Cilindrinių magnetinių jutiklių, skirtų suvirinimo aplinkai, pasirinkimo vadovas

Jūsų cilindrų padėties jutikliai sugenda kas tris-šešias savaites. Juos keičiate atlikdami planinę techninę priežiūrą, tačiau dėl neplanuotų gedimų vis tiek nutrūksta linijos darbas. Jutikliai atrodo nepažeisti - jokio fizinio poveikio, jokių matomų nudegimo žymių - tačiau jie nustoja patikimai junginėti arba visai nustoja junginėti. Techninės priežiūros žurnale nurodoma, kad gedimai dažniausiai pasitaiko suvirinimo stotyse. Suvirinimo aplinka yra sudėtingiausios darbo sąlygos cilindriniams magnetiniams jutikliams pramoninėje automatikoje, o jutikliai, nepriekaištingai veikiantys standartinėse srityse, suvirinimo aplinkoje sistemingai sugenda, nes gedimo mechanizmai iš esmės skiriasi nuo įprasto nusidėvėjimo. Šiame vadove pateikiama išsami sistema, leidžianti nurodyti jutiklius, kurie išlieka gyvybingi. 🎯

Balionų magnetiniai jutikliai suvirinimo aplinkoje sugenda dėl keturių skirtingų mechanizmų, kuriems standartiniai jutikliai nėra pritaikyti: suvirinimo purslų sukibimo ir terminio jutiklio korpuso bei kabelio pažeidimo, suvirinimo srovės sukeliamų elektromagnetinių trikdžių (EMI), dėl kurių jutiklio elektronika klaidingai persijungia arba užsikrauna, magnetinio lauko trikdžių, kai suvirinimo lanko srovė įmagnetina baliono korpusą ir sutrikdo stūmoklio magneto aptikimą, ir įžeminimo kontūro srovių, tekančių jutiklio kabeliais ir sukeliančių elektronikos pažeidimus. Teisingai parenkant jutiklius suvirinimo aplinkai, reikia vienu metu atsižvelgti į visus keturis mechanizmus, o ne tik į vieną ar du.

Prisiminkime Jusufą Adejemį, automobilių kėbulų suvirinimo linijos Lagose (Nigerija) techninės priežiūros vadovą. Jo armatūros prispaudimo cilindrai naudojo standartinius Reed Switch jutikliai¹ - tie patys jutikliai, nurodyti visoje likusioje gamykloje. Suvirinimo kamerose jutiklių MTBF buvo 5,4 savaitės. Jo komanda per savaitę jutiklių keitimui 6 suvirinimo stotyse sugaišdavo 14 valandų. Jutikliai gedo ne dėl purslų poveikio - jie gedo dėl elektromagnetinės spinduliuotės sukelto ritės kontaktų suvirinimo (ritės kontaktai susilydo dėl indukuotos srovės šuolių) ir dėl purslų sukibimo, trukdančio jutikliui slysti cilindro grioveliu. Perėjus prie suvirinimui atsparių induktyvinių jutiklių su nerūdijančio plieno korpusais ir purslams atspariomis dangomis, MTBF pailgėjo iki daugiau kaip 18 mėnesių. Jo jutiklių keitimo darbo sąnaudos sumažėjo nuo 14 valandų per savaitę iki mažiau nei 1 valandos per mėnesį. 🔧

Turinys

• Kokie yra keturi gedimo mechanizmai, kuriais suvirinimo aplinka veikia cilindrų jutiklius?
• Kurios jutiklių technologijos yra tinkamos suvirinimo aplinkoje, o kurios - ne?
• Kaip parinkti tinkamą jutiklio korpusą, kabelį ir tvirtinimą atsparumui suvirinimo purslams?
• Kaip spręsti EMI ir įžeminimo kilpos trikdžių problemą suvirinimo elementų jutiklių laiduose?

Kokie yra keturi gedimo mechanizmai, kuriais suvirinimo aplinka veikia cilindrų jutiklius?

Teisingą jutiklio specifikaciją galima atskirti nuo netinkamos, nes gedimo mechanizmai suprantami tiksliai fizikiniais terminais. Kiekvienam mechanizmui reikalinga konkreti atsakomoji priemonė, todėl, praleidus bet kurį iš jų, gedimo režimas lieka neišspręstas. ⚙️

Keturi suvirinimo aplinkos gedimo mechanizmai - purslų sukibimas, EMI sukelta elektroninė žala, magnetinio lauko trikdžiai ir įžeminimo kontūro srovės žala - veikia vienu metu ir sąveikauja tarpusavyje. Jutiklis, kuris yra atsparus purslams, bet pažeidžiamas EMI, vis tiek sugenda. Jutiklis, atsparus EMI, bet su netinkamu kabelio apvalkalu, suges kabelio įėjimo vietoje. Norint užtikrinti visišką apsaugą, reikia, kad visi keturi mechanizmai būtų įtraukti į vieną integruotą specifikaciją.

1 gedimo mechanizmas: suvirinimo purslų sukibimas ir terminis pažeidimas

Suvirinimo purslus sudaro išlydyto metalo lašeliai, išmetami iš suvirinimo baseino esant 1 400-1 600 °C temperatūrai. Šie lašeliai nuo suvirinimo taško nutolsta 0,3-2,0 m atstumu ir greitai atvėsta susidūrę su paviršiais. Kai jie paliečia jutiklį:

Sukibimas su jutiklio korpusu: Išlydyto metalo lašeliai prilimpa prie plastikinio jutiklio korpuso ir laikui bėgant kaupiasi, kol jutiklis negali pasislinkti cilindro griovelyje, kad būtų galima pakeisti jo padėtį, arba kol susikaupusi purslų masė perduoda šilumą jutiklio elektronikai vėlesnių suvirinimo ciklų metu.

