Od měření k řízení

Průmyslový proces lze spolehlivě řídit jen tehdy, když víme, co se v něm skutečně děje. Fázové složení oceli, ionizaci částic v depoziční komoře, koncentrace plynů v plazmovém reaktoru nebo výška hladiny roztaveného kovu přitom nejsou veličiny, které by bylo možné jednoduše pozorovat pouhým okem.

Právě na jejich měření se zaměřil projekt Senzorika pro 21. století. Jeho výsledky nespojuje jediný typ senzoru ani jedna průmyslová oblast. Společným principem je nahrazovat odhady, zpětnou kontrolu a nastavování metodou pokus-omyl daty, která lze využít při vývoji materiálů, kontrole kvality i řízení výroby.

Co se skrývá uvnitř oceli a na jejím povrchu

Fázové složení oceli zásadně ovlivňuje její tvrdost, odolnost a životnost. Tým Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci proto vyvinul zařízení, které pomocí Mössbauerovy spektroskopie nedestruktivně určuje zastoupení austenitu, martenzitu, karbidů železa a dalších fází. Měřenou součást není nutné předem upravovat ani poškodit a detekční limit jednotlivých fází je pod 1 %.

Zařízení lze využít například ke kontrole zbytkového austenitu v ozubených kolech a pastorcích, analýze ložiskových kroužků nebo při optimalizaci tváření a tepelného zpracování oceli. Jedno ze zařízení již bylo instalováno v Třineckých železárnách a technologie byla ověřována také ve spolupráci se společnostmi COMTES FHT, Mubea a Sigma Group.

Druhý vyvinutý detektor se zaměřuje na změny, které probíhají pouze v mimořádně tenké povrchové vrstvě a při analýze celého objemu materiálu mohou zůstat skryté. Registrací konverzních elektronů dokáže určit fázové složení povrchu ocelových dílů do hloubky přibližně 500 nanometrů. Rozlišuje jednotlivé fáze i korozní produkty a může pomoci při studiu oxidace, koroze, opotřebení nebo vlivu různých způsobů opracování.

Měřit povlakování přímo během výroby

Tvrdé ochranné vrstvy nanášené na průmyslové nástroje nemusí mít v celé depoziční komoře stejné vlastnosti. Rychlost růstu povlaku i podíl ionizovaných částic se mění podle polohy povlakované součásti, výkonu zdroje, tlaku pracovního plynu, opotřebení terče a použitého materiálu.

Masarykova univerzita a společnost SHM proto vyvinuly senzor využívající dvě křemenné mikrováhy. První měří celkový tok částic, druhá pouze neutrální atomy. Z rozdílu lze určit podíl ionizované složky a popsat, jak se depoziční proces mění v různých částech komory.

Měření probíhala v průmyslovém zařízení DRAK společnosti SHM a posloužila k optimalizaci vrstev na bázi AlTiN a AlCrN i povlaku kombinujícího magnetronové naprašování s obloukovým napařováním. Výsledkem není pouze samotný senzor, ale také postup, jak konkrétní průmyslovou aparaturu proměřit a nastavit na základě dat místo zdlouhavého hledání vhodných parametrů metodou pokus-omyl.

Plazmatická platforma pro nové funkční materiály

Další výsledek vznikl ve Fyzikálním ústavu AV ČR. Plazmatická technologická platforma umožňuje připravovat polovodičové vrstvy a multivrstvy různými metodami reaktivního naprašování a sledovat, jak způsob depozice ovlivňuje jejich strukturu a funkční vlastnosti.

Výzkumníci na ní připravili a porovnávali například vrstvy oxidů cínu citlivé na vodík, fotoaktivní vrstvy TiO₂ pro hybridní detektory UV, rentgenového a gama záření a systémy ZnO/SnO₂:F pro fotoelektrochemické aplikace. Výsledky ukázaly, že vhodnou volbou plazmatické technologie a procesních parametrů lze cíleně ovlivňovat citlivost, elektrické vlastnosti i rychlost odezvy výsledného materiálu.

Nový princip detekce vodíku

S rozšiřováním vodíkových technologií roste také potřeba jejich bezpečného provozu. Vodík je vysoce hořlavý, není vidět ani cítit a jeho únik proto musí hlídat spolehlivé senzory.

