החשמל סטטי: הפרעות ביצור תעשייתי

Transcript

1 החשמל סטטי: הפרעות ביצור תעשייתי איל צדוק מהנדס מומחה לבקרת חשמל סטטי מנתח סיכונים של אוירה דליקה וציוד חשמלי ת.ד. 108, הילה 24953, טל: , פקס: , כל הזכויות שמורות

2 היווצרות אוירה דליקה הגדרה של אוירה דליקה: תערובת של אויר (חמצן) עם חומר דליק, המתקיימת בתוך נפח כל שהוא: ראקטור, מכל, צנרת, שק, דלי, חלל חדר, שטח פתוח. חומר דליק: עשוי להיות אורגני או אנאורגני. היווצרות אוירה: עשויה להיות מתוכננת או אקראית.

3 תחום הדליקות של אדים וגזים באויר גבולות ריכוז אדים דליקים באויר ב- % גבול תחתון - LEL גבול עליון - UEL

4 תחום הדליקות של אדים וגזים באויר גורמים המשפיעים על ריכוז התערובת הדליקה המשקל הסגולי של הגז / אדי החומר נקודת ההבזקה של הנוזל טמפרטורת הנוזל והסביבה כמות הנוזל הזמינה לאידוי / קצב שיחרור החומר לאויר שטח הפנים החופשי של הנוזל נדיפות הנוזל / לחץ האדים טופוגרפיה / תצורת הסביבה הפיסית תנועת האויר החופשי

5 תחום הדליקות של אבק וסיבים באויר גבולות הריכוז הדליק של חומר אבקתי באוויר הגבול התחתון: 60 gr/m 3 20 הגבול העליון: 6000 gr/m

6 תחום הדליקות של אבק וסיבים באויר,25 Watt המחשה חזותית של ריכוז אבק באוויר בריכוז אבק של ניתן להבחין,40 gr/m 3 במרחק 2 m מנורה חשמלית בעלת הספק של בנורה עצמה אלא רק בהילת האור שהיא מפיצה. לא

7 תחום הדליקות של אבק וסיבים באויר גורמים המשפיעים על ריכוז התערובת הדליקה המשקל הסגולי של החומר פיזור גודל החלקיקים של החומר טמפרטורת הסביבה כמות החומר הכללית הזמינה / קצב שיחרור החומר לאויר טופוגרפיה / תצורת הסביבה הפיסית תנועת האויר החופשי

8 נקודת ההבזקה וטמפרטורת הצתה עצמית - הקושי בהתאמתה למצב מעשי נקודת הבזקה - ריכוז מינימלי המאפשר הצתה והמשך בעירה. טמפ' הצתה עצמית - הטמפרטורה המינימלית שבה מתלקח החומר. שיטות בדיקה בתנאים מעבדתיים: Open Cup, Closed Cup כלי קיבול של 500 מ"ל בתוך תנור חם מקורות הצתה שונים תנאי סביבה מעשיים: טמפרטורת אויר, לחות יחסית, תנועת אויר. הסביבה: הנפח המעשי בו מתקיימת תערובת אדים/אויר.

9 הצתת חומר מתחת לנקודת ההבזקה שלו קיימים נוזלים שהתנהגותם בזרימה יוצרת אוירה דליקה מיוחדת: קרוסין - c FP = 70 סולר - c FP 40 מסתבר שהבועות מהוות אוירה דליקה בעלת רגישות גדולה להצתה. הצתת קרוסין בטמפרטורה של! 25 c אוירה דליקה של בועות

10 אנרגית הצתה מינימלית של חומר כמות האנרגיה המינימלית, הנדרשת להצתת חומר,.MIE

11 גורמים המשפיעים על אנרגית ההצתה ריכוז החומר בתערובת עם האויר (ריכוז אדים / ריכוז אבק) טמפרטורת החומר (הנוזל / האבק) אבק - גודל החלקיקים של החומר נוזל - קירבת הטמפרטורה לנקודת ההבזקה תרסיס - גודל הטיפות של הנוזל לחץ אטמוספרי של התערובת ריכוז החמצן בתערובת

12 היווצרות מטען אלקטרוסטטי במוצק/אבקה שינוע במערכת פניאומטית, בסרט, בחילזון טחינה, סינון, ניפוי, שפיכה בכלים ובציוד שפיכה מתוך שק של גרגרים/אבקות מילוי ממגורות - סילוסים מתכתיים, פלסטיים, הסעה במזין ויבראציוני או בתעלה משופעת בטון

