urmatoarele subsisteme: Subsistemul de prelucrare – sunt efectuate toate operatiile de prelucrare a unei piese.In subsistem sunt cuprinse masina de lucru, dispozitivul de lucru, factorul uman/robotul industrial care serveste masina de lucru, scula.

Subsistemul de manipulare – permite executare operatiilor de manipulare a piesei in cadrul postului de lucru, iar aici poate fi o instalatie de alimentare/evacuare, operatorul uman sau chiar un robot industrial.

of 62

Subsistemul de transport – acest subsistem asigura deplasarea piesei de la depozitul de semifabricate la primul post de lucru, intre posturile de lucru, sau de la ultimul post de lucru la depozitul de produse finite.

Sistemele de fabricatie se pot clasifica: Mecanizate; Mecanizat avansat; Clasice; Automate.

In aplicatiile industriale, robotii pot manipula: Scule – subsistemul de prelucrare se incadreaza in aceasta categorie; Obiecte de lucru – in aceasta categorie se incadreaza subsistemul de manipulare.

Obiectul de lucru poate fi in cazul de fata semifabricat, ansamblu sau subansamblu de manipulant, piesa, scula – pistol de sudare, o freza, un cap de sudare prin puncte, pistol de vopsire etc

Cea mai des intalnita operatie executata de robotii industriali este manipularea obiectelor de lucru: Servirea unor masini unelte, dispozitive, instalatii; Operatii de montaj automat; Operatii de paletizare/depaletizare.

Manipularea sculei de catre un robot industrial este frecvent utilizata in: Operatii de sudare cu arc in mediu de gaz protector sau prin presiune; Operatii in turnatorii de formare, debavurare, sablare, curatire; Prelucrarea unor semifabricate prin aschiere, prin jet de apa cu inalta presiune, fascicul

laser; Operatii de lipire cu material nemetalic sau metalic; Operatii de masurare, testare si inspectie, control de calitate; Operatii de vopsire prin pulverizarea vopselei lichide sau imprastierea vopselei sub

forma de pulbere.

of 62

CAPITOLUL 3- Electrotehnologii cu roboti si aplicatii industriale

Utilizarea plasmei are o vechime de peste 100 de ani, astfel sunt cunoscute tehnologiile industriale precum generarea ozonului pentru resursele publice de apa, sudarea cu arc electric, lampile fluorescente, acoperirea in vid cu pelicule subtiri, depunerea microelectronica si gravarea.

Ingineria industriala pe baza de plasma are un viitor promitator in acest domeniu din urmatoarele motive: Sunt mai ieftine si mai eficiente decat alte tehnologii; Procesele cu plasma pot indeplini sarcini care nu pot fi realizate prin alte procese; Prin procesele cu plasma nu se produc cantitati semnificative de produsi secundari

toxici.Aceste caracterisitici fac procesarile cu plasma competitive international. Plasmele

la presiune scazuta sunt folosite in foarte multe aplicatii in procesarea materialelor si joaca un rol important in fabricarea dispozitivelor semiconductoare. Avantajele plasmei sunt bine cunoscute. Acestea genereaza concentratii ridicate din specii reactive, care pot coroda si depunde straturi fine cu viteze de pana la 10 µm/min.

Temperatura gazului este in mod normal sub 150 ºC, astfel cat substraturile sensibile termic nu sunt deteriorate. Ionii produsi in plasma pot fin accelerati spre un substrat pentru a provoca corodarea directionala, la scara submicronica. In plus, se poate genera o descarcare luminoasa uniforma, care sa proceseze materialele rapid pe suprafete extinse.

Pe de alta parte, folosirea plasmei la presiuni scazute are cateva dezavantaje. Sistemele in vid sunt foarte costisitoare si trebuie intretinute. Se folosesc sisteme de asamblare robotizate pentru a transfera materialele din sau spre vid. De asemenea, marimea obiectului tratat este limitat din marimea camerei de vid. Plasma la presiune atmosferica rezolva dezavantajele operarii in vid.

Tehnologia in camp electric in impulsuri (PEF), este o tehnologie non-termica de conservare a alimentelor, bazate pe utilizarea campului electric in impulsuri, pentru a inactiva microorganisemele patogene din alimente si pentru a controla continutul de microorganisme patogene din produsele supuse tratamentului.

Aceasta tehnologie este foarte apreciata pentru ca prelungeste termenul de valabilitate a produsului tratat, fara sa utilizeze caldura, si de asemenea, pentru ca pastreaza calitatile senzoriale si valoarea nutritionala a alimentului. Tehnologia PEF poate fi folosita cu succes in locul tehnologiei de pasteurizare traditionala la produsele lichide, ca de exemplu: sucuri de fructe, oua lichide si lapte.

In toate etapele de prelucrare termica a alimentelor este important sa se pastreze continutul de vitamine si nutrienti din produsele alimentare. Tratamentul termic este metoda cea mai utilizata pentru distrugerea microorganismelor, care permite conservarea alimentelor pe perioada de depozitare. Acest mod de conservare duce. inevitabil, intr-o anumita masura la pierderea continutului de vitamine si nutrienti.

Aspectele teoretice si tehnologice ale echipamentelor inteligente de control nedistructiv al conductelor de transport fluide in functiune (gaz, petrol, apa), pe baza campului magnetic de scapari. In prezent, conductele pentru transportul a deferite feluri de produse fluidice (petrol brut, gaz natural, produse petroliere rafinate) sunt utilizate pe scara larga datorita avantajelor oferite in comparatie cu alte mijloace de transport.

In multe situatii, conductele sunt ingropate si nu sunt accesibile usor. Dupa ce linia de transmitere este construita si instalata, de regula sub pamant, ea incepe sa se deterioreze

of 62

din diferite cauze. De exemplu, diverse tipuri de substante corozive din fluid pot ataca interiorul conductei si pot cauza coroziunea acesteia.

Calitatile solului ce inconjoara conducta pot fi si ele de natura corozica, in acest mod fiind atacata interiorul conductei. Daca fisurile, coroziunea etc, nu sunt detectate si nu se fac reparatii in stadiul initial de degradare a conductei, aceste defecte vor creste pana la degradarea catastrofala a acesteia.

In consecinta, au fost realizate mijloace speciale de inspectie a conductelor sau a retelelor de conducte, urmarindu-se intreruperea in cat mai mica masura a functionarii acestora. Numele cel mai des utilizat pentru astfel de dispozitive este acela de “PIG”, iar tehnica de baza consta in monitorizarea starii peretilor conductei si, in functie de tipul Pig-ului utilizat, se realizeaza detectia, masurarea si localizarea defectelor.

De regula Pig-ul este introdus in conducata la o locatie accesibila, cum ar fi statie de pompare. El este apoi transportat de-a lungul conductei de fluid, fiind in cele din urma recuperat la o noua statie de pompare. Pig-ul contine o multime de senzori care cerceteaza suprafata interioara a conductei, cautand diverse tipuri de defecte si un dispozitiv de inregistrare a rezultatelor controlului nedistructiv.

Instalatiile inteligente de control existente in folosinta sunt destinate magistralelor “controlabile”, respectiv cele care nu au obstacole interioare determinate de suduri, robineti cu cep sau alte tipuri de obstacole, care nu asigura o sectiune circulara de trecere sau au o sectiune mai mica decat a tevii. Exista magistrale sau portiuni de magistrale care nu sunt conducte controlabile cu Pig-urile inteligente actuale.

Din acest motiv, sunt prezentate cateva informatii din preocuparile actuale in cercetarea stiintifica privind realizarea unui echipament inteligent de control pentru orice conducta si care se indeplieasca urmatoarele conditii: Capacitatea de a trece printr-o conducta independent de debitul de gaz; Capacitatea de a prelua energie de la fluxul de gaz pentru propulsia vehiculului; Capacitatea de a trece prin deschideri necirculare mai mici decat diametrul nominal al

conductei, fara a se pierde capacitatea de a inspecta suprafata integrala a conductei; Capacitatea de prelucrare si de stocare a unor cantitati mari de date, pentru un timp

prelungit de parcurgere a conductei, sau capacitatea de a furnica informatii la suprafata, fara a parai conducta, astel incat rezultatele inspectiei pot fi cunoscute inainte de terminarea intregii inspectii;

Capacitatea de a face o analiza asupra starii conductei, cel putin la fel de buna ca analiza furnizata de Pig-urile inteligente uzuale.

Mai sunt prezentate si o serie de informatii referitoare la sondele Hall utilizate in detectia campului magnetic de scapari si generarea de semnale, inclusiv programele de achizitie si prelucrarea ale acestor semnale in vederea stabilirii defectelor ca pozitie si gravitate.

Robotii sunt utilizati cu succes in numeroase sisteme de sudare. Robotii de sudare pot fi utilizati in operatii de sudare de tip MIG, TIG, Arc, sudare electrica prin puncte, sistem YAG/C02 laser. Aplicatiile de sudare robotizate ofera o buna flexibilitate a miscarilor, precizie in urmarirea unor traiectorii impuse de procesul tehnologic, repetabilitate. Timpii de lucru pot fi redusi printr-o proiectare corespunzatoare a instalatiei si programare competenta. Robotii de sudare trebuie sa permita pozitionarea corespunzatoare a dispozitivului de sudare in raport cu reperele care urmeaza sa fie sudate. In functie de tipul de sudare, dispozitivele de sudare trebuie alimentate cu energie electrica, sarma electrod, gaz protector. Sistemul de actionare al robotilor de sudare este electric sau hidraulic. Sistemul de comanda asigura, in functie de tipul de sudura realizata, conducerea pe o traiectorie punct cu punct, multipunct sau traiectorie continua.

of 62

Operatorul uman in sistemele de fabricatie este unica componenta atat a subsistemului de prelucrare cat si a celui de manipulare, in procesele mecanizate robotul industrial lipseste, in aceste procese mecanizate robotul industrial poate exista sub forma de manipulator, iar in procesele automate lipseste factorul uman.Domeniile in care sunt utilizatii robotii si anume: Montaj; Vopsire; Paletizare/depaletizare; Servirea unor masini utilaje/instalatii/depozitive; Masurare, control de calitate, testare; Sudare; Prelucrarea unor semifabricate;

Multe dintre noile electrotehnologii permit substituirea unui proces electric si/sau aparate electrice pentru aplicatii care utilizeaza combustibili sau alte echipamente electrice mai putin eficiente. Electrotehnologiile sunt echipamente si sisteme care folosesc energia electrica pentru a produce si a procesa bunuri de larg consum. Electrotehnologiile pot fi utilizate in diverse procese industriale cum ar fi: tratament termic, topirea, uscarea, incalzirea.

Electrotehnologiile pot oferi in plus, un cost redus al investitiilor si de exploatare, imbunatatirea calitatii produselor, precum si comoditatea de utilizare imbunatatita. Cele mai multe cereri de electrotehnologii sunt in primul rand in domeniul industrial. Tehnologiile electrice se pot substitui pentru alte tehnologii, mai mari consumatoare de energie, rezultand intr-o reducere neta a emisiilor de gaze cu efect de sera.

Utilizarea electronicii moderne avand ca rezultate produse de o calitate superioara si/sau servicii. Folosirea electrotehnologiilor si inlocuirea eficienta a combustibililor fosili pentru pot reduce considerabil consumul de energie si emisiile de gaze cu efect de sera.

Un tip de sudare, e sudarea MAG si prezinta doua tipuri de sudare: Primul tip este sudare cu arc scurt folosit pentru imbinarea tablelor subtiri ( mai mici de

5 mm grosime ) avand o intensitate a curentului mica si o polaritate directa ori polaritate inversa;

Al 2-lea tip de sudare este cu arc lung utilizata la imbinari de table cu o grosime mai mare de 5 mm, intensitatea curentului fiind mare si folosind polaritatea inversa pentru a minimiza stropirea.

Pentru o sudare MAG sunt folosite urmatoarele materiale: Sarma electrod; Gazele protectoare.

Sudarea MAG are anumite avantaje si anume: Arcul este vizibil; Controlul usor asupra patrunderii; Procent scazut de deformatii; Calitatea ridicata si viteza mare de sudare; Diferite domenii de aplicare; Caracteristici mecanice bune dupa operatia de sudare; Posibilitatea de a fi aplicata din domeniul automatizarii si roboticii.

of 62

Utilizarea robotiilor in procese de prelucrare prin tehnologii neconvetionale cu fascicul laser sau cu jet de apa de inalta presiune presupun o eficienta tehnico economica foarte buna. Folosind fasciculul laser se pot realiza operatii de sudare, de tratament termic de precizie, de taiere avand o atingere minima a structurii metalului din zona de prelucrare.

Robotul poate manipula scula care are un cap laser (fig. 3), avand un sistem optic, prin acest sistem asigurandu-se concentrarea puterii fasciculului pe o suprafata cat mai mica a piesei.

