Для проверки наклеек подготовлен такой испытательный стенд.
Стенд
Внутри стального щита IEK размещен алюминиевый блок, внутри которого установлен нагреватель от экструдера 3Д принтера, термопару ХА (К-типа) и всё это подключено к терморегулятору REX C100. Выход терморегулятора через твердотельное реле управляет понижающим трансформатором, который нагружен на нагреватель.
В алюминиевом блоке насверлены порты для зажатия проводов разного сечения, например, на фото ниже зажат многожильный провод примерно на 16 мм2. Чтобы не нарушать воздухообмен в щите, но при этом оставить возможности делать фотки и видео, вырезана из оргстекла дверца на замену штатной. Отверстия в щите специально оставлены для имитации негерметичности, суммарная площадь всех отверстий примерно эквивалентна дырке диаметром 60 мм на щит объёмом 45 литров.
В итоге нагревающийся блок имитирует нагрев контакта, тепло от которого уходит в жилу зажатого провода. Для дополнительного измерения также в разных зафиксирована термопара, подключённая к электронному термометру (красный циферблат слева). Таким образом, можно определить температуру срабатывания наклейки, разницу между температурой «контакта» и температурой на поверхности провода в месте установки наклейки. Также можно влиять на скорость нагрева.
Есть много разных индикаторов, необратимо изменяющихся от температуры. (Есть ещё и обратимые, которые просто своим цветом показывают текущую температуру, но это совсем другая история) Один из видов — это так называемые time-temperature indicator. Их ещё можно назвать химическими.
При активации в них начинают реагировать компоненты, необратимо меняя цвет. Причём скорость этого процесса зависит от температуры (потому они и называются time-temperature время-температурные), чем выше температура — тем быстрее протекает химическая реакция и изменится цвет. Такие индикаторы идеально подходят для контроля срока годности продуктов!
Они позволяют увидеть и забраковать продукты, если по документам они годны ещё 4 дня, но, из-за того что они полежали пол дня в тепле, наклейки поменяли цвет. Для нужд мониторинга состояния электрических контактов они не подходят, будучи активированными, они как тикающие часы всё равно сработают, даже если нагрева нет. Поэтому требуется другой принцип, заложенный в наклейки.
Термоиндикаторы плавления используют не химический, а физический процесс. На подложку нанесена кашица из частичек специально подобранного воскоподобного материала, который имеет чёткую температуру плавления. Пока нет нагрева — наклейка может сохранять белый цвет неограниченно долго. Но стоит хоть раз нагреть наклейку до температуры плавления — кашица расплавится и станет прозрачной. Если температура опустится — масса затвердеет, но всё равно останется прозрачной, и через нее будет просвечивать подложка. Как сахар-песок в блюдце, стоит хоть раз нагреть до 186 градусов Цельсия — и он расплавится и застынет карамелью, через которую будет просвечивать рисунок блюдца. Производители часто наносят на одну подложку несколько составов на разные температуры, что позволяет не только выявить факт нагрева, но и определить до какой температуры был нагрев
Производителей термоиндикаторов плавления не очень много, в России известно производство Термоэлектрика, чьи термоиндикаторы также продаются под торговой маркой lesiv. (Алексей Лесив — это как раз химик — разработчик).
Если присмотреться — то отечественные наклейки выглядят попроще, некоторые варианты не имеют даже защитной прозрачной плёнки, термоактивный состав нанесен на пластиковую подложку, можно даже ногтем поскрести. Но оказалось, что это результат бОльшего совершенства наклеек.
Британские наклейки в качестве подложки используют… бумагу! Прозрачная защитная плёнка им нужна, так как адгезия термоактивного состава к поверхности очень плохая, он буквально осыпается, если содрать её. У круглых наклеек бумажная основа, покрытая плёнкой. У прямоугольных чёрная бумажная полоска с составом вклеена в бутерброд из пластиковых плёнок.
