DOMENIUL DE DOCTORAT: MINE, PETROL ȘI GAZE ing. GABOR DAN SORIN TEZĂ DE DOCTORAT CERCETĂRI PRIVIND RISCUL DE EXPLOZII PREZENTAT DE ELECTRICITATEA… [304460]

MINISTERUL EDUCAȚIEI ȘI CERCETĂRII

UNIVERSITATEA DIN PETROȘANI

FACULTATEA DE MINE

ȘCOALA DOCTORALĂ

DOMENIUL DE DOCTORAT: MINE, PETROL ȘI GAZE

ing. GABOR DAN SORIN

TEZĂ DE

DOCTORAT

CERCETĂRI PRIVIND RISCUL DE EXPLOZII PREZENTAT DE ELECTRICITATEA STATICĂ ÎN MEDII INDUSTRIALE

RESEARCH ON THE RISK OF EXPLOSIONS PRESENTED BY STATIC ELECTRICITY IN INDUSTRIAL ENVIRONMENTS

Conducător științific: prof. univ. dr. ing. RADU SORIN MIHAI

PETROȘANI

-2020-

CUVÂNT ÎNAINTE

Lucrarea a fost elaborată sub îndrumarea competentă a domnului Prof. univ. dr. ing. [anonimizat], răbdarea și sprijinul acordat pe întreaga perioadă de pregătire și elaborare a tezei.

[anonimizat], [anonimizat], [anonimizat] m-au ajutat să obțin rezultatele prezentate în teză și m-au încurajat să elaborez această lucrare.

[anonimizat] a fost solidară cu mine și m-a înțeles pe întreaga perioadă de pregătire și elaborare a lucrării de doctorat.

Autorul

CUPRINS

ACRONIME ȘI NOTAȚII

LISTA FIGURILOR

LISTA TABELELOR

IMPORTANȚA ȘI NECESITATEA TEMEI.
OBIECTIVELE ȘI STRUCTURA TEZEI

Electricitatea statică este un fenomen des întâlnit în activitățile industriale. [anonimizat], [anonimizat], desprăfuirea, [anonimizat].

În prezența materialelor combustibile și / [anonimizat], [anonimizat], materiale sau de la persoane pot genera incendii și explozii.

[anonimizat], precum și riscul de inițiere intempestivă a capselor detonante electrice, a articolelor pirotehnice, a propulsanților și a combustibililor pentru rachete. Scopul evaluării riscului de explozii este de a stabili măsuri de protecție adecvate pentru prevenirea sau limitarea acestora.

Pentru reducerea riscului trebuie acționat atât asupra elementului sensibil (atmosfera potențial explozivă sau materialele explozive) [anonimizat] a limitării lor. [anonimizat], [anonimizat], materiale și persoane. Este cunoscut că pentru elementele metalice protecția poate fi realizată cu ușurință prin legarea la pământ. [anonimizat], [anonimizat].

Multă vreme riscul electricității statice era doar o ipoteză. [anonimizat], au confirmat existența reală a [anonimizat]e pentru asigurarea securității. În acest sens, la nivel internațional, s-a impus intensificarea activității pentru elaborarea cerințelor de securitate și transpunerea lor în norme și standarde de securitate specifice. Complexitatea fenomenelor electrostatice, multitudinea de factori de influență, care sunt greu de măsurat și controlat chiar în condițiile actuale de cunoaștere tehnico-științifică, fac ca și în prezent problema protecției contra electricității statice să fie în studiu, în continuă dezvoltare, atât la noi în țară cât și în străinătate.

Din analiza normelor și standardelor de securitate ale diferitelor țări se constată că acestea nu acoperă întreaga arie a pericolelor prezentate de electricitatea statică și că acestea diferă între ele. Problemele legate de reproductibilitatea / repetabilitatea încercărilor, diversitatea cazurilor particulare de manifestare a electricității statice în practică, diversitatea materialelor și proceselor, au dus la imposibilitatea ajungerii la un acord internațional în acest domeniu în sensul armonizării cerințelor de securitate, a metodelor de încercare și evaluare pentru asigurarea securității.

Încă din anul 1994, când s-a elaborat Directiva ATEx, Consiliul European a dat mandat comitetelor membre specifice să elaboreze, până în 2003 documentele normative pentru aspectele de securitate neacoperite de norme. Astfel, pentru protecția contra electricității statice s-a elaborat un prim proiect de standard Report CENELEC TC 44X DRAFT R044-00X: 1999 Safety of machinery- Guidance and recommendations for the avoidance of hazard due to static electricity (CLC/TR 50404 June 2003 Electrostatics – Code of practice for the avoidance of hazards due to static electricity) la care s-a lucrat continuu în comitetele de standardizare europeană și care nu a fost definitivat nici în prezent, actualmente fiind în faza finală la CEI ( IEC TS 60079-32-1:2013 „Atmosfere explozive – Partea 32-1: Pericole electrostatice. Ghid”). De asemenea standardele cu cerințele pentru capsele detonante, a propulsanților și combustibililor pentru rachete au fost definitivate numai în anii 2004-2005.

La noi în țară problematica protecției contra electricității statice intră în domeniul de activitate al INCD-INSEMEX Petroșani, organism cu atribuții importante în domeniul securității antiexplozive care desfășoară o activitate susținută pentru elaborarea cerințelor de securitate, a metodelor și mijloacelor de realizare a protecției, de perfecționare a normelor și standardelor specifice în scopul creșterii gradului de securitate a muncii la nivelul posibilităților și realizărilor tehnico-științifice actuale care reprezintă de fapt nivelul actual acceptabil de securitate.

Având în vedere politica actuală a României de implementare a procedurilor europene, s-a pus accent pe armonizarea prescripțiilor naționale cu cele internaționale, coborându-se în acest sens cu organisme din străinătate.

Prin transpunerea Directivelor europene în legislația națională [HG nr.245/2016] România s-a aliniat la legislația europeană în domeniul protecției muncii, însă este necesară crearea mecanismelor de aplicare a acestei legislații.

Astfel, în lucrarea de doctorat sunt prezentate rezultatele studiilor și cercetărilor efectuate de autor pentru evaluarea riscului de explozii pornind de la nivelul de cunoaștere tehnico-științifică în domeniu la nivel internațional și ținând cont de cerințele normelor și standardelor europene, cu focalizare pe metodele de încercare și simulare în laborator a performanțelor de protecție la electricitate statică a materialelor și pe determinarea sensibilității articolelor, materialelor/ dispozitivelor pirotehnice la inițierea prin descărcări electrostatice.

Lucrarea este structurată pe 3 capitole:

Electricitatea statică ca sursă de inițiere a atmosferei explozive sau a capselor detonante electrice, a articolelor pirotehnice, a propulsanților și a combustibililor pentru rachete;

Analiza cerințelor de evaluare / încercare a echipamentelor individuale de protecție (EIP) pentru reducerea riscului de aprindere a atmosferelor explosive prin descărcări electrostatice de la om;

Pericolul de inițiere a capselor detonante electrice, a articolelor pirotehnice, a propulsanților și a combustibililor pentru rachete prin descărcări electrostatice.

Cele trei capitole sunt urmate de CONCLUZII și Bibliografie.

Pe tot parcursul lucrării sunt evidențiate contribuțiile personale, pornind de la studiile teoretice privind fenomenele de încărcare /acumulare și descărcare a sarcinilor electrostatice și a factorilor de influență, a fenomenelor de aprindere a atmosferei explozive sau a dispozitivelor/materialelor pirotehnice și identificarea cerințelor de securitate cu evidențierea stadiului actual de cunoaștere, până la realizările practice ale standurilor de încercări în laborator.

Partea consistentă și valoroasă a contribuțiilor personale o reprezintă :

elaborarea unei soluții inovative pentru realizarea standului de încercare în laborator a materialelor textile, stand pentru verificarea proprietăților antistatice, urmată de experimentarea standului, validarea metodei de încercare și implementarea ei în sistemul calității laboratorului de încercare, acreditat la nivel național GLI INSEMEX;

elaborarea soluției tehnice pentru realizarea standului de încercare/realizarea efectivă a standului pentru testarea capselor detonante electrice privind performanțele de protecție împotriva inițierii necontrolate prin descărcări electrostatice, experimentarea și implementarea procedurii în laboratorul acreditat pentru încercări;

elaborarea unei metode inovative pentru determinarea sensibilității la descărcări electrostatice a propulsanților și a combustibililor pentru rachete, identificarea soluțiilor tehnice pentru efectuarea încercării, elaborarea soluțiilor de implementare a noii metode de încercare a propulsanților și a combustibililor pentru rachete pentru evaluarea conformității cu cerințele de prevenire a detonării intempestive prin descărcări electrostatice.

Prin aplicarea în practică a rezultatelor obținute de autor s-a adus o contribuție importantă la dezvoltarea metodelor și mijloacelor de protecție contra electricității statice în scopul asigurării unui nivel ridicat de securitate a muncii în zone cu atmosfere potențial explozive și la lucrări de împușcare.

Studiile cu caracter teoretic dar și practic, analiza cerințelor tehnice și de securitate, experimentarea metodelor de încercare, cercetările de laborator și metodele de testare și evaluare a pericolului de aprindere la echipamentele tehnice, au condus la îmbunătățirea performanțelor sistemului actual de efectuare a încercărilor și de realizare a evaluărilor necesare certificării conformității echipamentelor și materialelor cu cerințele Directivelor europene.

Dezvoltarea metodelor de încercare prin elaborarea metodologiilor de testare și evaluare, respectiv proiectarea standurilor de încercare, experimentarea lor și validarea metodelor de încercare, contribuie la creșterea nivelului de eficacitate a sistemului actual de încercare/certificare al laboratorului.

Pe de altă parte, prin elaborarea de metode și proceduri de încercare noi care să fie în concordanță cu principiile și practicile internaționale, se asigură alinierea evaluării precise a caracteristicilor echipamentelor tehnice destinate utilizării în medii cu atmosfere potențial explozive la practica europeană în domeniu, precum și la dezvoltarea laboratorului de încercări în conformitate cu principiile și cerințele din standardul SR EN ISO/CEI 17025:2005, pentru furnizarea datelor necesare evaluării conformității cu cerințele esențiale de securitate și sănătate prevăzute în Directivele Europene aplicabile.

Elaborarea și dezvoltarea metodelor și a procedurilor de încercare, prin asigurarea infrastructurii/facilităților necesare, oferă posibilitatea cunoașterii tuturor aspectelor esențiale legate de securitatea echipamentelor tehnice, având în vedere tendința general ascendentă de creștere a nivelului de securitate și sănătate a lucrătorilor care își desfășoară activitatea în industrii cu pericol de explozii.

Rezultatele obținute sunt reflectate în:

Un contract de cercetare național derulate în calitate de responsabil de proiect;

Peste 20 de contracte de cercetare naționale derulate în calitate de colaborator;

Peste 20 de lucrări de cercetare-dezvoltare cu agenți economici derulate în calitate de responsabil de lucrare;

Peste 50 de lucrări de cercetare-dezvoltare cu agenți economici derulate în calitate de membru în colectivul de cercetare;

Două cărți în calitate de coautor;

Opt lucrări științifice prezentate în reviste sau la simpozioane naționale;

Șapte premii obținute la simpozioane naționale și internaționale;

O lucrare prezentată într-o revistă internațională;

Un brevet de invenție și 4 propuneri de brevet de invenție în domeniul inginerie minieră și inginerie electrică depuse la Oficiul de Stat pentru Invenții și Mărci – OSIM.

CAPITOLUL 1

ELECTRICITATEA STATICĂ CA SURSĂ DE INIȚIERE A ATMOSFEREI EXPLOZIVE SAU A CAPSELOR DETONANTE ELECTRICE, A ARTICOLELEOR PIROTEHNICE, A PROPULSANȚILOR ȘI A COMBUSTIBILILOR PENTRU RACHETE

Formarea, acumularea și descărcarea sarcinilor electrostatice

În procesele industriale pot să apară sarcini electrostatice pe echipamente sau materiale. Acestea pot provoca pe lângă daune materiale și incendii sau explozii. În evaluarea pericolului prezentat de încărcarea electrostatică, probabilitatea ca o atmosferă potențial explozivă să se formeze în același timp și în același loc cu o încărcătură electrostatică periculoasă este factorul critic. Cea mai mare probabilitate de a se produce, atât o încărcare periculoasă cât și o atmosferă potențial explozivă, este în cazul manipulării unor solide ne-conductive în vrac. Chiar și unele substanțe conductive pot acumula încărcături mari, periculoase dacă sunt procesate în echipamente ne-conductive. Încărcări cu sarcini electrostatice mari pot să apară, de asemenea, în instalațiile ne-conductive sau în instalațiile conductive care nu sunt legate la pământ.

De exemplu, incendii și explozii care au ca sursă de aprindere electricitatea statică pot să apară de la umplerea unei găleți de plastic cu toluen până la umplerea pneumatică a unui recipient mare (a unui siloz de depozitare cu un solid combustibil în vrac). Accidente pot să apară și în timpul umplerii în uscătoare a produselor cu solvenți, golirea centrifugilor și deversarea solidelor combustibile din sacii big bag FIBC (FIBCs – Flexible Intermediate Bulk Containers).

Pericolele de aprindere cauzate de încărcăturile electrostatice sunt subiectul mai multor cărți, ghiduri și literatură de specialitate, dar până în prezent nu s-a elaborat un standard european, acesta fiind în lucru de mai mulți ani. Astfel, încă din 1999 s-a demarat elaborarea unui document raport: Report CENELEC TC 44X Draft R004-001 – Februarie 1999 „Safety of machinery – Guidance and recommendations for the avoidance of hazards due to static electricity” (Siguranța utilajelor – Ghid și recomandări pentru evitarea pericolelor datorate electricității statice), care însă nu a fost definitivat nici până în prezent.

Documentul în timp a cunoscut mai multe faze, și anume:

– proiectul prEN August 2002 CENELEC TC 31(sec) 388 „Electrostatics. Code of practice for the avoidance of hazards due to static electricity” (Electrostatică. Cod practic pentru evitarea pericolelor datorate electricității statice);

– CLC/TR 50404 June 2003 „Electrostatics – Code of practice for the avoidance of hazards due to static electricity” (Cod practic pentru evitarea pericolelor datorate electricității statice);

– actualmente ajungând-se la un Raport Tehnic IEC 60079-32 TS Ed. 1.0: „Explosive atmospheres – Electrostatics hazards” (Atmosfere explozive – Pericole Electrostatice) cu două părți: Part 32-1: Guidance (Îndrumător) și Part 32-2: Tests (Încercări).

Electricitatea statică este unul dintre fenomenele întâlnite în mod frecvent în activitățile practice dar și în viața de zi cu zi. Multe dintre efectele acesteia trec complet neobservate sau produc o simplă neplăcere, însă electricitatea statică poate să genereze și situații periculoase.

Electricitatea statică poate genera următoarele situații periculoase: incendii și/sau explozii, detonarea intempestivă a capselor detonante electrice, acționarea intempestivă a aparaturii sensibile de comanda și control, șoc electric la persoane, șoc electric în combinație cu un alt pericol (cădere, împiedicare). Cu toate acestea există însă și situații când electricitatea statică este dorită, când nu generează situații periculoase făcând parte dintr-un proces tehnologic. De exemplu la vopsirea în câmp electrostatic, la tipărirea prin proces electrostatic, sortarea materialelor în câmp electrostatic, etc.

Acumularea și descărcarea sarcinilor electrostatice poate genera probleme și pericole într-un domeniu industrial larg, în multe medii de lucru, prezentând pericol de aprindere și explozie în special în industriile chimică, farmaceutică, a petrolului și de prelucrare a alimentelor.

Formarea și acumularea sarcinilor electrostatice are loc ca urmare a mecanismelor de electrizare.

Unul din mecanismele de electrizare care duce la apariția și formarea sarcinilor electrostatice este electrizarea de contact (Figura 1.1). Două materiale de natură diferită care sunt aduse în contact și separate apoi, vor purta sarcini electrostatice egale ca mărime și de semne contrare.

Fig.1.1 – Principiul electrizării de contact

De asemenea o altă componentă a mecanismului de electrizare o reprezintă electrizarea prin inducție, caz în care produsele conductoare pot fi încărcate cu sarcini de natură electrostatică de la un alt obiect încărcat aflat în apropiere. Produsele pot primi, de asemenea, sarcini prin transfer fie direct de la alte obiecte, fie prin influență, printr-un curent de ioni.

Sarcina acumulată pe un solid sau pe un lichid creează pericol doar dacă aceasta este transmisă pe un alt corp sau către pământ. Aceste descărcări variază mult ca tip și grad potențial de inițiere.

Acumularea de sarcini electrostatice

Sarcinile după separarea din timpul procesului de încărcare electrostatică se pot recombina foarte rapid, fie direct prin contact, fie prin pământ. Sarcinile de pe un non-conductor sunt reținute din cauza rezistenței materialului însuși. Dar pentru ca un conductor să rămână încărcat, el trebuie să fie izolat de alți conductori și de pământ.

În condiții normale, gazele pure sunt ne-conductive și sarcinile de pe particulele suspendate pot să rămână pe perioade lungi de timp, indiferent de conductivitatea particulelor propriu-zise. Este cazul particulelor din norii de praf, ceață sau din materialul pulverizat.

În toate cazurile, sarcinile se scurg cu o valoare determinată de rezistențele non-conductorilor din sistem procesul fiind cunoscut ca relaxare. Nivelele rezistenței, rezistivității sau conductivității care pot conduce la situații periculoase depind în mare măsură de procesele industriale.

În multe procese industriale există generare continuă de sarcini care se acumulează pe conductori izolați. De exemplu, atunci când un curent de lichid sau pulbere încărcată curge într-un container metalic izolat, potențialul de pe conductorul izolat este rezultatul echilibrului dintre rata de formare a sarcinilor și rata de scurgere. Circuitul electric echivalent este arătat în figura 1.2 iar potențialul conductorului este dat de ecuația:

,

unde:

V este potențialul conductorului, în Volți;

C este capacitatea, în Farazi;

R este rezistența de scurgere la pământ, în Ohmi;

I este curentul de încărcare, în Amperi;

t este timpul scurs de la începerea încărcării, în secunde.

Potențialul maxim este atins atunci când t este mare și deci este:

Fig. 1.2 – Circuitul electric echivalent pentru un conductor încărcat electrostatic.

Rezistența de scurgere și capacitatea unui conductor izolat pot fi de obicei măsurate, prin măsurarea acestora se poate stabili dacă se pot acumula nivele periculoase de sarcină. Totuși, această evaluare nu poate fi efectuată pentru suspensii de prafuri în aer și cețuri.

Dacă rezistivitatea de volum a pulberii în vrac este mare, sarcinile pot fi reținute pe pulbere chiar dacă ele sunt în interiorul unui container sau în contact cu un metal legat la pământ. Timpul necesar sarcinii să scadă la 1/e din valoarea inițială (unde e este 2,718) este cunoscut sub numele de timp de relaxare. El este dat de ecuația:

,

unde:

este permisivitatea relativă a pulberii;

este permisivitatea spațiului liber (8,85×10-12 F/m);

S este rezistivitatea de volum a pulberii.

O rezistivitate de volum de 1010 m și o permisivitate relativă de 2 rezultă într-un timp de relaxare de aproximativ 0,2 s. Aceasta înseamnă că după 0,2s, în jur de două treimi din cantitatea de sarcini din pulberea în vrac a fost descărcată la pământ.

Din cauză că aerul este un foarte bun izolator, scăderea de sarcini pentru o pulbere în suspensie în aer (nor de praf) nu este influențată de rezistivitatea de volum a pulberii. Sarcinile rămân pe particulele de pulbere până când ele interacționează între ele sau cu echipamentul. În aceste circumstanțe scăderea de sarcină este influențată în special de mișcarea particulelor provocată de curenții de aer, gravitate și de zonele de câmpuri de potențial.

Atât pentru pulberea în vrac cât și pentru pulberea în suspensie în aer, nivelele de sarcini sunt limitate de apariția descărcărilor. Acestea vor apărea atunci când câmpul electric, care are valoarea cea mai ridicată la limita acumulării de praf sau a norului de praf, atinge rigiditatea dielectrică a aerului, de 3 MVm-1.

Descărcări electrostatice

Descărcările de electricitate statică variază mult ca tip și grad potențial de inițiere. Literatura de specialitate face referire la următoarele tipuri de descărcări electrostatice:

Scântei

O scânteie reprezintă o descărcare între doi conductori solizi sau lichizi. Se caracterizează printr-un canal de descărcare luminos, foarte bine definit, ce transportă un curent cu densitate mare. Ionizarea gazului din canal este completă pe toată lungimea sa. Descărcarea este foarte rapidă și de mare intensitate.

O scânteie are loc între doi conductori atunci când intensitatea câmpului dintre ei depășește intensitatea dielectrică de străpungere a atmosferei. Diferența de potențial dintre conductori necesară pentru a produce declanșarea depinde atât de forma conductorilor cât și de distanța dintre ei. De exemplu, intensitatea necesară a câmpului de descărcare pentru suprafețe plane sau cu raza de cel puțin 10mm pentru fiecare este de cca. 3 MVm-1, pentru cazul aerului normal și crește odată cu descreșterea distanței dintre suprafețe.

Deoarece obiectele între care se formează scânteia sunt conductori, majoritatea sarcinii stocate se scurge prin scânteie. În practică, aceasta disipează majoritatea energiei stocate. Energia scânteii între un corp conducător și un obiect bun conducător legat la pământ, poate fi calculată utilizând formula de mai jos:

,

unde:

W este energia disipată, în jouli;

Q este cantitatea de sarcină a conductorului, în coulombi;

V este potențialul, în volți;

C este capacitatea, în farazi.

Aceasta este valoarea maximă a energiei, iar energia din scânteie este mai mică dacă există o anumită rezistență în calea de descărcare spre pământ. Valorile tipice pentru capacitățile obiectelor conductoare sunt date în tabelul 1.1.

* 1 pF = 1×10-12 F

Tab. 1.1 – Capacitățile unor obiecte conductoare.