Fig. 3 Cap laser pentru taiere

Fasciculul laser porneste de la sursa la capul de lucru printr-un set de cabluri cu fibre optice (sursa YAG cu o distanta de unda de circa 1,06 mm ), ori prin grupari de oglinzi ( sursa CO2 cu lungimea de unda de aproximativ 10,6mm ), ori direct in timp ce robotul manipuleaza sursa laser de putere mica.

Prin metoda conducerii unui set de oglinzi, se introduc in conductorii articulati, pozitionati in incinta dispozitivului de ghidare al robotului (fig. 3.1), sau in exterior, avand un lant cinematic legat de extremitatile dispozitivului de ghidaj al robotului.

Fig. 3.1 Conducerea fasciculului laser prin dispozitivul de ghidare al robotului folosind un sistem de oglinzi

Prin comandarea robotilor care utilizeaza operatii cu fascicul laser, sunt realizate programe cu traiectorie continua ( CP ), repetabilitate de executie trebuie sa fie de 0,005 0,01mm.

of 62

Aplicatiile robotilor in operatii de manipulare in ”camere curate”, in spatii special concepute pentru ca puritatea aerului sa respecte normele impuse, astfel ca in ultimii ani industria robotizata a crescut enorm. In ”camerele curate” exista echipamente si utilaje pentru aplicatii speciale folosite in electronica.

3.1 Generalitati

Operatia de vopsire

Robotii industriali utilizati in operatii de acoperire a suprafetelor prin vopsire, manipuleaza scule de tip “pistol”. Acestea contin o duza prin care realizeaza pulverizarea vopselei lichide sau imprastierea vopselei sub forma de pulbere. Pulverizarea se realizeaza fie sub actiunea unui jet de aer comprimat, fie sub presiunea care se exercita asupra suprafetei lichidului aflat intr-un rezervor din care se alimenteaza pistolul (procedeul “airless”). In acelasi rezervor se realizeaza la nevoie si preincalzirea vopselei.

Imprastierea vopselei sub forma de pulbere se realizeaza cu ajutorul aerului comprimat. In cazul vopsirii electrostatice, pistolul este legat la un pol al unei surse de curent iar obiectul vopsit la celalalt. Ca urmare, particulele de vopsea se incarca electrostatic si sunt atrase de obiect, ale carei suprafete - chiar “ascunse” - se acopera uniform.

Sistemul robotizat de vopsire trebuie sa contina un dispozitiv automat de curatire a pistolului, cu functionarea inclusa in ciclul de functionare al robotului. In cazul in care robotul trebuie sa vopseasca cu vopsele de diferite culori / calitati, el va fi prevazut cu un dispozitiv de schimbare automata a efectorului final, care va conlucra cu un depozit de scule (pistoale) amplasate in periferia robotului.

Comanda robotilor de vopsire se face prin programe multipunct (MP) sau de traiectorie continua (CP). Programarea “on-line” a robotilor de vopsire se poate realiza prin “conducere directa”, cand operatorul uman manipuleaza pistolul de vopsire fixat de ultimul element al dispozitivului de ghidare al robotului. Se executa operatia de vopsire de programat iar miscarile relative ale elementelor cuplelor cinematice conducatoare ale dispozitivului de ghidare ale robotului - avand elementele de actionare decuplate - se memoreaza in forma semnalelor emise de traductoare. In cazul conducerii directe, robotul trebuie sa admita o forta de programare de intensitate redusa si aproximativ constanta in tot spatiul de lucru.

O alta posibilitate de programare “on-line” utilizeaza un lant cinematic de instruire, de care este fixat pistolul, care este manipulat de operatorul uman. Lantul cinematic de instruire este identic din punct de vedere structural si al dimensiunilor elementelor cu dispozitivul de ghidare al robotului. In timpul instruirii robotului, pentru executarea unei operatii de vopsire date, traductoarele de deplasare din cuplele cinematice ale lantului de instruire emit semnale memorate de sistemul de conducere al robotului. In faza operationala - pe baza programului invatat - sistemul de actionare va impune elementelor cuplelor cinematice conducatoare ale dispozitivului de ghidare al robotului miscari relative similare cu cele executate de elementele cuplelor cinematice omoloage ale lantului cinematic de instruire. Avantajul programarii folosind lant cinematic de instruire consta in efortul mai mic solicitat operatorului uman si din acest motiv el va avea posibilitatea efectuarii mai corecte a operatiei de vopsire.

In componenta sistemului de acoperire robotizata mai intra o instalatie aducatoare / de evacuare, cu miscarile dispozitivelor fata de care robotul isi sincronizeaza propriile miscari, un “cuptor de uscare / coacere” a stratului de acoperire si uneori, o “cabina de

of 62

vopsire”. Aceasta cabina izoleaza spatiul de lucru al robotului si este prevazut cu o instalatie de exhaustare a norului de vopsea nedepus pe obiecte. Este de dorit utilizarea unor senzori de existenta pentru sesizarea prezentei obiectului de vopsit in spatiul de lucru al robotului. Semnalele acestor senzori declanseaza / opresc procesul de vopsire, adaptand instalatia robotizata la fluxul de material concret.

Robotii utilizati in procesele de vopsire trebuie sa aiba exactitatea de repetabilitate de 1 ¸ 3 mm. Evitarea erorilor de “urmarirea coltului” si de viteza, asigura constanta grosimii stratului de vopsea depusa.

Pentru operatia de vopsire automata sunt utilizate celule robotizate care au in structura lor un robot sau chiar manipulator, sisteme de aducere/evacuare a pieselor si sisteme sau dispozitive de instalatie si manipularea obiectului pe pozitia de vopsire. Piesele care urmeaza a fi vopsite sunt trimise in locul unde vor fi vopsite folosind un sistem de transport fie cu lant, fie cu cablu.

Robotul sau manipulatorul poate executa operatia de vopsire astfel: Sistemul de transport poate executa deplasarea piesei in timpul vopsirii in concordanta

cu miscarile bratului robotului; Sistemul de transport si piesa stationeaza astfel incat baza robotului este fixa intr-un

singur loc, iar in cazul acesta suprafata de vopsit este acoperita integral doar din miscarile bratului robotic;

Piesa poate stationa in aceeasi pozitie, iar robotul poate executa deplasarea cu baza sa pe una sau doua coordonate.

Celulele robotizate se pot utiliza si in cazul operatiilor de sudare, doar ca aici intervin dispozitive speciale de pozitionare ( mese ), care pot avea miscari de rotatie realizate dupa diferite tipuri de unghiuri. In operatia de vopsire, piesa care urmeaza a fi vopsita este pozitionata pe masa rotitoare de catre operatorul uman, urmand a fi comandat ciclul automat de miscari ale dispozitivului in concordanta cu miscarile pistolului de vopsit.

O metoda de a maximiza productivitatea, se folosesc de obicei dispozitive de pozitionare duble, avand doua mese, exact ca in cazul centrelor tehnologice de prelucrare prin gaurire sau frezare, operatorul uman poate sa instaleze o noua piesa pe cea de-a doua masa in acelasi timp cand robotul este in operatia de vopsire.

Operatia de metalizare

Procesul de metalizare prin pulverizare este cunoscut ca fiind procesul de acoperire folosind materiale metalice sau nemetalice si aliaje, pulverizate utilizand un jet de gaz pe suprafetele care urmeaza a fi acoperite. Metalizarea se aplica pe orice tip de suprafata indiferent daca este metalica, nemetalica sau din plastic.

Acest proces de metalizare consta in acoperirea prin pulbere topita a diferitelor tipuri de suprafete avand un efect anticoroziv combinat cu aluminiu, zinc, crom, wolfram, procesul poate fi integrat si in industria automatizata. Clasificarea procedeelor de metalizare: Cu plasma; Cu gaze reci; Cu arc electric; Cu sistem de depunere a metalelor la viteza supersonica numit si HVOF ( high velocity

oxygen fuel ); Cu gaze combustibile.

of 62

Metalizarea cu flacara este procesul prin care pulverizarea unui metal este topit intr-o flacara oxiacetilenica, in acest caz pulverizarea se realizeaza cu ajutorul unui jet de aer comprimat. Jetul de aer comprimat este compus din particule atomizate de metal topit impinse de curentul de gaze, acestea se lipesc de suprafata pregatita unde se racesc rapid.

Acest procedeu de metalizare cu flacara este cel mai vechi procedeu de pulverizare termica aparut in anul 1910, fiind folosit si in prezent pentru acoperiri anticorizive a suprafetelor, influentele termice asupra pieselor sunt de ordin scazut, de aceea acest proces se mai numeste si “proces rece”, temperatura substratului fiind scazuta intre valori de 100-150 grade Celsius.

Mai exista un proces numit LVOF ( oxigen-combustibili cu viteza scazuta de ardere ) aparut in anul 1930, avand acelasi rol de a pulveriza un material topit pe o suprafata pentru a fi acoperita, iar rolul acestui proces este atunci cand materialul este in stare de pulbere fiind topit intr-o flacara oxiacetilenica sau alt tip de combustibil pentru a acoperi suprafata cu un jet de stropi mici fine.

Acest proces de metalizare in flacara mai este numit si “proces rece”, temperatura substratului este scazuta pe toata durata procesului, avantajele fiind lipsa deformarilor, schimbari de structura in material etc.

Un alt tip de metalizare, este metalizarea cu arc electric care a fost inventat in anul 1914. In acest proces sunt folosite doua sarme cu conductibilitate electrica ridicata care sunt topite printr-un arc electric, iar materialul topit este atomizat cu ajutorul unui jet de aer comprimat si indreptat pe suprafata piesei. Astfel particulele topite au proprietatea de a se solidifica rapid la contactul cu suprafata obiectului, la fel se mentine temperatura si in cazul acesta fiind un “proces rece” nu se modifica structura, nu apar deteriorari sau schimbarile metalurgice.

Calitatea obtinuta din acest proces cu arc electric este mai buna fata de procesul de combustie avand acoperiri mult mai aderente si dense, costuri scazute de functionare, eficienta ridicata. Pentru acest tip de operatie se foloseste sistemul HVAF-ARC ( viteza ridicata aer combustibil-arc ) care poate realiza acoperiri dense, fine structurate din sarma si un pistol cu arc electric avand ca rol topirea sarmei si un jet de aer-combustibil ( GPL, propan, propilena ) cu viteza supersonica pentru atomizarea metalului topit.

Formarea unui jet supersonic fara oxigen din gazele de ardere spre zona arcului electric cu proprietatea de a nu oxida metalul topit, iar ca rezultat metalul topit in arcul electric cuprinzand cele doua sarme, fiind atomizat si accelerat catre substratul piesei cu proprietatea de racire rapida.

Operatia de sudare

Sudarea este procedeul cel mai raspandit in industria constructoare de masini, prin care se obtin imbinari nedemontabile, pentru executarea operatiilor de sudare fiind folosit un mare numar de operatori umani. Calitatea sudurilor executate de operatorul uman depinde, de dexteritatea si constinciozitatea sudoarului, care trebuie sa execute miscarile necesare operatiei de sudare cu mare regularitate si precizie.

Sudorii lucreaza in conditii de mediu total neprielnic, ei sunt expusi la radiatii calorice si luminoase, inhaleaza fum, lucreaza de multe ori in pozitii foarte dificile, pot fi stropiti cu metal topit si trebuie sa aiba atentia concentrate la maximum in permanenta. Cele prezentate mai sus justifica interesul tot mai crescut al producatorilor de a trece la automatizarea operatiei de sudare, aceasta si pentru faptul ca operatiile de sudare executate de operatorul uman sunt foarte scumpe.

Daca in cazul productiei de de serie mare sau masa, se cunosc de mai mult timp sisteme pentru sudarea automata sau semiautomata, in productia de serie mica sau mijlocie

of 62

executarea automata a operatiilor de sudare necesita mijloace flexibile, care sa permita adaptarea rapida la variabilitatea produselor. Aceste mijloace sunt robotii industriali de sudare, instalatii specifice de alimentare cu material, dispositive speciale de pozitionare, scule de lucru specifice.

Pot fi automatizate cu ajutorul robotilor industriali operatiile de sudare in puncte si de sudare continua cu arc in mediu de gaz protector. In ambele cazuri, asamblarea prin sudura se realizeaza din doua sau mai multe piese. Sudarea prin presiune in puncte sau prin rulare asistate de roboti se regaseste in special in celulele si liniile flexibile pentru asamblarea caroseriilor de autovehicule, permitand trecerea usoara de la fabricarea unui vehicul la altul.

Celulele si liniile flexibile pentru sudare cu arc asistatea de roboti s-au realizat in special in intreprinderi constructoare de vehicule feroviare, masini de ridicat si transportat, miniere, santiere navale, urmarindu-se automatizarea sudarii unor subansambluri de tip grinda, traversa.