Kabelio apvalkalo įsiskverbimas: Kibirkščių lašeliai patenka ant kabelių apvalkalų ir per 1-3 smūgius sudegina standartinę PVC izoliaciją. Pažeidus apvalkalą, vėlesni purslai tiesiogiai liečiasi su laidininko izoliacija ir sukelia trumpąjį jungimą arba laidininko pažeidimus.

Šiluminis smūgis elektronikai: Net ir nepadengtos dėmės perduoda šiluminį impulsą į jutiklio paviršių. Pakartotinis terminis ciklas nuo aplinkos temperatūros iki 200-400 °C paviršiaus temperatūros sukelia lydmetalio jungčių nuovargį ir komponentų atsisluoksniavimą jutikliuose, kurie nėra suprojektuoti taip, kad būtų atsparūs terminiam šokui.

Kiekybiškai įvertinta purslų energija:

$E_{spatter} = m_{droplet} \times [c_p \times (T_{spatter} - T_{ambient}) + L_{susiliejimas}]$

0,1 g plieno purslų lašeliui 1500 °C temperatūroje:

$E_{spatter} = 0.0001 \times [500 \times (1500 - 25) + 272 000] = 0.0001 \times [737 500 + 272 000] = 101 \text{ J}$

101 džaulio šiluminės energijos 0,1 g sveriančiame lašelyje - jos pakanka, kad vienu smūgiu ištirptų 2 mm PVC kabelio apvalkalas. ⚠️

2 gedimo mechanizmas: EMI sukeltas elektronikos pažeidimas

Suvirinimo procesai sukuria intensyvius elektromagnetinius laukus. Rezistencinis taškinis suvirinimas - vyraujantis automobilių kėbulų suvirinimo procesas - per suvirinimo elektrodus teka 8000-15000 A srovė, kurios dažnis 50-60 Hz. MIG/MAG suvirinimui naudojama 100-400 A srovė, veikianti dideliu dažniu. Šios srovės generuoja:

Magnetinio lauko intensyvumas prie suvirinimo pistoletų:

$H = \frac{I_{svirinimo}}{2\pi \ kartus r}$

0,5 m atstumu nuo 10 000 A atsparumo taškinio suvirinimo:

$H = \frac{10,000}{2\pi \times 0,5} = 3,183 \text{ A/m}$

Tokio lauko intensyvumo pakanka, kad jutiklių kabeliuose atsirastų didelė įtampa ir būtų prisotintos magnetinės magnetinių jungiklių šerdys. Salės efekto jutikliai².

Įtampa jutiklių kabeliuose:

$V_{indukuotas} = \frac{d\Phi}{dt} = \mu_0 \times H \times A_{loop} \times \frac{dI}{dt}$

0,1 m² kabelio kilpos ploto šalia varžinio taškinio suvirinimo, kurio kilimo trukmė 10 ms:

$V_{indukuotas} = 4\pi \ kartus 10^{-7} \ kartus 3,183 \ kartus 0,1 \ kartų \frac{10 000}{0,01} = 4,0 V$

24 V nuolatinės srovės jutiklio grandinėje indukuotas 4 V pereinamasis vyksmas nėra iš karto destruktyvus, tačiau tikrasis pereinamasis vyksmas nėra sinusinis. Srovės bangos forma suvirinimo inicijavimo metu labai greitai kyla (mikrosekundės), todėl neekranuotose kabelių kilpose susidaro 50-200 V įtampos šuoliai. Šie šuoliai viršija standartinių jutiklio išėjimo tranzistorių (paprastai 30-40 V) pramušamąją įtampą ir sukelia tiesioginį arba latentinį tranzistoriaus gedimą.

Nulinio jungiklio kontaktų suvirinimas: Jutikliuose, kuriuose naudojami reidiniai jungikliai, indukuotas srovės šuolis pereina per reidinius kontaktus. Jei šuolio metu kontaktai yra uždaroje padėtyje, indukuotoji srovė gali suvirinti kontaktus - jutiklio išėjimas lieka nuolat įjungtas nepriklausomai nuo cilindro padėties.

3 gedimo mechanizmas: magnetinio lauko trikdžiai aptikus stūmoklio magnetą

Standartinio pneumatinio cilindro stūmoklio magnetas prie cilindro sienelės sukuria maždaug 5-15 mT lauką - lauką, kurį turi aptikti jutiklis. Suvirinimo srovė sukuria konkuruojantį magnetinį lauką, kuris gali:

Laikinai prisotinkite jutiklį: Suvirinimo ciklo metu suvirinimo srovės laukas užgožia stūmoklio magneto lauką, todėl jutiklis pateikia klaidingą signalą, nepriklausomai nuo stūmoklio padėties.

Visam laikui įmagnetinkite cilindro korpusą: Daugkartinis suvirinimo srovės didelio intensyvumo magnetinių laukų poveikis gali įmagnetinti plieninį cilindro korpusą ir sukurti nuolatinį foninį magnetinį lauką, kuris užgožia stūmoklio magneto signalą arba sukelia klaidingus aptikimus tose vietose, kur stūmoklio magneto nėra.

Likutinio įmagnetinimo riba:

$B_{atliekų} = \mu_0 \ kartus H_{koercityvumas} \ kartus \left(1 - e^{-H_{svirinimo}/H_{koercityvumas}}} dešiniąja)$

Standartinių anglinio plieno cilindrų korpusų (koercivumas ≈ 800 A/m), veikiamų pirmiau apskaičiuoto 3 183 A/m lauko, liekamasis įmagnetėjimas gali pasiekti 60-80% soties - to pakanka, kad prie cilindro sienelių susidarytų 2-6 mT klaidingas jutiklio signalas, prilygstantis paties stūmoklio magneto signalui.