Exemplu de calcul a energiei de descărcare a scânteii:

Un container metalic nelegat la rețeaua de pământare este umplut cu praf de la o unitate de mărunțit. Într-o astfel de situație valorile pot fi pentru curentul de încărcare I = 10-7A, pentru rezistența de scurgere la pământ a containerului R = 1011 iar pentru capacitate C = 50 pF. Tensiunea maximă pe containerul metalic va fi:

,

și energia maximă eliberată la descărcarea scânteii este:

,

Descărcări „Corona”

Acest tip descărcare are loc în zonele ascuțite sau la marginile conductorilor. Descărcarea „Corona” (figura 1.3) poate avea loc când un conductor legat la pământ, conductor care prezintă zone ascuțite, este mișcat în direcția unui obiect puternic încărcat sau dacă acestuia i se mărește foarte mult potențialul.

Descărcarea are loc datorită valorii foarte ridicate a câmpului electric în zona suprafețelor ascuțite ( 3 MV/m). Deoarece câmpul electric situat mai departe de zona ascuțită scade rapid, zona de ionizare nu se întinde mai departe. Descărcarea poate fi direcționată către obiectul cu sarcina sau, în cazul unui conductor cu potențial ridicat, poate fi direcționată în direcția opusă conductorului.

Descărcările de tip „Corona” sunt dificil de observat, dar în situația unei lumini difuze se poate observa o mica pâlpâire lângă respectivul punct de descărcare. În afara acestei regiuni ionizate, ionii se pot împrăștia, polaritatea lor fiind dependentă de direcția câmpului.

Densitatea energetică din descărcare este mult mai mică comparativ cu cea de la descărcarea de tip scânteie și de aceea descărcările de tip „Corona”’ nu prezintă pericol de inițiere a atmosferei explozive.

Totuși în unele situații, de exemplu dacă se înregistrează o creștere a potențialului conductorului ascuțit, efectul „Corona” se poate transforma într-o descărcare tip scânteie între respectivul conductor și un alt obiect.

În concluzie acest tip de descărcare se caracterizează printr-o energie mai mică de 0.2 mJ.

Acest tip de descărcare:

Poate iniția doar gazele sau vaporii foarte sensibili (H2, CS2, etc.)

Raza curburii trebuie să fie mai mică de 0.5 mm, doar altfel descărcarea perie poate să apară.

Fig. 1.3 – Imaginea unei descărcări tip „Corona”

Descărcări tip perie

Aceste descărcări (figura 1.4) pot avea loc atunci când conductori rotunzi (opuși celor ascuțiți), legați la rețeaua de pământare, sunt deplasați către obiecte încărcate cu sarcină, slab conducător. Acest tip de descărcare poate să apară de exemplu, între degetul unei persoane și o suprafață din material plastic.

Aceste descărcări, în condiții normale, au o durată scurtă și pot fi observate și auzite. Spre deosebire de descărcările tip scânteie, aceste descărcări au tendința de a implica doar o mică parte din sarcina totală, iar descărcarea nu ajunge să lege cele două obiecte.

În ciuda acestui fapt, descărcările de tip perie pot aprinde gazele și vaporii cei mai inflamabili. Nu există nici o dovadă totuși care să demonstreze că pulberile, chiar și cele mai sensibile, pot fi aprinse de descărcările de tip perie.

Energia produsă de acest tip de descărcare are valoarea maximă cuprinsă între 1 până la 3mJ.

Fig. 1.4 – Imaginea unei descărcări tip perie.

Descărcările tip perie de propagare (figura 1.5)

Pentru ca acest tip de descărcare să apară este necesar să existe o coală (un strat) de material de rezistivitate mare și cu o rezistenta dielectrică mare, cu cele două suprafețe ale colii puternic încărcate cu sarcini de polaritate opusă.

Descărcarea este inițiată de o conectare electrică (scurtcircuit) între cele două suprafețe. De cele mai multe ori are o formă arborescentă strălucitoare și este însoțită de un zgomot puternic. Coala de material încărcată bipolar poate fi “liberă în spațiu” sau, de cele mai multe ori, să aibă o suprafață cu un contact intim cu un material bun conducător (în mod normal legat la rețeaua de pământare).

Conectarea electrică (scurtcircuitul) poate fi obținut prin:

străpungerea suprafeței (mecanic sau cu un echipament electric);

prin apropierea ambelor suprafețe simultan de doi electrozi conectați electric, ori

atunci când una din suprafețe este legată la rețeaua de pământare atingând cealaltă suprafață cu un conductor legat la rețeaua de pământare.

Descărcarea adună cea mai mare parte din sarcinile distribuite pe suprafețele slab conductoare și le canalizează acolo unde are loc scurtcircuitul. Condițiile necesare pentru acest tip de descărcare pot fi destul de dificil de îndeplinit, în special pentru cazul colilor groase.

În majoritatea situațiilor, o grosime mai mare de 8 mm este suficientă pentru a preveni descărcările de tip perie de propagare. Pentru colile mai subțiri de această valoare, este necesară o densitate de sarcină de suprafață de cel puțin 2,5 x 10 -4 C/m2.

O altă cerință este aceea ca tensiunea de rupere prin materialul izolator să fie mai mare de 4 kV. Aceasta înseamnă că sarcina pe straturile de vopsea nu dă naștere în mod normal la descărcări de tip perie de propagare.

Notă: Trebuie avută mare atenție atunci când se utilizează criteriul de 4 kV. De exemplu straturile groase de materiale țesute sau poroase pot rezista la tensiuni mai mari de 4 kV dar nu generează descărcări de tip perie de propagare dacă nu au încorporat un strat de material etanș, de exemplu unul capabil să reziste la tensiuni mai mari de 4 kV.

Energia eliberată în cursul unor astfel de descărcări poate fi mare (1J sau mai mare), ea depinzând de zonă, de grosime, de suprafața colii încărcate cu sarcină și de densitatea de sarcină.

Descărcările tip perie de propagare pot provoca aprinderea gazelor explozive, a vaporilor sau a atmosferelor încărcate cu praf.

Figura 1.5 – Imaginea unei descărcări tip perie de propagare.

Descărcări de tip fulger

În principiu, aceste descărcări au loc în interiorul norilor de praf sau de la norii de praf către pământ. Apar atunci când intensitatea câmpului este destul de ridicată datorită particulelor de sarcină. Astfel de descărcări de tip fulger pot fi observate în norii de cenușă în timpul erupției vulcanilor.

Aceste descărcări sunt în mod evident capabile să aprindă prafuri ușor inflamabile, dar nu au fost niciodată observate în norii de praf ce iau naștere în timpul operațiilor industriale.

Conform investigațiilor experimentale este puțin probabil ca aceste descărcări să aibă loc în interiorul silozurilor cu un volum mai mic de 60m3 sau în silozuri cu un diametru mai mic de trei metri indiferent de înălțime.

Aceste dimensiuni nu reprezintă în mod necesar limitele maxime de securitate, aceste dimensiuni au la bază mărimea echipamentului utilizat în investigațiile efectuate.

Este puțin probabil ca aceste descărcări să aibă loc în silozuri mai mari sau containere deoarece intensitățile câmpului rămân mai mici de 500 kV/m.

Descărcările de tip con (figura 1.6)

Atunci când silozurile sau containerele mari sunt umplute cu un praf puternic încărcat cu sarcină, slab conducător, se generează o zonă de densitate mare de sarcină în interiorul grămezii de praf. Acest lucru conduce la apariția unor câmpuri electrice în partea superioară a grămezii de praf. În această situație au fost observate descărcări importante (de formă radială în cazul containerelor cilindrice) de-a lungul suprafeței.

Condițiile necesare pentru acest tip de descărcare sunt foarte complexe, factorii cei mai importanți fiind rezistivitatea prafului vrac, curentul de încărcare, volumul și geometria prafului vrac și mărimea particulei. S-a constat că acest tip de descărcare poate aprinde atmosfere cu gaze și vapori inflamabili cât și atmosfere sensibile de praf combustibil în aer.

Pe baza ultimelor rezultate obținute, energia medie eliberată în timpul unor astfel de descărcări depinde de diametrul silozului și de mărimea particulei ce formează grămada de praf. Pentru silozurile cu diametre cuprinse între 0,5 și 3m și care conțin granule de praf cu mărimea între 0,1 și 3 mm, energia eliberată de descărcările de tip con poate fi estimată cu următoarea formulă:

,

unde:

W limita superioară a energiei descărcării de tip con, în mJ;

D diametrul silozului bun conducător legat la rețeaua de pământare, în m;

d diametrul mediu al granulelor de praf ce formează conul, în mm.

După cum rezultă din formula de mai sus, descărcările tip con formate de prafurile grosiere au o energie mult mai mare comparativ cu cea generată de prafurile fine. Astfel, cea mai periculoasă situație este atunci când granulele slab conductoare sunt puse împreună cu prafurile fine, formând un nor de praf cu energie minimă de aprindere scăzută. În acest caz energia maximă de descărcare este de aproximativ 25 mJ.

Fig. 1.5 – Descărcări tip con într-un siloz.

O sinteză a diferitelor tipuri de descărcări incendive este prezentată în următoarea figură:

Fig. 1.6 – Diferite tipuri de descărcări electrostatice incendiare.

Măsuri de prevenire a electricității statice periculoase

Dintre măsurile de prevenire a descărcărilor de electricitate statică pot fi amintite următoarele:

legarea la pământ;

utilizarea unor materiale adecvate;

antistatizarea materialelor;

alegerea formei constructive adecvate (suprafața, distanța față de elementele conductoare legate la pământ, grosimile materialelor ne-conductive);

evitarea frecărilor periculoase (limitarea vitezei de deplasare la benzi sau a vitezei de curgere prin conducte);

condiții de mediu (umidități ridicate);

folosirea neutralizatoarelor de sarcini.

O soluție evidentă pentru prevenirea electricității statice periculoase este conectarea electrică la pământ a tuturor echipamentelor aflate în atmosfere potențial explozive, inclusiv a persoanelor, dar aceasta soluție nu poate fi aplicată pentru obiectele din materiale izolante.

Asigurarea securității în industrie, în locuri cu atmosferă potențial explozivă, presupune analizarea fiecărei situații în parte, atât în ce privește potențialele surse de electrizare cât și probabilitatea prezenței și persistenței atmosferei explozive cât și prin impunerea măsurilor de protecție adecvate pentru reducerea riscului la un nivel acceptabil. În standardul SR EN 1127-1 sunt date, la modul general, măsurile de protecție contra pericolelor de aprindere cauzate de electricitatea statică în industrie.

Dacă s-au identificat pericolele cauzate de electricitatea statică, în funcție de categorie, trebuie respectate următoarele prescripții specifice pentru echipamente, sisteme protectoare și componente:

Pentru toate categoriile. Cea mai importantă măsură de protecție este legarea împreună a tuturor părților conductive care s-ar putea încărca periculos și apoi legarea lor la pământ. Această măsură de protecție însă nu este suficientă în prezența materialelor ne-conductive. În acest caz, trebuie evitate nivelurile periculoase de încărcare a părților și materialelor ne-conductive, inclusiv solidele, lichidele și prafurile. Aceste informații trebuie incluse în instrucțiunile de utilizare.

Categoria 1. Trebuie eliminate descărcările incendive și trebuie să se țină seama de rarele defecte care pot apare.

Categoria 2. Să nu se producă descărcări incendive în timpul utilizării prevăzute a instalațiilor, inclusiv întreținerea și curățarea sau în timpul defectelor care pot fi anticipate în mod normal.

Categoria 3. De regulă alte măsuri decât cele de legare la pământ sunt necesare doar dacă se produc frecvent descărcări incendive (de ex. în cazul curelelor de transmisie ne-conductive).

Pentru anumite tipuri de echipamente, sisteme protectoare și componente sau echipamente individuale de protecție destinate utilizării în atmosfere potențial explozive s-au elaborat standarde specifice în care se dau cerințele constructive corespunzător destinației.

Din analiza informațiilor existente rezultă că descărcările electrostatice reprezintă un risc din punct de vedere al inițierii atmosferelor explozive și al explozivilor de uz civil. Prin urmare, sunt necesare măsuri de prevenire a descărcărilor de electricitate statică, îndeosebi atunci când prezența atmosferelor explozive sau a materialelor explozive nu poate fi evitată, existând astfel riscul prezenței simultane atât a atmosferelor explozive/materialelor explozive cât și a descărcărilor electrostatice.

Evaluarea riscului de aprindere a atmosferelor explozive praf/aer prin descărcări electrostatice

Evaluarea apariției și determinarea incendivității descărcărilor electrostatice în diferite situații reale este cel mai important și cel mai dificil pas în analizarea pericolelor create prin încărcări electrostatice. În tabelul 1.2 se prezintă capacitatea de inițiere (incendivitatea) diferitelor tipuri de descărcări electrostatice care au loc în practică.

+ este posibilă inițierea

– nu este posibilă inițierea

Tab. 1.2 – Capacitatea de inițiere (incendivitatea) diferitelor tipuri de descărcări.

Datele necesare pentru o analiză fiabilă sunt:

cunoașterea exactă a proprietăților amestecului potențial exploziv care poate fi prezent;

rezistențele sau conductivitățile substanțelor, aparatelor, ambalajelor, materialelor și echipamentelor individuale utilizate;

volumele și aranjamentul geometric al instalațiilor și al dispozitivelor tehnice, precum și

cunoștințe precise despre condițiile existente de scurgere la pământ și a condițiilor de echilibru al potențialului.

Astfel, o evaluare a riscului de explozie trebuie să ia în considerare probabilitatea formării sarcinilor electrostatice și descărcarea lor atât la echipamente cât și la produs sau material.

Fig. 1.7 – Prezentarea schematică a etapelor care conduc la inițierea unei atmosferei explozive prin descărcări electrostatice.

Cunoscând incendivitatea descărcării (adică cantitatea de energie eliberată) și sensibilitatea atmosferei potențial explozive existente, așa cum a fost caracterizată prin energia minimă de aprindere, se poate stabili dacă aprinderea apare sau nu.

Variabilele fizice care descriu și influențează etapele aprinderii electrostatice sunt schițate în figura 1.8.

Procesul sau operația efectuată determină procesul de separare și, prin urmare, intensitatea curentului de încărcare.

Diferite niveluri de rezistență ale componentelor echipamentelor sau produselor și conexiunea electrică la pământ determină dacă încărcările pot fi disipate la pământ în condiții de siguranță sau vor continua să se acumuleze.

Evaluarea apariției de descărcări de toate tipurile este practic cel mai important lucru și, de asemenea, cel mai dificil pas în analizarea pericolelor create de încărcările electrostatice. Pentru că este imposibilă evaluarea apariției descărcărilor în medii industriale, pe baza legilor fizicii plasmei, pur și simplu abordarea fenomenologică este cea utilizată în mod normal.

Pe lângă nivelul de încărcare, apariția descărcărilor depinde de proprietățile electrice și aranjarea spațială a obiectelor încărcate. Aceste variabile determină natura descărcării și, prin urmare, cantitatea de energie eliberată. Comparația dintre energia minimă de aprindere a atmosferei potențial explozive cu energia de descărcare electrostatică poate fi concludentă la evaluarea riscului.

Fig. 1.8 – Prezentarea variabilelor ce intervin în evaluarea riscului de explozie.

Analiza riscului de inițiere intempestivă a explozivilor și/sau a dispozitivelor de inițiere prin descărcări electrostatice

În cazul capselor detonante electrice, a propulsanților și a combustibililor pentru rachete există riscul de inițiere intempestivă a acestora prin intermediul descărcărilor electrostatice. Întrucât prezența electricității statice și implicit a descărcărilor electrostatice nu poate fi prevenită în totalitate în industrie, deci și în aceste sectoare de activitate este necesară o evaluare a riscului de inițiere necontrolată (intempestivă). Pentru aceasta evaluare trebuie determinată sensibilitatea acestor produse la descărcări electrostatice.

Pentru determinarea sensibilității la descărcări electrostatice au fost dezvoltate metode de încercare, metode care au fost standardizate (SR EN 13763-13:2004; SR EN 13938-2:2005) și care permit determinarea în condiții de laborator a sensibilității la descărcări electrostatice a capselor detonante electrice, a propulsanților și a combustibililor pentru rachete.

În funcție de sensibilitatea la descărcări electrostatice este necesar să fie aplicate, ca și în cazul atmosferelor explozive, măsuri adecvate de prevenire a descărcărilor de electricitate statică.

În cazul capselor detonante electrice, a propulsanților și combustibililor pentru rachete riscul inițierii intempestive prin descărcări electrostatice apare în principal ca urmare a electricității statice acumulate de către persoane. Acumularea se poate produce printr-o multitudine de mecanisme cum ar fi, de exemplu: deplasarea pe o pardoseală, așezarea / ridicarea de pe scaun, scoaterea îmbrăcămintei, etc. Persoanele pot dobândi sarcini de natură electrostatică (potențial electrostatic) capabile să producă descărcări electrostatice cu energii de descărcare de valori considerabile (de ordinul mJ).

Cercetări efectuate la INCD Insemex privind riscul inițierii intempestive prin descărcări electrostatice a capselor detonante electrice

Construcția și funcționarea capselor detonante electrice

Fig. 1.9 – Capse detonante electrice.

O capsă detonantă este un obiect format dintr-un tub mic de metal sau de plastic ce conține o încărcătură primară de exploziv, cum ar fi azidă de plumb, și o încărcătură secundară de explozivi cum ar fi PETN, sau alte combinații de explozivi a căror masă de regulă nu depășește 2 g (figura 1.10 prezintă părțile componente ale unei capse detonante electrice).

O capsă detonantă, electrică este o capsă detonantă asamblată care este activată prin intermediul unui curent electric produs de un dispozitiv de inițiere (figura 1.11 prezintă un explozor).

Notă : Capsele electrice detonante presupun sisteme de inițiere de curent continuu și curent alternativ (cuplate magnetic).

Pentru inițierea încărcăturilor explozive se folosesc, pe plan mondial, mai multe tipuri de capse detonante electrice. Diversitatea tipurilor de capse existente este o consecință a eforturilor firmelor constructoare pentru satisfacerea cerințelor exprimate de beneficiari, corespunzătoare condițiilor diferite în care se execută lucrările de împușcare, în scopul obținerii eficienței dorite precum și pentru asigurarea unui nivel ridicat de securitate pentru prevenirea riscului detonărilor intempestive de la surse de inițiere exterioare.

Fig. 1.10 – Părțile componente ale capselor detonante electrice.

Fig. 1.11 – Părțile componente ale unui explozor.

Aceste tipuri de capse au performanțe diferite de protecție la descărcarea unor sarcini electrostatice în cele trei moduri posibile :

– descărcare între reofori, pe calea normală de inițiere a capsei – RR (figura 1.12 a);

– descărcare între tubul capsei și un reofor – T1R ( figura 1.12 b) ;

– descărcare între tubul capsei și reoforii scurtcircuitați – TRS (figura 1.12 c).

Fig. 1.12 – Cele trei moduri de descărcare a sarcinii electrostatice.

Analiza performanțelor de protecție la descărcări electrostatice ale diferitelor tipuri de capse detonante

O analiză a performanțelor de protecție la electricitatea statică s-a făcut pornind de la parametrii garantați de producători.

Întrucât valorile parametrilor de încercare diferă de la un caz la altul, o evaluare comparativă se poate face după criteriul energetic, respectiv prin compararea valorilor energiilor descărcărilor capacitive respective, care pot fi determinate cu relația:

,

unde :

W energia;

C capacitatea de înmagazinare;

U tensiunea de pe condensator.

În tabelul 1.3 se dau valorile energiilor corespunzătoare celor trei moduri de descărcare posibile, pentru mai multe tipuri de capse, de la diverși producători.

Tab 1.3 – Valoarea energiilor pentru capsele detonante în funcție de producător.

Analizând datele prezentate în tabelul 1.3, se pot observa clar performanțele superioare de protecție la capsele de medie, de înaltă și foarte înaltă intensitate, față de cele de joasă intensitate.

De asemenea se observă că, întrucât toate capsele sunt prevăzute cu manșon de protecție pentru limitarea scânteilor incendiare de descărcare între tub și cireașa de aprindere, se obțin performanțe superioare de protecție în modul de descărcare TRS.

Performanța de asigurare a protecției în cazul unei capse, în ansamblul ei, trebuie considerată în raport cu valoarea cea mai mică a energiei de descărcare, care, după cum se observă din tabel, corespunde descărcărilor în modul RR.

Totuși, dacă se ia în considerare posibilitatea adoptării altor măsuri de protecție, cum ar fi legarea în scurtcircuit a reoforilor și menținerea lor astfel pe tot parcursul manipulării cu excepția perioadei imediate de conectare a lor la circuitul de împușcare, perioadă pentru care se prevăd măsuri speciale de eliminare a oricăror surse de electrizare în apropiere, se poate aprecia performanța de protecție a capsei după parametrii coloanei III din tabel, respectiv pentru modul de descărcare TRS.

Rezultă că pentru testele de performanță de asigurare a protecției a capselor la descărcări electrostatice în vederea stabilirii cerințelor de securitate pentru o anumită tehnologie de lucru sunt suficiente încercările pentru modul RR și TRS.

Se precizează că datele prezentate în tabel sunt pur informative și ele nu pot face obiectul unei analize comparative reale între performanțele tipurilor de capse prezentate întrucât metodele care au stat la baza determinării valorilor respective nu sunt identice, fiind specifice laboratoarelor de încercare uzinale.

De asemenea, se menționează că o parte a datelor prezentate în tabel nu au fost confirmate prin încercările efectuate la INCD INSEMEX. Principala cauză a neconcordanțelor apărute este pusă pe seama deficiențelor de fabricație și de testare practică a capselor, mai puțin probabile fiind diferențele între prescripțiile metodologice de testare, lucru confirmat prin schimburile de experiență avute cu reprezentanții firmelor respective.

Evaluarea riscului detonării intempestive prin descărcări electrostatice, trebuie să se facă funcție de principalele surse de electrizare susceptibile domeniului de utilizare prevăzut (încărcarea electrostatică a persoanelor, a explozivilor granulari la încărcarea pneumatică sau a mașinii de încărcare mecanizată etc.), corelat și cu performanțele estimate de protecție ale tipului de capsă și cu modul de conectare la livrare al reoforilor.