Даже если оставить за скобками влагостойкость, у британских наклеек серьёзная проблема — они поддерживают горение, а наши просто затухают, как изолента. В остальном принцип работы одинаков, температура срабатывания выдерживается. Термоактивный состав похоже разный, у британских при затвердевании явно растут кристаллы, у отечественных сохраняется аморфность, впрочем на потребительские свойства это не влияет.
Также была проверена устойчивость термоактивного слоя на отечественных наклейках к растворителям (неустойчив, особенно к полярным растворителям, но с водой не реагирует), поэтому, если есть контакт с ГСМ, то лучше выбирать вариант с защитным покрытием или самостоятельно обернуть слоем скотча.
Следующий этап тестирования: на стенде — они срабатывали при заявленной температуре, погрешность порядка ± 5 градусов Цельсия. Изменение цвета наклеек резкое и чёткое, то есть ситуация «не ясно, то ли сработала, то ли нет, цвет где-то между» минимальна. К липучести тоже претензий нет — прилипает как хорошая изолента, отдирать тяжело. Подложка наклейки, если приложить усилие, тянется как изолента, а не рвётся, как скотч.
На макросъёмке видно, как термоактивный слой плавится и рисунок, характерный для нанесения состава методом шелкографии:
Очередная проверка — попытка измерять температуру поверхности разных проводов и кабелей, из чего родилась картинка. На удивление, толщина изоляции влияет меньше, чем предполагалось, важнее оказалось именно расстояние:
Вывод: в целях контроля состояния контактов, наклейки нужно лепить непосредственно на шину или провод в 10-15 мм от места соединения.
На расстояниях больше 60 мм, наклейка будет видеть уже нагрев самого проводника от протекающего тока, нежели нагрев от плохого контакта. Если лепить на корпус прибора, то в непосредственной близости от контакта с минимальным воздушным зазором внутри. Наклеивание на лицевые поверхности неэффективно.
Выбор наклейки
Есть официальные рекомендации производителя, но позволю себе их упростить:
- Если у нас голая токоведущая шина или неизолированный наконечник, то в непосредственной близости применяем наклейку 90°C .
- Если у нас проводник покрыт изоляцией, то используем наклейку 70°C, если изоляция толстая, то можно и 60°C.
- Если объект (не обязательно контакт, это может быть корпус редуктора или корпус прибора) в процессе работы нагревается, то приклеиваем наклейку с несколькими точками-индикаторами, например, 50-70-90 или 70-80-90-100 и эксплуатируем под предельной нагрузкой. Если при нормальной эксплуатацией у нас сработала метка на 50, значит меткой — показателем проблем будет следующая ступень — 70°C.
- Если наклейка будет постоянно шоркаться, например, на кабеле рядом с разъёмом, то берём версию с защитной плёнкой, или самостоятельно обматываем 1-2 слоями прозрачного скотча.
Как приклеить наклейку:
Наклейка в своём поведении самая обычная, поэтому на грязь не липнет — место приклейки необходимо очистить. Если к поверхности наклейка липнет плохо (например, провода с изоляцией из фторопласта, полиэтилена, или поверхность шершавая), то оборачиваем наклейку вокруг провода и склеиваем край липким слоем сам на себя, как флажок. При этом работать будет не вся поверхность наклейки.
Наклейку клеим так, чтобы она была видна и не приходилось крутить головой в поисках меток. Метка размещается рядом с каждым контактом и важно, чтобы она была приклеена без пузырей, которые сработают как теплоизолятор и повысят температуру срабатывания. Размер наклейки выбираем соответственно диаметру провода и расстояния, с которого на наклейку будут смотреть — чем дальше наблюдатель — тем крупнее наклейка. Наклейка должна оборачивать провод только в один слой.
Термоклипсы
Safe connect — пластиковые клипсы, которые меняют цвет при нагревании. Клипса в чём-то удобнее наклейки, ее быстрее установить, она смотрится аккуратнее, ее проще заменить. На анимации видно, что она вполне работает как заявлено:
А дальше начинаются загадки. На клипсе видно следы от формы термопластавтомата, то есть она изготовлена из расплава пластика. Материал клипсы — полиэтилен/полипропилен с добавками антипиретиков, самозатухает. Под микроскопом видно, что не сработавшая клипса имеет внутри фиолетовые кристаллики, а в сработавшей они растворяются, и она становится равномерно розовой. Цвет клипсы в массе однороден.