4 gedimo mechanizmas: įžeminimo kontūro srovės

Suvirinimo srovė turi grįžti iš ruošinio į suvirinimo maitinimo šaltinį įžeminimo kabeliu. Blogai suprojektuotose suvirinimo kamerose grįžtančioji srovė teka ne tik per tam skirtą įžeminimo kabelį - ji lygiagrečiai teka per bet kokią laidžią jungtį tarp ruošinio ir maitinimo šaltinio įžeminimo, įskaitant:

• Mašinų rėmų konstrukcijos
• Cilindrų korpusai (jei įžeminti prie mašinos rėmo)
• Jutiklio kabelio ekranai (jei abu galai prijungti prie mašinos įžeminimo)
• PLC korpuso įžeminimo jungtys

Kai suvirinimo grįžtamoji srovė teka per jutiklio kabelio ekraną arba per cilindro korpusą, prie kurio pritvirtintas jutiklis, gali tekėti šimtai amperų srovės - jos pakanka, kad jutiklio elektronika būtų akimirksniu sunaikinta, nepaisant to, kaip gerai jutiklis suprojektuotas, kad būtų atsparus elektromagnetinei spinduliuotei.

Įžeminimo kontūro srovės dydis:

$I_{žemės kilpa} = I_{suvirinimo} \ kartus \frac{R_{paskirtoji grąža}}{R_{paskirtoji grąža} + R_{žemės kilpos kelias}}$

Jei paskirtojo grįžtamojo kabelio varža yra 5 mΩ, o įžeminimo kontūro kelio per mašinos rėmą varža yra 2 mΩ, 29% suvirinimo srovės (iki 4350 A, kai suvirinama 15 000 A) teka nenumatytu keliu. Tai nėra EMI problema - tai nuolatinės srovės laidumo problema, kuri sunaikina bet kurį jutiklį, esantį tame kelyje, nepriklausomai nuo jo atsparumo EMI klasės. 🔒

Kurios jutiklių technologijos yra tinkamos suvirinimo aplinkoje, o kurios - ne?

Keturi gedimų mechanizmai sukuria aiškų jutiklių technologijos pasirinkimo filtrą. Kai kurios technologijos iš esmės nesuderinamos su suvirinimo aplinka, nepriklausomai nuo to, kaip jos supakuotos; kitos yra perspektyvios, jei turi tinkamas konstrukcines savybes. 🔍

Nendrinių jungiklių jutikliai netinka naudoti suvirinimo aplinkoje dėl jiems būdingo pažeidžiamumo dėl EMI sukeliamo kontaktinio suvirinimo ir suvirinimo srovės magnetinio lauko trikdžių. Salės efekto jutikliai su standartine elektronika yra ribiniai. Suvirinimo aplinkai atsparūs indukciniai jutikliai su specialiomis EMI slopinimo grandinėmis ir spalvotųjų metalų korpusais yra tinkama suvirinimo aplinkos cilindro padėties nustatymo technologija.

1 technologija: nendrinių jungiklių jutikliai - netinka

Reed jungikliuose naudojamos dvi feromagnetinės kontaktinės geležtės, kurios užsidaro veikiamos magnetinio lauko. Suvirinimo aplinkoje:

• EMI pažeidžiamumas: Indukuotos srovės šuoliai teka tiesiai per kontaktus, sukeldami kontaktų suvirinimą (nuolatinis užsidarymas) arba kontaktų eroziją (nuolatinis atsidarymas).
• Magnetiniai trukdžiai: Feromagnetinės nendrinės geležtės yra jautrios suvirinimo laukų sukeliamam nuolatiniam įmagnetėjimui, dėl to jos klaidingai įsijungia.
• Nėra elektroninės apsaugos: Nendriniai jungikliai neturi vidinės elektronikos, kuri filtruotų ar slopintų pereinamuosius procesus.

Verdiktas: Nenaudokite nendrinių jungiklių jutiklių jokioje suvirinimo aplinkoje. Nepriklausomai nuo korpuso kokybės, gedimų dažnis yra nepriimtinai didelis. ❌

2 technologija: standartiniai Halo efekto jutikliai - ribinė

Hallo efekto jutikliuose naudojamas puslaidininkinis elementas, kuris generuoja įtampą, proporcingą magnetinio lauko stiprumui. Jie yra tvirtesni už nendrinius jungiklius, tačiau vis dar pažeidžiami suvirinimo aplinkoje:

• EMI pažeidžiamumas: Standartiniai Hallo efekto jutiklių integriniai grandynai turi ribotą atsparumą pereinamiesiems procesams - paprastai vertinamas iki ±1 kV per IEC 61000-4-5³, kurios nepakanka 50-200 V pereinamiesiems procesams, atsirandantiems prie varžinio taškinio suvirinimo
• Magnetiniai trukdžiai: Holo efekto jutikliai nustato absoliutų lauko stiprumą - dėl įmagnetinto cilindro korpuso fono lauko gaunami klaidingi rezultatai.
• Išėjimo tranzistoriaus pažeidžiamumas: Standartiniai NPN/PNP išėjimo tranzistoriai, naudojami Hallo efekto jutikliuose, yra 30-40 V - nepakankami suvirinimo pereinamiesiems procesams

Verdiktas: Standartiniai Hallo efekto jutikliai nerekomenduojami naudoti suvirinimo aplinkoje. Suvirinimui atsparūs Hallo efekto jutikliai su patobulinta apsauga nuo pereinamųjų procesų ir diferencinio lauko aptikimu yra priimtini vidutinio sunkumo suvirinimo aplinkoje (MIG/MAG > 1 m atstumu). ⚠️

3 technologija: suvirinimo-imuniniai indukciniai jutikliai - teisingas pasirinkimas

Indukciniai jutikliai, atsparūs suvirinimui (taip pat vadinami suvirinimo laukui atspariais jutikliais), yra specialiai sukurti suvirinimo aplinkai dėl trijų konstrukcinių savybių, kurios tiesiogiai susijusios su gedimo mechanizmais:

1 savybė: spalvotųjų metalų jutiklio ritė ir korpusas
Standartiniuose indukciniuose jutikliuose naudojamos feritinės šerdys, kurios yra jautrios prisotinimui ir nuolatiniam įmagnetėjimui dėl suvirinimo laukų. Suvirinimui atspariuose jutikliuose naudojamos spalvotųjų metalų ritės (su oro šerdimi arba be ferito), kurios yra atsparios įmagnetėjimui.

