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Rilevamento di strati di olio su superfici metalliche: metodi di misura a confronto

Rilevamento di strati di olio su superfici metalliche: metodi di misura a confronto

25 Gennaio 2021

Sensor Instruments: Nella lavorazione dei metalli durante il processo di formatura, l'uso di oli è essenziale. Ad esempio, gli oli da taglio applicati sui nastri metallici garantiscono una bassa usura degli utensili di tranciatura. Ma anche nei processi di lavorazione ad asportazione di truciolo, gli oli per foratura danno un contributo indispensabile alla protezione degli utensili di perforazione e fresatura. Inoltre, gli oli servono come protezione anticorrosione di prodotti semilavorati come le lamiere ma anche i fogli di metallo. Dopo un'ulteriore lavorazione, invece, è necessario rimuovere i residui di olio dai prodotti finiti il più possibile senza lasciare di residui. A tale scopo vengono utilizzati speciali sistemi di pulizia in cui le parti metalliche vengono lavate e soffiate.

Per rispettare le direttive di protezione ambientale durante l'applicazione dell'olio e per tener conto anche degli aspetti economici, è consigliabile determinare la quantità di olio applicata. Nel frattempo, la determinazione della rispettiva quantità di olio può essere effettuata anche INLINE. A tale scopo sono disponibili diversi metodi di misura, che saranno trattati più approfonditamente nelle sezioni seguenti. Il processo di pulizia può essere monitorato con lo stesso sistema di sensori. La sfida in questo caso, tuttavia, è quella di rilevare in modo affidabile la quantità minima possibile di residui di olio INLINE. In particolare nel caso di componenti elettricamente conduttivi, come i binari in rame o le linee di potenza, è richiesta la più bassa resistenza di contatto possibile, ma uno strato di olio residuo costituirebbe un problema a questo proposito, in quanto comprometterebbe l'efficienza energetica in misura non trascurabile.

Come si è svolto praticamente il controllo finora?

Quando si misurano gli strati di olio, si pensa innanzitutto ad un determinato spessore dello strato, misurato ad esempio in µm. Un metodo comune per misurarlo sarebbe quello di determinare innanzitutto la grammatura del film di olio. Tuttavia, per fare questo, occorre stabilire il peso dell'intero componente. Per farlo il prerequisito è disporre di una bilancia precisa e di un componente esattamente identico, non oliato, per determinare la differenza di peso. Per poter dedurre lo spessore del rivestimento dalla grammatura, sono necessarie anche informazioni sulla densità del rispettivo olio e sulla superficie del rispettivo componente. La differenza di peso relativamente grande tra lo strato di olio effettivo e il peso del componente non gioca certamente a favore per determinare in modo esatto lo spessore dello strato di olio. Un'altra fonte di errore è la differenza di peso dei componenti (da componente a componente) quando non sono lubrificati.

La mancanza di semplici alternative alla determinazione diretta dello spessore dello strato è probabilmente la ragione per cui il metodo di determinazione della tensione superficiale del componente in esame sta diventando in pratica sempre più popolare. La presenza di un sottile strato di olio su una superficie metallica provoca una riduzione della tensione superficiale da oltre 50mN/m, allo stato non bagnato, a meno di 40mN/m allo stato oliato (a seconda dello spessore dello strato e del tipo di olio). I cosiddetti inchiostri di prova, che coprono complessivamente una gamma da 30mN/m a 50mN/m a intervalli di due (30mN/m, 32mN/m, 34mN/m, ...), vengono utilizzati per dimostrare la rispettiva tensione superficiale. L'inchiostro di prova viene applicato sull'area da testare utilizzando il pennello fornito nel flaconcino. Se l'inchiostro di prova si stacca dalla superficie formando perle, si utilizza analogamente l'inchiostro di prova immediatamente inferiore, fino a quando l'inchiostro non aderisce alla superficie per un periodo di tempo più lungo senza formare perle. La tensione superficiale si trova quindi tra gli ultimi due inchiostri di prova utilizzati. Occorre inoltre osservare che una diminuzione della tensione superficiale è accompagnata da un aumento dello spessore del film di olio.

