1 دسامبر 2021 توسط Fraunhofer-Gesellschaft
تصویر 1: برد مدار سرامیکی با مدارهای مجتمع مقاوم در برابر دماهای بالا. اعتبار: Fraunhofer IZM
در حال حاضر، صنعت فاقد حسگرهای قوی است که بتواند در برابر دما و فشار بسیار بالا مقاومت کند. هشت موسسه Fraunhofer اکنون یک پلت فرم فناوری برای ساخت این نوع سیستم حسگر به عنوان بخشی از پروژه فانوس دریایی “eHarsh” ایجاد کرده اند. اینها حتی قادر به نظارت بر داخل توربین ها و گمانه های عمیق برای سیستم های زمین گرمایی هستند.
آنها ارتعاشات مخرب را حس می کنند، هشدارهایی را هنگام داغ شدن دستگاه صادر می کنند و می توانند اجزای آسیب دیده را در خط تولید شناسایی کنند. سنسورها نقش کلیدی در فرآیندهای تولید امروزی دارند. خطوط تولید کامل با استفاده از دستگاه های حسگر قابل اعتماد و چشم مصنوعی مدیریت می شود. با این حال، هنوز امکان استقرار این دستیاران مراقب در هر زمینه ای از صنعت وجود ندارد. سنسورهای معمولی در محیط هایی که به عنوان بسیار خشن طبقه بندی می شوند، دوام زیادی ندارند. این موارد شامل داخل نیروگاه ها یا توربین های هواپیما و گمانه های موجود در زمین است که دما و فشار بالاست. حسگرها نیز توسط گازها و مایعات تهاجمی یا گرد و غبار آسیب می بینند. برای رفع این مشکل، هشت مؤسسه Fraunhofer در پروژه “eHarsh” برای توسعه اولین حسگرهای بسیار قوی برای محیط های بسیار خشن به نیروها پیوستند. هولگر کاپرت، هماهنگ‌کننده eHarsh از مؤسسه Fraunhofer برای مدارهای میکروالکترونیک و سیستم‌های IMS، می‌گوید: ما دانش عمیق زیادی در درون مؤسسه‌های فردی داریم. ما چیزهای زیادی در مورد سرامیک های مقاوم در برابر گرما می دانیم و توانایی آزمایش خواص مواد و تولید مدارهای میکروالکترونیک قوی را داریم. هر چند به تنهایی، هیچ یک از ما قادر به ایجاد این نوع سنسور نبودیم. این فقط از طریق همکاری و ترکیبی از بسیاری از فن آوری های فردی که ما توانستیم موفق شویم.
پردازش سیگنال درست در سایت
این تیم ابتدا روی کاربردهایی با دما و فشار بالا – توربین ها و گمانه های فوق الذکر – متمرکز شد. هدف فقط ترکیب فشار قوی و عناصر حرارتی در توربین‌ها و گمانه‌ها نبود، بلکه شامل اجزای الکترونیکی برای ارزیابی اندازه‌گیری‌ها بود.
هولگر کاپرت می گوید: مزیت وجود قطعات الکترونیکی در محل و پردازش سیگنال در خود حسگر این است که کیفیت سیگنال های حسگر را بهبود می بخشد. همچنین به این معنی است که می‌توانیم در آینده حسگرها را بهتر شبکه کنیم و در تلاش کابل‌کشی صرفه‌جویی کنیم. این به ویژه در موتورهای هواپیما مفید است زیرا وزن آنها را کاهش می دهد. این موتورها پیچیده هستند. جریان هوا، ولتاژ و توان الکتریکی بسته به وضعیت پرواز باید به دقت کنترل شوند. با استفاده از سنسورهای کوچک و قوی در داخل موتور، می توان وضعیت موتور را اندازه گیری کرد و فرآیند احتراق را با دقت بسیار بیشتری در آینده کنترل کرد تا به عنوان مثال، سوخت به طور موثرتری مصرف شود.
پوشش سنسور از فلز و عناصر حسگر از سرامیک ساخته شده است که می تواند در برابر دمای 500 درجه سانتیگراد مقاومت کند. لوازم الکترونیکی داخلی می تواند حدود 300 درجه سانتیگراد را تحمل کند. یک چالش این بود که اجزای مختلف را با هم ترکیب کنیم تا با وجود اینکه از موادی ساخته شده‌اند که با سرعت‌های مختلف منبسط و منقبض می‌شوند، حتی در صورت گرم شدن و سرد شدن مکرر از هم جدا نشوند. از جمله مواد مورد استفاده، بردهای مدار سرامیکی مقاوم در برابر حرارت و رساناها با مخلوط تنگستن بود که برای رشته‌های لامپ نیز استفاده می‌شود.
سنسورهای سیستم های زمین گرمایی
سنسورها نه تنها در برابر حرارت مقاوم هستند، بلکه می توانند فشارهای تا 200 بار را نیز تحمل کنند – تقریباً صد برابر فشار یک لاستیک ماشین. یکی از کاربردهای آینده این حسگرها در پمپ های سیستم های زمین گرمایی است. در سیستم های زمین گرمایی، ساختمان ها با آب گرم زمین گرم می شوند. پمپ ها در عمق گمانه قرار دارند و باید بتوانند گرما و فشار را در آن عمق تحمل کنند. این حسگرهای جدید امکان نظارت بر پمپ ها را به راحتی و به صورت دائمی فراهم می کنند. این امکانات پیشرفته همچنین می تواند به سازندگان ماشین کمک کند تا عمر مفید حسگرهای خود را آزمایش کنند. این آزمایش‌ها قطعات را در معرض فشار یا دماهای بالا قرار می‌دهند تا سریع‌تر پیر شوند و این امر تعیین عمر مفید محصول را در یک بازه زمانی قابل کنترل ممکن می‌سازد. اگر سنسورها قادر به عملکرد در شرایط شدیدتر باشند، امکان اجرای تست ها با بار بالاتر وجود خواهد داشت که به طور قابل توجهی زمان تست را کاهش می دهد.
هولگر کاپرت می‌گوید: به طور کلی، ماهیت بین رشته‌ای eHarsh به ما این امکان را داده است که با موفقیت یک پلت فرم فناوری برای سیستم‌های حسگر قوی برای کاربردهای مختلف توسعه دهیم.