2 funkcija: diferencinė aptikimo grandinė
Vietoj absoliutaus lauko stiprumo jutikliai, apsaugantys nuo suvirinimo, aptinka dviejų jutiklių skirtuminį lauką - stūmoklinio magneto laukas aptinkamas kaip erdvinis gradientas, o vienodas suvirinimo srovės fono laukas (vienodai veikiantis abu jutiklius) atmetamas kaip bendro režimo trukdžiai.

$V_{išėjimas} = K \ kartus (B_{jutiklis1} - B_{jutiklis2}) = K \ kartus B_{stūmoklis}$

Suvirinimo sritis $B_{svirinimo}$ yra tolygus visame mažame jutiklio jutimo plote, todėl:

$B_{svirinimo,jutiklis1} \aprox B_{svirinimo,jutiklis2} \rightarrow \text{bendrojo režimo atmetimas}$

3 funkcija: patobulintas pereinamųjų procesų slopinimas
Nuo suvirinimo apsaugotus jutiklius sudaro TVS diodai⁴, bendrojo režimo droselius ir Zenerio gnybtų grandines, kurių įtampa ±4 kV (IEC 61000-4-5 4 lygis) - pakankama pereinamiesiems vyksmams, atsirandantiems dėl varžinio taškinio suvirinimo didesniu nei 0,3 m atstumu.

Nuo suvirinimo apsaugoto jutiklio našumo palyginimas:

Parametras	Nendrinis jungiklis	Standartinis Hall efektas	Indukcinis suvirinimo įrenginys "Weld-Immune
Atsparumas elektromagnetinei trikdžiai (IEC 61000-4-5)	Nėra	±1 kV (2 lygis)	±4 kV (4 lygis)
Atsparumas magnetiniam laukui	Nėra	Žemas	Aukštas (diferencinis aptikimas)
Kontaktinio suvirinimo rizika	Aukštas	N/A	Netaikoma (kietojo kūno)
Atsparumas purslams (standartinis)	Žemas	Žemas	Vidutinio sunkumo
Atsparumas purslams (suvirinimo klasė)	N/A	N/A	Aukštas
MTBF suvirinimo aplinkoje	3-8 savaitės	8-20 savaičių	12-24 mėn.
Santykinės išlaidos	1×	1.5×	3-5×
Vieno darbo mėnesio sąnaudos	Aukštas	Vidutinio sunkumo	Žemas

4 technologija: Šviesolaidiniai jutikliai - specializuotas pritaikymas

Šviesolaidiniuose padėties jutikliuose naudojamas šviesos šaltinis ir detektorius, sujungti optiniu pluoštu - jie visiškai apsaugoti nuo elektromagnetinių trikdžių, nes jutiklio elemente nėra elektronikos. Jie yra geriausias sprendimas ekstremaliose suvirinimo aplinkose (atsparumo taškinis suvirinimas < 0,3 m atstumu, suvirinimas lazeriu, pjaustymas plazma), tačiau reikalauja:

• Išorinis šviesos šaltinis / imtuvas, sumontuotas už suvirinimo zonos ribų
• Kruopštus pluošto nukreipimas, kad būtų išvengta mechaninių pažeidimų
• Didesnės įrengimo sąnaudos ir sudėtingumas

Verdiktas: optinio pluošto jutiklius naudokite tik ypatingai artimo suvirinimo atvejais, kai suvirinimui atsparūs indukciniai jutikliai vis dar pasižymi nepriimtinu gedimų dažniu. ✅ (specialistas)

Istorija iš lauko

Norėčiau pristatyti Chen Wei, proceso inžinierių, dirbantį automobilių sėdynių rėmų suvirinimo gamykloje Vuchane, Kinijoje. Jo pasipriešinimo taškinio suvirinimo įtaisai naudojo 84 cilindro padėties jutiklius 12 suvirinimo robotų. Pakeitus nendrinius jungiklius į standartinius Hallo efekto jutiklius, MTBF pagerėjo nuo 5 savaičių iki 11 savaičių - geriau, bet vis dar reikėjo kas savaitę keisti jutiklius blogiausiose stotyse.

Atlikus išsamią gedimų analizę paaiškėjo, kad 60% Hallo efekto jutiklių gedimų įvyko dėl elektromagnetinės spinduliuotės sukeltų tranzistorių pažeidimų, o 40% - dėl nuolatinio cilindrų korpusų įmagnetėjimo, kuris sukėlė klaidingus aptikimus net tada, kai stūmoklis nebuvo aptikimo zonoje.

Pereinant prie suvirinimui atsparių indukcinių jutiklių su diferenciniu aptikimu, vienu metu buvo sprendžiami abiejų gedimo būdų klausimai. Po 14 eksploatavimo mėnesių Chen Wei komanda iš viso pakeitė 7 jutiklius visose 84 pozicijose - palyginti su ankstesniu maždaug 35 pakeitimų per mėnesį skaičiumi. Jo metinės išlaidos jutikliams, įskaitant darbo sąnaudas, sumažėjo nuo 186 000 iki 23 000 ¥. 🎉

Kaip parinkti tinkamą jutiklio korpusą, kabelį ir tvirtinimą atsparumui suvirinimo purslams?

Jutiklių elektronika, kuri atlaiko elektromagnetinę spinduliuotę, vis tiek suges, jei korpusas išsilydys dėl purslų sukibimo arba kabelis perdegs įėjimo vietoje. Fizinė apsauga nuo purslų yra atskiras specifikacijų reikalavimas nuo atsparumo EMI - tam reikia atkreipti dėmesį į korpuso medžiagą, kabelio apvalkalo medžiagą ir montavimo geometriją. 💪

Dėl atsparumo suvirinimo purslams reikia nurodyti jutiklius su nerūdijančiojo plieno arba nikeliuoto žalvario korpusais (ne plastikiniais), kabelius su silikoniniais arba PTFE išoriniais apvalkalais, kurių atsparumas suvirinimo purslams yra ne mažesnis kaip 180 °C nepertraukiamas ir 1 600 °C atsparumas purslų smūgiams, ir montavimo vietas, kuriose cilindro korpusas naudojamas kaip geometrinis skydas nuo tiesioginių purslų trajektorijų.