Наклейки с газом
От термоиндикаторных наклеек нет толку, если на них никто не смотрит. И даже при идеальной дисциплине соблюдения регламента возможна ситуация, когда оборудование столь нагружено, что лёгкий нагрев контакта может перерасти в его разрушение за короткое время, что весь процесс успеет произойти в период между осмотрами. В таком случае интересно использование наклейки, которая сама сообщит о том, что она сработала от нагрева.
Для этого в неё в форме микрокапсул заключён сигнальный газ. При нагреве капсулы разрушаются и газ выходит наружу. Внутри щита при этом установлен датчик, который реагирует на появление газа и поднимает тревогу. А дальше по ситуации, возможно внеплановое обслуживание, а можно и отключение с переходом на резерв.
Первый вопрос любопытного инженера — что за газ в наклейке содержится и как он там удерживается?
В качестве сигнального газа нам нужен нетоксичный, негорючий газ, при этом химически неактивный — мы не хотим коррозии. Желательно, что б он не обладал острым запахом, при этом он должен быть высокомолекулярным. Маленькие молекулы простых газов будет тяжело хранить в полимерной оболочке — даже углекислый газ из газировки диффундирует сквозь стенку ПЭТ бутылки. Газа должно храниться много, поэтому желательно, чтобы он при нормальных условиях представлял собой жидкость, вскипая и испаряясь при нагреве — так его можно заключить в капсулы в жидком виде. Ну и конечно же для него должен быть какой-то недорогой и чувствительный датчик.
В качестве такого чудо-газа используется один из фреонов. Фреоны не токсичны, не горят, химически не агрессивны. Например, вы один такой точно видели — Novec 1230 (1,1,1,2,2,4,5,5,5-нонафтор-4-(трифторметил)пентан-3-он), он же «сухая вода» во множестве забавных роликов в интернете. При этом можно по каталогам подобрать марку фреона, чтобы переход из жидкого состояния в газообразное происходил при подходящей нам температуре, что вместе с подбором условий формирования оболочек капсул позволит добиться его обильного выделения при пороговой температуре.
На гифке ускоренный процесс выхода газа из полимера наклейки. Температура активации 80°C, в стакан я налил кипяток. Видно, что газа в полимере инкапсулировано довольно много:
Собственно процесс получения материала с инкапсулированным газом, методы обеспечения стабильности его характеристик — главное ноу-хау производителя. При комнатной температуре наклейки стабильны — за два года (1 год они лежали у производителя, второй год у меня не доходили руки сделать обзор, за что мне стыдно) они не выдохлись. При нагреве до пороговой температуры они начинают щёлкать и поверхность вспучиваться — газ разрывает оболочки капсул и выходит наружу. Взвесив массу до и после, можно определить количество газа — почти 1 грамм, что практически 50% от массы наклейки (вместе с клеевым слоем и защитной бумагой, и это в самом маленьком типоразмере наклеек).
Ниже видео процесса выхода газа при нагреве наклейки, ускоренное в много раз (весь процесс занял минут 10). Температура активации наклейки 80°C. Метки справа позволяют понять, какая из наклеек в щите выпустила газ, они меняют цвет от нагрева:
Второй вопрос любопытного инженера. Как этот газ обнаруживается?
На производстве использовали проверенный массовый полупроводниковый датчик газа с покрытием из оксида олова. Причём не китайский, а японский, например, SP-42A (Даташит).
Датчик подключён к микроконтроллеру, так что о появлении сигнального газа устройство может сообщить как замыканием контакта реле, так и по шине в головное устройство, производитель называет его КПУ (Контрольно-Приёмное Устройство). Сенсор для работы требует разогрева до рабочей температуры, так что системе после включения нужно время, чтобы выйти на режим.