Pentru a avea o referință unică în evaluarea performanțelor de protecție ale capselor detonante electrice, în scopul circulației libere a produselor în cadrul pieței europene, în ultimii ani au apărut standardele europene care clasifică capsele detonante în patru clase cu sensibilități diferite la electricitatea statică (tabelul 1.4).

Tab. 1.4 – Clasificarea capselor detonante în funcție de sensibilitate

Indiferent de tipul capsei, din punct de vedere constructiv ele sunt similare. În figura 1.13 se prezintă principalele elemente constructive ale unei capse, de joasă intensitate și respectiv de înaltă intensitate.

Fig. 1.13 – Capsa detonantă electrică.

Funcționarea capselor electrice se bazează pe căldura cedată pastei inflamabile în care este învelit filamentul, la trecerea curentului electric prin filament. Deci aprinderea este determinată de caracteristicile pastei inflamabile (temperatura de aprindere) și de caracteristicile filamentului (material, dimensiuni) precum și de caracteristicile sursei de aprindere (intensitatea curentului și timpul de trecere al acestuia prin filament).

Cantitatea de căldură Q ce se dezvoltă în filamentul de rezistență Rf, la trecerea unui curent I, pe durata t, se determină cu relația :

Deoarece la intensități de curent suficient de mari se poate considera că toată căldura este folosită pentru încălzirea filamentului, relația analitică pentru cantitatea de căldură înmagazinată se poate scrie :

unde :

c căldura specifică a materialului filamentului ( cal/g oC) ;

Vf volumul filamentului (cm3) ;

d greutatea specifică a filamentului (g/cm3) ;

T0 și T temperatura inițială și finală a filamentului (oC).

Din cele două relații rezultă următoarea condiție :

Produsul I2 · t este numit impuls de curent și se definește pentru fiecare tip de capsă sub forma valorii de aprindere și respectiv de neaprindere.

Deoarece cantitatea de energie electrică transformată în căldură de către filamentul de rezistență Rf la trecerea curentului I, în timpul t, este:

Rezultă că impulsul de curent poate fi exprimat și sub forma:

Deci impulsul de curent poate fi considerat ca fiind cantitatea de energie electrică debitată pe unitatea de rezistență a filamentului, folosită pentru încălzirea acestuia la temperatura T.

Impulsul de curent este unul din parametrii esențiali pentru alegerea dispozitivelor de inițiere a capselor, dar el poate constitui o bază de pornire și pentru evaluarea riscului de detonare intempestivă de la surse străine de energie.

Intensitatea curentului, cu valorile sale critice de aprindere și neaprindere, constituie de asemenea un parametru esențial pentru funcționarea capselor.

La trecerea unui curent insuficient prin filament, echilibrul termic se stabilește la o temperatură inferioară celei necesare pentru aprinderea pastei inflamabile. În acest caz dispozitivul electric de aprindere nu va funcționa oricât de mare ar fi durata de trecere a curentului, deși pasta inflamabilă primește o anumită cantitate de căldură. Dacă intensitatea curentului se află sub o anumită limită, filamentul rămâne intact și se distruge numai după detonarea capsei.

În cazul când intensitatea curentului prin filament este foarte mare, poate avea loc topirea sau evaporarea lui instantanee. Cantitatea de căldură consumată depinde de dimensiunile fizice ale filamentului și de materialul din care este fabricat acesta. Dacă filamentul are un diametru suficient de mare și este confecționat dintr-un material greu fuzibil, topirea lui nu poate avea loc înainte de funcționarea dispozitivului.

La trecerea prin filamentul capsei a unui curent de intensitate insuficientă sau a unui curent de intensitate mare, dar într-un interval de timp foarte scurt, deși nu poate avea loc funcționarea capsei, se produc modificări în structura pastei inflamabile, în special în stratul învecinat filamentului, micșorând sensibilitatea dispozitivului de aprindere. Gradul de alterare al pastei inflamabile este funcție de natura acesteia și de temperatura la care a fost încălzit. De aceea, la testarea capselor, se recomandă să se facă o singură încercare pe capsă.

Deoarece sistemele de inițiere ale capselor detonante electrice sunt de tip capacitiv, iar timpul de descărcare a impulsului de curent, este funcție de capacitatea electrică și de rezistența de descărcare, rezultă că un alt parametru important pentru inițierea capsei, este rezistența electrică a filamentului și a reoforilor.

În concluzie, se poate afirma că parametrii funcționali care definesc tipul unei capse detonante electrice sunt :

intensitatea maximă de neaprindere (A) ;

intensitatea minimă de aprindere (A) ;

impulsul sigur de aprindere (mWs/Ω) ;

impulsul sigur de neaprindere (mWs/Ω) ;

rezistența filamentului și a reoforilor (Ω).

Analiza riscului de inițiere a capselor detonante electrice de joasă intensitate prin descărcări electrostatice

Deoarece inițierea capsei prin scântei între tub și cireașă are la bază fenomene diferite față de inițierea prin încălzirea filamentului se impune o tratare distinctă a descărcărilor electrostatice între tub și reofori (TRS) și între tub și un reofor (T1R) față de descărcările prin filament pe calea normală de inițiere a capsei – reofor la reofor (RR).

Cercetările efectuate pentru creșterea performanțelor de protecție a capselor la descărcări electrostatice s-au concretizat în elaborarea unei soluții constructive adecvate de limitare a descărcărilor periculoase între tub și dispozitivul electric de aprindere, care constă în introducerea unui manșon de protecție peste cireașă (figura 1.14).

1 – tubul capsei , 2 – manșon de protecție, 3 -dispozitiv de aprindere, 4 -reofori

Fig. 1.14 – Capsă cu manșon de protecție.

Experimentările făcute la INCD INSEMEX pe capse de joasă intensitate produse de UM Sadu de tip CE 0,5 cu și fără manșon de protecție, au evidențiat performanțele sporite de protecție ale celor confecționate cu manșon.

Încercările s-au efectuat pornind de la energii mici care au fost majorate treptat, prin majorarea potențialului unui condensator de 2000pF sau 1000pF, până la obținerea detonării.

Rezultatele experimentărilor efectuate sunt sintetizate în tabelul 1.5.

Tab. 1.5 – Rezultatele încercărilor pentru capsele de la UM Sadu de tip CE 0,5

Din cele 20 de capse cu manșon de protecție au fost inițiate 15, cu energii de descărcare cuprinse între 25 mJ și 49 mJ în modul T1R iar prin modul TRS cele 25 de capse testate au fost inițiate cu energii cuprinse între 49 mJ și 100 mJ.

Cele 10 capse fără manșon de protecție testate în modul T1R au fost inițiate la energii cuprinse între 0,5 și 4,5 mJ, iar pentru celelalte 20 de capse supuse la testele de descărcare în modul TRS energiile de aprindere au fost cuprinse între 0,12 și 32 mJ.

Se constată că sensibilitatea la descărcări electrostatice a capselor fără manșon este mult mai mare decât a celor realizate cu manșon de protecție.

Experimentări privind riscul de aprindere a capselor de joasă intensitate prin descărcări electrostatice de la om

Electrizarea omului ca urmare a triboelectrizării îmbrăcămintei și încălțămintei speciale, electrizării de contact sau de inducție de la echipamentul încărcat cu sarcină, poate prezenta pericol de explozie a capselor detonante electrice.

Încercările care s-au efectuat au confirmat posibilitatea inițierii capselor de joasă intensitate fără manșon de protecție la descărcări electrostatice de la persoane, în modul de descărcare tubul capsei și un reofor (T1R) sau în modul tubul capsei și reoforii scurtcircuitați (TSR).

Omul izolat față de pământ, purtând o încălțăminte cu R > 109 Ω, a fost încărcat electrostatic prin transfer, ca urmare a atingerii repetate a unui tub de PVC încărcat inițial prin frecare cu un cupon de stofă (figura 20). Toate capsele, fără manșon de protecție, testate au fost inițiate la descărcarea sarcinilor de pe om pe tubul capsei, reoforii fiind conectați la borna de legare la pământ.

Fig. 1.15 – Electrizarea omului de la un echipament încărcat cu sarcină.

Experiențe asemănătoare s-au făcut folosind un condensatoare cu capacități de 333 pF și 500 pF, pentru modelarea capacității omului, care au fost încărcate fie prin transfer de la cupoane de material electrizat prin frecare, fie de la o sursă de înaltă tensiune de c.c., confirmându-se, de asemenea, riscul detonării capselor la descărcări în modurile TRS și T1R.

Literatura de specialitate, prezintă o serie de experimentări asemănătoare de confirmare a posibilității de inițiere a capselor prin descărcări de la personalul care le manipulează precum și de la echipamentul din dotare.

La îmbrăcămintea specială a artificierului pot exista elemente metalice, catarame și obiecte de echipament (dispozitivul de împușcare – explozorul, colacul conductorului magistral de împușcare, iar pentru cei din minerit – masca de autosalvare, analizorul de gaze șa.) a căror încărcare cu sarcină depinde de electrizarea îmbrăcămintei speciale. Descărcările electrostatice de pe acestea pot produce inițierea intempestivă a capselor detonante electrice.

Inițierea capselor detonante electrice la descărcări de pe persoane prin reofori, pe calea normală de inițiere, reofor la reofor (RR), nu a putut fi dovedită experimental.

Așa cum s-a precizat anterior în lucrare, pentru inițierea la descărcări electrostatice tip reofor la reofor (RR), este necesară o energie mai mare decât la descărcările tip scântei între tub și cireașa de aprindere, această diferență apare datorită fenomenelor diferite care au loc pentru cedarea căldurii necesare pentru aprinderea pastei inflamabile.

Dacă se iau în considerare valorile limită superioară ale impulsului de aprindere pentru capsa de joasă intensitate, respectiv de 0,8 A2 ms, se poate face o apreciere analitică a riscului de inițiere a capsei prin filament de la descărcări electrostatice capacitive de la om.

La o capacitate de 500 pF = 5 . 10-10 F, corpul omului electrizat la 20 kV, are o energie acumulată:

, 1.12

Admițând că rezistența de descărcare a omului este de 500Ω, rezistența dispozitivului de inițiere fiind neglijabilă, se poate determina valoarea impulsului de descărcare :

, 1.13

Se observă că valoarea impulsului de descărcare de pe om pe filamentul capsei este mult mai mică decât valoarea necesară de inițiere. Deci, rezultatele experimentale se confirmă și pe cale analitică.

Notă: Ghidul ANSI/ESDA/JEDEC JS-001-01-12 – Joint HBM Working Group pentru producătorii de semiconductoare consideră modelul uman ca având o capacitate de 100pF și o rezistență de descărcare de 1500Ω.

În concluzie, se poate afirma că problematica certificării protecției la descărcările electrostatice la capse de joasă intensitate, se reduce la verificarea sensibilității capselor la descărcări electrostatice în modurile tub la un reofor (T1R) și tub la reoforii scurtcircuitați (TRS), la parametrii echivalenți superiori unor descărcări capacitive de la om.

Studiu de caz privind stabilirea cauzelor care au dus la producerea unui accident de muncă datorat inițierii intempestive a unei capse detonante electrice

În anul 1993, la efectuarea unor lucrări de prospecțiuni geologice, a avut loc un accident de muncă soldat cu moartea unei persoane. Accidentul s-a produs în momentul când persoana respectivă lansa încărcătura explozivă în gaura de sondă. Încărcătura era sub formă de tub, cu lungimea de 2m și diametru de 80 mm, în care era introdus explozivul și capsa de inițiere de joasă intensitate cu reoforii liberi. Din analiza datelor puse la dispoziție a rezultat cu certitudine că în momentul producerii accidentului nu se afla în zonă nici un aparat care ar fi putut să dea impulsul de curent pentru inițierea capsei. În plus, s-a evidențiat că acesta nu era primul și singurul accident de acest gen și că în urmă cu puțin timp o altă persoană și-a pierdut viața datorită detonării încărcăturii explozive în timp ce aceasta se deplasa în grabă (fugea) spre gaura de sondă purtând pe umeri încărcătura explozivă gata pregătită așa cum s-a arătat mai sus.

Fiind excluse sursele de aprindere de la echipamentele electrice, s-au luat în considerare alte surse potențiale de inițiere necomandată a capsei, cum sunt: șocurile mecanice și termice, smulgerea reoforilor, electricitatea statică, curenți de conducție, curenți de scurgere de la rețelele electrice, curenți de inducție de la linii de înaltă tensiune, stații radio de emisie, radare.

În analiza riscului de inițiere prin electricitate statică, s-a pornit de la examinarea materialelor folosite și a modului de lucru pentru a identifica eventualele procese de electrizare.

S-a constatat că tubul în care era introdusă încărcătura era din PVC, iar la încercarea de electrizare a lui, prin frecare cu materiale textile, acesta atinge cu ușurință 30kV. Prin simpla expunere la soare sau prin fluturarea lui în aer s-au obținut potențiale de până la 25kV. Plecând de la această constatare s-au efectuat o serie de experimentări pentru a evidenția posibilitățile reale de aprindere a capsei prin descărcări electrostatice.

În prima fază s-au efectuat încercări de inițiere a capsei prin descărcări electrostatice, în cele trei moduri posibile, direct de pe tubul de PVC electrizat prin frecare cu materiale textile. Nu s-a obținut nici o aprindere. Având în vedere rezistivitatea mare a materialului s-a presupus că sarcina implicată în descărcare este mică, corespunzătoare unei suprafețe limitate din jurul punctului de contact de descărcare. S-a pus problema riscului de transfer a sarcinii de pe întreaga suprafață a tubului pe un capacitor adiacent cum ar fi, de exemplu, omul, dacă este izolat față de pământ. S-a încărcat un condensator de 500pF prin contactarea repetată a unei armături de tubul electrizat și s-a descărcat apoi condensatorul pe capsă.

S-au luat în considerare trei posibilități de inițiere electrostatică a capsei:

descărcare între reofori, pe calea normală de inițiere a capsei – RR ;

descărcare între tubul capsei și un reofor – T1R ;

descărcare între tubul capsei și reoforii scurtcircuitați – TRS ;

S-au obținut inițieri repetate ale capselor în modurile T1R și TRS. Analog s-au făcut încercări de inițiere a capsei prin descărcări direct de la om. Omul izolat față de pământ a fost încărcat electrostatic prin transferul sarcinilor de pe tubul electrizat și apoi, prin atingere cu mâna a unei borne conectate la capsă, s-au descărcat sarcinile de pe om pe capsă, făcându-se teste în cele trei moduri de descărcare. S-au obținut aprinderi la descărcări între tubul capsei și un reofor și între tub și reoforii scurtcircuitați.

Experimentările efectuate au demonstrat clar pericolul de inițiere intempestivă a capselor prin descărcări electrostatice (Figura 1.16).

Fig. 1.16 – Pericolul de inițiere intempestivă

Pentru prevenirea pericolului evidențiat se recomandă luarea următoarelor măsuri de protecție:

prevenirea formării și acumulării sarcinilor electrostatice prin utilizarea unui tub antistatic și dotarea personalului cu echipament de protecție individuală adecvat (încălțăminte și îmbrăcăminte antistatică sau conductivă);

utilizarea unor capse cu sensibilitate scăzută la electricitatea statică.

Întrucât în țara noastră până nu demult nu au existat reglementări, norme, standarde și metode de testare a sensibilității capselor la electricitatea statică s-au efectuat studii prin care s-au stabilit atât metodele de testare a capselor cât și mijloacele suplimentare de protecție care se impun la utilizarea capselor cu diferite sensibilități la electricitatea statică. În prezent, rezultatul acestor studii a fost cuprins în standardele de profil.

CAPITOLUL 2
ANALIZA CERINȚELOR DE EVALUARE/ÎNCERCARE A ECHIPAMENTELOR INDIVIDUALE DE PROTECȚIE (EIP) PENTRU REDUCEREA RISCULUI DE APRINDERE A ATMOSFERELOR EXPLOSIVE PRIN DESCĂRCĂRI ELECTROSTATICE DE LA OM

Considerații generale

Persoanele care sunt izolate față de pământ pot cu ușurință dobândi și reține o încărcătură electrostatică. Izolarea față de pământ se poate datora faptului că acoperirea de pe pardoseală sau tălpile încălțămintei sunt făcute din material ne-conductiv. Există multe mecanisme care pot provoca încărcarea unei persoane și iată câteva exemple :

mersul pe pardoseală;

ridicatul de pe scaun;

scoaterea îmbrăcămintei;

manipularea materialelor plastice;

golirea sau colectarea unui material încărcat într-un container;

statul aproape de obiecte încărcate puternic, de exemplu o bandă în mișcare;

inducție.

Dacă o persoană încărcată electrostatic atinge un obiect conductiv (de exemplu mânerul unei uși, o balustradă, un container metalic), în punctul de contact poate să apară o scânteie. Astfel de scântei, care sunt puțin probabil să poată fi văzute, auzite sau chiar simțite de persoană, pot genera aprinderi ale atmosferelor explozive. Scânteile de la persoane pot aprinde gaze, vapori și chiar prafuri mai sensibile. Este foarte important să se prevină încărcarea electrostatică a persoanelor care pot fi expuse atmosferelor inflamabile, atmosfere care au o energie minimă de aprindere MIE < 10 mJ. Prevenirea acestui lucru se realizează cel mai bine utilizând o pardoseală conductivă sau disipativă și asigurându-se ca persoanele poartă încălțăminte disipativă.

Notă: Studii recente au arătat că scânteile de la corpul uman au o energie de aprindere de trei ori mai mică decât aceea rezultată din calcule.

Pardoseală conductivă

În mediile industriale (fabrici) materialele tradiționale de acoperire a pardoselilor, de exemplu beton gol sau cu grilaj de oțel sunt considerate suficient de conductive. Metodele de verificare a acestui parametru și valorile recomandate ale rezistenței acestora sunt date în standarde. Pentru a rămâne eficientă, pardoseala nu trebuie acoperită cu vopsea, covoare de cauciuc sau foi de plastic etc. și trebuie să se acorde atenție pentru a se preveni acumularea contaminanților, cum ar fi rășina sau alte substanțe izolante, iar rezistența sa (conductivitatea) trebuie verificată în mod regulat.

Sunt publicate mai multe standarde cuprinzând diferite metode de măsurare a conductivității unei pardoseli (podele).

În standardul CEI 61340-4-1 încercarea se realizează folosind un electrod circular cu diametrul de (65 ±5) mm, apăsat pe podea cu o greutate de 2,5 kg (pentru podea tare) sau 5,0 kg (pentru podea moale).

În standardul ISO 10965 măsurătorile sunt făcute cu un electrod circular cu diametrul de 65 mm apăsat pe podea cu o greutate de 5,0 kg.

Standardul ASTM F150 folosește un electrod circular cu diametrul de 63,5 mm apăsat pe podea cu o greutate de 2,5 kg.

Standardul EN 1081 folosește un electrod cu trei picioare, ușor de transportat, apăsat pe podea de către o persoană care stă pe acesta.

Deoarece utilizându-se metode de încercare diferite rezultă și rezistențe ale pardoselii diferite, este important ca metoda de măsurare folosită să fie declarată în specificațiile produsului și în rapoartele de încercare.

Încălțăminte disipativă și conductivă

Există două tipuri de încălțăminte care se folosesc pentru prevenirea încărcării cu sarcină electrostatică prin legarea persoanelor la pământ:

a) încălțămintea disipativă care are atât cerințe pentru valoarea rezistenței maxime cât și a celei minime. Nivelul superior este suficient de scăzut pentru a preveni acumularea sarcinilor electrostatice în majoritatea cazurilor, iar nivelul inferior oferă o anumită protecție în cazul unui contact accidental cu rețeaua principală de curent. Acest tip de încălțăminte este adecvat pentru uz general;

Notă: Standardul ISO 20345 definește încălțămintea antistatică (disipativă) ca având rezistența măsurată în conformitate cu ISO 20344 între 105 și 109 .

b) încălțămintea conductivă are o valoare a rezistenței foarte mică și se poartă de exemplu de persoane care trebuie să manipuleze explozivi sensibili. Acest tip de încălțăminte nu trebuie purtat dacă există riscul unui contact accidental cu electricitatea de la rețea și nu este adecvat pentru uz general.

Notă: Cu excepția cazului explozivilor foarte sensibili, de obicei este necesară numai încălțăminte disipativă.

Șosetele sau ciorapii lungi în mod normal nu influențează negativ proprietățile nici unuia din cele două tipuri de încălțăminte, totuși, anumite tipuri de galoși și tălpicii interiori ortopedici pot să o facă.

Încălțămintea disipativă folosită împreună cu o acoperire de podea conductivă asigură un mijloc de control și de disipare a sarcinilor electrostatice de pe corpul uman. Rezistența la pământ prin încălțăminte disipativă și o acoperire de podea conductivă trebuie să fie între 106 și 108 . La manipularea materialelor explozive rezistența la pământ prin încălțăminte și acoperire de podea trebuie să fie mai mică de 106 . Rezistența poate fi măsurată cu testere de conductivitate care sunt disponibile în comerț.

Rezistența încălțămintei poate crește cu acumularea de reziduuri pe încălțăminte, cu folosirea de tălpici interiori ortopedici și atunci când aria de contact cu podeaua este redusă. Conductivitatea încălțămintei trebuie testată periodic pentru a-i confirma funcționalitatea.

Dacă încălțămintea disipativă nu va asigura o legare corespunzătoare la pământ a personalului, atunci trebuie folosite dispozitive suplimentare. Astfel de dispozitive sunt: benzile pentru încheietura mâinii, legături la pământ pentru călcâi/vârful piciorului și galoși conductivi.

Dispozitivele suplimentare trebuie alese astfel încât să fie prevenită acumularea de sarcini electrostatice periculoase, în timp ce riscul de electrocutare nu trebuie să crească. În cele mai multe situații practice legarea la pământ a personalului este realizată prin asigurarea unei rezistențe la pământ de 108 sau mai mică. Eficiența contactului cu pielea și a contactului cu podeaua poate fi compromisă, în special în timpul activităților în care nu toată talpa încălțămintei este în contact cu podeaua (de exemplu îngenuncherea). Dispozitivele de legare la pământ trebuie să aibă o rezistență minimă de 106 pentru a asigura protecția la șoc electric.