Korpuso medžiagos pasirinkimas

Standartiniai plastikiniai korpusai (PBT, PA66):

• Didžiausia nuolatinė temperatūra: 120-150°C
• Sukibimas su purslais: Aukštas - išlydytas metalas lengvai sukimba su plastiku
• Atsparumas purslų smūgiams: Prastas - vienas smūgis gali prasiskverbti pro korpusą
• Netinka suvirinimo aplinkai ❌

Nerūdijančio plieno korpusai (SS304, SS316):

• Maksimali nuolatinė temperatūra: 800°C+
• Sukibimas su purslais: Mažai - purslai susikaupia ir nukrenta nuo lygių nerūdijančio plieno paviršių
• Atsparumas purslų smūgiams: Puikus - korpusas atlaiko tiesioginį smūgį purslais
• Suderinamumas su danga nuo purslų: Puikus - danga gerai prilimpa prie nerūdijančio plieno
• Tinkama suvirinimo aplinkos specifikacija ✅

Nikeliuoti žalvariniai korpusai:

• Didžiausia nuolatinė temperatūra: 400°C+
• Sukibimas su purslais: Nikelio paviršius mažina sukibimą.
• Atsparumas purslų smūgiams: Geras
• Priimtina vidutinio sunkumo suvirinimo aplinkoje ✅

Dangos, apsaugančios nuo purslų:
Ant jutiklių korpusų tepamas purškalas nuo purslų arba pasta sumažina purslų sukibimą su bet kokia korpuso medžiaga. Tačiau vien dangos nepakanka - ji turi būti derinama su karščiui atsparia korpuso medžiaga. Priklausomai nuo purslų intensyvumo, pakartotinai purkšti reikia kas 1-4 savaites.

Kabelio apvalkalo medžiagos pasirinkimas

Kabelis nuo jutiklio iki jungiamosios dėžutės yra pažeidžiamiausias komponentas suvirinimo aplinkoje - jis yra lankstus, jį sunku geometriškai apsaugoti ir jis sudaro didelį plotą, ant kurio gali išsilieti purslai.

Standartinis PVC apvalkalas:

• Nuolatinės temperatūros įvertinimas: 70-90°C
• Atsparumas purslų smūgiams: Nėra - vienas purslų lašelis sudegina
• Netinka suvirinimo aplinkai ❌

PUR (poliuretano) apvalkalas:

• Nuolatinės temperatūros įvertinimas: 80-100°C
• Atsparumas purslų smūgiams: Blogai
• Netinka suvirinimo aplinkai ❌

Silikono gumos apvalkalas:

• Nuolatinės temperatūros įvertinimas: 180-200°C
• Atsparumas purslų smūgiams: Geras - silikonas ne lydosi, o suanglėja, savaime užgęsta.
• Lankstumas: Puikus - išlaiko lankstumą žemoje temperatūroje
• Tinkama specifikacija vidutinio sunkumo ir sunkiai suvirinimo aplinkai ✅

PTFE apvalkalas:

• Nuolatinė temperatūra: 260 °C
• Atsparumas purslų smūgiams: Puikus - PTFE nesusilieja su išlydytu metalu.
• Lankstumas: Vidutinis - standesnis nei silikonas
• Tinkama specifikacija sunkiai suvirinimo aplinkai ✅

Nerūdijančio plieno pintas viršutinis apvalkalas:

• Nuolatinės temperatūros įvertinimas: 800°C+
• Atsparumas purslų smūgiams: Išskirtinis - metalinis pynimas atspindi purslus
• Lankstumas: Sumažintas - reikia didesnio lenkimo spindulio
• Tinkama specifikacija ekstremalioms suvirinimo sąlygoms arba tiesioginiam purslų poveikiui ✅

Kabelio apvalkalo parinkimo vadovas

Suvirinimo procesas	Atstumas nuo Weld	Purslų intensyvumas	Rekomenduojamas kabelio apvalkalas
MIG/MAG	> 1.5 m	Žemas	Silikonas
MIG/MAG	0.5-1.5 m	Vidutinio sunkumo	Silikonas arba PTFE
MIG/MAG	< 0.5 m	Aukštas	PTFE + SS pynė
Pasipriešinimo vieta	> 1.0 m	Vidutinio sunkumo	Silikonas
Pasipriešinimo vieta	0.3-1.0 m	Sunkus	PTFE + SS pynė
Pasipriešinimo vieta	< 0.3 m	Ekstremalus	SS pynė + laidas
Suvirinimas lazeriu	> 0.5 m	Žemas (be purslų)	Silikonas
Plazminis pjovimas	> 1.0 m	Sunkus	PTFE + SS pynė

Montavimo padėties optimizavimas

Nuo jutiklio montavimo geometrijos suvirinimo taško atžvilgiu priklauso tiesioginis purslų poveikis. Trys montavimo strategijos sumažina purslų poveikį:

1 strategija: šešėlinis montavimas
Jutiklį montuokite cilindro pusėje, priešingoje suvirinimo vietai - cilindro korpusas veikia kaip geometrinis skydas. Nuo suvirinimo siūlės tiesia linija sklindantys purslai negali pasiekti jutiklio, prieš tai neatsitrenkę į cilindro korpusą.

$\theta_{shadow} = \arctan\left(\frac{D_{cylinder}/2}{d_{weld}}\right)$

Ø50 mm cilindro, esančio 0,5 m atstumu nuo suvirinimo taško, šešėlio kampas yra:

$\theta_{shadow} = \arctan\left(\frac{0.025}{0.5}\right) = 2.9°$

Šešėlio zona yra siaura - tik 2,9° lanko kampu, tačiau jos pakanka apsaugoti jutiklį nuo didžiausio intensyvumo tiesioginių purslų trajektorijos.