Výzkumníci z Ústavu termomechaniky AV ČR vytvořili funkční vzorek chemirezistivního senzoru s nanostrukturovanou vrstvou Pt/WOx. Přítomnost vodíku rozpoznává podle změny elektrického odporu. Při testování reagoval na koncentrace od 0,1 objemového procenta a citlivá vrstva pracovala při teplotě 50 °C.

Zajímavý je také způsob výroby citlivého materiálu. Nanočástice vznikají pomocí elektrických výbojů přímo z čistých kovů a na nosnou vrstvu se nanášejí bez rozpouštědel a pojiv. Tým zároveň vytvořil testovací platformu pro nastavování koncentrace vodíku a sledování odezvy senzoru. Výsledkem zatím není hotový detektor připravený pro průmyslové nasazení, ale ověřený princip, na který může navázat další vývoj rychlosti odezvy, selektivity a dlouhodobé stability.

Testování senzorů v různých částech plazmového reaktoru

Samostatný výsledek projektu řeší obecnější otázku, jak senzory ověřovat v podmínkách odpovídajících skutečnému plazmovému procesu. Teplota, proudění i složení plynné směsi se totiž v jednotlivých částech reaktoru výrazně mění, zatímco běžné laboratorní aparatury zpravidla umožňují měření pouze v jednom místě.

Ústav fyziky plazmatu AV ČR a Fyzikální ústav AV ČR proto vyvinuly vícekomorovou mikrovlnnou plazmovou aparaturu Multichamber. Do jejích čtyř měřicích komor lze současně instalovat teplotní a plynové senzory a porovnávat jejich chování v různých vzdálenostech od plazmového výboje. Numerický model zároveň předpovídá proudění plynů, koncentrace jednotlivých složek plynné směsi a rozložení teploty v různých částech reaktoru.

Funkčnost zařízení byla ověřena při plazmovém rozkladu metanu, během kterého vznikal vodík a uhlíkové nanočástice. Aparatura může sloužit k vývoji, kalibraci a ověřování senzorů i k návrhu budoucích plazmochemických technologií.

Když naměřená data převezmou řízení procesu

Nejblíže k přímému automatickému řízení výroby se posunul systém pro plazmové tavení kovů, který vyvinuly Advanced Metal Powders a Technická univerzita v Liberci. Při tomto procesu se předslitinové tyče taví plazmovým obloukem a roztavený kov tuhne v chlazeném krystalizátoru do podoby ingotu pro další zpracování.

Intenzivní záření plazmatu však běžný kamerový obraz přesvětluje a komplikuje sledování hladiny taveniny. Vyvinutý systém proto kombinuje chlazenou kameru, spektrální optické filtry a model umělé inteligence. AI v reálném čase rozpoznává výšku hladiny a předává ji řídicímu systému, který podle naměřeného vývoje automaticky upravuje rychlost tažení materiálu z krystalizátoru.

Technologie byla ověřena při 14 tavbách, včetně zpracování tyčí vyrobených technologií HPAM. Ve standardních provozních podmínkách se řízení chovalo stabilně a předvídatelně. Před nasazením do plně bezobslužného provozu bude ještě nutné dokončit testování kritických situací a doplnit záložní bezpečnostní mechanismy.

Od jednotlivých měření k lépe řízené výrobě

Výsledky projektu mají různou úroveň připravenosti. Některá zařízení již byla ověřena v průmyslových podmínkách nebo instalována přímo ve firmách, jiná představují funkční vzorky a experimentální platformy pro navazující vývoj. Společně ale ukazují, jak širokou roli může senzorika v moderním průmyslu hrát.

Umožňuje odhalit změny uvnitř materiálů i na jejich povrchu, sledovat parametry výrobních procesů, ověřovat nové senzory v náročném prostředí a získaná data využívat k automatickému řízení. Právě propojení výzkumných pracovišť s průmyslovými partnery pomáhá převádět tyto možnosti z laboratorních experimentů do konkrétních aplikací.

O projektu

Projekt Senzorika pro 21. století byl součástí Národního centra kompetence pro materiály, pokročilé technologie, povlakování a jejich aplikace (NCK MATCA), podpořeného Technologickou agenturou ČR.