13 צפיפות אופיינית של מטען אלקטרוסטטי באבקות nc/kg פעולה תעשייתית ניפוי שפיכה הובלה בחילזון טחינה רגילה טחינה במיקרונייזר שינוע פניאומטי צפיפות מטען חשמלי , ,000,000

14 היווצרות מטען אלקטרוסטטי בנוזל זרימה בצנרת (מתכתית או מבדדת) סינון נוזלים בכל סוג של מסנן התזה מפתח צינור או דיזות בחישה וערבוב עם וללא מוצקים פעפוע גזים בתוך נוזל או תמיסה צביעה בתרסיס (מכל ידני או ציוד ממוכן)

15 צפיפות אופיינית של מטען אלקטרוסטטי בנוזל אופן הזרימה זרימת נוזל בצינור מתכתי : זרימת נוזל בצינור עם מסנן ערך אופייני 10 µc/m µc/m 3 :30-150µ זרימת נוזל בצינור עם מסנן >: 30µ נוזלים לא-צמיגים (כגון קרוסין) µc/m נוזלים צמיגים בלתי-מוליכים µc/m סף הסיכון המעשי : 3 30 µc/m סף הבטיחות המומלץ: 2.65 µc/m 3

16 היווצרות מטען אלקטרוסטטי בצעידה של אדם על רצפה תהליך הצטברות מטעני חשמל בהפרדת הנעל מהרצפה (by Niels Jonassen )

17 היווצרות מטען אלקטרוסטטי בצעידה של אדם על רצפה כמות המטען החשמלי המצטברת על גוף אדם, תלויה בקיבול החשמלי של הגוף ובפוטנציאל החשמלי הנוצר עליו. הקיבול האופייני של גוף אדם ממוצע נמצא בתחום של.C = pf הפוטנציאל החשמלי שנוצר על גוף אדם בפעילות אופיינית במשרד או במפעל, נמצא בתחום של U. = Kv המטען החשמלי המצטבר על גוף האדם הוא Q=U C וערכו נמצא בתחום של.200 nc 17.5 µc האנרגיה החשמלית המצטברת בגוף אדם היא E = ½CU 2 וערכה נמצא בתחום של 300 mj 0.2, ולרוב עד 50. mj

18 סוגי פריקה אלקטרוסטטית עיקריים ניצוץ מברשת מברשת מתגלגלת קונית באילו תנאים מתרחש כל סוג פריקה, מה כמות האנרגיה המשתחררת ומה יכולת ההצתה שלה?

19 הצתת חשמל סטטי וסוגי פריקות אלקטרוסטטיות פריקת ניצוץ (Spark Discharge ) המקור: גוף מוליך טעון, הנמצא סמוך אל גוף מוליך אחר בעל פוטנציאל שונה. פריצה של 25,000 v במרווח של 20 mm בזמן של 1 ns כמות האנרגיה: בלתי מוגבלת. תלויה בקיבול החשמלי של הגופים. אופי הפריקה: פריצה של ניצוץ חד, בגוון כחלחל, בדרך כלל דרך האויר ובאופן מהיר שאינו נשלט. יכולת ההצתה: תערובות דליקות של גזים, אדים, אבק, סיבים.

20 הצתת חשמל סטטי וסוגי פריקות אלקטרוסטטיות פריקת מברשת (Brush Discharge) המקור: משטח מחומר מבדד, טעון בצד אחד, הנמצא סמוך אל גוף מוליך. כמות האנרגיה: פריקה שלילית ממטען חיובי - עד 1.0, mj פריקה חיובית ממטען שלילי - עד 10. mj אופי הפריקה: פריקה שלילית פריצות נפרדות, עם הבהקים ליד הגוף המוליך. פריקה חיובית פריצה קבועה שנראית כמו מברשת, בעלת סיבים ליד המשטח המבדד וגזע יחיד ליד הגוף המוליך. יכולת ההצתה: תערובות דליקות של גזים ואדים בלבד.