2 strategija: įleidžiamas montavimas
Naudokite jutiklio montavimo laikiklį, kuriame jutiklis yra žemiau cilindro profilio - nedideliu kampu sklindančius purslus sulaiko laikiklis ir jie nepasiekia jutiklio.

3 strategija: kanalų apsauga
Jutiklio kabelį nuo jutiklio iki jungiamosios dėžutės nutieskite standžiu nerūdijančiojo plieno kanalu. Kanalas užtikrina visišką kabelio fizinę apsaugą nepriklausomai nuo purslų trajektorijos.

Jutiklių tvirtinimo įranga suvirinimo aplinkai

Standartiniai aliuminio jutiklių tvirtinimo laikikliai suvirinimo aplinkoje dėl purslų, karščio ir suvirinimo dūmų kondensacijos greitai koroduoja. Nurodykite:

• Tvirtinimo laikikliai: SS304 arba SS316 nerūdijantis plienas
• Tvirtinimo varžtai: SS316 varžtai su galvutėmis su galvutėmis ir antiseptikuojančiu mišiniu
• Jutiklio tvirtinimo spaustukai: Nerūdijantis SS304 - standartiniai plastikiniai spaustukai išsilydo nuo purslų
• Kabelių raiščiai: Standartiniai nailono raiščiai ištirpsta per kelias savaites

Apsaugos nuo patekimo į vidų reikalavimai

Suvirinimo aplinkoje susidaro purslai, suvirinimo dūmų kondensatas, aušinimo skysčio rūkas ir valymo priemonių purslai. Minimali cilindrų jutiklių apsauga nuo patekimo į suvirinimo aplinką:

$IP \geq$

IP67 užtikrina visišką apsaugą nuo dulkių ir nuo laikino panardinimo - pakanka aušinimo skysčio rūko ir valymo purslų. Tiesioginiam aušinimo skysčio srovės poveikiui nurodyti IP68 arba IP69K.

Kaip spręsti EMI ir įžeminimo kilpos trikdžių problemą suvirinimo elementų jutiklių laiduose?

Geriausias nuo suvirinimo apsaugotas jutiklis vis tiek suges, jei laidų sistema leis elektromagnetinei spinduliuotei arba įžeminimo kontūro srovėms pasiekti jutiklio elektroniką. Tinkama laidų tiesimo praktika yra tokia pat svarbi, kaip ir teisingas jutiklio parinkimas, ir tai yra elementas, kurio dažniausiai nepaisoma įrengiant suvirinimo kameras. 📋

Suvirinimo kameros jutiklio laidams reikia ekranuoto kabelio, kurio ekranas prijungtas tik viename gale (kad būtų išvengta įžeminimo kilpų), minimalaus kabelio kilpos ploto, kad būtų sumažinta indukuota įtampa, fizinio atskyrimo nuo suvirinimo maitinimo kabelių ir feritinės šerdies slopinimo jutiklio ir PLC kabelio galuose. Šios priemonės sumažina indukuotas pereinamąsias įtampas nuo 50-200 V iki mažesnės nei 1 V - neviršijant nuo suvirinimo apsaugotų jutiklių atsparumo lygio.

Ekranuotas kabelis: Pirmoji apsaugos nuo elektromagnetinių trikdžių linija

Ekranuotas kabelis sumažina indukuotąją įtampą signaliniuose laidininkuose, nes sukuria mažo impedanso indukuotųjų srovių kelią, kuris perima elektromagnetinį lauką prieš jam pasiekiant signalinius laidininkus:

$V_{indukuotas,ekranuotas} = V_{indukuotas,neekranuotas} \ kartus (1 - S_e)$

Kur $S_e$ ekranavimo efektyvumas (nuo 0 iki 1). 90% aprėpties pintam ekranui:$S_e$ ≈ 0.85-0.95.

Anksčiau apskaičiuotai 4 V indukuotajai įtampai (neekranuotam) ekranuotas kabelis ją sumažina iki:

$V_{indukuotas, ekranuotas} = 4V \times (1 - 0,90) = 0,4V$

Kartu su nuo suvirinimo apsaugotu jutikliu, kurio pereinamųjų procesų slopinimo vertė ±4 kV, tai užtikrina 10 000:1 saugos atsargą nuo 4 V pagrindinės indukuotos įtampos.

Kritinė taisyklė: Kabelio ekraną prijunkite tik iš VIENO galo

Prijungus ekraną iš abiejų galų, susidaro įžeminimo kilpa - uždaras laidus kelias, kuriuo gali tekėti suvirinimo grįžtamoji srovė. Teisingas sujungimas:

• PLC / jungiamosios dėžutės galas: Ekranas prijungtas prie signalo įžeminimo
• Jutiklio galas: Ekranas paliktas plūduriuojantis (neprijungtas prie jutiklio korpuso ar cilindro)

$I_{žemės kilpa} = 0 \text{ (skydas atidarytas jutiklio gale)}$

Ši vienintelė taisyklė visiškai pašalina įžeminimo kilpos gedimo mechanizmą.

Kabelių tiesimas: Kabelių tiesimas: kilpos ploto mažinimas iki minimumo

Kabelio kilpoje indukuota įtampa yra proporcinga kilpos, kurią sudaro kabelis ir jo grįžtamasis laidininkas, plotui:

$V_{indukuotas} \propto A_{aplinka} = L_{kabelis} \ kartus d_{atskyrimas}$

Sumažinkite kilpos plotą:

1. Signalinius kabelius tieskite lygiagrečiai mašinos rėmui ir palieskite jį - rėmas veikia kaip grįžtamasis laidininkas, sumažindamas atskyrimo atstumą $$d_{separation}$$
2. Niekada neveskite signalinių kabelių lygiagrečiai su suvirinimo elektros kabeliais - laikykitės mažiausiai 300 mm atstumo, o jei atstumas neįmanomas, sukryžiuokite juos 90° kampu.
3. Naudokite susuktos poros kabelius - susukus signalo ir grįžtamuosius laidininkus, efektyvusis kilpos plotas diferencialiniam signalui sumažėja beveik iki nulio.