Robotii industriali destinati pentru executarea operatiei de sudare a carcaselor conduc la scaderea considerabila a economiei de material, fapt pentru care carcasele sunt asamblate din placi, tuburi, laminate, robotii folosind o buna utilizare a metalului. Pentru o calitate superioara, carcasele sunt executate prin operatia de sudare evitand astfel dezavantajele procesului tehnologic prin turnare, mai ales in cazul cand carcasele sunt construite intr-un numar foarte mic sau unicate.

3.2.1 Particularitati ale operatiilor de sudare executate cu ajutorul robotilor industriali

Un domeniu necesar dezvoltarii roboticii a fost in domeniul sudurii. Sudarea prin presiune utilizeaza ca efector final al robotului un cleste de sudare, al carui electrozi sunt presati pe componentele de tabla care urmeaza a fi asamblate. Circuitul electric se inchide prin electrozi si componentele de sudat, topind local metalul si formand sudura “in punct”.

Fig. Posibilitati de amplasare ale transformatorului electric TE a) suspendat separatb) montat pe robot c)inglobat in cleste

Robotul trebuie sa realizeze o miscare de pozitionare a electroziilor in punctul de sudura de executat si sa orienteze axa comuna a acestora, normala pe suprafetele

of 62

componentelor de tabla. Un program punct cu punct (PTP) realizeaza transferul clestiilor de la un punct de sudura la altul . Orientarea dispozitivului de ghidare al robotului trebuie sa aiba un minim de 5 grade de libertate, trebuie sa fie asigurate acceleratii rapide la trecerea de la un punct la altul, iar mecanismul generator de traiectorie trebuie sa asigure realizarea in timp a unui spatiu de lucru mare.

In cadrul sistemului de fabricatie in care se afla postul de sudare prin presiune in puncte, trebuie sa existe inca un post de corectare (prin frezare) a formei geometrice a electrodului. Robotii industriali folositi la operatii de sudura prin presiune in puncte au o repetabilitate cuprinsa intre 0,5 ¸ 1 mm.

Un alt tip de sudare cu roboti industriali este o operatie de sudare cu arc in mediu de gaz protector, efectorul final fiind un cap de sudare. Acest cap de sudare consta dintr-o piesa tubulara care poate fi manipulata de robot conducand concentric electrodul in forma de sarma. In spatiul dintre electrod si tub se scurge gazul protector (CO2 sau un gaz inert).

Fig. Cap electric pentru sudarea cu arc in mediu de gaz protector

Sarma de adaos inainte cu ajutorul unui dispozitiv de avans montat pe robot, iar gazul protector este alimentat dintr-un recipient de tip butelie. Obiectul de lucru - subansamblul de sudat - este instalat intr-un dispozitiv de lucru, montat la randul sau pe un dispozitiv al IA/E - o masa de pozitionare-orientare, care aduce obiectul de lucru in pozitia cea mai favorabila in raport cu robotul (astfel ca suprafata topiturii sa fie orizontala).

Fig. Masa de pozitionare-orientare folosit in procesele robotizitate de sudare cu arc

Pozitionarea capului de sudare cu varful electrodului in axul rostului de sudare de catre robot, axa capului de sudare trebuie sa aiba o inclinatie fata de acesta, apoi sa il deplaseze in lungul rostului. Pentru umplerea cu metal topit a unui rost de sectiune mare,

of 62

robotul atribuie capului de sudare o miscare suplimentara de “tesere” in directia perpendiculara pe axa rostului. Operatia de sudare cu arc in mediu de gaz protector trebuie executata si impune pentru sistemul de comanda al robotului un program de traiectorie continua (CP).

Este necesar sa existe un post de curatare a capului de sudare in cadrul operatiei de sudare (pentru taierea capului electrodului, indepartarea prin frezare a stropilor de metal solidificat, improscarea cu lichid impotriva depunerii de stropi). Robotul avand doar miscari programabile, pregatirea de lacatuserie a subansamblului trebuie sa asigure o precizie superioara a pieselor care urmeaza a fi asamblate prin procesul de sudare.

Pentru a fi evitat costul suplimentar pentru o pregatire de lacatuserie de precizie mare, robotul care este folosit in procesele de sudare cu arc in mediu de gaz protector ii se ataseaza un senzor pentru gasirea capatului de rost (vizual/tactil) si cu senzor de rost (tactil prin arc – se ia in vedere ca la “tesere” variatia caderii de tensiune prin arc in functie de distanta pana la marginea rostului - cu fascicul laser, vizual).

Miscarea repetabila a robotilor folositi pentru operatia de sudare cu arc trebuie sa fie de 0,05 0,5 mm, prin folosirea senzorilor de rost reduce cerintele de exactitate de repetabilitate. Realizarea operatiei de lipire poate fi cu material metalic sau nemetali. Cand se foloseste material nemetalic in operatia de lipire, scula manipulata de robot cu cap de lipire tubular, foloseste la depunere un fluid vascos in partea de contact dintre componentele care urmeaza a fi lipite pe ansamble. Materialul vascos este impins dintr-un recipient aflat sub presiune care ajunge la capul de lipire.

Pentru operatia de lipire folosind material metalic, capul de lipire conduce un electrod de metal avand un avans determinat de procesul de lipire, topirea materialului metalic apare prin efectul Joule produs de curentul electric care il strabate, ori in contact cu un “ciocan de lipit” continut in cap, care se incalzeste tot electric.

Topirea metalului de pe electrod este plasat pe conturul sau in punctul unde trebuie sa se produca operatia de lipire. Comandarea robotului se face printr-un program de traiectorie continua folosit la executia operatiei de lipire. Repetabilitatea robotilor de lipire cu fluid vascos poate fi de 1 2 mm, iar a celor cu electrod metalic - utilizati spre exemplu in montajele electronice - de 0,01 0,05 mm.

3.3 Utilizarea plasmei non-termice, caracteristici si aplicatii

Studiile recente privind controlul proceselor ionizate a aerului, care folosesc dispozitive cu bariera de descarcari dielectrice pentru a genera plasma non-termica, au dus la aplicatii precum decontaminarile chimice si biologice ale aerului din mediile inchise. Acestea implica reduceri semnificative ale cantitatii de microbi din aer, neutralizarea mirosurilor si reduceri de compusi organici volatili. De asemenea, se intensifica procesul de inlaturare a unor particule foarte fine prin ionizarea aerului.

Procesul de ionizare a aerului implica formarea unor specii reactive din oxigen, cum ar fi superoxidul Oˉ2, anionul radicalului diatomic de oxigen, care reactioneaza rapid cu particulele foarte fine si compusii organici volatili. Astazi, comunitatea oamenilor de stiinta din domeniul plasmei acorda mare atentie realizarii de surse de plasma la presiune atmosferica, non-termica. Progresul in acest domeniu este foarte rapid.

Modurile de obtinere a descarcarilor la presiune atmosferica ce functioneaza in conditii de neechilibru sunt variate si exista o serie de dispozitive de descarcare folosite de diverse echipamente si roboti, care produc plasma non-termica la presiune atmosferica.

of 62

Interesul in acest domeniu este dictat de benificiul economic adus de numarul mare de tehnologii cate utilizeaza plasma non-termica.

Se anticipeaza ca multe din aceste tehnologii (de exemplu: depunerea de vapori chimici asistata de plasma, gravarea, polimerizarea, sinteza de faza de gaz, depunerile de acoperiri de protectie, descompunerea gazelor toxice si daunatoare, distrugerea agentilor bacteriologici de lupta, ecranarea undelor electromagnetice, modificarea suprafetelor polimerice, si altele), care folosesc plasma la presiune redusa, se pot pefectiona si extinde rapid pe piata. Datorita gamei largi de aplicatii si parametrii relevanti ai plasmelor sunt numerosi.

Se poate considera ca este de folos sa se incerce o clasificare a acestora pe domenii, pentru a inlesni selectarea adecvata a tehnicii dorite pentru o anumita aplicatie. Exista un interes tot mai mare pentru plasma la presiune atmosferica, fapt dovedit prin numarul mare de lucrari stiintifice publicate la diferite conferinte, congrese, simpoziona.

Clasificarea plasmelor

Cea mai utila clasificare a plasmelor la presiune atmosferica este cea dupa frecventa sursei utilizate pentru obtinerea acestora. Frecventa de excitare este un parametru foarte important, deoarece acesta influenteaza comportamentul electronilor si al ionilor. Sursele de plasma la presiune atmosferica pot fi astfel clasificate dupa modul de excitare in trei grupe: Plasme in curent continuu (CC) si joasa frecventa; Plasme de radiofrecventa; Plasme de microunde.

Clasificarea plasmelor dupa temperatura

In general, dupa temperatura, plasmele pot fi clasificate in doua mari grupe: Plasmele la temperatura inalta sau de fuziune; Plasmele la temperatura joasa sau descarcarile de gaz.

In tabelul din tabelul. 3.1 este prezentata o clasificare a diverselor tipuri de plasme. In cazul plasmei la temperatura inalta toate speciile chimice (electroni, ioni si specii neutre) se gasesc in starea de echilibru termic. Plasma la temperatura joasa este subdivizata in plasma termica, asa numita plasma in cvasiechilibru, care se gaseste intr-o stare de echilibru termic local (LTE) si plasma non-termica (NTP), denumita si plasma de non-echilibru sau plasma rece.

PLASMA STARE EXEMPLU

Plasma la temperaturainalta (plasma in echilibru)

Te≈Ti≈Tg’Tp=106-108K

ne≥1020m-3

PLASMA LA TEMPERATURA JOASA

Plasma termica (plasma in cvasi-echilibru)

Te≈Ti≈Tg’Tp≤2*104K

ne≥1020m-3

Plasma arc, plasma luminoasa, descarcari cuplate inductiv RF

of 62

Plasma non-termica (non- echilibru)

Te>>Ti≈Tg=300*103K

ne≈1010m-3

Incandescenta, coroana, APPJ, PBD, MHCD, OAUGDP, plasma in arc etc.

Tabelul. 3.1 Clasificarea plasmelor

Plasmele termice (TP) sunt caracterizate printr-un numar aproximativ constant de electroni, ioni si particule neutre. Dispozitivele pentru generarea plasmei termice utilizate in mod obisnuit sunt cele cu arc electric si dispozitivele cu microunde. Aceste surse produc un flux mare de caldura si sunt utilizate in principal in domenii cum sunt procesarea materialelor si tratamentul materialelor reziduale.

Temperatura inalta a TP poate procesa chiar si cele mai termorezistente reziduuri, inclusiv reziduuri municipale, reziduurile toxice, medicale, cu risc de pericol, industriale si nucleare, reducandu-le la forma de elemente cu efecte benefice asupra poluarii mediului. Pentru multe dintre aplicatiile tehnologice, temperatura inalta caracteristica TP-ului nu este nici necesara, nici dorita.

In aceste domenii de aplicatii sunt mult mai potrivite plasmele reci. In plasmele reci aproape toata energia electrica este transmisa in principal electronilor din componenta plasmei, energizandu-i, far a incalzi intregul gaz, in vreme ce ionii si componentele neutre din plasma raman la temperatura camerei. Intrucat ionii si componentele neutre raman relativ reci, aceasta caracteristica ofera posibilitatea utilizarii plasmelor reci pentru chimia plasmelor la temperatura joasa si pentru tratarea materialelor sensibile la caldura (precum polimerii si tesuturile biologice).

Caracteristicile remarcabile ale plasmei reci, precum: starea puternic instabila termodinamic, temperatura joasa a gazului si prezenta speciilor reactive chimic, dau posibilitatea utilizarii acestor surse de plasma rece intr-o serie de aplicatii.

Plasma este un gaz cvasineutru, este considerata a patra stare de agregare a materiei, si constituie mai mult de 99% din materia din univers. Este mai mult sau mai putin un gaz incarcat electric, cu un mediu reactiv care consta dintr-un numar mare de specii chimice diferite: electroni, ioni pozitivi si negativi, radicali liberi, atomiii de gaz si molecule in stare neutra sau excitata (fig. 3_).

Se poate gasi la diferite temperaturi si presiuni. Poate fi produsa la presiune mica sau la presiune atmosferica, transmitand energie unui mediu gazos prin numeroase metode, termice, radiante, nucleare sau aplicand inalta tensiune sau folosind unde electromagnetice si de asemenea prin combinarea acestor metode. Este asadar un mediu care combina particule si radiatii de diverse naturi, o sursa cu mare diversiune chimica, care nu se intalneste in alte stari de agregare ale materiei.

In paralel cu generarea de plasma au loc si pierderi de plasma. De fapt, toata energia se transforma in caldura, o mica parte fiind implicata in reactiile chimice de la suprafata.