21 הצתת חשמל סטטי וסוגי פריקות אלקטרוסטטיות פריקת מברשת מתפשטת (PBD) המקור: משטח מחומר מבדד, טעון בשני צדדיו במטען מנוגד, צמוד לגוף מוליך..mJ כמות האנרגיה: עד 1000 אופי הפריקה: רשיפה רוחבית על פני משטח, או פריצה דרך עובי המשטח מצד אל צד. נראית כמרכז בוהק שאליו מתנקזים אפיקים רבים האוספים את המטען משטח נרחב של המשטח הטעון. פריקה בצינור פלסטי באורך של 1 מ' פר יקה בא ורך 1 מ' על צ ינ ורפלסט י יכולת ההצתה: תערובות דליקות של גזים, אדים, אבק, סיבים.

22 הצתת חשמל סטטי וסוגי פריקות אלקטרוסטטיות פריקה קונית Discharge) (Cone המקור: חלקיקי אבקה בעלת התנגדות חשמלית מעל 10, 9 Ωm אשר נשפכים לתוך מכל ומצטברים בתוכו בצורת חרוט כמות האנרגיה: mj עד אופי הפריקה: פריקה דמוית מברשת, רדיאלית, ממרכז החרוט אל דפנות המכל המוליכות. יכולת ההצתה: תרחיפים של חלקיקי אבקה, סיבים, אדים, גזים.

23 כמות האנרגיה המינימלית (MIE) הנדרשת להצתת חומר

24 הצתת חשמל סטטי של חומר דליק התלקחות נוזל דליק עקב פריקת מטען חשמלי - הדגמה חיה.

25 הלם חשמלי פריקת מטען אלקטרוסטטי אל ומגוף אדם פריקה של מטען אלקטרוסטטי בגוף אדם משמעה מעבר זרם חשמלי אשר גורם להלם. לרוב, זמן הפריקה קטן מ-.1mS בפריקת המטען אל ומגוף האדם, תחושת ההלם זהה. כמות האנרגיה המרבית האפשרית להצטבר בגוף האדם היא מוגבלת, כ mj כשהאדם נוגע באובייקט מוליך, חלק מהמטען צפוי לזרום מגוף האדם אל האובייקט. כמות האנרגיה האפשרית לפריקה אל גוף אדם איננה מוגבלת, אלא תלויה בגודל האביזר בו הצטבר המטען. בשני המקרים הסיכון עלול להיות פציעה ואפילו מוות!

26 הלם חשמלי הסיכון העקיף רוב הפגיעות בגוף אדם נגרמות ע"י פריקת מטען בכמות קטנה, שאיננה מסוגלת לגרום נזק לרקמות הגוף. הסיכון העיקרי הוא בתגובה הבלתי נשלטת על תנועת הגוף, אשר עלולה להביא לנפילה או למגע עם מכונה סובבת. גם פריקת מטען מזערית עלולה ליצור הלם חשמלי שיגרום תנועה לא-רצונית של הגוף ולפגיעה גופנית. לפיכך, הלם חשמלי מפריקת מברשת, או מפריקת ניצוץ מאביזרים קטנים, צפוי ליצור סיכון עקיף.

27 הלם חשמלי הסיכון הישיר הלם חשמלי מפריקת כמות מטען מעל 50 nc או כמות אנרגיה מעל 350, mj עלול לגרום נזק בריאותי ומוות! לפיכך, פריקת ניצוץ מאביזרים גדולים או פריקת מברשת מתגלגלת, עלולות לגרום הלם חשמלי שיביא לנזק ישיר ברקמות של גוף האדם. פריקה אלקטרוסטטית אל גוף האדם בעלת אנרגיה מעל 1000 mj עלולה לגרום דום לב ומוות.

28 חשמל סטטי במפעלי התעשייה = סכנה חשמל סטטי גורם לסיכונים : התלקחות של חומרים דליקים פיצוץ של תרחיפי אבק, אדים וגזים הלם חשמלי הגורם לתנועת גוף לא רצונית הלם חשמלי הגורם לנזק בריאותי ומוות לכן הבנת הסכנה, ניתוח כמותי והערכת הסיכונים, יאפשרו ליישם שיטות עבודה ואמצעי הגנה יעילים.