Atstumo reikalavimai:

Suvirinimo srovė	Minimalus atskyrimas (signalo ir maitinimo kabelis)
< 200 A (MIG/MAG šviesa)	100 mm
200-500 A (MIG/MAG)	200 mm
500-3 000 A (atsparumo taškas, šviesa)	300 mm
3 000-10 000 A (taškinis pasipriešinimas, vidutinis)	500 mm
> 10 000 A (taškinis atsparumas, sunkus)	1 000 mm arba vamzdžių atskyrimas

Ferito šerdies slopinimas

Feritinės šerdys (užmaunami ferito rutuliukai arba toroidinės šerdys), sumontuotos ant jutiklių kabelių, slopina aukšto dažnio pereinamuosius vyksmus, nes sudaro didelę varžą bendrojo režimo srovėms:

$Z_{feritas} = 2\pi f \times L_{feritas}$

10 µH induktyvumo feritinės šerdies, veikiančios 1 MHz dažniu:

$Z_{feritas} = 2\pi \ kartų 10^6 \ kartų 10 \ kartų 10^{-6} = 62,8 \mega$

Tokia varža riboja aukšto dažnio pereinamąją srovę, kuri gali tekėti kabeliu, todėl sumažėja įtampos šuolis, pasiekiantis jutiklio elektroniką.

Ferito šerdies montavimas:

• Vieną ferito šerdį sumontuokite per 100 mm nuo jutiklio jungties.
• Per 100 mm nuo PLC įvesties gnybto sumontuokite vieną feritinę šerdį
• Jei kabelis ilgesnis nei 10 m, kabelio viduryje sumontuokite papildomą ferito šerdį.
• Kad padidintumėte efektyvųjį induktyvumą, 3-5 kartus pervyniokite kabelį per ferito šerdį.

Suvirinimo celės įžeminimas: Sistemos lygmens sprendimas

Įžeminimo kontūro srovės yra sistemos lygmens problema - jos negalima visiškai išspręsti jutiklio lygmeniu. Tinkamas sprendimas - tinkamai suprojektuota suvirinimo kameros įžeminimo sistema:

1 taisyklė: žvaigždės įžeminimo topologija
Visos įžeminimo jungtys suvirinimo kameroje turi būti sujungtos su vienu žvaigždės tašku - suvirinimo maitinimo šaltinio įžeminimo gnybtu. Suvirinimo kameroje neturi būti jokių įžeminimo jungčių su mašinos rėmo ar pastato konstrukcijos įžeminimu.

2 taisyklė: Specialus suvirinimo grįžtamasis kabelis
Suvirinimo grįžtamoji srovė turi tekėti tik tam skirtu grįžtamuoju kabeliu, kurio dydis turi būti toks, kad praleistų visą suvirinimo srovę, o varža būtų mažesnė nei 5 mΩ. Nepakankamai dideli grįžtamieji kabeliai verčia srovę ieškoti lygiagrečių kelių per mašinos konstrukciją.

Grįžtamojo kabelio dydžio nustatymas:

$A_{grįžti} \geq \frac{I_{weld} \times L_{return}}}{R_{max} \ kartus \sigma_{Cu}}$

10 000 A suvirinimo srovei, 5 m grįžtamajam kabeliui, maksimali varža - 5 mΩ:

$A_{grįžti} \geq \frac{10,000 \ kartų 5}{0.005 \ kartų 58 \ kartų 10^6} = 172 \text{ mm}^2$

Reikalingas 185 mm² suvirinimo grįžtamasis kabelis, kuris paprastai nurodomas kaip 2 × 95 mm² lygiagrečiai sujungti kabeliai, kad būtų užtikrintas lankstumas.

3 taisyklė: Izoliuokite jutiklio kabelio ekranus nuo suvirinimo įžeminimo
Signalo įžeminimas (jutiklio kabelio ekrano jungtis) turi būti atskirtas nuo suvirinimo maitinimo įžeminimo. Signalo įžeminimą prijunkite prie PLC spintos apsauginio įžeminimo (PE) - ne prie suvirinimo maitinimo šaltinio įžeminimo ar mašinos rėmo suvirinimo kameroje.

Išsamus suvirinimo aplinkos jutiklių specifikacijų kontrolinis sąrašas

Specifikacijos elementas	Standartinė aplinka	Suvirinimo aplinka
Jutiklių technologija	Nendrinis jungiklis arba Holo efektas	Indukcinis suvirinimo imunitetas
EMI atsparumo įvertinimas	IEC 61000-4-5 2 lygis (±1 kV)	IEC 61000-4-5 4 lygis (±4 kV)
Korpuso medžiaga	PBT plastikas	SS304 / SS316 nerūdijantis plienas
Kabelio apvalkalas	PVC	Silikonas arba PTFE
Kabelio apvalkalas (kraštutinis)	PVC	PTFE + SS pynė
Apsauga nuo įsiskverbimo	IP65	Mažiausia IP67, pageidautina IP69K
Kabelių ekranavimas	Pasirinktinai	Privalomas, įžemintas vienas galas
Ferito šerdys	Nereikalaujama	Reikalinga abiejuose galuose
Kabelio atskyrimas nuo suvirinimo galios	Nenurodyta	Ne mažiau kaip 300-1 000 mm
Montavimo įranga	Aliuminis / plastikas	SS304 / SS316 nerūdijančio plieno
Nuo purslų apsauganti danga	Nereikalaujama	Rekomenduojama (pakartotinai naudoti kas 4 savaites)
Montavimo padėtis	Bet kuris	Pageidautinas šešėlinis montavimas