Cel mai simplu tip de dispozitiv suplimentar comercializat este brățara de legare la pământ cu un rezistor încorporat. Acest tip de dispozitiv asigurând de obicei o rezistență la pământ de aprox. 106 pentru protecția la șoc electric. Benzile pentru încheietura mâinii de acest tip au cea mai mare utilitate la trapele de ventilare și alte locații unde poate fi tolerată limitarea mobilității operatorului. Acolo unde este nevoie de ieșire de urgență pot fi necesare sisteme de desfacere a legăturii brățării. Un capac de legare la pământ poate fi echipat cu două cordoane spiralate de legare la pământ cu atașamente brățară care pot fi scoase și păstrate de utilizatorii individuali. Periodic dispozitivele trebuie verificate pentru ca continuitatea la pământ să se afle între limitele specificate de producător.

Îmbrăcăminte

În ciuda faptului că îmbrăcămintea modernă, făcută din materiale textile sintetice, se poate încărca electrostatic cu ușurință, ea nu reprezintă în general un risc de aprindere cu condiția ca purtătorul să fie legat la pământ prin încălțăminte adecvată și o acoperire de pardoseală adecvată sau prin alte mijloace cum sunt benzile pentru încheietura mâinii și cordonul de legare la pământ. Totuși, îmbrăcămintea trebuie să fie potrivită corpului și de mărime adecvată (a se vedea standardul european EN 340) și să asigure o mișcare liberă a corpului cu toate părțile închise conform instrucțiunilor producătorului.

Îmbrăcămintea trebuie să fie strânsă pe corp în măsura în care este posibil și nu trebuie să se descheie sau scoată în zonele unde pot exista atmosfere inflamabile (de exemplu Zona 0, Zona 1, Zona 2.0 și Zona 2.1). În Zona 0 sau în ariile speciale (de exemplu unde aerul este îmbogățit cu oxigen) nu trebuie să se poarte îmbrăcăminte izolantă sintetică, iar îmbrăcămintea exterioară trebuie să fie disipativă .

Notă: Deși mătasea și cele mai multe fibre sintetice sunt materiale izolante excelente, iar lenjeria de corp confecționată din aceste materiale prezintă fenomene electrostatice, nu există dovezi concludente care să indice că purtarea a unei astfel de lenjerii de corp ar constitui un pericol.

Deși probabilitatea de aprindere de la o persoană legată la pământ – din cauza oricărui tip de îmbrăcăminte este de obicei foarte mică, încărcarea electrostatică a personalului (de exemplu acolo unde personalul coboară dintr-un stivuitor cu furcă) crește foarte mult la purtarea îmbrăcămintei cu rezistivitate ridicată.

În atmosfere îmbogățite cu oxigen, cum sunt acelea care pot fi prezente în instalațiile de umplere cu oxigen lichid, vaporii de la gazul răcit pot pătrunde prin îmbrăcămintea angajatului crescând astfel inflamabilitatea sa. O sarcină electrostatică care se acumulează pe angajat și se descarcă brusc poate aprinde îmbrăcămintea.

Notă: Îmbrăcămintea pentru utilizare în atmosfere inflamabile este Echipament Individual de Protecție de Categoria II și în Europa trebuie să satisfacă Cerințele Esențiale de Sănătate și Securitate din Regulamentul (UE) 2016/425. Metodele de încercare și cerințele de performanță pentru îmbrăcămintea personală de protecție utilizată în atmosfere inflamabile sunt cuprinse în EN 1149.

Întotdeauna la exterior, peste toată îmbrăcămintea, trebuie purtată îmbrăcăminte disipativă. Îmbrăcămintea exterioară trebuie legată la pământ fie prin contact cu corpul purtătorului, fie prin legare directă.

Proprietățile electrostatice ale îmbrăcămintei de protecție se pot modifica în funcție de timpul de purtare, în funcție de procedurile de curățare sau după expunerea la condiții extreme. Îmbrăcămintea trebuie întreținută în conformitate cu instrucțiunile producătorului. De exemplu poate fi necesar să se re-trateze îmbrăcămintea cu un finisaj anumit de fiecare dată când este spălată.

Mănușile de protecție

Deoarece mănușile făcute din material ne-conductiv pot permite ca obiectele ținute în mână să devină și să rămână încărcate, în ariile din Zona 0 și Zona 1 trebuie folosite mănuși făcute din materiale disipative.

Mănușile trebuie să fie disipative (antistatice) sau conductive, cu aceeași rezistență ca cea prescrisă pentru încălțăminte sau alte dispozitive de legare la pământ. Mănușile trebuie încercate împreună cu încălțămintea.

Notă: Mănușile pentru utilizare în atmosfere inflamabile sunt Echipamente Individuale de Protecție de Categoria II și în Europa trebuie să satisfacă Cerințele Esențiale de Sănătate și Securitate din Regulamentul (UE) 2016/425. Metodele de încercare și cerințele de performanță pentru îmbrăcămintea personală de protecție utilizată în atmosfere inflamabile sunt cuprinse în standardul european EN 1149.

Dacă calea prestabilită de împământare pentru obiecte conductive sau unelte ținute în mână trece printr-o persoană care poartă mănuși, atunci rezistența electrică măsurată prin mănuși trebuie să fie mai mică decât rezistența generală la limita de împământare. Pentru uz general, rezistența la pământ prin mănuși trebuie să fie mai mică de 108 , iar pentru aplicații mai critice (de exemplu manipularea explozivilor sensibili) rezistența la pământ prin mănuși trebuie să fie mai mică de 105 .

Alte elemente

Căștile de protecție sau vizoarele făcute din material plastic s-ar putea încărca, dar dacă ele sunt folosite cu grijă în conformitate cu recomandările producătorului, este improbabil ca ele să prezinte un risc de aprindere electrostatic în Zona 1, Zona 2, Zona 20, Zona 21 sau Zona 22. În Zona 0 căștile de protecție sau vizoarele trebuie confecționate din materiale disipative sau conductive și legate la pământ prin corpul purtătorului.

Cerințe privind evaluarea materialelor și echipamentelor individuale de protecție (EIP) din punct de vedere al performanțelor de protecție împotriva electricității statice periculoase

Evaluarea conformității echipamentelor individuale de protecție folosite în atmosfere potențial explozive este în conformitate cu cerințele din Regulamentul (UE) 2016/425 al Parlamentului European și al Consiliului din 9 martie 2016 privind echipamentele individuale de protecție și de abrogare a Directivei 89/686/CEE a Consiliului și Directivei ATEX 2014/34/UE a Parlamentului European și a Consiliului din 26 februarie 2014 privind armonizarea legislației statelor membre referitoare la echipamente și sisteme protectoare destinate utilizării în atmosfere potențial explozive.

Cerințele pentru prevenirea descărcărilor electrostatice periculoase de la om sunt date în ghidul IEC TS 60079-32-1:2013+AMD1:2017 „Explosive atmospheres – Part 32-1 Electrostatic hazards, guidance” și în standardul român SR EN 60079-32-2:2015

Cerințele pentru evaluarea materialelor și EIP din punct de vedere al performantelor de protecție împotriva electricității statice periculoase, sunt date în Directiva EIP și în standardele specifice tipurilor de echipament: îmbrăcăminte, încălțăminte, mănuși sau căști de protecție, după cum urmează:

SR EN 1149-1: 2006 „Îmbrăcăminte de protecție. Proprietăți electrostatice. Partea 1. Metodă de încercare pentru măsurarea rezistivității de suprafață”;

SR EN 1149-2: 2003 „Îmbrăcăminte de protecție. Proprietăți electrostatice. Partea 2. Metodă de încercare pentru măsurarea rezistenței electrice la traversarea materialelor (rezistență verticală)”;

SR EN 1149-3: 2004 „Îmbrăcăminte de protecție. Proprietăți electrostatice. Partea 3. Metodă de încercare pentru măsurarea capacității de disipare a sarcinilor”;

SR EN 1149-5: 2008 „Îmbrăcăminte de protecție. Proprietăți electrostatice. Partea 5. Cerințe de performanță pentru materiale si cerințe de proiectare”;

SR EN ISO 20344:2004/A1:2008 Echipament individual de protecție. Metode de încercare pentru încălțăminte;

SR EN ISO 20345:2004/A1:2008 Echipament individual de protecție. Încălțăminte de securitate;

SR EN ISO 20347:2004/A1:2008 Echipament individual de protecție. Încălțăminte de lucru. Amendamentul 1;

SR EN 420 + A1:20010 Mănuși de protecție. Cerințe generale și metode de încercare;

SR EN 388:2004 Mănuși de protecție împotriva riscurilor mecanice;

SR EN 812 + A1:2003 Căști de protecție de tip ușor pentru industrie;

SR EN 443:2008 Căști pentru lupta împotriva incendiilor în clădiri și în alte structuri;

SR EN 397 + A1:2003 Căști de protecție pentru uz industrial.

Din analiza standardelor de mai sus se constată că exceptând îmbrăcămintea de protecție, la toate celelalte echipamentele, cerințele de protecție se referă la limitarea rezistenței electrice, iar metodele de încercare sunt implementate în laboratoarele INCD INSEMEX.

De aceea, a fost necesar să se identifice soluțiile tehnice și să se realizeze standul de încercare a materialelor textile pentru măsurarea capacității de disipare a sarcinilor conform standardului SR EN 1149-3.

Selectarea echipamentelor individuale de protecție (EIP) pentru utilizare în zone cu pericol de explozie

Protecția elementară împotriva descărcărilor electrostatice periculoase provenite de la persoane este aceea de a se asigura că acestea sunt legate la pământ în mod corespunzător. Atunci când persoanele sunt legate la pământ nu există posibilitatea apariției unor descărcări electrostatice de la acestea. Cu toate acestea, descărcările electrostatice provenite de la haine și alte articole de EIP pot să fie posibile, situație în care trebuie acordată atenție necesității utilizării unei EIP disipativă electrostatic.

În funcție de sensibilitatea la aprindere, și de probabilitatea ca o atmosferă explozivă să fie prezentă, ar putea fi posibilă utilizarea în condiții de siguranță a unui EIP, care are lățimile și suprafețele materialelor izolante limitate. Limitările dimensiunii pentru materiale izolante care pot fi utilizate în condiții de siguranță în zonele periculoase sunt prezentate în specificația tehnică CLC / Fpr TR 60079-32-1.

De exemplu, în Zona 1 cu gaze din grupa de explozie IIA și IIB sunt permise suprafețe ale materialului izolant până la 10 000 mm2 și până la 30 mm în lățime. Articolele mai mici de EIP se pot încadra în limitele admise, dar îmbrăcămintea și alte obiecte mari de EIP vor depăși, în general, limitele de dimensiune admise pentru materiale izolante și astfel pentru aceste elemente de EIP trebuie să fie utilizate materiale disipative electrostatic.

Este important de remarcat faptul că utilizarea de echipamente și îmbrăcăminte de protecție disipativă electrostatic nu poate elimina riscul de descărcări electrostatice periculoase provenite de la persoanele izolate. Unele elemente de EIP, de exemplu încălțăminte antistatică sau conductivă sunt destinate să asigure o conexiune adecvată între persoane și pământ, dar astfel de elemente de EIP sunt eficiente doar în cazul în care conexiunea la pământ nu este compromisă.

De exemplu, încălțămintea antistatică sau conductivă este eficientă numai dacă este folosită în combinație cu o pardoseală disipativă sau conductivă. Deși echipamentele și îmbrăcămintea de protecție disipativă electrostatic pot contribui la reducerea riscului de descărcări electrostatice periculoase, acestea nu pot fi folosite ca un înlocuitor pentru împământarea corespunzătoare.

Directiva 1999/92/CE (cu amendamentele ulterioare) impune angajatorilor să elimine toate sursele posibile de aprindere din zonele în care se identifică existența atmosferelor explozive. Dacă, de exemplu, o persoană lucrează cu un gaz inflamabil (poate fi de la o stație de alimentare cu hidrogen) există riscul ca o descărcare de tip perie provenită de la o îmbrăcăminte obișnuită să poată aprinde gazul, deoarece energia la o descărcare de tip perie poate fi mai mare decât energia minimă de aprindere (MIE) a gazului.

În acest caz, angajatorul are obligația, în baza Directivei 1999/92/CE, să furnizeze îmbrăcăminte de protecție disipativă electrostatic dacă pericolul asociat cu atmosferă explozivă nu poate fi eliminat prin măsuri tehnice.

Pe de altă parte, dacă o pulbere cu MIE mai mare de 1 mJ este manipulată, nu există nici un risc de descărcare de tip perie provenită de la o îmbrăcăminte obișnuită care să cauzeze o aprindere a pulberii. În acest caz, angajatorul poate folosi îmbrăcăminte de orice fel, dar trebuie totuși să se conformeze cu Directiva 1999/92/CE prin asigurarea faptului că persoanele sunt legate la pământ în mod corespunzător.

Riscul asociat cu descărcările electrostatice provenite de la îmbrăcăminte depinde de prezența și sensibilitatea la aprindere a atmosferelor explozive. Pentru a ajuta la identificarea diferitelor niveluri de risc, EN 60079-10-1 și EN 60079-10-2 clasifică ariile periculoase în zone în funcție de natura materialul inflamabil (gaze și vapori, sau praf) și de probabilitatea ca o atmosferă explozivă să fie prezentă.

Un alt factor în determinarea riscului este probabilitatea ca un mecanism de încărcare să apară. Cel mai obișnuit mod prin care îmbrăcămintea se încarcă cu sarcini este prin contact și frecare, proces cunoscut sub numele de încărcare triboelectrică.

O jachetă, de exemplu, poate fi încărcată triboelectric atunci când o persoană stă și apoi se ridică de pe un scaun, jacheta având o frecare față de suprafața scaunului. O jachetă prin urmare poate fi considerată ca având o probabilitate ridicată de a fi expusă la un mecanism de încărcare.

În schimb, o pălărie nu poate veni în contact cu alte obiecte și poate, prin urmare, să fie considerată ca având o probabilitate scăzută de a fi expusă la un mecanism de încărcare. Îmbrăcămintea și alte articole de EIP pot deveni, de asemenea, încărcate cu sarcini prin expunerea la echipamente care generează ioni, de exemplu spray-uri sau aerosoli.

Un alt mecanism de încărcare, aplicabil numai pentru conductoare izolate, este cel de inducție, care este de fapt separarea sarcinii în prezența unui câmp electric. Standardele și codurile de practică, cer ca părțile conductoare, care în acest context includ persoanele, să fie în mod corespunzător și în siguranță conectate la pământ în ariile periculoase, astfel că în cele mai multe cazuri riscul de încărcare prin inducție nu este semnificativ.

Cu toate acestea, trebuie să fie acordată atenție la selectarea EIP care pot include mici conductoare care nu pot fi legate la pământ pentru motive practice.

Tabelul 2.1 oferă câteva exemple de situații diferite, cu probabilitate ridicată și joasă de încărcare. Situațiile descrise în Tabelul 2.1 sunt doar exemple reprezentative și nu trebuie să fie considerate ca afirmații hotărâtoare ale comportamentului de încărcare real.

Încărcarea este dependentă de o serie de factori și ar trebui să fie evaluată de la caz la caz. Deși natura materialelor determină în mare măsură tendința lor de încărcare, factorii de mediu, și anume temperatura și umiditatea, au de asemenea o influență însemnată.

În general, atunci când umiditatea relativă scade, tendința materialelor de a dobândi și reține sarcina crește. Evaluarea riscurilor ar trebui să țină seama de întreaga gamă de condiții de mediu la care lucrătorii pot și expuși, inclusiv variațiile de sezon, de lucru în aer liber sau în interior (sau ambele), și de prezența dispozitivelor de încălzire și de răcire a aerului la locul de muncă.

Un mediu caracteristic este specificat în standardele de încercare (de exemplu, EN 1149-1 și EN 1149-3) de (23 ± 1) °C și (25 ± 5)% RH. Acest mediu de condiționare este un compromis între cele mai rele cazuri de condiții care pot să apară în practică, și limitările practice de încercare.

Cu toate acestea, în cazul în care evaluarea de risc arată că lucrătorii sunt susceptibili de a fi expuși pentru perioade prelungite la condiții uscate, încercarea EIP ar trebui să fie făcută în mod corespunzător, adică în condiții de umiditate scăzută.

Tab. 2.1. – Câteva exemple de situații cu probabilitate de încărcare înaltă și joasă

Atunci când se analizează riscurile de descărcări electrostatice provenite de la echipamentul neelectric, cum ar fi îmbrăcămintea de protecție și alte elemente de EIP, parametrul relevant este energia minimă de aprindere (MIE) a atmosferei explozive. Există un grad de corespondență între grupele de explozie și MIE. Domeniul de valori MIE pentru grupa IIC este mai mic decât o valoare MIE din grupa IIA și IIB.

Cu toate acestea, există o suprapunere semnificativă în intervalul de valori MIE pentru grupele IIA și IIB. Din acest motiv, MIE ar trebui să fie utilizată ca bază inițială pentru determinarea riscului de aprindere. Recomandările cuprinse în tabelul 2.2 se bazează pe limitele MIE; grupele de explozie fiind prezentate ca referință. Dacă atmosfera explozivă se încadrează în grupa IIB dar MIE nu se cunoaște ar trebui să fie utilizată recomandarea dată și anume: 0,016 mJ ≤ MIE ≤ 0,2 mJ.

Cerințele de performanță pentru îmbrăcămintea de protecție disipativă electrostatic, prevăzute în EN 1149-5 se bazează pe atmosfere explozive cu MIE egală sau mai mare decât cel mai ușor inflamabil amestec de hidrogen în aer. Cea mai mică MIE a amestecului hidrogen / aer este luată ca 0,016 mJ, așa cum este menționat în specificația tehnică CLC/FprTR 60079-32-1.

În standardele pentru echipamentul ATEX, niveluri diferite de protecție sunt specificate pentru a corespunde diferitelor niveluri de risc. Pe de altă parte, îmbrăcămintea de protecție disipativă electrostatic trebuie să protejeze împotriva celor mai defavorabile condiții.

Tabelul 2.2 oferă îndrumări referitoare la îmbrăcămintea de protecție disipativă electrostatic și alte EIP necesare, recomandate sau care nu sunt necesare pe baza riscului global, care sunt o combinație a probabilității apariției unei atmosfere explozive, probabilitatea apariției unui mecanism de încărcare și sensibilitatea la aprindere a atmosferei explozive prin descărcări electrostatice.

Tabelul 2.2 reprezintă niveluri diferite de risc într-un mod similar cu standardele pentru echipamentul ATEX. Când este indicat "necesar" sau "recomandat", se referă la EIP, care au un singur nivel de protecție. Cu toate acestea, dacă acest nivel corespunde celor mai defavorabile condiții, atunci EIP necesare sau recomandate sunt sigure pentru utilizarea în toate zonele și pentru toate valorile MIE din domeniul specificat în tabelul 2.2.

Când este indicat "nu este necesar", acest lucru înseamnă că îmbrăcămintea de protecție disipativă electrostatic sau alt EIP nu este necesar, dar și faptul că încă sunt necesare alte măsuri de precauție pentru prevenirea surselor de aprindere electrostatice, în mod special de legare la pământ a persoanelor și a altor conductoare.

Stadiul actual al cunoștințelor indică faptul că, indiferent de MIE, prafurile (de exemplu grupele IIIA, IIIB și IIIC), nu pot fi aprinse de descărcările de tip perie provenite de la izolatori. De aceea personalul implicat și alte părți conductoare sunt legate la pământ, iar îmbrăcămintea pentru utilizare în atmosfere explozive în care sunt prezente numai prafuri combustibile, nu este necesar să fie disipativă electrostatic.

Tab. 2.2 – Cerințe pentru îmbrăcămintea de protecție disipativă electrostatic și alte EIP

Nota 1: Există o probabilitate mare de încărcare atunci când vine vorba de îmbrăcăminte care în mod regulat se află în contact cu suprafețe externe, în special atunci când materialele aflate în contact sunt bine separate printr-o serie triboelectrică.

Nota 2: Când este indicat "nu este necesar", este necesară însă legarea la pământ a persoanelor și a altor conductoare.

Nota 3: Îmbrăcămintea de protecție disipativă electrostatic care satisface cerințele din standardul EN 1149-5 este sigură pentru a fi utilizată în toate zonele periculoase prezentate în tabelul de mai sus.

Nota 4: Stadiul actual al cunoștințelor indică faptul că pulberile și prafurile nu pot fi aprinse prin intermediul descărcărilor de tip perie provenite de la izolatori.

Nota 5: În cazul în care atmosfera explozivă este din grupa IIA, dar MIE nu este cunoscută, ar trebui să fie utilizată informația potrivit căreia 0,016 mJ ≤ MIE ≤ 0,2 mJ.

Energia minimă de aprindere – MIE (minimum ignition energy) a atmosferelor îmbogățite în oxigen poate fi mai mică decât MIE a substanțelor inflamabile frecvent întâlnite în literatura de specialitate.

Dacă se determină că o atmosferă îmbogățită în oxigen poate să apără, trebuie avută grijă pentru a se asigura că valoarea MIE utilizată pentru evaluarea riscului este cea măsurată utilizând atmosfera îmbogățită în oxigen. O consultanță de specialitate ar trebui să fie obținută înainte de selectarea îmbrăcămintei de protecție disipativă electrostatic pentru utilizarea în zone periculoase cu MIE mai mică decât cea mai mică MIE pentru hidrogen / aer (0,016 mJ).

O atenție deosebită ar trebui să fie acordată atunci când se compară valorile MIE, deoarece există o incertitudine inerentă cu privire la măsurarea MIE, și a faptului că metode diferite de încercare pot da rezultate diferite.

De exemplu, cea mai mică MIE pentru hidrogen / aer este dată ca fiind 0,011 mJ și 0,016 mJ din două surse diferite, și cea mai mică MIE pentru acetilenă / aer este dată ca fiind 0,017 mJ și 0,019 mJ în alte două surse diferite.