Fig. 3.1 Constituentii plasmei

of 62

3.3.1 Tipuri de generatoare de plasma

Generatoare de plasma cu bariera dielectrica (PBD)

Configuratiile tipice ale electrozilor pentru PBD plana sau cilindrica sunt redate in fig. PBD este caracterizat prin prezenta unuia sau mai multor straturi izolatoare pe traseul curentului electric dintre electrozii metalici.

PBD nu poate functiona cu tensiune c.c. din cauza faptului ca, cuplajul capacitiv al dielectricului necesita un camp electric alternativ pentru a produce un curent. Configuratiile PBD necesita utilizarea prudenta a proprietatilor ce limiteaza curentul la barierele dielectrice, fapt care implica utilizarea anumitor surse de alimentare.

In momentul in care sarcinile se depoziteaza pe dielectric, acestea modifica campurile locale. Dupa prima descarcare, aceste sarcini influenteaza comportamentul PBD-ului. PBD poate functiona in curent alternativ sinusoidal sau in impulsuri patrate in domeniul microundelor. Pentru aplicatiile la scala industriala, se prefera sursele de energie cu frecventele intre 500 Hz si 500 kHz.

Fig. Configuratii tipice de electrozi in cazul generatoarelor cu plasma cu bariera dielectrica

Generatoare de plasma cu bariera rezistiva (GPBR)

Generatoarele GPBR folosesc configuratia de bariere de descarcare dielectrica PBD. In locul unui material dielectric insa este folosit un material cu rezistivitate mare pentru a acoperi cel putin unul dintre electrozi. Stratul de rezistivitate mare joaca rolul de balast si limiteaza descarcarile, astefel prevenind fenomenul de arc. In special, GPBR-ul este compus din doi electrozi plani, cel putin unul fiind acoperit de un strat din material cu rezistivitate mare.

Cei doi electrozi sunt la o distanta variabila (cu o dimensiune maxima de 5 cm) unde poate fi injectat un amestec de gaz. Intre electrozi se aplica o tensiune de ordinul 10-30 kV curent alternativ, 50 Hz. Puterea aplicata necesara pentru a genera si sustine o descarcare stabila este intre 50-300 W. Densitatea de putere este de obicei de 10-300 mWcm-3.

Plasma este de non-echilibru atunci cand temperatura speciilor neutre si ionilor este aproape de temperatura camerei in timp ce temperatura electrozilor este mult mai inalta (pana la 5 eV). Numarul particulelor incarcate este intre 1011-1012 particule/cm3. Avantajul barierei rezistive fata de bariera dielectrica consta in posibilitatea folosirii energiei de

of 62

curent continuu sau curent alternativ de joasa frecventa 60 Hz, pentru a produce descarcarea.

Folosind heliu la presiune atmosferica, se poate genera un volum mare de plasma rece difuza. In figura 3_a este prezentata fotografia unui generator cu plasma cu bariera rezistiva, iar in figura 3_b, este prezentata configuratia unui generator de plasma cu bariera rezistiva.

Fig. 3_ Generator de plasma cu bariera rezistiva

a) Fotografia unui generator cu plasma cu bariera rezistiva;b) Configuratia unui generator de plasma cu bariera rezistiva.

Generator de plasma tip jet (APPJ)

O alta sursa este jetul de plasma la presiune atmosferica (APPJ). Se aseamana cu plasma luminoasa, dar este o plasma non-termica, lucru demostrat de diferenta mica dentre temperatura initiala si finala. APPJ-ul produce o descarcare stabila, omogena si uniforma la presiune atmosferica folosind o sursa de energie RF la 13.56 MHz si o concentratie mare de heliu ca gaz de alimentare.Spre deosebire de descarcarea silentioasa, APPJ-ul nu foloseste nici un invelis dielectric pentru electrozi, dar nici nu prezinta filamente, fascicule sau efecte cu arc electric. Temperatura gazului in descarcare este intre 50 ºC si 300 ºC, astfel ca deterioararea materialelor poate fi usor evitata.

In figura 3_ este prezentata o schema a APPJ-ului care consta din doi electrozi concentrici prin care curge un amestec de heliu, oxigen si alte gaze. In acest montaj, electrodul intern este cuplat la frecventa radio 13,56 MHz la tensiune intre 100-250 V, cu electrodul extern impamantat. Aplicand semnalul RF se declanseaza descarcarea electrica si se intretine in gazul care curge intre un electrod cilindric impamantat extern si un electrod central si astfel se produce un curent fluent de specii chimice inalt reactive la inalta viteza.Electrozii centrali, cuplati la semnalul de radiofrecventa, accelereaza electronii liberi.

of 62

Fig. 3_ Schema jetului de plasma la presiune atmosferica

Aceasta tehnologie APPJ se poate utiliza si la materialele care pana acum se prelucrau numai in vid, precum: gravarea poliamidei, tungsten, tantal si dioxid de siliciu. De asemenea, se pot aplica pelicule de dioxid de siliciu, prin depunerea de vapori chimici in prezenta plasmei.

3.3.2 Aplicatii generale cu plasme

Generarea industriala a ozonului

Generatoarele de ozon folosesc tuburi de descarcare cilindrice, cu un diametru de aproximativ 20-50 mm si cu lungimi de 1-3 m. Tuburile de sticla din borosilicicat au fost pentru o lunga perioada de timp materiale dielectrice favorite. Au in interior tuburi de otel inoxidabil cu raza de 1mm, in care au loc descarcarile. Invelisurile metalice din interiorul tuburilor de sticla servesc drept electrozi.

Generatoarele de ozon moderne, performante folosesc dielectrici speciali cu geometrii imbunatatite pentru formarea ozonului. Generatoarele mari de ozon folosesc cateva sute de tuburi de descarcare in containere mari de otel pentru a obtine suprafata necesara a electrodului care sa asigure o productie buna de ozon.

Generatoarele de ozon sunt moderne, puternice si depind de performantele echipamentelor de alimentare. Acestea folosesc convertori de frecventa, controlati de tranzistor pentru a obtine curenti in impulsuri patrate, de frecventa medie.

In figura 3_ se prezinta schema unui echipament de generare a ozonului, care foloseste un generator de plasma cu bariera dielectrica.

Fig. 3_Reprezentarea schematica a unui echipament de generare a ozonului care foloseste un generator de plasma cu bariera dielectrica

of 62

Lampile UV si ecranele cu plasma

Lampile UV, surse cu emisie spontana in UV, pot folosi descarcarile in impulsuri sau c.c. longitudionale, descarcarile in impulsuri de preionizare cu efect transversal, descarcarile cu microunde sau PBD. Mai recent, s-au propus descarcarile luminoase si cele cu catod microgaurit pentru generarea emisiei UV.

Cand PBD functioneaza cu gaze rare sau amestec de gaze rare la presiune ridicata, fiecare microdescarcare se poate comporta ca o sursa intensa de radiatii UV sau UVV (ultraviolet de vid). In ultimul deceniu, au fost dezvoltate lampi UV puternice si eficiente. Pentru aplicatiile industriale la scara mare, bariera de descarcare dielectrica ce foloseste configuratie de descarcare simpla, reprezinta in prezent cea mai importanta tehnologie pentru lampile UV.

Principalul sau avantaj este simplitatea, lipsa electrozilor interni, eficienta ridicata la costuri reduse. Cele mai obisnuite sunt lampile inchise, cu diferite geometrii plase sau cilindrice (fig. 3_). Aplicatiile recente ale lampilor UV include: tratarea UV a polimerilor fotoreactivi, fotodepunerile pe suprafete mari sau depunerile de foite subtiri de metal sau semiconductor, sau de straturi izolatoare cu constanta dielectrica mica sau mare, oxidarea fotoasistata la temperatura scazuta a Si, SiGe si Ge, atacul cu acizi a polimerilor si microstructurarea suprafetelor polimerilor.

Aplicatiile investigate pana acum arata clar ca lampile UV de mare putere pot oferi o alternativa interesanta laserilor UV pentru procesarea industriala a materialelor la scara larga si la temperatura scazuta.

Fig. 3_ Configuratii de generator cu plasma cu bariera dielectrica, plane sau cilindrice, pentru lampile UV

Dimensiunile spatiului de descarcare sunt intre 0.1 mm si cativa mm. In multe cazuri se adauga un al treilea gaz (He, Ne) in amestecul gazos in care se va forma UV. Acest lucru faciliteaza arderea si ofera un control aditional asupra distributiei de energie a electronilor. Frecventele de functionare variaza intre 50 Hz si cativa GHz, tensiunea aplicata variaza intre cateva sute de V si cativa kV.

Lasere cu CO2 si descarcari silentioase

PBD-ul au de asemenea aplicatii in laserii CO2. Bazandu-se pe experienta lor ecu generatoare de ozon, N. Tabata si S. Yagi de la Mitsubishi Electrical Corporation au realizat un laser industrial de mare putere. Aceste laser cu CO2 SD (descarcare silentioasa), a devenit rapid cel mai de succes laser pentru procesarea materialelor, comercializat in Japonia.Electrozii plani, metalici, raciti cu apa, aflati la distanta de 50 mm, sunt acoperiti cu dielectric de sticla sau aluminiu. Un flux de gaz cu viteza mare (50-80 m/s) traverseaza spatiul de descarcare, racind si stabilizand descarcarea. Datatorita cantitatii mari de heliu din amestecul gazos din laser

of 62

(aproximativ 30%) si datorita presiunii scazute de functionare (6,4 kPa), descarcarea apare uniforma.Tipul de excitare Sursa Plasma Substrat Viteza de

gravuraObservatii

Joasa frecventa PBD He/O2 Materiale organice

0.2 µm min-1 Gravura nu este uniforma

Radio frecventa APPJ He/O2 Kapton 8 µm min-1 Procese chimice influentate de

speciile metastabile si de atomi de

oxigenHe/O2/CF4 SiO2 1.2 µm min-1

W 1 µm min-1

Ta 2 µm min-1

Arc cu plasma rece

He/CF4 Si 0.3 µm min-1 Intesitetatea emisiei F* (OES)

este legata de viteza de gravura a

SiTabelul 3_ Plasme la presiune atmosferica utilizate pentru gravura suprafetelor

Lucrand la 160 kHz, electronii nu au timp suficient sa actioneze asupra ionilor. In consecinta, descarcarea se comporta similar cu descarcarea cu captura de ioni. Se obtin radiatii infrarosii cu lungimea de unda de 10.6 µm si cu puterea utila de pana la 5 kW. Randamentul depaseste 10%. Principala aplicatie a acestui laser este sudarea si taierea diferitelor materiale.

Modificarea si tratarea suprafetelor

Se cunosc tratamentul cu plasma al suprafetelor polimerilor pentru a imbunatatii hidroscopicitatea, a inlesni tiparirea si aderenta. In multe publicatii acest proces este numit tratamentul corona. In realitate, ain marea majoritate a aplicatiilor este folosita o bariera dielectrica pentru a garanta functionarea stabila fara formare de arc.

Folii mari de plastic sunt tratate pe una sau ambele fete, prin plimbarea lor rapida prin PBD, mentinuta la o tensiune alternativa ridicata, aplicata intre electrozii varf si un cilindru acoperit cu un dielectric. Se folosesc de asemenea montajele cu electrozi varf sau tubulari acoperiti de un strat dielectric.

Folii cu grosimi de pana la 10 m sunt tratate la viteze de pana la 10 m/s. Aceasta aplicatie necesita puteri de descarcare de aproximativ 100 kW. Frecventele de functionare sunt intre 10 kHz si 50 kHz. Ca proces aditional, a fost investigata depunerea nor straturi izolatoare subtiri in PBD. Unii autori au folosit descarcarile luminoase omogene pentru acest scop.

S-a aratat ca prin folosirea barierei cu descarcare dielectrica pulsatorie proprietatile microdescarcatorilor pot fi imbunatatite astfel incat se poate modifica exceptional suprafata si invelisurile. Au fost realizate surse speciale de energie pentru a genera impulsuri rezultate dintr-un tratament uniform. Lucrand cu acetilena, s-au obtinut straturi fara polimeri izolatori cu proprietati similare poliacetilenei. De asemenea, s-au obtinut depuneri subtiri de oxid de siliciu la presiune atmosferica intr-o atmosfera de vapori de alcool propilic si silan.

of 62

Gravura suprafetelor

Gravura suprafetelor consta in inlaturarea de material de la suprafata esantionului tratat pentru a crea un relief. Tabelul 3_ prezinta cateva rezultate referitoare la gravura cu plasma la presiune atmosferica. Viteza de gravura depinde de mai multi parametri ai plasmei: compozitia amestecului gazos utilizat in mediul de lucru, de natura substratului, de conditiile de lucru (putere, debit de gaz, pozitia substratului).

Pentru a stabiliza descarcarea este utilizat heliul. Speciile metastabile in fenomenele de excitare, ionizare si disociere.