"Bepto" suvirinimo aplinkos cilindro jutiklis: Produkto ir kainos nuoroda

Produktas	Technologijos	Būstas	Kabelio apvalkalas	EMI reitingas	IP	OEM kaina	"Bepto" kaina
WI-M8-SS-SI	Indukcinis suvirinimo imunitetas	SS316	Silikonas 2 m	±4 kV	IP67	$45 - $82	$28 - $50
WI-M8-SS-PT	Indukcinis suvirinimo imunitetas	SS316	PTFE 2m	±4 kV	IP67	$55 - $98	$34 - $60
WI-M8-SS-SB	Indukcinis suvirinimo imunitetas	SS316	PTFE+SS pynė 2 m	±4 kV	IP69K	$72 - $128	$44 - $78
WI-M12-SS-SI	Indukcinis suvirinimo imunitetas	SS316	Silikonas 2 m	±4 kV	IP67	$48 - $86	$29 - $53
WI-M12-SS-SB	Indukcinis suvirinimo imunitetas	SS316	PTFE+SS pynė 2 m	±4 kV	IP69K	$78 - $138	$48 - $84
WI-T-SS-SI	Indukcinis suvirinimo įtaisas (T lizdas)	SS316	Silikonas 2 m	±4 kV	IP67	$52 - $92	$32 - $56
WI-T-SS-SB	Indukcinis suvirinimo įtaisas (T lizdas)	SS316	PTFE+SS pynė 2 m	±4 kV	IP69K	$82 - $145	$50 - $89
FC-M8	Ferito šerdies rinkinys (M8 kabelis)	-	-	-	-	$8 - $15	$5 - $9
FC-M12	Ferito šerdies rinkinys (M12 kabelis)	-	-	-	-	$10 - $18	$6 - $11
SS-BRACKET	SS316 montavimo laikiklių rinkinys	SS316	-	-	-	$12 - $22	$7 - $13

Visi "Bepto" suvirinimo jutikliai tiekiami su diferencinėmis aptikimo grandinėmis, vidiniu TVS slopintuvu, kurio įtampa ±4 kV (IEC 61000-4-5 4 lygis), ir CE/UL sertifikatu. Suderinami su visais standartiniais ISO 15552 ir ISO 6432 cilindrų T ir C lizdų profiliais. Atlikimo trukmė 3-7 darbo dienos. ✅

Bendra nuosavybės kaina: Standartiniai ir atsparūs suvirinimui jutikliai.

Scenarijus: 24 cilindrų jutikliai varžinio taškinio suvirinimo kameroje, 6 000 valandų per metus.

Išlaidų elementas	Standartinis nendrinis jungiklis	Standartinis Hall efektas	"Bepto Weld-Immune
Jutiklio vieneto kaina	$8 - $15	$12 - $22	$32 - $56
MTBF suvirinimo aplinkoje	5 savaitės	11 savaičių	72 savaitės
Kasmetinis keitimas (24 jutikliai)	250	113	17
Metinės jutiklio medžiagų sąnaudos	$2,500 - $4,700	$1,700 - $3,100	$680 - $1,190
Pakeitimo darbai (po 30 min., $45/val.)	$5,625	$2,543	$383
Neplanuotos prastovos (2 prastovos per mėnesį)	$14,400	$7,200	$720
Bendros metinės išlaidos	$22,525 - $24,725	$11,443 - $12,843	$1,783 - $2,293

Nuo suvirinimo apsaugotas jutiklis kainuoja 3-4 kartus brangiau už vienetą ir užtikrina 10-14 kartų mažesnes bendras metines sąnaudas. Vieneto kainos padidėjimo atsipirkimas atsiperka per pirmąjį eksploatacijos mėnesį. 💰

Išvada

Cilindrinių magnetinių jutiklių gedimai suvirinimo aplinkoje nėra atsitiktiniai ar neišvengiami - tai nuspėjamas rezultatas, kai standartinei aplinkai skirti jutikliai naudojami aplinkoje su keturiais skirtingais ir gerai suprantamais gedimo mechanizmais. Spręskite visus keturis klausimus vienu metu: nurodykite suvirinimui atsparius indukcinius jutiklius su diferenciniu aptikimu, kad būtų užtikrintas atsparumas EMI ir magnetiniam laukui; nurodykite nerūdijančiojo plieno korpusus ir silikoninius arba PTFE kabelius, kad būtų užtikrintas atsparumas purslams; fizinei apsaugai naudokite šešėlinį tvirtinimą ir nerūdijančią aparatūrą; ir įgyvendinkite vieno galo ekrano įžeminimą, kabelių atskyrimą ir feritinių šerdžių slopinimą, kad būtų kontroliuojama laidų sistemos EMI. Naudodamiesi "Bepto", per 3-7 darbo dienas gaukite IEC 61000-4-5 4 lygio sertifikuotus jutiklius su SS316 korpusu ir PTFE kabeliais, apsaugotais nuo suvirinimo, už kainą, kuri leidžia sutaupyti 85-90% metinių išlaidų, palyginti su standartiniais jutiklių keitimo ciklais. 🏆

Dažniausiai užduodami klausimai apie cilindrų magnetinių jutiklių pasirinkimą suvirinimo aplinkoje

1. Techninė apžvalga, kaip veikia magnetiniai ritininiai jungikliai, ir jų fiziniai apribojimai didelių trukdžių aplinkoje. ↩

2. Išsamus paaiškinimas apie puslaidininkinius magnetinio lauko jutiklius ir jų taikymą pramoninėje automatikoje. ↩

3. Tarptautinis standartas, apibrėžiantis pramoninės įrangos atsparumo elektros viršįtampiams reikalavimus ir bandymo metodus. ↩

4. Inžinerinis vadovas apie tai, kaip TVS komponentai apsaugo jautrią elektroniką nuo aukštos įtampos pereinamųjų procesų ir EMI. ↩