O consultanță de specialitate ar trebui să fie obținută în cazul în care nu există nici un dubiu atunci când se compară valorile MIE apropiate de cea a amestecului hidrogen / aer.

Analiza metodelor de încercare a îmbrăcămintei/materialelor textile pentru determinarea performanțelor de protecție ESD

Noțiuni introductive

Problemele generate de electricitatea statică se datorează materialelor izolante. Problemele se extind de la defectarea dispozitivelor și sistemelor electronice până la situații care pun viața în pericol, focul și exploziile. Un factor comun este omul. Sarcina poate fi înmagazinată în corp sau pe îmbrăcăminte în cursul activităților normale. Sarcina electrostatică acumulată se descarcă (ESD) și poate iniția evenimente periculoase. O soluție evidentă este aceea de a lega la pământ toate obiectele și personalul din zonele periculoase, dar acest lucru nu poate fi realizat practic la obiectele care sunt de natură izolantă. Au fost realizate materiale compozite noi, complexe, care să contracareze aceste probleme. Au fost realizate în acest scop atât materiale textile, pentru îmbrăcăminte de protecție, cât și alte materiale rigide.

Astfel, îmbrăcămintea electrostatică este fabricată din materiale textile compozite ce au o rețea sau benzi de fire conductive în interiorul matricei de bumbac, de poliester sau un amestec al acestor materiale. Mai mult, firele conductive sunt din ce în ce mai frecvent confecționate din materiale compozite, adică dintr-un amestec de fibre conductive și izolante (fibre conductive pe suprafață, fibre conductive în miez, fibre tip sandvici etc.), a se vedea figurile 2.1.a și 2.1.b. Toate aceste elemente au condus la obținerea unor materiale textile eterogene pentru îmbrăcăminte.

Fig. 2.1.a – Structura materialelor textile omogene și eterogene

Fig. 2.1.b – Structura unor fibre conductive des utilizate

Caracterizarea acestor materiale, însă, ridică o problemă dificilă pentru dezvoltarea testelor de control al calității și testelor funcționale efective. Într-adevăr, câteva organisme internaționale de standardizare, incluzând IEC, CENELEC și ISO, au sau au avut în desfășurare proiecte sau activități care sa realizeze metode standard de testare în acest domeniu. De exemplu, proiectul Comitetului European de Standardizare EU-SMT_CT96-2079 a stabilit cerințe și metode de evaluare pentru îmbrăcămintea protectoare utilizată în atmosfere inflamabile, furnizând documentul CEN TC162/WG1/PG2 care sta ca bază pentru un standard european relevant – EN 1149-3. Aceste studii și altele similare, efectuate pe materiale compozite evidențiază un aspect esențial, și anume că există diferențe între cerințele pentru anumite domenii de utilizare, astfel cerințele pentru atmosfere explozive, care sunt caracterizate prin energii/potențiale ESD mari, sunt diferite de cele din industria electronică unde limitele tipice sunt mult mai mici.

Deoarece pericolele ESD pentru dispozitivele / sistemele electronice sunt date de sensibilitatea lor la nivele joase sau foarte joase de tensiune / energie a ESD, se impun metode specifice de protecție.

Practic, pagubele (directe sau indirecte) ale sistemelor / dispozitivelor electronice sensibile în timpul producerii sau folosirii, sunt datorate energiei statice din corpul sau de pe îmbrăcămintea operatorului. Limita inferioară de sensibilitate la un eveniment ESD este de aproximativ 10-30kV pentru tehnologii de 0.18 microni (VMOS IC technology, capete magnetorezistive pentru hard disk-uri). Limitele pot fi mai critice dacă avem în vedere tehnologia semiconductoarelor IC de 0.050 microni, o generație CMOS care este predispusă să cauzeze mai multe probleme de protecție ESD.

Soluțiile existente sunt: legarea directă la pământ a personalului (prin brățări conductive) și purtarea de echipament protector. Deasupra hainelor sale, operatorul trebuie să poarte echipament protector. De obicei, acest echipament cuprinde un conductor electric matrițat în cadrul fibrelor din material izolant.

Comportamentul electrostatic al materialului omogen, isotronic este de obicei descris de două proprietăți: rezistivitate / rezistența de suprafață sau de volum și de descărcarea sarcinii (charge decay). Performanțele statice ale materialului îmbrăcămintei exterioare din materiale compozite, eterogene, nu poate fi descris în acest fel deoarece prin măsurarea rezistentei între doi electrozi plasați pe material se poate obține o valoare foarte mică dacă electrozii au contact cu matricea conductivă, dar se poate obține și o valoare foarte mare dacă contactul este realizat doar cu substratul izolant electric. Similar, măsurătorile descărcărilor electrice la nivel macroscopic pot arăta pierderi foarte rapide de sarcină prin matricea conductivă, dar o reținere cvasi infinită de sarcină la izolator. Deoarece contactul dintre electrozi și material nu poate fi identic, măsurătoarea nu este repetabilă.

Pentru a nu se produce un eșec ca cel al abordării inițiale, bazat pe determinarea unor proprietăți ca rezistența și descărcarea de sarcină, pentru a determina performanțele îmbrăcămintei protectoare exterioare s-a impus identificarea de noi proprietăți si/sau proceduri de testare adecvate pentru o caracterizare și / sau evaluarea de încredere.

În timpul în care un operator, legat la pământ printr-o brățară conductivă, care poartă pe deasupra hainelor sale un echipament de protecție și efectuează mișcările sale obișnuite, se poate măsura la o distanță specificată tensiunea electrostatică din jurul său. Aceste abordări funcționale de testare care au fost adoptate în industrie pot fi destul de eficiente în selectarea îmbrăcămintei protectoare care poate fi cea mai potrivită pentru o anumită activitate (referitoare la mediul de lucru specific, personal, îmbrăcăminte normală, încălțăminte specială, cerințe de procesare etc).

O problemă de bază care se pune pentru modelare este dacă protecția se asigură prin ecranarea sarcinilor care se află pe hainele normale sau de disiparea sarcinilor la sol (prin corpul operatorului sau prin brățară).

O problemă secundară este reprezentată atât de influența variabilelor non-controlabile (tipuri de îmbrăcăminte normale, obiceiurile oamenilor etc.) cât și de alți factori (efectele spălării repetate ale îmbrăcămintei, eliberarea de fibre, capacitățile de izolare ale suprafeței exterioare ale îmbrăcămintei).

O cale de succes pentru lămurirea acestor aspecte a reprezentat-o munca de cercetare din cadrul proiectului european EC Contract No. G6RD-CT-2001-00615, ESTAT-Garments “Protective clothing for use in the manufacturing of electrostatic sensitive devices” (Îmbrăcăminte de protecție pentru utilizare la fabricarea dispozitivelor sensibile electrostatic), Durata: 1 Martie 2002 – 28 Februarie 2005.

Studiul metodelor de încercare a îmbrăcămintei / materialelor textile pentru determinarea performanțelor de protecție ESD

Încercările aplicabile pentru determinarea parametrilor de protecție ESD pot fi grupate în două categorii :

încercări efectuate pe material;

încercări efectuate pe îmbrăcăminte.

2.4.2.1. Criterii de evaluare a metodelor de încercare

Scopul îmbrăcămintei ESD este de a minimiza riscurile prezentate de descărcările electrostatice periculoase pentru inițierea atmosferei Ex sau pentru defect în industria electronică.

În ce privește riscul de defect ESD la componente electronice sensibile, cu referire la îmbrăcăminte este necesară o evaluare corectă a metodei de încercare a îmbrăcămintei sau a materialului îmbrăcămintei. Parametrii cheie care trebuie controlați nu sunt neapărat acei parametri care pot fi măsurați cu ușurință, fiabil și repetabil în încercări efectuate pe îmbrăcăminte sau pe materialul îmbrăcămintei. Prin urmare s-au definit factorii care influențează parametrii cheie așa cum sunt prezentați în tabelul 2.3.

Tab. 2.3 – Factori electrostatici care influențează parametrii cheie care trebuie controlați cu privire la îmbrăcămintea ESD încărcată

În figura 2.2 sunt prezentate în detaliu cele trei mecanisme de disipare a sarcinilor.

Mecanismele de disipare a sarcinilor sunt:

1). Conducție: dacă materialul textil este legat la pământ, sarcinile de pe el sau din apropierea elementelor conductive ale firelor conductive vor fi dirijate la pământ.

Mecanismul de conducție depinde de:

rezistivitatea firelor;

rezistivitatea materialelor de bază;

rezistența peste cusăturile îmbrăcămintei, atunci când sarcinile nu pot fi dirijate eficient spre pământ prin îmbrăcămintea normală a operatorului

2). Inducție: sarcina de pe materialul textil de bază izolant induce o sarcină de polaritate opusă în firele conductive legate la pământ, spre neutralizarea parțială a sarcinii totale. Fenomenul poate fi de asemenea înțeles ca o creștere a capacitanței provocate de firele legate la pământ care scad potențialul efectiv ce trebuie studiat. În principiu este o chestiune de suprimare a tensiunii datorită conectării câmpului cu firele legate la pământ, dar mai sus s-a definit suprimarea tensiunii ca fiind conectarea cu corpul operatorului. În al doilea rând mecanismul are aparența unei descărcări de sarcină atunci când elementele conductive au o rezistivitate finită.

Mecanismul de inducție depinde de:

aspecte ale concepției rețelei conductive și ale materialului utilizat în anumite textile;

capacitanța sistemului de îmbrăcăminte încărcat.

3). Corona: Neutralizarea parțială a sarcinilor de pe materialul textil de bază poate avea loc și prin primirea de ioni din aer, ioni formați în descărcările corona de pe firele conductive din apropiere, dacă este depășită intensitatea câmpului corona creat în regiune.

Mecanismul corona depinde în principal de structura firelor conductive.

Fig. 2.2 – Cele trei mecanisme de disipare a sarcinii pe materialele textile ESD

În proiectul „ESTAT-Îmbrăcăminte” s-a studiat în detaliu descărcarea sarcinilor pe produse textile ESD prin cele trei mecanisme. S-a constatat că pentru produsele textile ESD încărcate prin tribo-electrificare controlată există trei regiuni și procese clar distincte, și anume:

prima regiune, curba de descărcare la umiditate scăzută (descărcarea de sarcină la e-1 din valoarea de vârf) de numai 10-30 ms oglindește răspunsul inițial al firelor conductive;

A doua regiune are o constantă de timp tipică de aproximativ câteva secunde la o umiditate relativă de 12%;

A treia regiune distinctă are o constantă de timp tipică, de zeci de secunde sau chiar minute, oglindind migrația lentă a sarcinilor de pe materialul de bază.

La materialele textile nelegate la pământ, descărcările corona reprezintă principalul mecanism de disipare a sarcinilor. S-au efectuat experimente cu diferite tipuri de materiale textile conductive încărcate, cu rol de miez și s-a constatat că mecanismul corona limitează eficient încărcarea materialului textil din miezul conductiv prin autodescărcare, de obicei la un potențial de 2-5 kV.

Riscurile de descărcări directe de la îmbrăcăminte la dispozitive sunt minimizate atunci când toate părțile îmbrăcămintei sunt legate satisfăcător la pământ. De asemenea, descărcarea sarcinii prin mecanisme de conducție și inducție precum și ecranarea electrostatică depind de legarea la pământ a îmbrăcămintei. De aceea, evaluarea performanțelor de protecție ESD ale îmbrăcămintei trebuie să cuprindă măsurarea:

rezistenței la pământ sau la punctul de legare la pământ a îmbrăcămintei;

integritatea rezistenței electrice a cusăturilor.

Se observă că nu se poate stabili valoarea potențialului îmbrăcămintei cu rol de îmbrăcăminte de protecție ESD prin măsurarea propriu-zisă a rezistenței la pământ a panoului de îmbrăcăminte. Principalele informații despre performanța de protecție ESD a îmbrăcămintei sunt întotdeauna date de măsurarea parametrilor cheie ce trebuie controlați.

În conformitate cu cele de mai sus, este important să se facă distincția între cele două tipuri de îmbrăcăminte și materiale textile ESD.

îmbrăcăminte și materiale textile ESD care necesită legare la pământ pentru funcționare în siguranță;

îmbrăcăminte și materiale textile ESD care nu necesită legare la pământ.

Majoritatea factorilor de mai sus sunt în directă legătură cu structura și proprietățile electrostatice ale materialului îmbrăcămintei și astfel pot fi studiați prin încercări pe materialele textile. Numai câțiva factori necesită încercări pe îmbrăcămintea întreagă sau pe sistem (în special pe operatori).

Studiul metodelor de încercare a materialelor textile

Pentru studiul metodelor de încercare existente, folosite la caracterizarea performanțelor de protecție electrostatică a materialelor textilelor utilizate în îmbrăcămintea ESD s-au luat în considerare standardele naționale și internaționale, precum și câteva metode industriale și de laborator folosite curent. Metodele au fost identificate prin cercetările efectuate în cadrul proiectelor de cercetare europene SMT4-CT96-2079 "Evaluarea securității electrostatice a îmbrăcămintei personale de protecție pentru utilizare în atmosfere explozive" și G6RD-CT-2001-00615,ESTAT-Garments “ Îmbrăcăminte de protecție pentru utilizare la fabricarea dispozitivelor sensibile electrostatic”.

Astfel, au fost analizate următoarele metode:

Metodele rezistive din CEI 61340-5-1 (rezistența de suprafață, rezistența punct cu punct);

Metodele rezistive din EN 1149-1 și EN 1149-2 (rezistența de suprafață, rezistența verticală – transversală);

Rezistivitatea de suprafață conform EN 100015-1 (înlocuit cu CEI/EN 61340-5-1);

Încercarea de încărcare prin inducție conform EN 1149-3;

Încercarea de încărcare triboelectrică conform EN 1149-3;

Încercarea de descărcare a sarcinii – încărcare prin contact (metoda VTT);

Încercarea de încărcare corona conform CEI / EN 61340-2-1;

Încercare de "Încărcare a capacitanței" a lui John Chubb (încărcare corona) cu ajutorul dispozitivelor de măsurare JCI155 și JCI176.

Metode rezistive

Măsurătorile rezistive au reprezentat în mod tradițional, metode de calificare a materialelor la care electricitatea statică se credea că poate provoca probleme sau să prezinte riscuri. Metodele rezistive sunt simple și convenabile. Rezultatele măsurătorilor rezistive depind totuși de mai mulți factori, cum sunt:

tipul, geometria și distanțele dintre electrozii de măsurare;

tensiunea de măsurare și durata măsurătorii (timpul de electrizare);

contribuția la rezistivitățile de suprafață și de volum;

tipul materialului (nu toate materialele pot fi evaluate realistic cu mijloacele rezistive, de exemplu anumite materiale textile eterogene);

umiditatea.

Influența primilor trei factori din listă asupra rezultatelor este standardizată prin specificarea caracteristicilor electrozilor de măsurare și a altor factori din procedura de măsurare.

În continuarea cercetărilor s-au luat în considerare următoarele metode de încercare a materialelor textile: metoda rezistenței de suprafață și rezistenței în puncte din CEI / EN 61340-5-1 , metodele de măsurare a rezistivității de suprafață din EN 1149-1 și EN 100015-1 și metoda rezistenței verticale din EN 1149-2. Nu se descriu metodele dar se dau referințe la documentele (standardele) în care sunt prezentate detaliile.

Diferitele măsurări ale rezistenței de suprafață și a rezistivității pot fi comparate prin folosirea factorilor de conversie specifici, factori care depind de construcția electrozilor.

Din încercările comparative efectuate în cadrul proiectului ESTAT rezultă că metodele rezistenței / rezistivității de suprafață din CEI / EN 61340-5-1, EN 1149-1 și EN 100015-1 au dat în general rezultate similare pentru materiale eterogene de tip B1 (conductive pe suprafață) și pentru materiale omogene, iar corelarea rezultatelor la diferite organisme de încercare a fost foarte bună.

În general încercările rezistive sunt ușor de efectuat, iar rezultatele sunt de obicei fiabile atunci când rezistența de suprafață RS a materialului supus încercării este mai mică de 1×1010 .

Atunci când se măsoară materiale cu RS > 1×1010 trebuie să se acorde o atenție deosebită instrumentelor folosite, în special montajului și felului în care perturbările exterioare sunt minimizate. Rezultatele măsurătorilor efectuate „in situ” pentru determinarea rezistențelor (la instalația de producție etc.) sunt rareori fiabile pentru acest domeniul de rezistențe mari.

Principala întrebare se pune totuși: cu câtă acuratețe aceste rezultate caracterizează performanțele de protecție ESD ale materialului. Această acuratețe depinde în foarte mare măsură de tipul materialului.

Pentru materiale omogene, încercarea de rezistivitate (rezistența de suprafață sau rezistența pe suprafață în puncte) acoperă majoritatea parametrilor cheie ce trebuie controlați.

Doar capacitatea de încărcare nu este caracterizată de nicio valoare a vreunei rezistențe. S-a demonstrat atât teoretic cât și experimental că există o corelație clară între rezistivitatea de suprafață și timpul de descărcare a sarcinii pentru materiale omogene (figura 2.3).

Încercările pentru determinarea rezistivității trebuie să trateze și în cazul materialelor eterogene, majoritatea parametrilor ce trebuie controlați atunci când stratul conductiv sau disipativ este pe suprafață.

Fig. 2.3 – Rezistivitatea de suprafață în corelație cu timpul de descărcare, pentru materialele omogene.

Pentru materiale textile eterogene de tip B, situația este mai complexă. Performanțele de protecție ESD a materialelor textile de tip B2 cu fibre conductive în miez nu poate fi caracterizată deloc prin nicio metodă rezistivă, din cauză că electrodul de măsurare nu poate fi în contact galvanic cu elementele conductive ale materialului textil. Pentru materialele textile de tip B1 cu fibre conductive de suprafață, electrodul de măsurare poate fi în contact galvanic cu elementele conductive ale materialului, dar este măsurătoarea este foarte incertă, rezultatul nu se știe cât de mult se va corela cu performanțele de protecție ESD ale materialului textil.

Pentru materialele textile eterogene de tip B1 metodele de rezistivitate măsoară în medie proprietățile de suprafață, acoperind atât firele conductive cât și materialul de bază într-o măsură nedeterminată. Majoritatea parametrilor cheie ce trebuie controlați (tabelul 2.3), sunt influențați de rezistivitatea fibrelor conductive ale unui material textil eterogen de tip B1 și nu printr-o rezistență de suprafață medie.

Pentru țesăturile de tip B1 contactul electric între țesătură și electrozii de măsurare depinde și de textura și rugozitatea suprafeței materialului. Este incert cât de mult o încercare a rezistenței de suprafață conform standardului CEI/EN 61340-5-1 se corelează cu rezistența corectă (rezistența fibrelor conductive) ce trebuie controlată la o îmbrăcăminte eterogenă modernă, actuală. Pentru a caracteriza performanțele de protecție ESD ale materialului sunt necesare alte metode.

Încercarea rezistenței verticale din standardul EN 1149-2 reprezintă un caz special de încercare rezistivă. Metoda este universală, pentru toate tipurile de materiale. În mod clasic, aceasta nu a fost luată în considerare la evaluarea performanțelor de protecție ale îmbrăcămintei exterioare, pentru că migrarea sarcinilor spre pământ este prevăzută a se produce pe suprafața îmbrăcămintei. Încercarea de rezistență verticală are importanță la evaluarea securității electrice a îmbrăcămintei de protecție ESD, în situația în care aceasta este de interes.

Metode de încercare pentru determinarea timpul de descărcare

Acumularea de sarcini electrostatice depinde de echilibrul dintre generarea de sarcini și disiparea de sarcini. Dacă sarcina este disipată mai repede decât este generată, nu se creează electricitate statică. De aceea, măsurarea descărcării sarcinilor de pe material a aparținut în mod tradițional încercărilor electrostatice de bază, în plus față de măsurătorile de rezistență.

Termenul „descărcarea sarcinii” reprezintă potențialul creat prin frecarea unui material sau a unei suprafețe, inițial la potențialul pământului, și timpul (după încărcare) pentru ca această tensiune să cadă pe măsură ce sarcinile migrează.

Măsurarea descărcării sarcinii unui material nu este totuși atât de simplă precum măsurarea rezistenței de suprafață. Motivul este că descărcarea sarcinii în anumite condiții de mediu a materialelor disipative sau izolante electrostatice, depinde de:

proprietățile intrinseci ale materialului;

modul în care se generează sarcina pe materialul testat (distribuția inițială a sarcinii);

densitatea inițială a sarcinii generate pe sau în materialul testat;

modul în care materialul este legat la pământ;

dispunerea geometrică și dimensională a sistemului.

Drept urmare, curba de descărcare măsurată se poate abate considerabil de la o curbă exponențială ideală, iar constanta de timp măsurată poate varia cu condițiile de măsurare chiar și pentru materiale omogene.

În cazul materialelor eterogene situația este chiar mai complexă. Pot exista diferențe semnificative între rezultatele obținute prin diferite metode de încercare și chiar între rezultatele obținute prin aceeași metodă dar cu montaje de încercare diferite.

Complexitatea măsurării descărcării sarcinii a condus la o varietate de metode de încercare. Metodele pot fi deosebite fundamental prin modul cum sarcina este generată pe sau în eșantionul de încercare:

încărcare triboelectrică;

încărcare prin inducție;

încărcare prin contact;

încărcare corona.

Din cauza celor cinci factori care influențează descărcarea sarcinii, enumerați mai sus, nu există o metodă universală, ideală, de încercare pentru descărcarea sarcinii, valabilă pentru toate materialele. Există totuși metode adecvate pentru utilizare limitată. La evaluarea metodelor de încercare pentru descărcarea sarcinii pentru o anumită utilizare specifică (cum ar fi pentru caracterizarea materialelor textile ale îmbrăcămintei ESD), trebuie să se țină seama de următoarele criterii:

metoda trebuie să-și fi demonstrat anterior relevanța pentru aplicațiile utilizatorului final;

o metodă non-triboelectrizare trebuie să fi demonstrat anterior comparabilitatea cu încărcarea triboelectrică.