Acoperirea suprafetelor

Depunerile functionalizeaza numai suprafetele materialelor (bariera chimica, rezistenta la coroziune, conductivitate electrica), in timp ce proprietatile intriseci ale volumului materialului (in special cele mecanice) raman nemodificate.Au fost realizate doua procedeuri de depunere in plasma la presiune atmosferica: Pulverizarea in plasma de aer (APS); Depuneri chimice in vapori, asistate de plasma (PECVD).

Depuneri prin metoda APS

Materialul pentru depunere este injectat in jetul de plasma sub forma de pulbere fina in suspensie in gazul transportor, unde particulele de pulbere sunt accelerate in incalzite. Particulele in stare topita lovesc suprafata substratului pe care sunt imprastiate si se racesc brusc.

In timpul solidificarii rapide, pot fi create faze metastabile. Depunerea are loc in staturi subtiri. Structura sa este lamelar, cu porozitati care poate atinge 30% din suprafata. Grosimea sa variaza de la 50 µm la cativa milimetri. Deoarece jetul de plasma atinge temperaturi de 15000 K, pot fi depuse multe materiale (metale, ceramica, ciment), daca acestea ajung sa se topeasca.

Diferentele intre temperaturile de topire si cele de descompunere sau de evaporare trebuie sa fie mai mari de 300 K. Dispozitivele in curent continuu si cele bazate pe cuplaj inductiv sunt cele mai utilizate pentru acest proces. Procedeul de depunere prin pulverizare in plasma de aer (APS) a fost utilizat in industrie de multi ani. In tabelul 3_ sunt date exemple de dispozitive de acoperire APS si proprietatile pe care aceste le confera materialelor tratate.

Depuneri prin metoda PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)

Precursorii depunerilor prin PECVD sunt gaze (sau lichide trnsportate de gaze). Plasma (calda sau rece) este utilizate ca un mediu reactiv chimic pentru a activa suprafata substratului. Speciile reactive sunt transportate pe suprafata substratului unde vor fi absorbite, vor reactiona cu substratul si vor forma produsi de reactie.

Pot exista doua configuratii PECVD: directa si la distanta. In configuratia directa, gazul genereaza plasma si precursorii sunt injectati in descarcare. Acest mod asigura descompunerea comleta a precursorilor. In configuratia la distanta, doar gazul este injecta in descarcare. Procursorul este introdus inainte de descarcare, unde mai exista doar speciile cu timp de viata lung. Aceasta configuratie permite un control mai bun al reactiei, doarece exista putine specii reactive. Precursorul este partial descompus, acest lucru permite adsorbtia unor fragmente de molecule mari la suprafata substratului. Modul de lucru

of 62

(descarcarea si postdescarcarea) influenteaza puternic natura si deci proprietatile depunerii. Mai mult, in configuratia la distanta, substratul este pozitionat departe de descarcare, intr-o zona de joasa temperatura: este posibila depunerea de polimeri.

Material de depunere

Functii Exemple de aplicatii

Zn, Al Rezistenta la coroziune umeda

Conducte de apa sau gaz (petrochimie)

sau structura metalice (poduri)

Protectie electromagnetica pentru echipamente electronice

Computere

Al2O3 Izolare electrica Ozonificator, inductoare pentru

cuptoareCoCrAlY Rezistenta la coroziune

uscataAeronautica (turbine de gaz), energetica

nucleataZn, Sn, Cu Conductivitate electrica Conectori

Al2O3hydroxyapatite Biocompatibilitate Aplicatii biomedicale: tesuturi artificiale, implanturi

ZrO2-Y2O3 Bariera termica Injector de combustibil pentru

turbine, ajutaj evacuare pentru

racheteCr3O3

ZrO2-NiCrAlYRezistenta la deteriorare Mecanica, aplicatii

militare, metalurgie, industria hartiei

Tabelul 3_ Exemple de depuneri APS

3.4 Tehnologia PEF – aspecte generale

Tehnologia in camp electric in impulsuri (PEF) este o tehnologie non-termica de conservare a alimentelor, bazata pe utilizarea campului electric in impulsuri, pentru a inactiva microorganismele patogene din alimente si pentru a controla continutul de microorganisme patogene din produsele supuse tratamentului.

Procesarea in camp electric in impulsuri implica o descarcare brusca a unui condesator incarcat pentru a genera un impuls de inalta tensiune. Impulsul obtinut este transmis probei, respectiv alimentului supus tratamentului prin intermediul unor electrozi. Configuratia electrozilor determina configuratia campului electric.

In cazul in care electrozii sunt in contact direct cu alimentul supus tratamentului, alegerea materialului din care sunt confectionati acesti electrozi este de o importanta majoira. Parametrii de proces include intensitatea campului electric, forma impulsurilor,

of 62

durata impulsului, numarul de impulsuri si frecventa de repetitie, energia specifica de intrare, incalzirea produsului, distributia temperaturii in interiorul produsului.

In multe cazuri nu se pot face diferente evidente intre unele efecte electrochimice si efectele termice locale. Electroconductivitatea produselor supuse tratamentului influenteaza distributia campului electric, din cauza gazelor dizolvate in produs sau din cauza compozitiei si consistentei acestuia.

Unitatea de tratare

Schema de principiu a unei unitati de tratare PEF este data in fig. 3_. O unitate de procesare PEF a alimentelor este compusa dintr-un generator de impulsuri de inalta tensiune, camera de tratare, sistemul de manipulare a lichidelor, precum si dispozitive de control si monitorizare.

Fig. 3_ Diagrama unui sistem de aplicare a tehnologiei PEF

Camera de tratare

Camera de tratare PEF este un element cheie in aceasta tehnologie. Camera de tratare contine doi electrozi dintr-un material conductor (de exemplu: otel inoxidabil, aur, platina sau polimeri conductori, montati pe un suport electroizolant realizat din material cu rigiditate dielectrica mare si rezistenta electrica de suprafata mare).

In fig. 3_ sunt prezentate o serie de modele de camere de tratament PEF, construite de diversi autori pentru diverse aplicatii. Prin camera, in functie de constructia ei si in functie de impulsul electric aplicat, pot trece curenti ce pot varia de la 10 A pana la 10 kA. Camerele, prin constructia lor sunt destinate pentru functionare in regim discontinuu sau continuu.

Camerele cu tratament continuu snt adecvate proceselor industriale pentru tratarea de produse lichide sau semilichide (fig. 3_). Constructia camerei determina si caracteristicile impulsului aplicat. Rezistenta electrica intrinseca a camerei de tratament defineste latimea impulsului, amplitudinea maxima a impulsului de tensiune aplicat si puterea transmisa produsului tratat.

Rezistenta electrica totala (RT), care include rezistenta camerei de tratament RC,

rezistenta liniei de transmitere a impulsului (RL) rezistenta comutatorului (RS) si alte rezistente in serie pe circuit, in combinatie cu capacitatea condesatorului de incarcare definesc latimea impulsului in conformitate cu ecuatia (3_):

of 62

T=RC

T-constanta de timp ce corespunde timpului necesar unui impuls exponential dat sa scada cu 37% fata de valoarea maxima a impulsului;R-rezistenta electrica;C-capacitatea condesatorului care se descarca pentru a genera impulsuri.

Fig. 3_ Cameta de tratare PEF

a) Camera cu electrozi plani pentru regim discontinuu: 1 – electrozi; 2 – material electroizolant; 3 – canal de intrare si de iesire material; 4 – regiunea de tratament;b) Camera pentru tratare in regim de functionare continua: 1, 5 - intrare material netratat; 2, 8 – electrozi; 3 – impuls electric; 4 – izolator separator; 5 – iesire material tratat; 6 – camera pe unde circula materialul de tratat; 9 – intrare material fluid; 10 – iesire material fluid;c) Camera de tratament cu bariera dielectrica: 1 – electrod la inalta presiune; 2 – bariera dielectrica; 3 – camera de tratare; 4 – electrod la masa; d) Camera de tratare cilindrica: 1 – bariera dielectrica; 2 – electrozi de masa; 3 – electrod la tensiune inalta.

Rezistenta camerei de tratare este data de expresia:

RCh=d/σA (3_)

d-este distanta dintre electrozi; A-suprafata efectiva a electrodului; σ-conductivitatea electrica a produsului tratat.

of 62

Fig. 3_ Schema simplificata a unui sistem de aplicare a tehnologiei PEF

Rezistenta totala a circuitului folosind schema din fig. 3_ este data de expresia:

RT=RS+Rt+RCh (3_)

Curentul prin camera de tratament este dat de expresia:

I=U/RT (3_)

Camerele de tratament (cu tensiuni mari si debite mari) ofera de cele mai bune conditii in ce priveste consumul de energie si incalzire a produsului. Rezistenta electrica mare, se obtine prin: Cresterea distantei intre electrozi; Reducerea intesitatii campului electric; Reducerea eficientei tratamentului; Reducerea ariei electrodului; Reducerea dimensiunilor produsului tratat; Reducerea electroconductivitatii produsului.

Camerele plana si coaxiale au rezistente electrice intre 3 si 30 Ω, in timp ce camerele cu intesificatoare de camp electric pot avea rezistente cuprinse intre 30 si 300 Ω. Un alt parametru important este unformitatea campului electric in interiorul camerei. La camerele plane si cilindrice campul electric in partea centrala este uniform. Marginile acestor camere, pentru a inlatura cresterea intensitatii campurilor electrice sunt rotunjite dupa profilul Rogowski.

3.4.1 Factori determinanti in tehnologia PEF

Eficacitatea tehnologiei PEF in procesul de inactivare microbiana, depinde de mai multi factori: Factori de ordin tehnic; Intesitatea campului electric; Durata tratamentului.

of 62

Factorii de ordin tehnic sunt de natura intrinseca si pot fi modificati in limitele impuse de constructia echipamentului si de procesul tehnologic dorit.

Intesitatea campului electric – in tehnologia PEF intensitatea campului electric a fost identificata ca factorul relevant in procesul de inactivare microbiana. S-a demonstrat ca efectul perturbator asupra membranei celulare depinde numai de intensitatea campului electric si de timpul total de tratament.

S-a mai observat ca incalzirea locala, lucrul electrochimic, densitatea de curent si energia de alimentare, nu au jucat nici un rol in acest proces de electroporare. Studiile ulterioare au aratat ca intensitatea campului electric trebuie sa atinga un nivel critic pentru a crea un efect asupra starii celulelor microbiene, iar campul electric, care depaseste aceasta valoare, are un efect real in activarea microbiana.

Intesitatea campului electric critic corespunde unui camp electric extern a carui intensitate este capabila sa produca un potential transmebranar de aproximativ IV, care este potentialul de strapungere al membranei. In practica se mentine intesitatea campului electric la valori mici, pastrand eficacitatea optima a procesului, pentru a nu duce la strapungerea dielectrica a lichidului si la reactii nedorite.

In tabelul 3_ se prezinta influenta intensitatii campului electric asupra parametrilor tehnologiei PEF in cazul sucului de portocale.

Parametrii 0 kV/cm 20 kV/cm 25 kV/cm 30 kV/cm 35 kV/cmDebit [1/h] 98 98 98 98 98

Presiune [psi] 42,0±2.4 40,5±2,1 43,3±3,3 45,3±1,5 42,0±1,2

Durata impulsului [µs]

0 1,4 1,4 1,4 1,4

Frecventa de repetitie

[impuls/s]

0 600 600 600 600

Timpul total de tratament [µs]

0 59 59 59 59

Temperatura de intrare inate de PEF [0C]

18,1±5,6 18,3±5,6 18,5±5,5 20,8±5,4 25,1±4,7

Temperatura de iesire PEF [0C]

15,9±1,2 25,5±1,9 33,6±2,6 46,4±2,8 60,1±1,8

Temperatura de iesire [0C]

18,5±2,0 21,1±0,4 23,2±0,6 27,6±0,9 30,6±0,6

Tabel 3_ Parametrii PEF si temperatura ain timpul procesarii PEF pentru o durata totala de 59 ms

of 62

Fig. 3_ prezinta dependenta intensitatii campului electric asupra inactivarii microorganismelor din sucul de portocale, prin aplicarea tehnologiei PEF.

Fig. 3_ Efectul intensitatii campului electric asupra APC-concentratia bacteriana creste in prezenta oxigenului in sucul de portocale, pentru un timp total de tratament de 59 µs si la

depozitarea la 4 0C, Z indica numarul de zile de stocare la 4 0C

Durata tratamentului – tratamentul PEF este aplicat sub forma de impulsuri scurte pentru a evita incalzirea produsului tratat sau reactii electrolitice nedorite. Latimea impulsului inmultita cu numarul total de impulsuri defineste timpul total de tratare. Latimea impulsului este strict legat de eficienta tratamentului in perforarea membranelor.