29 פגיעה ושיבוש פעולה ברכיבים ובמוצרים אלקטרוניים הגורמים המהווים איום של חשמל סטטי אופני פגיעה ברכיבים ובמוצרים

30 מודל הסיכון של גוף האדם דוגמא לפעולה פיסית אופיינית: מעגל חשמלי אקויולנטי:

31 ציוד ואמצעי יצור כגורם איום אלקטרוסטטי לכל גוף פיסי יש קיבול חשמלי ביחס לאדמה (כדור הארץ). ערך הקיבול נמצא ביחס ישר לממדי הגוף וביחס הפוך למרחק שלו מן האדמה, דהיינו: C. S/d לכל שני גופים יש קיבול הדדי, הנובע מקרבה פיסית ביניהם. הפרש הפוטנציאלים בין שני גופים נושאי מטען חשמלי נמצא ביחס ישר למרחק ביניהם. כלומר, כאשר גדל המרחק בין שני גופים סמוכים וטעונים, הפרש הפוטנציאלים גדל, ויתכן שבמרחק מסוים תתרחש פריקה אלקטרוסטטית בין שני הגופים. התרחשות הפריקה תלויה בגודל המטען החשמלי של הגופים ובצורה הפיסית שלהם.

32 מודל הסיכון של ציוד ואמצעי יצור דוגמא לפעולה פיסית אופיינית: מעגל חשמלי אקויולנטי:

33 סביבת העבודה כגורם איום אלקטרוסטטי ההשפעה האלקטרוסטטית של סביבת העבודה הינה פסיבית. לרוב, ההשפעה אינה כרוכה בפעולה פיסית שמהווה חלק ישיר של תהליך העבודה, בשונה מגוף האדם או מאמצעי יצור. עיקר ההשפעה של הסביבה נגרם מהשראה של שדה חשמלי הנוצר ע"י גוף טעון, שנמצא קרוב אך אינו נוגע ברכיב הרגיש. עוצמת השדה באויר סביב גוף טעון נמצאת ביחס ישר לצפיפות המטען על פני הגוף, דהיינו: E. σ/ε 0 כאשר רכיב רגיש נע בתוך שדה חשמלי, מושרה ברכיב מטען חשמלי שעלול ליצור זרם בעוצמה ובמסלול בלתי מבוקרים.

34 מודל הסיכון של שדה בסביבת העבודה שלב 4 דוגמא לתהליך של התרחשות כשל: שלב 1 שלב 2 שלב 3

35 היבטים של אבטחת איכות ברכיבים ובמערכות התקלות האופייניות לחשמל סטטי סוגים של פגיעות דוגמאות של פגיעות ברכיבים אלקטרוניים המשמעות הכלכלית של פגיעות חשמל סטטי

36 התקלות האופייניות עקב חשמל סטטי התקלות מתבטאות באופן הבא: שיבוש רגעי בתיפקוד, אשר נעלם מעצמו. שיבוש מתמשך, אשר גורם להשבתת התיפקוד. שריפת רכיבי מיקרואלקטרוניקה קלקול המערכת. הסכנה הגדולה של הפגיעות נקראת "השפעה מאוחרת": רוב הפגיעות אינן משפיעות על התיפקוד המיידי, אך לאחר זמן מסוים מספר ימים עד חודשים נוצר קלקול: לפתע, הרכיב הפגוע מפסיק לתפקד והמערכת מושבתת.

37 סוגים של פגיעות פריקה ישירה מעבר מטען חשמלי אל רכיב או מערכת, אשר גורם לזרם חשמלי במסלול הפריקה. פריקה עקיפה מעבר מטען חשמלי אל גוף שנמצא סמוך לרכיב או מערכת, אשר גורם למתח מושרה סביב הגוף. שדה חשמלי קוואזיסטטי השראת מטען מדומה; משיכת חלקיקים מזהמים; הצמדת חלקים ורכיבים;

38 מאפיינים פיסיקליים של פגיעות פריקה ישירה חימום ושריפה של צמתים, התכת חוטי חיבור לרגליים בתוך רכיב, חימום ושריפה של שכבת מיתוך, יצירת חורים בין שכבות, איכול חלקי של מוליכים שטוחים (אפקט הנתיך).

39 מאפיינים פיסיקליים של פגיעות,(Breakdown) פריקה עקיפה תופעת פריצה בין שכבות בידוד רשיפה בין פסי הולכה סמוכים, השראת אותות פרזיטיים במערכות לוגיות, יצירת רוויה בצמתים, תופעת מתח יתר.(EOS)

40 מאפיינים פיסיקליים של פגיעות שדה חשמלי קוואזיסטטי זיהום רכיבים אופטיים ופרוסות סיליקון ע"י משיכת חלקיקים מהסביבה, שיבוש תהליכי העברה והרכבה עקב היצמדות בין חלקים, טעינת גופים מבודדים ("צפים").