Se prezintă în continuare câte o metodă la nivel de material textil pentru fiecare categorie (tip) de generare a sarcinii:

CEI/EN 61340-2-1 reprezentând metodele de încărcare corona;

EN 1149-3 metoda 1 reprezentând metodele de încărcare triboelectrice;

EN 1149-3 metoda 2 reprezentând metodele de încărcare prin inducție;

metoda monitorizării plăcii de încărcare (metoda VTT) reprezentând metodele de încărcare prin contact.

Timpul de descărcare a sarcinii conform standardului CEI/EN 61340-2-1 (metoda de încărcare corona)

Principiile metodei și montajului de încercare sunt descrise în standardul IEC 61340-5-1 Anexa B, metoda A. În studiile de evaluare a metodelor, efectuate in cadrul proiectului ESTAT, s-au folosit trei dispozitive diferite, din trei laboratoare provenind de la doi producători diferiți. A existat o bună corelare a rezultatelor obținute cu echipamente similare în laboratoare diferite, dar a existat o largă dispersare a rezultatelor pentru anumite eșantioane, cu echipamente de încercare diferite. Motivul probabil al dispersării este cantitatea diferită de sarcină stocată pe suprafața eșantionului, la aceeași tensiune corona.

Metoda pare să fie foarte adecvată materialelor electrostatic omogene, cu rezistență de suprafață suficient de mare ( 109 ). Pentru materiale mai conductive, timpul de descărcare a sarcinii ar fi prea scurt pentru a putea fi măsurat cu ajutorul acestei tehnici, aceasta din cauza celor 20 milisecunde de întârziere inițială între încărcarea eșantionului prin corona și începerea măsurării potențialului eșantionului.

Metoda este adecvată și materialelor eterogene de tip A, în care stratul electrostatic disipativ este pe suprafață. Sarcina este stocată pe suprafața eșantionului ca și în cazul încărcării triboelectrică.

În cazul materialelor eterogene de tip B (materiale conductive pe suprafață și în miez) există totuși probleme serioase la folosirea metodei așa cum este descrisă în standarde. În forma actuală metoda nu poate caracteriza în mod corect performanțele de protecție ESD ale materialelor ESD conductive pe suprafață și în miez. Problema este mai evidentă în cazul umidității scăzute, dar este prezentă și în condiții normale.

Principiul propriu-zis al metodei este corect și universal valabil oricărui fel de material. Problema apare în interpretarea rezultatelor în standardele actuale (CEI 61340-2-1 și CEI 61340-5-1). Utilizarea criteriului de 10% din standardul IEC 61340-5-1 conduce prea des la respingerea unor materiale ESD bune, din motive incorecte (timpul de descărcare măsurat > 2 s). În realitate timpul de descărcare de 10% poate fi mai mic de 2 s, dar măsurătoarea dă un rezultat foarte diferit. Problema provine de la cele 20 milisecunde întârziere inițială a începerii măsurătorii. Într-un material eterogen, care constă în elemente înalt conductive într-o matrice izolantă (cum sunt materialele textilele ESD cu fibre conductive de suprafață sau în miez), majoritatea descărcării de sarcină are loc în primele 20 milisecunde, care nu apar în măsurătoare. După această etapă, evoluția descărcării sarcinii este lentă de pe materialul textil de bază dintre fibrele conductive care este izolant.

De exemplu, potențialul inițial de suprafață de pe o țesătură de îmbrăcăminte ESD cu fibre conductive de suprafață (rețea cu ochiul de 5mm×5mm) pe un material de bază PES, la t = 20 ms după încărcarea prin corona a fost de aprox. 300 V. Folosirea criteriului de 10% conduce la valori finale ale potențialului nerealist de mici, în acest caz 30 V. Sub 100 V influența materialului textil izolant de bază asupra comportamentului materialului este foarte mare și conduce ușor la timpi de descărcare de mai multe secunde sau chiar zeci de secunde. Timpii de descărcare a sarcinii măsurați nu caracterizează comportamentul materialului într-o manieră corectă: materiale de protecție ESD bune pot fi respinse din motive incorecte. Se poate contraargumenta că există mijloace de măsurare a potențialului de suprafață mai mic de 100 V, dacă riscurile ES sunt neglijabile pentru dispozitive cu VHBM = 100 V. Rezultatele sunt în concordanță cu constatările lui P. Holdstock prezentate la întâlnirea unui grup de lucru în Suedia în 2002.

În standardul CEI 61340-5-1 se stipulează în Anexa B 1.5 că "Dacă nu este posibil să se obțină o tensiune inițială cel puțin de două ori mai mare decât tensiunea de prag de risc cu o tensiune corona de minim 7 kV, atunci trebuie înregistrată observația că rata de disipare a sarcinii a fost prea mare pentru a permite atingerea tensiunii pragului de risc". Acesta este un răspuns parțial la problemă și reprezintă o soluție mediocră dacă metoda de încercare nu poate fi folosită pentru caracterizarea celor mai moderne materiale folosite pentru îmbrăcămintea ESD. Nu se prea poate face mult în legătură cu întârzierea de 20 ms, dar există alte posibilități de modificare a metodei astfel încât să poată fi folosită pentru caracterizarea materialelor textile ale îmbrăcămintei ESD. Ca măsură minimă trebuie folosite alte criterii decât timpul la 10% din potențialul maxim al suprafeței.

Timpul de descărcare a sarcinii conform standardului EN 1149-3 metoda 1 (încărcare triboelectrică)

În această metodă, materialele sunt încărcate prin frecarea cu tije cilindrice montate pe un glisor vertical, ca în figura 2.4. Intensitatea câmpului electric de la sarcina generată pe materialul de încercare este observată și înregistrată cu ajutorul unui fieldmetru electrostatic (contor static) conectat la un dispozitiv de înregistrare grafică. Acest standard specifică două materiale pentru tijele de încărcare: aluminiu și polietilenă de înaltă densitate (HDPE) disipativă.

Eșantionul de încercare este legat la pământ la unul din capete. Încercarea se efectuează pe eșantioane confecționate pe direcția urzelii (la mașină) și pe eșantioane confecționate pe direcția bătăturii (sau pe lățime).

Descărcarea de sarcină este definită ca fiind timpul necesar intensității de câmp respective de a scădea la Emax /2, deci t50. De asemenea, se înregistrează intensitatea maximă a câmpului electric după încărcarea triboelectrică E0, și intensitatea câmpului electric la 30 s după E0, adică E30. Principiile metodei și montajului de încercare sunt descrise detaliat în standardul de referință.

Fig. 2.4 – Exemplu de echipament pentru metoda de încercare cu încărcare triboelectrică, conform standardului EN 1149-3, unde:

1-fieldmetru, 2-clemă de fixare, 3-eșantion de încercare,4-poziția de pornire a glisorului, 5-glisorul în poziția finală, 6-șină de ghidare, 7-dispozitiv de tensionare (clemă cu greutate), 8-tije cilindrice

Încercările comparative au fost efectuate la două laboratoare cu echipamente și montaje de încercare diferite (dar amândouă în conformitate cu EN 1149-3). Corelarea dintre timpii de descărcare a sarcinii pentru cele două laboratoare a fost satisfăcătoare. Nu s-a constatat o influență importantă a tipului tijelor asupra descărcării sarcinilor.

Un dezavantaj major al metodei este legat de întârzierea de aprox. 0,1 s între încărcarea unei zone a eșantionului și momentul în care aparatura de măsurare poate măsura zona încărcată.

Procesele rapide din materialele textile eterogene de tip B în acest timp și-au descărcat deja sarcina. De aceea nu se recomandă folosirea acestei metode ca metodă generală de încercare pentru materialele textile ESD. Metoda este totuși folositoare pentru caracterizarea capacității de încărcare a materialului.

Timpul de descărcare a sarcinii conform standardului EN 1149-3 metoda 2 (încărcarea prin inducție)

Prin această metodă încărcarea eșantionului de încercare este efectuată prin efectul de inducție. Imediat sub eșantionul de încercare, care este poziționat orizontal, este amplasat un electrod de câmp, fără a avea contact cu eșantionul, figura 2.5. Pe electrodul de câmp se aplică rapid înaltă tensiune.

Dacă eșantionul este conductiv sau conține elemente conductive, pe eșantionul de încercare este indusă o încărcare de polaritate opusă cu cea a electrodului de câmp.

Câmpul din electrodul de câmp care afectează elementele conductoare nu trece prin specimenul de testare și câmpul net este redus într-un mod caracteristic materialului testat.

Acest efect este măsurat și înregistrat în spatele eșantionului cu o sondă de măsurare a câmpului. Cum mărimea sarcinii induse pe eșantionul de încercare crește, câmpul rețelei înregistrat de sonda de măsurare scade. Această scădere a câmpului este folosită pentru determinarea timpului de înjumătățire a sarcinii t50 (specificat în același mod ca în metoda de triboîncărcare din standardul EN 1149-3 ca fiind timpul necesar intensității câmpului de a scădea la Emax/2) folosit la caracterizarea descărcării de sarcini în material. Principiile metodei și montajul de încercare sunt descrise în detaliu în standardul de referință .

Încercări comparative au fost efectuate în două laboratoare. S-a constatat o bună corelare a rezultatelor. Toate eșantioanele de încercare cu elemente conductive au avut o descărcare inițială foarte rapidă (t50 < 0,1 s). Timpul de răspuns al metodei este rapid, în jur de 30 µs (din cauza timpului ridicat de aplicare a tensiunii de inducție) care permite și măsurarea proceselor de descărcare rapidă a sarcinii în materiale.

În concluzie, metoda este potențial adecvată pentru caracterizarea corectă a tuturor tipurilor de materiale textile pentru confecționarea îmbrăcămintei ESD. Acesta este un beneficiu major al metodei. Este de asemenea posibil să se obțină informații despre rezistența traseului conductiv (adică a fibrelor conductive) de pe curbele de descărcare a sarcinii. Măsurătorile dau în același timp informații despre evaluarea performanței de ecranare electrostatică a materialului textil.

Un neajuns major al metodei este acela că nu există încă o comparabilitate a rezultatelor cu acelea obținute de la eșantioanele încărcate triboelectric. În eșantioane eterogene sarcina este generată în mod diferit pe sau în material prin încărcarea prin inducție sau triboelectrică. La încărcarea prin inducție, migrarea sarcinilor se poate produce oriunde în elementele conductive ale materialului textil. Nu se poate face distincția între ceea ce se întâmplă în volumul de material și pe suprafața sa. Nu este clar cum acest lucru poate influența rezultatele. Se poate întâmpla ca relevanța metodei, ca metodă de încercare a descărcării de sarcină, să nu fie prea mare pentru utilizatorii finali, dacă corespondența rezultatelor comportamentului descărcării de sarcini comparativ cu cele pentru sarcinile generate pe suprafață prin frecare să fie mică. Există studii în lucru privind aceste aspecte.

Fig. 2.5 – Montajul echipamentelor pentru metoda de încercare cu încărcare prin inducție, conform standardului EN 1149-3, în care:

1-amplificator de sarcină, 2-dispozitiv de înregistrare, 3-sondă de măsurare a câmpului, 4-inel de protecție, 5-inele de fixare a eșantionului, 6-eșantion de încercare, 7-inel de sprijin, 8-electrod de câmp, 9-generator de tensiune

Metoda de încărcare prin contact cu monitorizarea plăcii de încărcare (metoda VTT)

Metoda se bazează pe monitorizarea plăcii de încărcare (MPI). Un eșantion de dimensiuni fixe (lungime și lățime) este pus pe placa metalică a MPI, figura 2.6. Un capăt al eșantionului este încărcat în prealabil cu ajutorul MPI la o tensiune predeterminată. Apoi placa de încărcare este deconectată de la sursa de alimentare cu tensiune și regiunea încărcată este monitorizată (ca funcție de timp) de către fieldmetrul (măsurător de câmp) din MPI, cu un fieldmetru exterior sau printr-un voltmetru electrostatic fără contact deasupra eșantionului. Pentru a garanta un contact electric bun între electrodul de încărcare și eșantion, deasupra eșantionului trebuie să se pună, ca greutate, o placă ne-conductivă și care se poate încărca foarte puțin. La fieldmetru se poate conecta un PC pentru înregistrarea curbelor de descărcare sau, ca alternativă, se poate pune folosi doar înregistratorul de timp al MPI. Pentru mai multe detalii despre metodă a se vedea referința – J Paasi, T Kalliohaka, T Luoma, R Ilmén, S Nurmi, Contact charging method for the measurement of charge decay in electrostatic dissipative materials, Proc. Electrostatics 2003 Conf., Inst Phys Conf Series, 2004.

Fig.2.6 – Schiță a montajului pentru metoda de încărcare prin contact VTT.

Aceste experimente s-au efectuat numai în laboratoarele de la VTT (Technical Research Centre of Finland), deci nu a fost efectuată nicio comparație între diferite organisme de încercare.

Conform rezultatelor, metoda este adecvată eșantioanelor din materiale textile omogene și eterogene de tip A. Totuși, pentru aceste materiale metoda nu dă informații suplimentare cu privire la măsurarea standard a rezistenței în puncte. Pentru materialele textile eterogene de tip B metoda caracterizează, în principiu, numai traseul conductiv din material. Nu există corelare cu metodele de triboîncărcare, în care comportamentul întregii suprafețe a eșantionului este luat în considerare.

Metoda de încărcare prin contact, totuși, caracterizează corect situația practică în care îmbrăcămintea este într-adevăr încărcată prin contact accidental cu un electrod încărcat. În materialele textile eterogene în care elementele conductive sunt îngropate (cum sunt fibrele conductive) metoda de fapt încarcă eșantioanele prin inducție și nu prin contact. Pentru acele eșantioane metoda este similară cu metoda 2 din standardul EN 1149-3 dar este mai puțin precisă.

Capacitatea de încărcare

Capacitatea de încărcare a unui material la încărcarea triboelectrică este unul din factorii cheie care influențează performanțele de protecție ESD ale îmbrăcămintei.

Pentru măsurarea capacității de încărcare există mai multe metode de încercare standardizate și de laborator. În proiectul ESTAT-Îmbrăcăminte s-au luat în considerare două metode: metoda 1 din standardul EN 1149-3 și din standardul japonez JIS L 1094:1997 "Metoda de măsurare a cantității de electricitate la încărcare prin fricțiune".

Metoda japoneză JIS, deși inițial concepută pentru materiale textile, poate fi aplicată și pentru îmbrăcămintea completă.

Metoda 1 din standardul EN 1149-3

Descrierea metodei a fost deja prezentată mai sus, la punctul 2.6.1.2.2. Atunci când se ia în considerare capacitatea de încărcare a materialului ne focalizăm pe intensitatea electrică maximă a câmpului după încărcarea triboelectrică, E0.

Metoda nu determină încărcarea triboelectrică maximă absolută a materialului textil dar este o unealtă utilă pentru compararea capacității de încărcare a diverse materiale textile, într-un mod repetabil. De exemplu, uneori la aplicarea unei forțe de frecare mai mare sau atunci când se folosesc diferite materiale de frecare, eșantionul de încercare se poate încărca mult mai mult decât în cazul încercărilor care urmează procedura din proiectul standardului EN 1149-3.

Repetabilitatea și reproductibilitatea încercărilor de triboîncărcare nu sunt niciodată la același nivel cu acelea ale măsurării rezistenței, dar în metoda din EN 1149-3 ele sunt la un nivel satisfăcător. Capacitatea de încărcare a diverselor materiale poate fi bine comparată prin aceste încercări.

Defectul major al metodei se referă la perechile de frecare din seriile triboelectrice. În prezent sunt două materiale de frecare specificate în proiectul de standard: aluminiul (Al) și polietilena disipativă de înaltă densitate (HDPE). În seriile triboelectrice aluminiul este aproximativ în poziția de mijloc iar polietilena aproape de capătul inferior (negativ) al seriei. Nu există nicio pereche de frecare la capătul superior (pozitiv) al seriei. În studii s-au inclus, în plus față de tijele de încărcare din aluminiu și HDPE, și tije de încărcare făcute din poliamidă disipativă electrostatic (PA). Toate materialele textile încercate au fost încărcate la nivelul esențial superior (E0) cu tijele de poliamidă apoi cu tijele de aluminiu sau HDPE. În general tijele de aluminiu au indus cele mai mici valori ale E0.

Deficiențele minore ale metodei constau în măsurarea câmpului electrostatic, și aceasta din cauza suprafeței încărcate a eșantionului.

Există la început o întârziere de 0,1 secunde, după încărcare, înainte ca instrumentul de măsurare a câmpului să poată măsura locația încărcată. Din cauza întârzierii nu este măsurată valoarea maximă reală. Acest lucru nu reprezintă o problemă atunci când se caracterizează materialele textile ale îmbrăcămintei pentru industria electronică. În cadrul a 0,1s nu se poate ca un element de îmbrăcăminte triboîncărcată să fie adusă suficient de aproape de dispozitivele sensibile ESD pentru a crea un risc. În atmosferele inflamabile situația este diferită. În acest caz, persoana încărcată care poartă îmbrăcămintea poate fi deja în domeniul de risc în momentul triboîncărcării.

În al doilea rând, fereastra de măsurare (conul) este prea mare în raport cu mărimea eșantionului, acoperind nu numai eșantionul dar și mediul din jurul eșantionului. De aceea, VTT a adoptat o modificare a metodei, în care măsurarea este efectuată printr-un voltmetru electrostatic fără contact la distanța de 25 mm de la suprafața eșantionului, iar pentru corectarea erorii datorate modificării distanței se folosește un factor de corecție (calibrare).

Metoda de măsurare a cantității de electricitate la încărcarea prin fricțiune – standardul japonez JIS L 1094

JIS L 1094:1997 – "Metode de încercare a tendințelor electrostatice ale textilelor și tricotajelor" este un standard industrial japonez care cuprinde mai multe metode de încercare.

În cazul "Metodei de măsurare a cantității de electricitate la încărcarea prin fricțiune" se pune o bucată de material textil pe o placă metalică acoperită cu un material poliamidic sau poliacrilic și apoi se așază pe o placă de lemn cu o tijă de plastic introdusa în manșonul materialului (brida), figura 2.7.

Eșantionul este frecat manual cu o tijă de frecare din PVC acoperită cu țesătură poliacrilică sau poliamidică, de cinci ori, la viteza de frecare de o cursă pe secundă. Imediat după procedura de frecare eșantionul este pus într-o cușcă Faraday mare și se măsoară sarcina electrostatică.

Procedura se repetă de cinci ori pentru fiecare țesătură de frecare, poliamidă și poliacril. Rezultatele sunt date în cantitatea de sarcină per unitatea de suprafață (C/m2).

Repetabilitatea și reproductibilitatea măsurătorilor sunt satisfăcătoare, dar nu la fel de bune ca în cazul metodei din proiectul standardului prEN 1149-3. Ar fi putut exista și alte îmbunătățiri, prin încărcarea controlată cu ajutorul unui motor, așa cum a fost în cazul metodei 1 din prEN 1149-3.

Defectul major al acestei metode este reprezentat de necesitatea mutării eșantionului de încercare după ce a fost încărcat în cușca Faraday. Această operațiune va dura câteva secunde, timp în care se poate produce descărcarea de sarcini (chiar și dacă eșantionul nu este legat la pământ), iar încărcarea măsurată pe eșantion poate să nu corespundă capacității reale de încărcare a materialului. Din această cauză și din cauza progresului în standardizarea metodei din standardul EN 1149-3, metoda JIS L1094:1997 – „Metoda de măsurare a cantității de electricitate la încărcarea prin fricțiune" nu a fost considerată ca metodă de încercare potențială la nivel de țesătură pentru includere în standarde CEI/EN.

Fig.2.7 – Exemplu de procedură de frecare din cadrul metodei "Metoda de măsurare a cantității de electricitate la încărcarea prin fricțiune" (JIS L 1094:1997)

Ecranarea câmpului electrostatic

Ecranarea câmpurilor electrostatice provenind de la îmbrăcămintea interioară este una din proprietățile principale ale îmbrăcămintei de protecție ESD folosită în industria producătoare de electronice. În standardul EN 1149-3, metoda 2, se prezintă o metodă eficientă pentru studierea ecranării câmpului electrostatic la nivel de țesătură. Procedura de măsurare este descrisă în standard dar analiza rezultatelor este una specifică pentru încercarea de ecranare.

Performanța de ecranare electrostatică a materialului textil este descrisă de factorul de ecranare, S, definit ca:

, 2.1

unde:

E100 intensitatea electrică inițială a câmpului (fără eșantion);

ER câmpul electrostatic rezidual produs prin ecranare electrostatică, ilustrat în figura 2.8 care arată pofilele de încărcare prin inducție pentru materialele textile omogene, cu miez și metalice.

Notă: Ecranarea câmpului electrostatic în contextul acestei lucrări nu trebuie confundată cu ecranarea ESD din contextul încapsulării de protecție ESD. Încapsularea de ecranare ESD trebuie să protejeze dispozitivul din interiorul ei împotriva curenților electrostatici precum și împotriva câmpurilor electrostatice exterioare. Măsurarea proprietăților de ecranare ale încapsulării sunt definite în termeni de reducere a energiei sesizate de dispozitiv ca rezultat al unui impuls HBM (modelul corpului uman) aplicat în exterior.

Efectul de ecranare a eșantionului nu este imediat iar răspunsurile sunt clasificate în 3 tipuri: metalic, cu miez și omogen.

Materialele care au un răspuns rapid, fără valoare inițială de vârf, sunt clasificate ca fiind de tip metalic.

Materialele de tip cu miez au o valoare inițială de vârf Ep care scade rapid în intervalul a 30-50µs până la o valoare reziduală ER.

Se definește "penetrarea câmpului" ca eficiența ER/E100, în care E100 este intensitatea inițială a câmpului. Factorul de ecranare electrostatică se apropie de 1 atunci când ER se apropie de 0.

Metoda este adecvată tuturor tipurilor de materiale. Materialele textile ale îmbrăcămintei normale omogene nu prezintă efect de ecranare. Pentru materiale eterogene valoarea ecranării depinde de conductivitatea componentelor conductive ale materialului textil și de densitatea rețelei fibrelor conductive.