S-a constat ca aplicarea unui impuls cu o durata intre 1 si 5 µs conduce la cele mai bune rezultate in ceea ce priveste inactivarea microbiana. Dupa aplicarea impulsului este necesar un timp aproximativ 10 ns pentru a se stabili potentialul transmembran. Dupa electroporare, este necesar sa se creasca intensitatea campului electric extern peste pragul critic, pe o perioada de 1-5 µs, pentru a continua expansiunea porilor pana la un diametru critic, astfel incat celulele bacteriene sa nu mai aiba posibilitatea de a se reface si in acest mod sa creasca eficienta tratamentului.

S-a mai stabilit ca durata tratamentului este direct proportionala cu eficienta de inactivare, iar aplicarea impulsurilor repetitive poate duce strapungerea electrica si ca urmare la inactivarea bacteriei.

In fig 3_ se prezinta evolutia porilor in membrana microbiana in functie de timpul de tratare cu pulsuri de unda patrate, cu diferite durate.

of 62

Fig. 3_ Distributia populatiei de pori in cazul unor impulsuri de forma patrata bipolare, 2,27 V, aplicate membranelor. Nu apar rupturi, populatia de pori se mareste atat in

portiunea negativa, cat si in cea pozitiva a impulsului; a) graficele n(r,t) pentru t=0,398-2,52 µs. Populatia se extinde rapid si incepe colpsul la t=1,0:s; b) pentru t=3,98-54 µs

Dupa aplicarea unor impulsuri de diferite forme pe durate de timp intre 0,396 µs si 54 µs s-a stabilit ca populatia microbiana are o distributie dupa dimensiunile porilor de tip gaussian. La momentul initial sunt foarte putini pori aproximatic 6. Numarul de pori se mareste dupa aplicarea impulsurilor cu durate de t=0,396 µs pana la 2,512 µs, iar dimensiunile acestora cresc la 1 nm pana la aprximativ 7 nm.

La impulsuri cu durate peste 0,4 µs se obtin pori cu dimensiuni foarte mici, cel mult pana la 1,6 nm. In tabelele 3_ si 3_ este prezentat efectul duratei de tratament asupra reducerii microorganismelor in sucul de portocale proaspat si vechi.

Nr. impulsuri/ml Camp electric [kV/cm]

Nr. PCA (log[CFU/ml])

Nr. (log[CFU/ml]) pe PDA

0 N/A 5,88 5,2530 46,7 4,49 4,1560 46,7 4,16 3,81120 46,7 3,77 3,60

Tab. 3_ Influenta numarului de impulsuri asupra microorganismelor in sucul proaspat de portocale la 23 0C dupa tratament PEF

Nr. impulsuri/ml Camp electric [kV/cm]

Nr. PCA (log[CFU/ml])

Nr. (log[CFU/ml]) pe PDA

0 N/A 7,91 7,0130 46,7 6,60 5,3160 46,7 6,37 5,70120 46,7 5,93 4,94

Tab. 3_ Efectul numarului de impulsuri asupra reducerii microorganismelor in sucul vechi de portocale la 23 0C dupa tratament PEF

of 62

S-a tratat PEF si s-a analizat sucul de portocale atat proaspat, cat si cel vechi si s-au numarat unitatile formatoare de colonii per mililitru de suc (CFU). In continuare s-au folosit placile standard de insamantare in agar (PCA) pentru a stabili viabilitatea bacteriana si in agar cu dextroza de cartof (PDA) pentru a numara celulele fungice.

Tabelul 3_(suc proaspat) prezinta rezultatele testelor pentru sucul de portocale proaspat stoarse, obtinute in urma aplicarii unui numar intre 0 si 120 de impulsuri de 46,7 kV/cm, la temperatura camerei. In tab. 3_(suc vechi) sunt prezentate datele obtinute in urma unui test similar realizat pe suc de portocale vechi.

Concentratiile microbiene initiale sunt respectiv 5,88 si 7,91 CFU/ml pentru probele proaspat stoarse si vechi. Indiferent de varsta sucului de portocale a fost posibila obtinerea unei reduceri de numai 2-3 cicluri microbiene in conditiile de testare de mai sus. Energia de alimentare corespunzatoare acestui experiment a fost de aproximativ 200 J/ml.

S-au obtinut insa o reducere de aproape 6 cicluri atunci cand s-a folosit o energie redusa de 30 J/ml, in conditiile contaminarii sucului cu Saccharomyces cerevisae. Din rezulatatele testelor este evident ca este dificila inactivarea microorganismelor folosind numai PEF in sucurile contaminate natural, folosind campurile electrice de mai sus.

3.4.2 Aplicatii industriale ala tehnologiei PEF

In tab. 3_ sunt prezentate echipamente industriale de tratare PEF si caracteristicile acestora.

Tipul echipamentului Caracteristici tehnice FurnizorSistem PEF industrial “NEMA-4” Sistem monopolar:

- 150 kW putere medie;- cu extindere pana la 500 kW;

- impulsuri: 40 kV, 500 A valoare de varf

Capacitate:- ape reziduale...10 kl/h;

- sucuri ...1-5 kl/h

Diversified Tehnologies Inc.

Sistem PEF comercial 100 kW DC sursa de alimentare 40 kV, 300 A modulator de

impuls 1 kHz Max PRF


Camera de tratament 0,5 cm zona de tratament;1 cm zona de tratament;

2 zone pe camera


Sistem PEF de laborator - 3 kW DC sursa de alimentare;- 20 kV, 50 A modulator de

impuls;- 1 kHz Max PRF


Modulator impuls - 20 kV, 50 A, 1 kHz, 1÷10 µs latimea impulsului


Sursa de alimentare - 20 kV, 3 kW C.C Diversified Tehnologies Inc.Fig. 3_ Echipamente PEF industriale

of 62

Aplicarea tehnologiei PEF in conservarea alimentelor

Pana azi, PEF a fost aplicat in principal pentru conservarea calitatii alimentelor, cum ar fi imbunatatirea duratei de pastrare a painii, a laptelui, a sucului de portocale si a sucului de mere, precum si pentru controlul fermentatiei drojdiei de bere.

Procesarea sucului de mere

Simpson stabilit ca sucul de mere concetrat, tratat cu PEF la 50 kV/cm, 10 impulsuri, cu latimea de 2 µs si la temperatura maxima de procesare de 45 0C, s-a pastrat timp de 28 de zile comparativ cu sucul de mere proaspat care s-a pastrat numai 21 de zile.

Nu au fost modificari fizice sau chimice ale continutului de acid ascorbic sau de glucide in sucul de mere tratat cu PEF, iar proprietatile senzoriale au suferit modificari nesemnificative fata de sucul de mere netrat. Vega Mercado a aratat cu PEF a marit durata de pastrare la 22÷25 0C a sucului de mere concetrat si a sucului de mere proaspat la peste 56 de zile, respective 32 de zile. Aparent nu au existat modificari ale proprietatilor fizico-chimice si senzoriale ale sucului de mere.

Procesarea sucului de portocale

Zhang a evaluat durata de pastrare a unui suc de portocale tratat anterior intr-un sistem PEF pilot industrial. Acest sistem PEF consta dintr-o serie de camere de tratare. Temperatura a fost mentinuta la temperatura camerei cu dispozitive de racire situate intre camere. Au fost folosite trei tipuri de forme pentru impulsuri pentru a compara eficienta procesului.

Rezultatele au confirmat faptul ca forma patrata este cea mai eficienta pentru tratarea PEF. In plus, autorii au raportat ca numarul total de microorganisme aerobe s-a redus de 3-4 cicluri logaritmice, sub 32 kV/cm.

In cazul pastrarii la 4 0C, atat sucul tratat prin incalzire, cat si sucul tratat cu PEF s-au pastrat mai mult de 5 luni. Dupa procesare, pierderile de vitamina C au fost mici, iar culoarea s-a pastrat mai bine in cazul sucului tratat cu PEF comparativ cu sucul tratat prin incalzire, timp de 90 de zile (temperatura de pastrare a fost intre 4 0C si 22 0C) sau 15 zile (temperatura de pastrare de 37 0C).

Procesarea laptelui

Dunn si Pearlman au realizat un test de tratare pe lapte omogenizat, inoculat cu Salmonella Dublin a tratat cu 40 de impulsuri de 36,7 V/cm si pe o perioada de timp de 25 de min. Salmonella Dublin nu a fost detectata in urma tratamentului cu PEF dupa 8 zile de pastrare la 7-9 0C. Aparitia naturala a populatiilor bacteriene in lapte a crescut la 107

CFU/ml. Alte studii arata ca aroma se degradeaza putin si ca nu se schimba proprietatile chimice sau fizice ale laptelui destinat obtinerii branzei.

Apos s-a folosit Escherichia coli drept bacterie de testare. Imediat in urma tratamentului s-a obtinut o reducere de 3 cicluri logaritmice la aceasta populatie de bacterii. Fernandez –Molina a studiat durata de pastrare a laptelui brut degresat, tratat cu 30 de impulsuri PEF la 40 kV/cm, pe o durata de 2 µs, utilizand impulsuri atenuate exponential.

Durata de pastrare a laptelui a fost de 2 saptamani la 4 0C. Tratamentul realizat pe lapte brut, degresat la 80 0C timp de 6s, urmat de tratamentul PEF cu 30 de impulsuri la 30 kV/cm, pe o durata de 2 µs, a condus la cresterea duratei de pastrare a laptelui pana la 22 de zile, cu un numar total de microorganisme de 3,6 CFU/ml si fara bacterii coliforme.

of 62

Calderon-Miranda a studiat inactivarea prin PEF a bacteriei Listeria innocua in suspensie in lapte degresat si apoi sensibilizat cu nizina. Populatia microbiana de Listeria innocua s-a redus cu 2,5 cicluri logaritmice dupa tratamentul cu PEF la 30, 40 sau 50 kV/cm. Aceleasi intesitati ale PEF urmate de expunerea la 10 UI nizina/ml au dus la reducerea cu 2, 2,7 sau 3 cicluri logaritmice pentru bacteria L. Innocua.

Se pare ca exista un efect suplimentar de inactivare ca urmare a expunerii la nizina dupa tratamentul cu PEF. Reina a studiat inactivarea prin PEF a bacteriei Listeria monocytogenes Scott A in laptele pasteurizat gras, cu 2% grasime sau degresat. Listeria monocytogenes s-a redus cu 1 pana la 3 cicluri logaritmice la 25 0C si cu 4 cicluri logaritmice la 50 0C, fara diferente semnificative intre calitatile celor treo tipuri de lapte.

Efectul letal al PEF a depins de intensitatea campului electric aplicat si de timpul de tratare.

Procesarea oualelor

Produsele din oua au fost studiate de Dunn si Pearlman intr-o camera de tratare cu doi electrozi paraleli, distanti la 2 cm, utilizand 25 de impulsuri atenuate exponential cu o tensiune de varf in jur de 36 kV. Testele au fost efectuate pe oua lichide, produse pasteurizate din oua lichide si pe produse din oua cu adaosuri de sorbat de potasiu si acid citric, drept conservanti.

S-au comparat produsele din oua pasteurizate in mod obisnuit cu cele cu si fara adaosuri de conservanti alimentari (ouale au fost pastrate la temperaturile de 4 0C sau 10 0C). S-a dovedit eficacitatea procesarii PEF in cazul depozitarii la temperaturi scazute. Astfel produsele din oua pastrate la temperaturile de 4 0C sau 10 0C au prezentat valoarea de 2,7 CFU/ml timp de 10 respectiv 4 zile, fata de cateva ore in cazul probelor pasteurizate prin incalzire.

Alte studii asupra oualelor lichide intregi tratate cu PEF, efectuate de Qin au aratat ca tratamentul cu PEF a dus la scaderea vascozitatii si la intensitatea culorii (concentrarea β-carotenului) la ouale lichide intregi, comparativ cu ouale proaspete. La evaluarea senzoriala cu Qin nu s-au descoperit diferente intre omleta preparata din oua proaspete si cea din oua tratate cu pulsuri de curent electric.

Comerciala a fost preparata omleta tratata cu pulsuri de curent electric. Pe langa culoarea oualelor, s-a evaluat densitatea oualelor lichide intregi proaspete si a celor tratate cu PEF (indicator al capacitatii de spumare a proteinelor din oua). Procesul utilizat nu a produs nici o diferenta in densitatea sau culoarea oualelor tratate cu PEF sau a celor proaspete intregi. Consistenta pandispanului preparat cu oua tratate a fost mai mare decat a celui realizat cu oua netratate.

Aceasta diferenta a fost atribuita volumului mai mic obtinut dupa coacere, in cazul oualelor tratate cu PEF. Analizele statistice sernzoriale nu au aratat nici o diferenta intre pandispanul preparat cu oua tratate cu PEF fata de cel preparat cu oua proaspete.