41 דוגמאות של פגיעות ברכיבים אלקטרוניים מראה פנימי של רכיב אלקטרוני פגוע הרכיב:,CD4012,RCA פוטנציאל הפגיעה:,+ 5 kv אופן הפגיעה: ישירה חור בין השכבות; עקיפה רשיפה בין מוליכים.

42 דוגמאות של פגיעות ברכיבים אלקטרוניים מראה פנימי של רכיב אלקטרוני פגוע הרכיב: טרנזיסטור בי-פולרי, אופן הפגיעה: ישירה חור בין שכבת התחמוצת לבין שכבת הסיליקון שמתחת.

43 דוגמאות של פגיעות ברכיבים אלקטרוניים מראה פנימי של רכיב אלקטרוני פגוע הרכיב: מעגל משולב,(IC) אופן הפגיעה: ישירה בפין הכניסה של הרכיב (צד ימין למעלה). בהגדלה:

44 דוגמאות של פגיעות ברכיבים אלקטרוניים מראה פנימי של ראש קריאה מגנטי, הרכיב: GMR Sensor עצמת הפגיעה: זרם של 50, ma 45 ma מעל זרם הפעולה של ראש הקריאה. אופן הפגיעה: ישירה התכה של.Magnetoresistive strip

45 המשמעות הכלכלית של פגיעות חשמל סטטי תרגום התקלות לעלות כספית לפי מקום גילוי התקלה : 1) חיפוש אחר התקלה במוצר והחלפת רכיב פגום במעגל מודפס - זמן עבודה ומיכשור, טיפול בקו היצור: $. (2 החלפת מעגל מודפס - במחלקת התיקונים: 1, $ 3) תיקון מערכת פגומה בתוך מוצר צוות של היצרן מבצע עבודה אצל הלקוח, בארץ/בחו"ל: 10,000 3,000 $.

46 המשמעות הכלכלית של פגיעות חשמל סטטי השלכות מעשיות של פגיעות חשמל סטטי : השלכות מיידיות עלויות של רכיבים פגומים, הוצאה כספית לא מתוכננת לתיקונים בקוי היצור או אצל הלקוח, פגיעה בלוח זמנים של היצור השוטף, עיכוב במסירת מוצר ללקוח, פיצוי כספי ותשלום קנסות. השלכות ארוכות טווח איבוד אמינות בעיני הלקוח, פנייה של הלקוח למתחרים, ירידה בהיקף הזמנות, צורך בהשקעה כספית גדולה לתיקון הנזק התדמיתי.

47 המשמעות הפיסית של פגיעות חשמל סטטי השלכות מעשיות של פגיעות חשמל סטטי: 1) שיבוש פעולה של מחשב השקיה - הדגמה חיה פריקת מטען חשמלי מושרה - סרט וידאו (2 wmv.חתול מסכן והשראה אלקטרוסטטית

48 המטען החשמלי והשדה החשמלי (by Niels Jonassen ) הסכימה מציגה גוף מחומר מבודד A, שעליו מונח גוף דק מחומר מוליך B. אלקטרודה מוארקת C מונחת במגע ישיר על קצה אחד של גוף B, ומטען חשמלי q מונח על הקצה השני של גוף B. אם אלקטרודה C היא הגוף המוארק היחידי במערכת, כל קווי השדה מ- q יסתיימו ב- C. חלק מקווי השדה העוברים בגוף המוליך B יגרמו לנושאי מטען שלילי לנוע כלפי q ובסופו של דבר לנטרל את q. אולם, קווי השדה העוברים בגוף המבדד A או האויר, אינם תורמים דבר לתהליך הניטרול.

49 תנועה של מטען חשמלי בשדה חשמלי מטען q+ נע בין שני לוחות מקבילים הנושאים מטען מנוגד. השדה החשמלי בין שני הלוחות הוא E, והוא מפעיל על המטען q+ כוח שעוצמתו מחושבת לפי F. e = E q יש להבחין בין המטען q+ לבין המטענים שנמצאים על הלוחות אשר הינם המקור של השדה החשמלי E. בסכימה מוצג רק השדה שנוצר ע"י הלוחות, ללא השדה שיוצר המטען q+. למרות שהמטען q+ הינו בעצמו מקור לשדה, השדה של מטען זה אינו יכול להפעיל כוח על המטען עצמו (מוסבר על פי החוק השלישי של ניוטון).