I tre diversi metodi di misura

Metodo di misura 1: Assorbimento della radiazione UVC (lunghezza d'onda centrale di 265nm) da parte dello strato di olio

Come unità sensore viene utilizzato un sensore a fibra ottica(SPECTRO-1-FIO-UVC/UVC) in modalità luce riflessa. La sorgente luminosa è un LED UV con una lunghezza d'onda centrale di 265nm. Per mezzo di guide di luce in fibra di quarzo (R-S-A3.0-(3.0)-1200-22°-UV), la luce UVC viene diretta sulla sezione della superficie metallica da misurare e riflessa da essa, in parte diffusamente e in parte direttamente. Una parte della radiazione riflessa è diretta al rivelatore integrato nel sensore tramite il fascio del conduttore a luce riflessa. Una superficie metallica sgrassata che non sia stata bagnata con olio (il materiale e la struttura della superficie dovrebbero essere gli stessi delle misurazioni successive) serve come riferimento. Se c'è uno strato d'olio tra la superficie frontale del conduttore ottico e la superficie metallica, parte della luce UVC viene assorbita da essa sia durante il viaggio di andata che di ritorno. Sul lato del rivelatore si può così osservare una diminuzione del segnale. Se il sistema di sensori viene utilizzato per la misurazione INLINE, si raccomanda una distanza di lavoro della superficie frontale del conduttore ottico dalla superficie metallica di circa 5 mm. La divergenza del fascio è di 22° e lo spot luminoso occupa un diametro di circa 5mm sulla superficie metallica da esaminare. Per le misurazioni OFFLINE si utilizza un distanziale aggiuntivo (A3.0-OFL), che può essere fissato alla testa del conduttore ottico.

Metodo di misura 2: Eccitazione di uno strato di olio alla fluorescenza nel campo di lunghezza d'onda visibile utilizzando la luce UVA (lunghezza d'onda centrale di 365nm)

A questo scopo viene utilizzato un sensore di colore(SPECTRO-3-30-UV/BL-MSM-ANA), la cui unità di emissione è costituita da LED UV (lunghezza d'onda centrale di 365nm). Per le misurazioni INLINE si raccomanda una distanza di lavoro di 15 mm, ma con il distanziale (SPECTRO-3-15-d65-OFL) è anche possibile lavorare OFFLINE (in questo caso anche la distanza del sensore dall'oggetto è di 15 mm). A questa distanza l'area di rilevamento occupa un diametro di circa 12 mm.

I LED UV sono disposti ad anello, al centro del sistema di sensori si trova la parte ricevente, che può rilevare nel campo di lunghezze d'onda visibile per mezzo di filtri ottici a monte, mentre la luce UV è bloccata. Anche con questo metodo di misura si deve considerare che l'intensità della fluorescenza misurata dipende tra l'altro anche dalla superficie metallica, poiché questa funge da riflettore. È quindi assolutamente necessaria una taratura sulla rispettiva superficie o sulla rispettiva forma dell'oggetto.

Metodo di misura 3: Assorbimento della luce MIR (lunghezza d'onda centrale di 3µm) da uno strato di olio

L'unità di illuminazione è una sorgente di luce MIR a banda larga che copre un intervallo di lunghezze d'onda da circa 2µm a 6µm. Con l'aiuto di due ricevitori, che hanno filtri ottici diversi, viene effettuata una valutazione normalizzata del segnale. Il ricevitore 1 rileva in un campo di lunghezza d'onda stretto con una lunghezza d'onda centrale di circa 3µm, mentre il ricevitore 2, anch'esso operante in banda stretta, è dotato di una lunghezza d'onda centrale di circa 4µm. Il ricevitore 2 funge da riferimento, poiché il suo campo di lunghezza d'onda è impercettibilmente influenzato dallo strato di olio rispetto al campo di lunghezze d'onda del ricevitore 1. La superficie metallica, invece, si riflette in modo uniforme in entrambi i campi di lunghezza d'onda. Una valutazione normalizzata dei due segnali di misura fornisce informazioni sull'assorbimento dello strato di olio; il risultato è in gran parte indipendente dalla superficie metallica presente in ciascun caso. La distanza di misura dal sensore (SPECTRO-M-10-MIR/(MIR1+MIR2)) alla superficie metallica durante la misurazione INLINE è di 10 mm, il campo di rilevamento è di 10 mm di diametro. Non è stato possibile determinare una compromissione della misura a causa della luce ambientale (illuminazione interna a LED a luce bianca), di conseguenza è possibile lavorare con un'alta frequenza di misura (> 1 kHz). Per la misurazione OFFLINE è disponibile un distanziale(SPECTRO-M-30-OFL) che fornisce anche una distanza di misura della superficie metallica di 10 mm.

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