Procesarea supei din mazare verde

Verga-Mercado a expus supa de mazare, in 2 etape, la 16 impulsuri de 35 kV/cm pentru a preveni cresterea temperaturii peste 55 0C in timpul tratamentului. Durata de pastrare a supei de mazare tratata cu PEF si depozitata la temperatura de refrigerare a depasit 4 saptamani. Temperaturile de 22 0C sau 32 0C au fost insa improprii pentru depozitarea produsului.

of 62

Nu s-au observat modificari evidente ale proprietatilor fizice, chimice sau senzoriale ale supei de mazare, imediat dupa tratarea cu PEF sau in timpul celor 4 saptamani de depozitare la temperatura de refrigerare.

3.5 Detectia magnetica si localizarea defectelor in conductele feromagnetice, prin metode inteligente - aspecte generale

Metoda NDE (control nedistructiv inteligent) pe baza MFL (camp magnetic de scapari) se foloseste pe scara larga pentru inspectarea conductelor contruite din material feromagnetic. Metoda cuprind doua etape: obiectul de testat este initial magentizat, prin trecerea directa a curentului sau cu ajutorul unui camp magnetic creat de magneti permanenti.

In cazul existentei unor defecte la suprafata, o parte din fluxul magnetic “scapa” in regiunea din jurul conductei, formand un camp magnetic de scapari. In etapa a doua fluxul magnetic de scapari este masurat cu un senzor sensibil de flux. Semnalul generat de senzor contine numai indicatii despre prezenta defectului si despre tipul defectului.

Metoda MFL este utilizata pentru controlul nedistructiv al conductelor ingropate. Conductele de transport gaz, petrol si alte fluide sunt testate prin aceasta tehnica, sistemul de inspectie se numeste “PIG”. PIG-ul este impins de presiunea fluidului, se misca pe traseul conductei, cautand defecte in materialul acesteia. Un magnet permanent realizeaza magnetizarea peretelui conductei, iar o retea de senzori Hall plasati pe circumferinta detecteaza campul magnetic de scapari.

PIG-ul are si un sistem de achizitie a datelor, construit pe baza unui microprocesor, care contine convertoare analog/digital si dispozitive de stocare a datelor. La terminarea operatiei de trecere a PIG-ului prin conducta datele sunt recuperate si analizate. Senzorii cu efect Hall, ce masoara campul pe scapari la suprafata interioara a peretelui conductei, pot fi orientati sa masoare componentele axiala sau radiala ale inductiei magnetice.

Pentru conducte sunt importante marimea si locul diferitelor defectiuni, care pot afecta integritatea conductei si functionarea ei. Aceste defecte pot fi: coroziunile, deformarile, tensiunile interne, crapaturile fine, crestaturile/striurile, indoiturile, exfolierile si sudurile defecte. Defectele de natura mecanica duc scoaterea din uz a conductelor de transport al gazelor naturale.

Fortele de natura mecanica, ca de exemplu cele produse prin circulatia echipamentelor grele, pot duce la pierderea formei cilindrice a conductei, la indepartarea unei cantitati din metal sau din stratul de protectie sau de aparitia unor crestaturi, putand aparea si deformari la rece ale otelului. Aceste deformari la rece pot duce la modificari locale ale microstructurii si ale proprietatilor mecanice ale otelului.

Aceste defecte pot fi uneori nepericuloase, totusi se poate ajunge si la scoaterea din functiune a conductei. Deoarece controlul real, prin trecerea PIG-urilor prin conducta, se face o data la cativa ani, se detecteaza numai defecte ce ar putea duce ulterior la scoaterea din uz a conductei. Un astfel de sistem de control al conductelor poate face atat detectarea, cat si caracterizarea defectelor de natura mecanica, mentinandu-se astfel infrastructura conductei in stare de siguranta si fiabilitate.

In acest capitol se prezinta posibilitatea utilizarii controlului cu camp magnetic de scapari (MFL), pentru detectarea defectelor de natura mecanica. Tehnica MFL este foarte folosita in controlul cu flux continuu pentru detectarea si caracterizarea defectelor prin coroziune, din conductele pentru gaze naturale, petrol si alte fluide. Pentru determinarea performantelor de detectare prin metoda MFL, se definesc parametrii care trebuie masurati, legati de gradul de severitate al defectului.

of 62

Literatura de specialitate arata ca exista trei componente de baza ale defectului. Cea mai mare parte a defectelor de natura mecanica sunt o combinatie a acestor trei componente primare:

Incretire simpla; o deformare sau o adancitura localizata la suprafata cilindrica a conductelor, avand drept cauza o forta aplicata din exterior, fara indepartarea metalului. O incretitura simpla are ca urmare o deformare la rece o zonei si aparitia de tensiuni si deformari permanente.

Scobitura simpla; o deformare a metalului sub actiunei unei forte externe, intr-o zona localizata pe suprafata unei conducte, avand drept urmare subtierea peretelui si deformarea la rece a peretelui conductei. Formarea scobiturii expune materialul conductei la fisurari sau la alte deteriorari. O scobitura simpla presupune: metal indepartat, zone deformate la rece, tensiuni remanente, fara indepartarea materialului.

Defect format prin indepartarea metalului: apare prin indepartarea metalului de pe suprafata conductei sub actiunea unei forte exterioare.

Gaurile in conducte sunt combinatii ale acestor trei defecte de baza, care apar in acelasi punct de pe conducta, perforand peretele si care duc la compromiterea conductei. Fiecare din aceste defecte primare constau dintr-o deformare de natura geometrica si, posibil, o prelucrare la rece a materialului. Din nefericire, singura deformare de natura geometrica nu poate determina gradul de severitate a defectului; este necesara si informatia data de prelucrarea la rece.

Desi exista utilaje de control in flux continuu, care pot sa masoare unele deformari geometrice asociate cu defectele de natura mecanica (cum ar fi determinarea marimii unei incretituri cu ajutorul unui dispozitiv de calibrare sau determinarea cantitatii de metal dislocat, cu ajutorul unor utilaje MFL moderne), nu exista utilaje de control proiectate special pentru detectarea si evaluarea zonelor deformate la rece.

Un utilaj MFL bun pentru defectele de natura mecanica trebuie sa gaseasca acele defecte care pericliteaza integritatea conductei. Utilajul mai trebuie sa evalueze pe termin lung integritatea si capacitatea conductei de a rezista la defectiuni. Dintre aceste defecte cele mai severe sunt in general combinatii de incretituri si scobituri.

Mai multi factori pot influenta semnalul MFL, provocat de un defect de natura mecanica. In zona incretiturilor, orientarea si pozitia relativa a senzorilor in raport cu conducta se modifica rapid, facand dificila interpretarea semnalului. Materialul conductei si nivelul de magnetizare influenteaza asupra semnalului MFL dat de defect. De aceea se considera ca metoda de control cu PIG-ul a conductelor nu este extrem de precisa in evaluarea defectelor.

3.5.1 Structura PIG – configuratia echipamentului

Prototipul de echipamentu pentru conductele cu diametre de 16 toli

In acest caz a fost aleasa o metoda speciala pentru campul magnetic de scapari, ce foloseste o tehnologie de control in flux continuu, pentru detectarea defectelor in care lipseste material din conductele de transport al gazelor.

Dispozitivele pe baza MFL sunt unitati complet autonome ce contin magneti, senzori, sistem de prelucrare si inregistrare a datelor si sistem de alimentare cu energie. Majoritatea dispozitivelor utilizate in controlul pe baza de camp magnetic de scapari au in compunere:

of 62

Cupe de conducere care sunt folosite pentru a propulsa dispozitivul pe traseu. Diferenta de presiune actioneaza asupra cupelor de conducere, propulsand dispozitivul de-a lungul conductei;

Un sistem de alimentare cu energie cu baterii, necesar pentru functionarea senzorilor si a sistemelor de prelucrare si inregistrare a datelor;

Un sistem de magnetizare a conductei; Un sistem de senzori folositi pentru a masura semnalele date de campul de scapari; Un sistem de prelucrare si inregistrare a datelor, care amplifica, selecteaza si stocheaza

semnalele masurate.

Prototipul ce foloseste tehnologia de control MFL cuprinde (conform fig. 3_): modulul de propulsie, cu baterii, modulele de magnetizare dotate si cu senzori (2 buc.) si modulul electric.

Fig. 3_ Echipament pentru diametrul de 16” destinat controlului conductelor de transport gaze naturale, cuprinde:

(1) modul de propulsie, cu baterii; (2) modulul de magnetizare dotat si cu senzori; (3) modulul electronic; (4) conducta de gaz.

Toate modulele, cu exceptia celor de magnetizare dotat si cu senzori, au incinte rezistente la presiune, ce protejeaza componentele electronice, putand functiona in orice mediu exterior. Vasele de presiune sunt etansate cu garnituri si prevazute cu ventile. Un angrenaj permite fiecarui modul sa se roteasca dupa necesitati.Fig. 3_ prezinta detaliat principalele subansamble ale echipamentului.

Fig. 3_ Echipament pentru diametrul de 16”, destinat controlului conductelor de transport al gazelor naturale

Modulul cu baterii contine baterii cu capacitatea de 16 Ah, la 24 V (obtinute prin gruparea corespunzatoare a bateriilor de 1,5 V), incapsulate (3), un conector si un cablu de putere. Pentru testarea obisnuita a conductelor, modulul cu baterii este prevazut cu o cupa conducatoare (1), care, impreuna cu o alta cupa (5) (plasata in capatul din spate), sustine intregul modul. Bateriile sunt adapostite intr-un vas de presiune (4).

Doua module de magnetizare cu senzori, contruite din circuitele de magnetizare (7) si din senzori (8); un corp de conexiuni, care transmite semnalele de la senzori la modulul de achizitie a datelor. Modulele au un corp central de sustinere (9) pe care sunt

of 62

plasate circuitele de magnetizare (7). Sustinerea modulului cu senzori se face prin intermediul unor ansambluri elastice legate cu circuitele magnetice.

Modulul de achizitie a datelor contine unitatea electronica (11) si dispozitivele de stocare, cum ar fi memoriile RAM si Ethernet Bord din unitatea electronica. Blocul de alimentare asigura tensiunile necesare pentru functionarea blocurilor electronice de tip analogic sau digital, precum si pentru functionarea senzorilor. Exista un traductor de miscare, care transmite datele legate de pozitia PIG-ului in conducta de gaz, petrol sau alte fluide.

Modulul de propulsie (cu baterii) este prezentat in fig. 3_.

Fig. 3_ Modulul de propulsie

Acest modul asigura alimentarea cu energie electrica a vehiculului si este folosit pentru remorcare in cazul in care propulsia vehiculului se face cu gaz, aer, sau alt produs. Forta de tractiune in acest caz este suportata de o cupa de tractiune (1), care este proiectata sa inlature micile obstacole. Cupa anterioara (1) si cea posterioara (14) sustin intregul modul de baterii.

Suruburile de montare ale cupelor (4), ca si inelele de montare (5), asigura fixarea cupelor pe flansele de montare (6), sudate pe vasul de presiune (12). Vasul de presiune adaposteste bateriile. Acest vas de presiune poate avea suplimentar, flanse prinse prin sudura pe el, pentru a se putea prinde, dupa dorinta, ansamblu pe roti, Accesul in interiorul vasului de presiune se face printr-un capac. Amortizoarele (7) de sustinere, cu suruburi de prindere (8), tine fixate bateriile (9). Amortizoarele (3) protejeaza la vibratii sau la socuri. Modulul cu baterii se leaga de modulul cu senzori printr-o piesa de remorcare (2).

Modulul de magnetizare si de achizitie de date este prezentat in fig. 3_. Sustinerea modulului de achizitie de date cu senzori este asigurata cu arcuri. Modulul cu senzori se leaga de modulul cu baterii printr-o piesa de remorcare (1). Flansele (2), precum si suruburile aferente asigura fixarea circuitelor pe flansele sudate de pe corpul modulului cu senzori.

Circuitele magnetice sunt apasate pe peretele conductei prin bratele articulate (3), fiind prevazute cu arcuri. Circuitul magnetic consta in piese polare (4), magneti permanenti (5), placa de baza (6) si piese de montare si blocare mecanica. Subansamblul senzorilor (7) este plasat intre polii magnetici si este montat pe o placa proprie.

of 62

Fig. 3_ Modulul de magnetizare de achizitie de date cu senzori

Modulul de magnetizare si cu senzori se leaga de urmatorul modul, de achizitie de date, printr-o piesa de romorcare (8).

Modulul electronic - modulul de achizitie de date este prezentat in fig. 3_. Acest modul este ultimul din vehiculul de testare, pentru a avea un acces usor la unitatea electronica de stocare a datelor, in timpul desfasurarii experimentelor. Piesa de remorcare (1) face conectarea la modulul cu senzori. Modulul de achizitie a datelor este sustinut de cupe (2), care fac parte din mecanismul de propulsie, atunci cand vehiculul este deplasat printr-o conducta sub presiune.