Fig. 2.8 – Grafice de „încărcare prin inducție” care cuprind curbele descărcării pe materiale tip metalic, cu miez și omogene.

Standardul EN 1149-3 dă o valoare ampla (exprimată pe larg) a ecranării electrostatice. La articolele de îmbrăcăminte confecționate din materiale textile eterogene, câmpul electrostatic al sarcinilor acumulate pe îmbrăcăminte este parțial suprimat prin cuplarea directă cu corpul purtătorului. Acest efect nu este inclus în metoda din proiectul de standard prEN 1149-3.

Încărcare capacitivă

Metoda de încărcare capacitivă a lui J. Chubb este una relativ nouă, nefiind o metodă curentă, cu denumirea completă "Metodă de încercare pentru determinarea limitelor potențialului de suprafață creat prin încărcarea electrostatică acumulată pe materiale". Cu referire la tabelul 2.3, se focalizează pe efectul de suprimare a tensiunii, deși corespondența nu este în raport de unu la unu.

Metoda de încărcare capacitivă se bazează pe faptul că materialele textile prezintă o legătură între sarcina de suprafață și tensiune, deci prin urmare are caracteristicile unei capacitanțe. O exprimare absolută a capacitanței în sensul său adevărat nu este posibilă pentru că materialul textil poate fi neomogen și anumite cantități de sarcină pot fi acumulate pe suprafețe de material ne conductiv. La un dispozitiv sau senzor poziționat suficient de departe de suprafață sunt sesizate valorile medii generate de o sarcină și un potențial.

Se poate folosi exprimarea relativă definită de Chubb pentru capacitanța de încărcare CL (capacitance loading). Capacitanța de încărcare este definită ca raportul dintre "capacitanța" constituită de sarcinile de pe materialul încercat și aceea de pe un material dielectric ideal. CL se calculează pornind de la:

,

unde:

Qtot sarcina totală stocată pe suprafața eșantionului încercat;

V tensiunea inițială de vârf de pe suprafața eșantionului creată prin depozitarea sarcinilor;

Q*tot sarcina totală stocată pe un material dielectric subțire folosit ca eșantion de referință;

V* tensiunea inițială de vârf de pe materialul dielectric de referință.

Pentru măsurarea CL se poate folosi echipamentul de încărcare corona prezentat în standardul CEI 61340-2-1, după ce se modifică pentru măsurarea sarcinii totale stocate pe eșantionul supus încercării.

CL nu este o constantă, nu are o singură valoare pentru toate materialele. Pentru materialele textile omogene, cum este bumbacul 100% valoarea CL aproape că nu depinde de cantitatea de sarcini acumulate. Pentru textile eterogene care conțin fire conductive, valoare lui CL pentru un anumit material crește linear cu cantitatea de sarcini acumulate. Pentru a depăși această problemă, s-a propus să se măsoare CL la Qtot diferite și să se extrapoleze matematic CL pentru Q=0. Această extrapolare nu este întotdeauna ușoară pentru că dispersia valorilor singulare ale punctelor CQtot poate fi relativ mare.

O altă chestiune legată de această metodă este cum se pot interpreta corect rezultatele? Adică, cum să se evalueze capacitatea îmbrăcămintei (a materialului textil) de a proteja componentele electronice de deteriorarea ESD folosind această metodă. O valoare ridicată a lui CL pentru un anumit material textil este legată de suprimarea înaltei tensiuni, care este o proprietate bună, de dorit. Pe de altă parte, un material textil cu o valoare mare a lui CL ar putea stoca o cantitate mult mai mare de sarcini și ar putea crea un posibil risc de descărcări electrostatice directe, ceea ce este o proprietate nedorită pentru îmbrăcămintea ESD.

Metoda încărcării capacitive este o altă unealtă care poate fi folosită împreună cu alte măsurători pentru a obține o imagine mai completă a comportamentului materialelor textile/îmbrăcămintei. Pentru materialele textile ale îmbrăcămintei cu fibre conductive în miez, această metodă se poate dovedi utilă chiar și singură.

Dacă tensiunea de suprafață este redusă la un nivel suficient de scăzut, atunci nu există posibilitatea apariției descărcărilor în aer, iar defectele induse de câmp pot fi de asemenea prevenite. Singura cale prin care energia poate fi transferată de la materialul textil al îmbrăcămintei la un dispozitiv este prin conducție directă, care va fi foarte mică în cazul fibrelor conductive în miez. Pe de altă parte, dacă se consideră un material textil cu fibre din oțel inoxidabil, există posibilitatea ca o cantitate semnificativă de energie să fi transferată prin conducție, asta dacă fibrele conductive nu sunt legate eficient la pământ. Pentru a minimiza riscurile ESD la îmbrăcăminte trebuie evitată combinația dintre încărcarea cu capacitanță mare și rezistență mică.

În concluzie, metoda de încărcare capacitivă are potențial de viitoare metodă standardizată, dar este necesară mai multă experiență practică cu o gamă mai largă de materiale textile înainte ca valoarea metodei să poată fi evaluată complet. Problema de o importanță mare este dacă se poate anticipa valoarea tensiunii de suprafață pe îmbrăcămintea ESD îmbrăcată, pe baza valorilor obținute pentru CLQ=0 ale materialelor textile alei îmbrăcămintei.

Evaluarea metodelor de încercare a materialelor textile

În tabelul de mai jos, tabelul 2.4, se prezintă evaluarea practică a materialelor textile. Pentru evaluare se are în vedere parametrul încercat determinat printr-o metodă de încercare analizată anterior.

Tab. 2.4 – Sumarul evaluării metodelor existente de încercare pentru materialele textile ESD.

Studiul metodelor de încercare a îmbrăcămintei finite

Este important să se facă distincția între încercările la nivel de îmbrăcăminte și la nivel de material textil. Din punct de vedere electrostatic, diferența dintre materialele textile ESD și îmbrăcămintea neîmbrăcată este efectul cusăturilor. Ceea ce înseamnă că:

Îmbrăcăminte = material textil + cusături

Astfel, măsurarea conductivității electrice de-a lungul unei cusături este o parte importantă a încercării la nivel de îmbrăcăminte. Influența asupra performanțelor de protecție ESD ale îmbrăcămintei unui operator legat la pământ și purtând îmbrăcăminte ESD este atât de mare încât performanța de protecție poate fi studiată în mod realistic numai pe îmbrăcămintea îmbrăcată.

Din nefericire, această situație ar scădea în același timp repetabilitatea și reproductibilitatea rezultatelor încercării. Incertitudinea măsurătorii la nivel de îmbrăcăminte, cu îmbrăcămintea îmbrăcată, este întotdeauna mai mare decât aceea la încercările pe material textil datorită factorilor umani importanți la nivel de îmbrăcăminte.

Metodele actuale de încercare a îmbrăcămintei ESD sunt următoarele:

Metodele rezistive descrise în standardul CEI 61340-5-1;

Metodele rezistive din standardul ESD STM2.1;

Metoda VTT de măsurare a timpului de descărcare a sarcinii la îmbrăcămintea de protecție ESD;

Metoda SP 2175 "Măsurarea timpului de descărcare a sarcinii la îmbrăcămintea de protecție ESD";

Metoda STFI de încercare nr. PS07 versiune 01/03 Rev. A "Metodă de încercare pentru determinarea potențialului corpului și transferului de sarcină prin purtarea de îmbrăcăminte de protecție disipativă electrostatic" (transfer de sarcină);

Metoda Shirley 202 "Metodă de încercare pentru măsurarea electricității statice generate la dezbrăcarea îmbrăcămintei de pe corpul uman";

Metoda din standardul JIS L 1094:1997 "Metoda de măsurare cantitativă a electricității generate de încărcarea prin fricțiune".

Metodele rezistive prezentate în standardele CEI 61340-5-1 și ESD STM2.1

Metodele rezistive din ambele standarde majore CEI 61340-5-1 și ESD STM2.1, pentru îmbrăcămintea completă ESD, măsoară rezistențele în puncte și/sau rezistența la un punct de legare la pământ (dacă prezintă unul). În standardul CEI se spune că trebuie acordată atenție includerii, acolo unde este cazul, unei cusături între cei doi electrozi de măsurare. Standardul ESD STM2.1 spune că încercarea în puncte are scopul de a testa rezistența electrică între oricare două puncte ale îmbrăcămintei, ceea ce poate include rezistența electrică transversală prin cusăturile îmbrăcămintei.

Măsurarea rezistenței între puncte, în ambele standarde, se efectuează pe îmbrăcămintea supusă încercării așezată pe un suport izolant. Există diferențe minore (neglijabile în practică) între electrozii folosiți la măsurătorile în puncte. Conform CEI 61340-5-1, Anexa A.3, măsurătorile sunt în general efectuate de la o mânecă la alta, de la o mânecă la manșetă (sau picior), transversal pe piesa de spate la distanța de 30 cm între electrozi. Tensiunea de măsurare este de obicei 100 V. Standardul ESD STM2.1 descrie un montaj diferit la măsurarea rezistenței de la o mânecă la alta, măsurătoarea de la o mânecă la alta este efectuată pentru îmbrăcămintea atârnată de fiecare mânecă cu cleme din oțel inoxidabil izolate electric, care au rol de electrozi. Scopul măsurării de la o mânecă la alta este de a testa integritatea rezistenței electrice transversale pe cusăturile îmbrăcămintei.

Rezistența (sau rezistivitatea) este un factor cheie pentru majoritatea parametrilor care sunt importanți din punctul de vedere al îmbrăcămintei ESD. Dar în majoritatea cazurilor rezistența relevantă, în cazul materialului îmbrăcămintei moderne ESD, este rezistivitatea firelor conductive și nu rezistivitatea generală a materialului.

Rezistivitatea firelor conductive are o influență directă asupra curentului ESD de vârf, asupra transferului de sarcini dintr-o descărcare electrostatică, asupra ratei de disipare a sarcinii pe îmbrăcăminte și pe materialul îmbrăcămintei prin efecte de conducție și inducție, asupra proprietății de ecranare electrostatică a materialului și de asemenea asupra suprimării tensiunii în întregul sistem al îmbrăcămintei.

Rezistivitatea materialului de bază are o influență semnificativă asupra disipării sarcinii prin conducție. Rezistența peste cusăturile îmbrăcămintei este importantă, în cazul când nu fiecare parte a îmbrăcămintei este în contact direct cu pământul, asupra ratei de disipare a sarcinii precum și pentru cantitatea de sarcină reținută ca sursă posibilă de descărcare electrostatică directă.

Totuși electrozii folosiți în metodele rezistive din standardele CEI 61340-5-1 și ESD STM2.1 nu măsoară o rezistență specifică a firelor conductive sau a materialului textil de bază, ci rezistența generală peste o suprafață mare de contact. În cazul materialului îmbrăcămintei ESD care cuprinde fire conductive și material textil de bază mai mult sau mai puțin izolant.

Mai grav este faptul că un bun contact electric între electrod și subiectul țintă (de exemplu firele conductive) nu este garantat. De exemplu, în cazul firelor conductive, electrodul de măsură nu va fi în contact cu firul conductiv ci cu suprafața izolantă a firelor conductive.

Contactul electric dintre electrod și fibrele conductive poate fi imperfect și în cazul firelor conductive hibride sau de suprafață, atunci când firele conductive nu sunt exact la suprafața materialului datorită asperităților suprafeței, ceea ce se poate foarte ușor întâmpla nu numai în cazul îmbrăcămintei purtate ci și pentru cea nouă.

Pentru materialele omogene măsurarea rezistenței este cea mai bună cale de evaluare a performanțelor de protecție ale materialului sau produsului. Măsurătoarea este ușor de executat, reproductibilitatea este mare (unde R<1×1010) și acoperă majoritatea factorilor care influențează performanțele de protecție ale materialului. Totuși, dacă din măsurarea în puncte sau de la o mânecă la alta a îmbrăcămintei rezultă R>1×1010, influența perturbațiilor exterioare și curenții de scurgere de la firele instrumentelor asupra rezultatelor măsurătorii devine foarte ușor una predominantă, astfel încât măsurători fiabile pot fi efectuate numai în laboratoare specializate și nu „in situ”.

Pentru materiale neomogene (în special de tip B) situația nu mai este așa de simplă. Rezistența măsurată poate să nu corespundă rezistenței corecte care trebuie controlată. Problema mai serioasă este că elementul conductiv propriu-zis din material poate să nu fie în contact cu electrodul de măsură, ceea ce va conduce direct la rezultate eronate. Produsul poate fi respins din motive incorecte. Pentru îmbrăcămintea care are fire conductive în miez (tip B2) nu se va putea realiza niciodată un contact electric perfect între elementele conductive și electrozii de măsură. Contactul poate fi imperfect și în cazul altor tipuri de fire conductive compozite moderne.

În concluzie metodele rezistive în puncte și de la o mânecă la alta din standardele CEI 61340-5-1 și ESD STM2.1 nu caracterizează în mod satisfăcător parametrii care controlează performanțele de protecție ale îmbrăcămintei moderne ESD. O îmbrăcăminte poate fi respinsă din motive incorecte atunci când este folosită măsurarea rezistenței în puncte și de la o mânecă la alta.

Dacă o îmbrăcăminte trece cu succes încercările de măsurare a rezistenței, riscurile de defecte ESD la dispozitivele sensibile ESD în ceea ce privește îmbrăcămintea sunt mici, considerând că îmbrăcămintea este corect folosită și legată la pământ și că structura materialului textil al îmbrăcămintei este corectă (adică ochiurile rețelei de fire conductive să fie suficient de mici).

Măsurarea rezistenței la un punct de legare la pământ este o măsurătoare utilă tuturor tipurilor de îmbrăcăminte în afară de îmbrăcămintea de tip B2 eterogenă (cu miez conductiv). Măsurătorile sunt valoroase în ceea ce privește legarea eficientă la pământ a acelor materiale care necesită acest lucru. Măsurătorile trebuie să cuprindă cel puțin o cusătură în traseul curent pentru a testa integritatea rezistenței electrice transversală pe cusăturile îmbrăcămintei și trebuie efectuată pornind de pe fiecare panou principal al îmbrăcămintei. Nu toată îmbrăcămintea are puncte clare specifice de legare la pământ. De aceea, măsurătorile trebuie modificate pentru a obține rezistența directă la pământ, preferabil pe îmbrăcămintea îmbrăcată pe o persoană, a tuturor tipurilor de îmbrăcăminte care sunt destinate utilizării cu legătură la pământ. Măsurătorile trebuie efectuate pornind de la fiecare panou principal al îmbrăcămintei.

Îmbrăcămintea ESD este uneori folosită în industria electronică și în lucrări în care elementele de securitate electrică sunt importante sau chiar critice. Metodele de încercare din standardele CEI 61340-5-1 și ESD STM2.1 (rezistența în puncte și rezistența la punctele de legare la pământ) sunt metode corecte de evaluare a elementelor de securitate electrică a îmbrăcămintei.

Singura remarcă este că, atunci când se evaluează securitatea electrică, tensiunea de măsurare de deschidere trebuie să fie, pentru îmbrăcăminte de "rezistență mare" mai mare decât cea de 100 V specificată în standarde, de exemplu 500 V, pentru a ilustra nivelele de tensiune periculoase probabil să fie întâlnite în practică. Ca alternativă, poate fi folosită o rampă de tensiune de încercare de până la câțiva kV, așa cum este prevăzut în metoda semnăturii rezistenței (resistive signature method) care este în dezvoltare la Centexbel – VKC Belgia.

Metoda VTT de descărcare a sarcinii pentru îmbrăcămintea completă

Metoda VTT de măsurare a timpului de descărcare a sarcinii la îmbrăcămintea de protecție ESD se bazează pe montajele de măsurare a rezistenței în puncte sau de la o mânecă la alta din standardele CEI 61340-5-1 și ESD STM2.1. Ca denumire alternativă a metodei este timpul de descărcare a sarcinii de la un punct la altul.

În cadrul metodei, îmbrăcămintea supusă încercării este încărcată prin contact de către unul din electrozii folosiți la măsurarea rezistenței, la o tensiune care depășește 1000 V. Apoi eșantionul este legat la pământ prin celălalt electrod și se înregistrează timpul de descărcare de la 1000 V la 100 V.

Se pot efectua măsurătorile în aceleași puncte ca și la măsurătorile rezistenței în puncte sau de la o mânecă la alta. Este important ca în măsurători să se includă și măsurători peste o cusătură, pentru a măsura transferul de sarcină transversal pe cusătură. Măsurătorile pot fi efectuate fie pe îmbrăcămintea așezată fie pe îmbrăcămintea atârnată.

Măsurătorile timpului de descărcare a sarcinii de la un punct la altul, efectuate de VTT, caracterizează capacitatea îmbrăcămintei întregi de disipare a sarcinii în principal prin conducție. Metoda simulează situația practică de încărcare a îmbrăcămintei prin contact și de migrare a sarcinilor spre pământ prin cusături. Metoda este foarte apropiată de măsurarea rezistenței în puncte sau de la o mânecă la alta din standardul CEI 61340-5-1 și ESD STM2.1. Metoda este foarte bună pentru caracterizarea performanțelor de protecție ESD ale îmbrăcămintei confecționate din materiale omogene, dar oferă puține informații suplimentare cu privire la măsurarea rezistenței.

În cazul materialelor neomogene compozite moderne această metodă are aceleași probleme ca și metodele rezistive din standardele CEI 61340-5-1 și ESD STM2.1.

Metoda de laborator SP 2175

Metoda SP 2175 – "Măsurarea timpului de descărcare la îmbrăcămintea de protecție ESD" este o metodă de laborator care are, în practică, statut neoficial de standard național în Suedia. Există și firme din afara Suediei care doresc încercarea îmbrăcămintei produse conform acestei metode.

Metoda SP 2175 are scopul de a verifica dacă fiecare panou de îmbrăcăminte cu rol de protecție are conectare la pământ. Metoda se bazează pe măsurarea unui sistem. Măsurarea este efectuată cu îmbrăcămintea îmbrăcată pe o persoană, țintind și alte fenomene cum ar fi simularea dispunerii sarcinii pe îmbrăcămintea completă sau suprimarea tensiunii care apare în situații practice.

Aplicarea sarcinii este efectuată prin transferul de sarcini de la un capacitor, încărcat la 550-600V, pe oricare panou al îmbrăcămintei de încercare, figura 2.9. Dacă îmbrăcămintea este conductivă sau disipativă sarcina se va dispersa pe întreaga îmbrăcăminte iar tensiunea va fi suprimată prin capacitanța îmbrăcămintei cu persoana de încercare. Persoana de încercare trebuie să stea în picioare cu brațele depărtate orizontal și cu marginea mânecilor depășind cu 5-8 cm manșeta îmbrăcămintei purtate pe dedesubt. Persoana de încercare este legată la pământ printr-o bandă legată la încheietura mâinii și astfel sarcinile sunt dirijate în afara îmbrăcămintei supuse încercării. Se măsoară și se înregistrează timpul de descărcare de la 500 V la 100 V al electrodului de încărcare.

Fig. 2.9 – Schița metodei SP 2175 "Măsurarea timpului de descărcare a sarcinii la îmbrăcămintea de protecție ESD"

Metoda SP 2175 este o metodă sistem. Operatorul din interiorul îmbrăcămintei are o funcție foarte importantă și relevantă în asigurarea celor mai defavorabile trasee spre pământ, respectiv pentru încărcare, corespunzător situațiilor reale întâlnite la bancurile de lucru.

Implicarea unei persoane în circuitul de măsurare crește incertitudinea măsurătorii, dar reproductibilitatea rezultatelor este totuși bună (dar nu la fel de bună comparativ cu măsurătorile de rezistență).

Migrarea sarcinilor de la îmbrăcămintea încărcată la pământ, prin corpul operatorului este inclusă în mod corect în această metodă. Metoda mai include și efectul suprimării tensiunii (conectarea câmpurilor la corpul operatorului) în descărcarea de sarcină, deși efectul nu este clar distinct iar influența sa nu este ușor de reprodus. Metoda poate fi ușor modificată astfel încât să fie inclus și efectul de suprimare a tensiunii într-o manieră reproductibilă.

Se poate concluziona că metoda se poate utiliza dacă fiecare panou al îmbrăcămintei are suficientă conexiune de legare la pământ. Metoda prezintă cazul practic de cel mai defavorabil, cazul în care sarcina trebuie să migreze de pe un panou pe altul, traversând cusăturile, pentru a găsi o cale spre corpul operatorului. Metoda caracterizează bine și capacitatea de disipare a sarcinii de pe îmbrăcăminte în condiții de utilizare reale, atunci când încărcarea se realizează prin contact cu un material încărcat. Rămâne ca necunoscut cât de bine acest caz corespunde situațiilor întâlnite cel mai frecvent în practică – adică încărcarea îmbrăcămintei prin frecare. Metoda poate fi modificată ușor pentru îmbrăcămintea care este destinată a fi legată la pământ printr-un fir de pământare exterior, fir conectat la un punct de legare la pământ de pe îmbrăcăminte.

Îmbrăcămintea cu fire conductive în miez nu poate fi evaluată cu aceste încercări din cauza barierei formate de stratul izolant dintre firele conductive și operator, barieră prea înaltă pentru ca sarcinile să poată să o treacă în cadrul unui timp acceptabil. Problema este fundamental aceeași ca și în cazul măsurării rezistențelor. Metoda nu este aplicabilă îmbrăcămintei care nu poate fi legată implicit la pământ (pentru a obține legarea echipotențială cu toate elementele sistemului).

Metoda de încercare STFI nr. PS 07

Metoda STFI nr. PS 07 – "Metodă de încercare pentru determinarea potențialului corpului și a transferului de sarcină prin purtarea de îmbrăcăminte de protecție disipativă electrostatic" este o metodă nouă de laborator dezvoltată pentru caracterizarea îmbrăcămintei de protecție ESD folosită în arii cu pericol de explozie. Versiunea 01/03 Rev.A a fost cea folosită în studiul ESTAT-Îmbrăcăminte. Scopul inițial al metodei este de a determina riscul de aprindere de la îmbrăcămintea de protecție confecționată din materiale disipative, risc provocat de posibila încărcare electrostatică a corpului uman sau a îmbrăcămintei.