Но есть и плохая новость — у всех подобных полупроводниковых датчиков газа всё плохо с селективностью. Он хоть конкретно заточен под фреоны, но «видит» все горючие газы, углеводороды, пары растворителей. Вот график из справочного листка на датчик SP-42A показывающий чувствительность к разным газам:
Получается основную функцию — поднять тревогу при появлении сигнального газа он выполняет — ведь в нормальных условиях ничего кроме воздуха в щите быть не должно. Однако, при появлении в атмосфере щита посторонних газов, он их также воспримет за сигнальный и поднимет тревогу, которая окажется ложной.
Отсюда важное следствие — если в помещении работают или хранят разное летучее нехорошее, например, в автомастерской, то возможны ложные срабатывания. Впрочем производитель предусматривает вариант размещения дополнительного датчика снаружи щита, чтобы определять значение концентрации газов вне щита, но это не совсем базовая функциональность. Ну и естественно на время лакокрасочных работ при ремонте, систему придётся отключить.
Как ведут себя наклейки при температурах лишь немного ниже пороговых?
Например, у газовыделяющей наклейки декларирована температура срабатывания 80°C, а она длительно работает при температуре 75°C, не получится ли, что она будет потихоньку терять газ и выдыхаться раньше времени?
И похоже это та самая ахилесова пята системы. Должно сложиться два фактора — очень медленный рост температуры, растянутый на недели и негерметичность щита. Тогда газ будет постепенно выделяться из наклейки и уходить из щита через неплотности, не позволяя создать критическую концентрацию. Отсюда важное ограничение — если щит не герметичен и имеет вентиляцию, то надёжность обнаружения перегрева резко снижается. Но без такого интенсивного проветривания система срабатывала стабильно, если правильно помню документацию — сработать должно уже при 20% выделенного наклейкой газа, так что запас заложен солидный.
Вопросы по работе датчиков
А как проверять, что датчик не потерял нюх?
В документации указано, что вроде сейчас предусмотрен специальный аксессуар — пшикалка с сигнальным газом. Так что нет проблем проверить, что датчик работает.
А как проверить, что наклейка от старости не выдохлась?
Никак, поэтому на ней есть дата производства и должен быть журнал с отметкой о дате установки. Наклейки просто нужно менять по плану, как например, огнетушители. Да, дорого, но используется там, где последствия от сгоревших контактов ещё дороже.
А как понять, какая из наклеек выделила газ?
Производитель предусмотрел для этого на газовыделяющей наклейке термоиндикаторные метки, при нагреве не только выделяется газ, но и цвет метки необратимо меняется с белого на чёрный. Но есть небольшой нюанс — метки сделаны с одной стороны, поэтому если наклейку прилепить так, что термоиндикаторы останутся на торчащем в воздухе конце метки, то газ выделится, а вот термоиндикатор может не сработать.
Итог
Термоиндикаторные наклейки полностью соответствуют заявленным свойствам и в силу их простоты тут ничего кроме как «внедрять», не сказать) Причём они доступны для частного лица по цене, и ими можно обклеить все проводники в домашнем щите, особенно если их скупердяйски порезать на кусочки поменьше. Порог вхождения в контроль нагрева контактов гораздо ниже, чем с тепловизором.
Газовыделяющие наклейки очень интересны. К сожалению, я не в состоянии провести полномасштабные испытания (это долго и дорого), но те опыты в миниатюре, что я провёл, показали, что наклейки работают, концепция имеет право на жизнь. Технология не без ограничений, к сожалению, так что панацеей не станет. Но по сравнению с другими технологиями непрерывного контроля состояния контактов — весьма изящное решение. Причём, тут я снимаю шляпу, доведённое до серийного изделия, а не лабораторный прототип.
Выводы:
- Термоиндикаторные наклейки — очень простой и относительно дешёвый метод контроля состояния электрических соединений, позволяют вовремя выявить и отремонтировать плохой контакт, до того как он сгорит.
- Термоактивируемые газовыделяющие наклейки интересное решение. Оно работает, производитель не врёт, но решение имеет ряд особенностей и подходит не для всех условий.
- Наклейки — лишь дополнительный инструмент. Ими нельзя решить проблемы, которые решаются административно-организационными методами.