Cupele sunt prinse de vasul de presiune cu flanse (3), folosind inele (5) si suruburi (4). Vasul de presiune (6) contine unitatea electronica de stocare a datelor si este etans pana la o presiune de 135 atm. Circuite de memorare au o capacitate pana la 7 Mbyte si sunt inglobate in unitatea centrala.

Circuitele electronice sunt plasate intr-un rastel pentru placi, care este protejat contra vibratiilor prin intermediul unor amortizoare la socuri si vibratii. Unitatea electronica contine: unitatea centrala de prelucrare (MCPU), memoria, unitati de prelucrare subordonate (SCPU), o consola Ethernet, consola de comanda si convertoare analog/digital, pe care sunt montate amplificatoare programabile.

Placile de alimentare cu tensiune sunt montate pe partile laterale ale rastelului cu placile elctronice. Unitatea floppy-disk contine programele pentru MCPU. Vasul de presiune este etansat in partea posterioara, unde se afla un capac, care permite accesul la partea electronica si de stocare a datelor.

Fig. 3_ Modulul electronic

of 62

3.5.2 Subansamblul de masurare a deplasarii (odometrul)

Odometrul este un dispozitiv ce masoara distanta parcursa din momentul cand incepe inregistrarea, pana in momentrul cand aceasta inceteaza. Desi nu este esential pentru controlul pe distante scurte, odometrul indica punctele de reper si este esential pentru testele pe distante lungi. Vehiculul este echipat cu un asemenea dispozitiv (fig. 3_).

Fig. 3_ Odometru

De obicei, subansamblul de masurare a distantei este prins ferm de flansa unuia din modulele vehiculului, prin intermediul piesei (1), care apasa asupra bratului odometrului (2). Acest brat apasa roata (4) adometrului, care este in contact cu peretele conductei. Roata odometrului (4) are un diametru de cca. 31 cm, dar se pot utiliza si roti de alte dimensiuni.

Un magnet de mici dimensiuni, montat in roata, actioneaza asupra unui senzor. Sunt numarate impulsurile generate prin schimbarea starii senzorului si astfel se poate determina distanta.

3.5.3 Sistemul de achizitie

Ca sistem de achizitie se foloseste o placa de achizitie si prelucrare de date DAP 3200 415/e, cu caracteristicile: 16 intrari analogice (sau 8 diferentiale), expandabile la 512 intrari analogice, prin

multiplexare; Gama de valori (0÷5) V, (-2,5÷2,5) V, (-5÷5) V, (-10÷10) V; Frecventa de achizitie: 769000 esantioane/s; Castig maxim: 500 (frecventele de varf sunt atinse la castig unitar); Conversie analog/digital pe 12 biti; Procesor on-board 486 DX4 la 100 MHz; Sistem de operare on-board DAPL; Memorie RAM 4 MB; 1 KB Buffer FIFO bidirectional; Frecventa de transfer catre PC-ul gazda: 909000 esantioane/s; Emulator DSP.

of 62

Fig. 3_ prezinta o diagrama bloc a sistemului de achizitie si procesare de date. Pot fi detectate si localizate urmatoarele defecte:

Fig. 3_ Diagram bloc a sistemului de achizitie si procesare a datelor

Coroziune generala; Coroziune cu crater; Defecte de tip mecanic.

De asemenea, sistemul da informatii asupra grosimii peretelui. Unitatea de prelucrare a datelor are drept configuratie de baza un PC 486, prevazut cu o unitate suplimentara de achizitie si prelucrare a datelor.

In fig. 3_ se prezinta fotografia in ansamblu a echipamentului PIG-20 toli in experimentari pe teren la S.C. TRANSGAZ S.A., Medias.

Fig. 3_ Vedere de ansamblu a echipamentului PIG-20 toli, in experimentari pe teren, intr-un stand amenajat pentru acest scop la S.C. TRANSGAZ S.A., Medias

of 62

3.5.4 Stabilirea algoritmului de achizitie si prelucrare de semnale folosind componenta tangentiala a campului magnetic

Masuratori asupra unui sant transversal – s-au folosit senzori de tip Hall, avand 6 canale de masura, reprezentate printr-un grup de 6 sonde Hall plasate intr-un palpator. Alimentarea sondelor s-a facut la tensiune constanta, grupate in paralel, pentru a reduce numarul traseelor de alimentare.Defectele cercetate au fost dreptunghiulare conform fig. 3_

Fig. 3_ Piesa cu defecte si palpator cu sase sonde tip Hall, pentru masurarea componentei tangetiale a campului magnetic de scapari

La unul dintre defecte, lungimea a fost mult mai mare decat adancimea. In aceste conditii de geometrie se poate folosi un model bidimensional de calcul (se considera o distributie plan-paralela pentru campul magnetic de imprastiere). Cel de-al doilea defect are insa lungimea mai mare, dar comparabila cu adancimea si latimea sa. In acest caz se poate masura campul de scapari atat deasupra defectului, cat si deasupra zonelor fara defect, dar situate foarte aproape de capetele defectului.

Masurarile s-au realizat in conditiile magnetizarii la saturatie a materialului cu defecte. Lift-off-ul a fost de 2 mm. S-a lucrat cu doua viteze de explorare diferite, aflate in raportul de 1:2. Palpatorul realizeaza explorare a sase trasee paralele, pe directie axiala, aflate la distanta de 10 mm intre ele, sondele sunt plasate pe doua linii paralele cu directia circumferintei (si perpendiculare pe directia de deplasare), aflate la 10 mm intre ele, simetrice fata de axa centrala a circuitului magnetic.

Sondele IP0, IP2, IP4 sunt la distanta de 20 mm intre ele, iar sondele IP1, IP3, IP5, tot la 20 mm intre ele, dar traiectoriile lor in deplasarea pe traseu apar intercalate intre cele ale sondelor cu numere pare.Sistemul de achizitie si prelucrare permite: Prezentarea ansamblului formelor de unde corespunzatoare pentru palpator; Prezentarea separata a semnalelor pe fiecare canal intr-o forma ce permite efectuarea de

corelatii; Prezentarea de detaliu, din formele de unde de pe fiecare canal.

of 62

Fig. 3_ Semnalele MFL generate de cele 6 sonde, prezentate separat (viteza v1)

Efectele vitezei de deplasare asupra intensitatii campului magnetic - toate sistemele electromagnetice se bazeaza pe principiul fizic conform caruia un camp magnetic variabil, ce trece printr-un conductor, produce un curent electric in respectivul conductor. Un sistem de magnetizare utilizat in MFL, care trece printr-o conducta, poate fi considerat ca un camp magnetic variabil.

In conducta se vor reduce intensitatea campului magnetic aplicat. Acesti curenti vor produce un camp magnetic parazit, care va reduce intensitatea campului magnetic aplicat. Viteza de deplasare afecteaza atat intensitatea campului magnetic, cat si campul de scapari. Cresterea vitezei de deplasare a utilajului micsoreaza intensitatea campului magnetic aplicat, prin inducerea curentilor turbionari in vecinatatea pieselor polare.

Acesti curenti turbionari pot avea efecte semnificative care implica reducerea semnificativa a intensitatii campului magnetic. In cazul static, componenta tangentiala a campului magnetic este aproape uniforma intre piesele polare. La o viteza de cca. 4,5 m/s inductia magnetica in conducta scade cu 10%. Prin urmare, campul magnetic aplicat se reduce, ceea ce afecteaza detectia. Deoarece campul aplicat in conducta se micsoreaza prin marirea vitezei de deplasare, se mareste campul magnetic prin aer.

Acest camp magnetic va afecta semnalul de fond, masurat in regiunile in care lipseste metal. Drept urmare, raportul dintre semnalul corespunzator campului de scapari si cel al fondului va scadea, ceea ce va diminua detectia, mai ales in cazul imperfectiunilor de mici dimensiuni.

Viteza si fluxul de scapari – campul de scapari este si el influentat de viteza. Experimental s-a observat ca viteza are urmatoarele efecte: Micsoreaza amplitudinea campului de scapari; Modifica impulsurile date de frontul anterior si frontul posterior, ale campului de

scapari; Deplaseaza campul de scapari in directia piesei polare conductoare; Mareste semnalul aferent fondului.

Efectele vitezei variaza in functie de nivelul de magnetizare, distanta dintre poli si geometria zonei cu lipsa de metal. Pe masura ce adancimea scade, viteza devine din ce in ce mai importanta. Pentru defectul cu adancime mica, viteza modifica semnificativ campul de scapari. Forma de unda se deplaseaza spre stanga si aspectul se modifica. Efectele vitezei depind de adancimea regiunii in care lipseste metalul.

Campurile cu scapari provenind de la regiuni putin adanci sunt mai puternic afectate de viteza decat acelea provening de la regiuni cu adancime mai mare. La un nivel

of 62

scazut de magnetizare, campurile de scapari mai mici in amplitudine atat in cazul static, cat si in cazul dinamic. Efectul vitezei asupra campului de scapari, la un nivel scazut de magnetizare, este asemanator cu cazul unei zone putin adanci in care lipseste metalul: campul se deplaseaza spre stanga si isi modifica forma.

Efectele vitezei depind de nivelul de magnetizare. Campurile de scapari in cazul magnetizarii de nivel mediu sunt mult mai putin afectate de viteza, comparativ cu magnetizarea de nivel scazut.

CAPITOLUL 4. Aplicatie brat robotizat folosind electrotehnologie de sudare

of 62

4.1. Identificarea functiilor si schema logica

NU

DA

MANUALNU

AUTOMAT DA

NU

DA

of 62

INIŢIALIZEAZǺ BRAŢ ROBOT

CONTINUǺ ?

INIŢIALIZEAZǺ INSTALAŢIA DE ȊNALTǺ

TENSIUNE

CONTINUǺ ?

VERIFICǺ PROGRAM DEEXECUŢIE

CONTINUǺ ?

ȊNCARCǺ PROGRAM

NU

DA

NU

DA

NU

NU

of 62

CONTINUǺ ?

DEPLASARE DIN PUNCT STAŢIONAR IN POZIŢIA

DE LUCRU

CONTINUǺ ?

EFECTUEAZǺ OPERAŢIA TEHNOLOGICǺ

CONTINUǺ ?

DEPLASARE LA POZIŢIA URMATOARE

CONTINUǺ ?

DA

Fig. 4_ Schema logica

4.2. Proiectare si executie sistem

Am utilizat programul Microsoft Visual Studio 2010 pentru proiectarea si dezvoltarea soft-ului, pentru programarea bratului robotic.

Microsoft Visual Studio este un mediu de dezvoltare integrat (IDE) de la Microsoft. Acest program este utilizat pentru a dezvolta aplicatii grafice interfata utilizator, impreuna cu Windows Forms sau aplicatii WPF, site-uri web, aplicatii web, si servicii web atat in cod nativ, împreună cu cod gestionat pentru toate platformele suportate de Microsoft Windows, Windows Mobile, Windows CE, .NET Framework,. NET Framework Compact și Microsoft Silverlight.

Visual Studio include un editor de cod sustinut de IntelliSense. Debugger-ul integrat functioneaza atat ca debugger sursa-nivel cat si ca debugger masina-nivel. In acest program mai sunt integrate instrumente precum designer de formulare pentru contruirea de aplicatii GUI, web designer, designer de clasa, designer schema de baza de date. Pot fi adaugate plug-inuri pentru sporirea functionalitatii la orice nivel, inclusiv adaugarea de suport pentru sistemele de sursa de control (cum ar fi Subversion si Visual SourceSafe).

Visual Studio suporta o gama de diferite limbaje de programare prin intermediul serviciilor lingvistice, care permit editorului de cod si debugger-ului sa suporte aproape orice tip de limbaj de programare. Sunt incluse limbajele de programare ca C/C++ (prin intermediul Visual C++), VB. NET (prin Visual Basic .NET), C# (prin intermediul Visual C#), si F# ( pentru Visual Studio 2010).

Programul are suport si pentru limbajele M, Python, Ruby. Visual Studio suporta, de asemenea XML/XSLT, HTML/XHTML, JavaScript si CSS.

ARHITECTURA VISUAL STUDIO

of 62

DECUPLARE INSTALAŢIE DE INALTA TENSIUNE

DEPLASARE LA POZIŢIA NEUTRǺ

Visual Studio nu suporta orice limbaj de programare, solutie sau intrument, dar poate fi adaugat pachetul VSPackage, fiind disponibil ca serviciu cand este instalat. Acest mediu de dezvoltare ofera 3 servicii:

SvsSolution care ofera posibilitatea de a enumera proiecte si solutii; SVsUIShell, care ofera ferestre si functionalitate UI (inclusiv tab-uri, bare de instrumente,

intrument de ferestre); SvsShell, care se ocupa cu inregistrarea de VSPackage.

Visual Studio SDK include, de asemenea pachetul Managed Package Framework (MPF), care este un set de

of 62

electrotehnologie cu brat robotizat

Documents