Montajul de încercare și procedura sunt schițate în figurile 2.10A, 2.10B și 2.10C. Un operator este îmbrăcat cu lenjerie de corp specifică (bumbac) și ca îmbrăcăminte exterioară îmbrăcămintea de protecție. Îmbrăcămintea exterioară este încărcată puternic triboelectric de către o altă persoană care efectuează frecarea pe spatele operatorului cu materialul textil ales (lână pură sau poliamidă pură). Potențialul corpului, creat de sarcina generată pe îmbrăcăminte, este măsurat cu un voltmetru electrostatic. Apoi (cât de rapid posibil) este apropiat de zona încărcată un electrod legat la pământ, sferic, specificat (U. von Pidoll, Determining the incendivity of electrostatic discharges without explosive gas mixtures, PTB Braunschweig, 2002), pentru a măsura posibilul transfer de sarcină sub formă de scântei sau descărcări în perie, cu ajutorul unui osciloscop cu stocare de date. Operatorul este pe rând legat la pământ și deconectat de la pământ. Se efectuează zece măsurători paralele atât cu persoana legată la pământ cât și nelegată la pământ. Între măsurători îmbrăcămintea de încercare se neutralizează cu un ionizator.

Încercarea STFI pe îmbrăcăminte (transfer de sarcini STFI) este o nouă metodă de încercare și a fost dezvoltată inițial pentru a caracteriza îmbrăcămintea de protecție folosită în atmosfere inflamabile.

Fig. 2.10A – Procedurile metodei STFI nr.PS07 – Încărcarea îmbrăcămintei.

Fig. 2.10B – Procedurile metodei STFI nr.PS07 – Măsurarea potențialului.

Fig. 2.10C – Procedurile metodei STFI nr.PS07 – Inițierea și măsurarea descărcării.

Pentru astfel de scopuri pare a fi foarte adecvată. Se focalizează pe parametrii cheie corecți ce trebuie controlați: transferul de sarcină dintr-o descărcare, potențialul de suprafață al îmbrăcămintei și potențialul corpului.

Metoda are și un mare potențial la evaluare îmbrăcămintei ESD folosite în industria producătoare de electronice unde parametrii cheie ce trebuie controlați sunt curentul ESD de vârf, transferul de sarcini dintr-o descărcare și încărcarea dispozitivului din cauza câmpului electric exterior îmbrăcămintei.

Metoda totuși nu este definitivată și va necesita specificații mai precise pentru a se obține o mai mare reproductibilitate. Diferența dintre rezultatele încercărilor obținute de două organisme diferite de încercare implicate în evaluarea metodei a fost prea mare. Acest lucru indică clar că nu sunt controlați într-o manieră satisfăcătoare toți parametrii importanți care influențează rezultatele. Cauza majoră a slabei reproductibilități este perechea de frecare (materialul textil), aceasta trebuie să fie de același tip de material pentru a obține rezultate reproductibile în laboratoare diferite de încercare. S-a constatat că diferențe mici la materialul textil utilizat pentru frecare au condus la diferențe mari în rezultatele încercării (în valori absolute).

Metoda are un mare potențial la caracterizarea performanțelor de protecție a îmbrăcămintei care nu poate fi legată eficient la pământ. Este metoda cu cel mai mare potențial pentru evaluarea performanțelor de protecție ESD la îmbrăcămintea cu miez conductiv. Metoda ia în considerare toți factorii critici și poate deveni (dacă problemele curente cu reproductibilitatea vor fi rezolvate) singura metodă la nivel de îmbrăcăminte care să fie necesară pentru îmbrăcămintea conductivă în miez. În figura 2.11 se oferă o sugestie de protocol de încercare, simplu, pentru toată îmbrăcămintea de protecție ESD. Încercările necesare vor depinde de nivelul de protecție ESD cerut (nivele înalte de protecție necesită întotdeauna legarea la pământ eficientă a tuturor panourilor îmbrăcămintei) și dacă îmbrăcămintea este destinată să fie legată sau nu la pământ în timpul folosirii.

Prin metoda SP 2175 se va verifica dacă fiecare panou al îmbrăcămintei are suficient contact electric cu pământul (și în plus aceasta va da informații folositoare asupra factorilor cheie care influențează performanțele de protecție ESD ale îmbrăcămintei).

Prin metoda STFI PS 07 s-ar evalua riscurile de descărcări electrostatice directe și cele induse de câmp datorită îmbrăcămintei încărcate.

Notă: Acest protocol poate să nu fie propunerea finală a proiectului. Este doar o propunere de studiu și evaluare viitoare în proiect.

Rezumând, metoda STFI nr. PS 07 are potențial de metodă de încercare care se poate folosi și la evaluarea performanțelor de protecție ESD a îmbrăcămintei folosite în industria producătoare de componente electronice. Sunt necesare totuși anumite îmbunătățiri ale metodei, pentru a crește fiabilitatea rezultatelor. Metoda este adecvată tuturor tipurilor de îmbrăcăminte, inclusiv celei cu fibre conductive în miez.

Fig.2.11.– Propunere de protocol simplu de încercare pe baza metodelor SP2175 și STFI PS07

Metoda Shirley 202

Metoda Shirley 202 "Metodă de încercare pentru măsurare electricității statice generate la dezbrăcarea îmbrăcămintei de pe corpul uman" este o metodă de laborator a BTTG (British Textile Technology Group) – Shirley Method 202, Test method for measuring static electricity generated when removing garments from the human body, British Textile Technology Group (BTTG), 2002. În conformitate cu titlul său, „Metodă de testare pentru măsurarea electricității statice generate la scoaterea hainelor de pe corpul uman”, metoda specifică procedurile de măsurare a electricității statice generate atunci când îmbrăcămintea este dezbrăcată de pe corpul uman. Metoda este aplicabilă tuturor tipurilor de îmbrăcăminte.

În procedura de încercare, subiectul de încercat (persoana) stă cu picioarele goale pe o placă metalică și este legat la pământ pentru a elimina sarcinile reziduale, figura 2.12. Cușca Faraday va fi și ea legată la pământ. Apoi subiectul supus încercării dezbracă îmbrăcămintea de încercare și o lasă să cadă cu grijă în cușca Faraday astfel încât îmbrăcămintea să nu atingă exteriorul cuștii.

Sunt înregistrate rezultatele măsurătorilor tensiunii de pe corp și sarcina de pe îmbrăcămintea dezbrăcată. Procedurile de încercare sunt repetate de zece ori în total. Procedura se repetă pentru fiecare combinație de îmbrăcăminte și îmbrăcăminte de referință. În încercările pentru prezentul proiect s-au folosit două tipuri de îmbrăcăminte de referință diferite, confecționate din poliester și din bumbac.

Metoda Shirley 202 se concentrează pe un parametru major ce trebuie controlat la îmbrăcămintea de protecție ESD: capacitatea de încărcare a îmbrăcămintei încercate prin încărcare triboelectrică. Metoda este simplă și nu necesită, în afara cuștii Faraday, decât aparatură de măsură elementară. Reproductibilitatea rezultatelor a fost și ea satisfăcător de bună, ținând seama că este o metodă de triboîncărcare. Comparabilitatea dintre rezultatele diferitelor tipuri de îmbrăcăminte încercate (halat, salopetă, tricou) nu este totuși clară pentru că calea de triboîncărcare (procesul de dezbrăcare a îmbrăcămintei) nu este exact același. De asemenea, suprafețele diferitelor tipuri de îmbrăcăminte nu sunt identice.

Punctul cel mai slab al metodei, dacă privim din punct de vedere al evaluării ESD, este că simulează situația strict interzisă într-o arie protejată ESD sau arie cu pericol de explozie. Datorită acestui argument, pur și simplu, metoda nu are potențial de standard internațional care să caracterizeze îmbrăcămintea ESD folosită. Pe de altă parte, este o metodă potențială de caracterizare a proprietăților electrostatice ale îmbrăcămintei comune (nu cea de protecție) folosite în medii normale, medii fără pericol de explozie.

Fig.2.12 – Metoda Shirley 202.

Metoda JIS L 1094:1997 – "Metodă de măsurare a cantității de electricitate generate prin fricțiune"

Metoda JIS L 1094:1997 – "Metodă de măsurare a cantității de electricitate generate prin fricțiune" (Japanese Industrial Standard JIS L 1094:1997 Testing methods for electrostatic propensity of woven and knitted fabrics, 1997) este destinată, la origine, numai părților de îmbrăcăminte dar se poate aplica și îmbrăcămintei complete. Dacă este aplicată îmbrăcămintei complete, atunci pe standul de frecare se încarcă un exemplar de îmbrăcăminte întreagă (în loc de o singură parte componentă).

Metoda din Standardul Industrial Japonez intenționează să evalueze capacitatea de încărcare a îmbrăcămintei sau, de fapt, a materialului îmbrăcămintei. Alți factori legați de performanțele de protecție nu sunt luați în considerare în metodă. Reproductibilitatea rezultatelor a fost satisfăcătoare (ținând seama că este o metodă triboelectrică). Pentru cerințele industriei producătoare de electronice ar putea fi alese materiale de frecare diferite. O critică majoră a metodei este că încărcarea îmbrăcămintei este măsurată numai după o întârziere de câteva secunde. Mai mult, metoda caracterizează proprietatea unui material textil și nu a îmbrăcămintei. Ar fi avut o valoare ca metodă de încercare curentă la nivel de îmbrăcăminte, dar este foarte specifică și complexă pentru majoritatea celor care efectuează încercări curente pe îmbrăcăminte.

Analiza aplicabilității metodelor de încercare pentru evaluarea performanțelor de protecție la descărcări electrostatice ale îmbrăcămintei de protecție utilizată în atmosfere potențial explozive

Cerințele pentru prevenirea descărcărilor care pot aprinde amestecurile explozive, se referă la utilizarea materialelor disipative electrostatic pentru straturile exterioare ale îmbrăcămintei de protecție. Aceste cerințe pot să nu fie suficiente în cazul atmosferelor îmbogățite cu oxigen.

Deoarece cerințele sunt pentru materiale metodele de încercare aplicabile, conform standardelor în vigoare, se referă la testarea materialelor pentru caracterizarea lor din punct de vedere electrostatic. Încercările pe îmbrăcămintea completă sunt încă în studiu. Atâta timp cât astfel de teste nu sunt disponibile nu poate fi posibilă efectuarea unei evaluări complete a proprietăților electrostatice ale îmbrăcămintei de protecție.

Stadiul actual al cunoștințelor în acest domeniu este reflectat în seria de standarde EN 1149 „Îmbrăcăminte de protecție. Proprietăți electrostatice”, standard care cuprinde cinci părți, și anume:

Partea 1: Metodă de încercare pentru măsurarea rezistivității de suprafață;

Partea 2: Metodă de încercare pentru măsurarea rezistenței electrice la traversarea materialelor (rezistență verticală);

Partea 3: Metodă de încercare pentru măsurarea capacității de disipare a sarcinii;

Partea 4: Încercarea îmbrăcămintei (în dezvoltare);

Partea 5: Cerințe de performanță pentru materiale și cerințe de proiectare.

Aceste standarde au fost elaborate în urma cercetărilor efectuate în cadrul unui proiect European care au avut la bază încercări de inițiere a atmosferei de hidrogen. În consecință, limitele de acceptare recomandate sunt corelate cu energia sau sarcina minimă de aprindere a materialelor inflamabile, gazelor sau prafului, cu un coeficient de siguranță acoperitor datorită sensibilității mari a amestecului de hidrogen comparativ cu alte substanțe inflamabile.

Cerințele de performanță pentru materiale din standardul SR EN 1149-5 sunt ca materialele disipative din punct de vedere electrostatic să răspundă la cel puțin una din următoarele cerințe:

t50% < 4s sau S > 0,2 atunci când materialul este încercat cu cea de a doua metodă (încărcare prin inducție) precizată în SR EN 1149-3, unde t50% reprezintă timpul de înjumătățire a sarcinii iar S coeficient de protecție;

rezistența de suprafață să fie ≤ 2,5 x 109 Ω pe cel puțin una dintre suprafețe, atunci când materialul este încercat în conformitate cu standardul SR EN 11491-1.

Pentru materiale care conțin fire conductoare în formă de grilă, distanța dintre acestea trebuie să nu fie mai mare de 10 mm în orice direcție.

Cerințele de material trebuie completate cu cerințe de concepție conform standardului SR EN 1149-5, și anume:

O îmbrăcăminte de protecție disipatoare de electricitate statică, trebuie să permită acoperirea în permanență a tuturor materialelor necorespunzătoare în timpul utilizării normale (inclusiv în timpul aplecării și mișcării corpului);

Dacă îmbrăcămintea este realizată din straturi multiple, unul dintre acestea fiind de exemplu dintr-un material izolant, atunci materialul cel mai din afară trebuie să satisfacă cerințele pentru material amintite anterior;

De asemenea o îmbrăcăminte de protecție disipatoare de electricitate statică care urmează să fie folosită trebuie să corespundă conformației corpului utilizatorului în conformitate cu standardul SR EN 340 astfel încât să permită mișcarea corpului cu toate închiderile prevăzute, conform instrucțiunilor producătorului.

Atașamentele din materiale ne conductive cum ar fi etichete, benzi reflectorizante, etc. esențiale din punct de vedere al securității sunt permise cu condiția ca acestea să rămână în permanență fixate (atașate) astfel încât să se evite separările importante dintre atașamente și echipamentul individual de protecție.

Părțile conductive (fermoare, butoni de fixare, nasturi) sunt permise cu condiția ca acestea să fie acoperite în mod corespunzător de către materialul exterior atunci când îmbrăcămintea este purtată în atmosfere inflamabile sau explozive.

În esență, comportamentul electrostatic al materialelor este descris de două proprietăți: rezistivitate / rezistența de suprafață sau de volum și de descărcarea sarcinii (charge decay).

În consecință metodele de caracterizare a materialelor ca disipative electrostatic sunt cele descrise în cele trei părți ale standardului SR EN 1149, și anume:

Partea 1: Metodă de încercare pentru măsurarea rezistivității de suprafață;

Partea 2: Metodă de încercare pentru măsurarea rezistenței electrice la traversarea materialelor (rezistență verticală);

Partea 3: Metodă de încercare pentru măsurarea capacității de disipare a sarcinii;

Cu toate ca în partea a 3-a a standardului EN 1149 sunt descrise două metode pentru măsurarea capacității de disipare a sarcinii, cercetările efectuate au evidențiat faptul ca metoda 1 din SR EN 1149-3 nu este adecvată pentru a face diferența între țesăturile sigure și nesigure (safe and unsafe fabrics).

Atunci când se ia în considerare capacitatea de încărcare a materialului, se focalizează pe rezistența electrică maximă a câmpului după încărcarea triboelectrică, E0. Metoda nu dă încărcarea triboelectrică maximă absolută a materialului textil dar este o unealtă utilă pentru compararea capacității de încărcare a diverse materiale textile, într-un mod repetabil. Uneori, de exemplu, la aplicarea unei forțe de frecare mai mari sau atunci când se folosesc diferite materiale de frecare, eșantionul de încercare se poate încărca mult mai mult decât în cazul încercărilor care urmează procedura din EN 1149-3.

Defectul major al metodei se referă la perechile de frecare. În prezent sunt două materiale de frecare specificate în proiectul de standard: aluminiul (Al) și polietilena disipativă de înaltă densitate (HDPE). În seriile triboelectrice aluminiul este aproximativ în poziția de mijloc iar polietilena aproape de capătul inferior (negativ) al seriei. Nu există nicio pereche de frecare la capătul superior (pozitiv) al seriei. În studii s-au inclus, în plus față de tijele de încărcare din aluminiu și HDPE, și tije de încărcare făcute din poliamidă disipativă electrostatic (PA). Toate materialele textile de încercare au fost încărcate la nivelul esențial superior (E0) cu tijele de poliamidă apoi cu tijele de aluminiu sau HDPE. În general tijele de aluminiu au indus cele mai mici valori ale E0.

Defecte minore ale metodei există și cu referire la măsurarea câmpului electrostatic, erori apar din cauza suprafeței încărcate a eșantionului.

La început există o întârziere de 0,1 secunde după încărcare înainte ca instrumentul de măsurare a câmpului să poată măsura locația încărcată. Din cauza întârzierii nu este măsurată valoarea reală de maxim. Acest lucru nu reprezintă o problemă atunci când se caracterizează materialele textile ale îmbrăcămintei pentru industria electronică. În cadrul a 0,1s nu se poate ca un element de îmbrăcăminte triboîncărcată să fie adusă suficient de aproape de dispozitivele sensibile ESD pentru a crea un risc. În atmosferele inflamabile situația este diferită. În acest caz, persoana încărcată care poartă îmbrăcămintea poate fi deja în domeniul de risc în momentul triboîncărcării.

În al doilea rând, fereastra de măsurare (conul) este prea mare în raport cu mărimea eșantionului, acoperind nu numai eșantionul dar și mediul din jurul eșantionului. De aceea cei de la VTT a adoptat o modificare a metodei, în care măsurarea este efectuată printr-un voltmetru electrostatic fără contact la distanța de 25 mm de la suprafața eșantionului, iar pentru corectarea erorii datorate modificării distanței se folosește un factor de corecție (calibrare).

Repetabilitatea și reproductibilitatea încercărilor de triboîncărcare nu sunt niciodată la același nivel cu acelea ale măsurării rezistenței, dar în metoda din standardul EN 1149-3 ele sunt la un nivel satisfăcător, capacitatea de încărcare a diverselor materiale putând fi bine comparată prin aceste încercări.

Comparare rezultatelor între două laboratoare de încercare arată diferențe de cel puțin un factor pana la 8, pentru metoda 1 din SR EN 1149-3.

O rundă de încercări inter-laboratoare pentru metoda 2 din SR EN 1149-3, utilizând 5 materiale diferite și 5 laboratoare participante, în 3 locații diferite, arată o deviație standard a repetabilității și reproductibilității după cum este prezentat în tabelul 2.5.

Tab. 2.5 – Deviații standard ale repetabilității și reproductibilității.

Pentru încercarea privind performantele de protecție împotriva descărcărilor electrostatice periculoase a îmbrăcămintei de protecție, din punctul de vedere al pericolului de aprindere a atmosferelor inflamabile nu există o metodă standardizată recunoscută. Partea 4 a standardului SR EN 1149 este încă în lucru.

STFI (Saxon Textile Research Institute e.V.) a dezvoltat o metoda proprie, o metodă de laborator nouă numită – "Metodă de încercare pentru determinarea potențialului corpului și transferului de sarcină prin purtarea de îmbrăcăminte de protecție disipativă electrostatic". Este o metodă pentru caracterizarea îmbrăcămintei de protecție ESD folosită în arii cu pericol de explozie. Metoda se focalizează pe parametrii cheie corecți ce trebuie controlați: transferul de sarcină dintr-o descărcare, potențialul de suprafață al îmbrăcămintei și potențialul corpului.

Metoda este adecvată pentru toate tipurile de îmbrăcăminte. Metoda mai trebuie să fie dezvoltată pentru a obține rezultate mai bune în ceea ce privește reproductibilitatea.

Probleme privind evaluarea conformității îmbrăcămintei de protecție pentru medii Ex cu cerințele regulamentului Uniunii Europene privind EIP

Reglementările în domeniul evaluării conformității echipamentelor cu cerințele de securitate, respectiv Directivele / Regulamentele UE și standardele armonizate din domeniul directivelor sunt în continuă revizuire / perfecționare. Pe parcursul aplicării acestor reglementari apar tot felul de probleme, fie datorită omisiunilor din ele, fie datorită noutăților generate de progresul tehnic continuu.

Aceste probleme sunt sesizate de Organismul Notificat (ON) pentru evaluarea conformității cu cerințele directivei sau de alți actori implicați în aceasta activitate, incluzând producătorii de echipamente sau utilizatorii lor. Aceste probleme constatate sunt discutate în cadrul grupurilor de lucru pe domenii specifice. Conform recomandărilor Comisiei Europene, soluțiile propuse în cadrul acestor grupuri se difuzează sub formă de RECOMMENDATION FOR USE (recomandări pentru utilizare) și acestea trebuie aplicate de către ON în cadrul procedurilor de certificare a echipamentelor.

Problemele legate de seria EN 1149 -Încărcări electrostatice (Electrostatic charges EN 1149 series) sunt discutate în cadrul: Coordonarea organismelor notificate PPE – Grupul vertical 5: Îmbrăcăminte de protecție și mănuși. (Co-ordination of notified bodies PPE – Vertical Group 5: Protective clothing and gloves).

În tabelul de mai jos sunt prezentate ultimele recomandări primite de la grupul de lucru nr. 5 – Îmbrăcăminte de protecție si mănuși.

Tab. 2.6 – Recomandări primate de la grupul de lucru 5- Îmbrăcăminte de protecție și mănuși.

CONTRIBUȚII PERSONALE LA DEZVOLTAREA ÎNCERCĂRILOR DE LABORATOR PENTRU VERIFICAREA PROPRIETĂȚILOR ANTISATICE ALE MATERIALELOR TEXTILE.

Stabilirea încercărilor necesare pentru evaluarea conformității îmbrăcămintei cu cerințele aplicabile de securitate, potrivit noilor standarde europene

Din “analiza aplicabilității metodelor de încercare pentru evaluarea performantelor de protecție la descărcări electrostatice ale îmbrăcămintei de protecție utilizată în atmosfere potențial explozive“, rezultă că metodele de încercare care trebuie efectuate în laboratoarele INCD INSEMEX pentru verificarea caracteristicilor de disipare a sarcinilor electrostatice se referă la încercarea materialelor textile pentru determinarea caracteristicilor de disipare a sarcinilor.

În consecință, metodele de caracterizare a materialelor ca disipative electrostatic sunt cele descrise in SR EN 1149, și anume:

Partea 1: Metodă de încercare pentru măsurarea rezistivității de suprafață;

Partea 2: Metodă de încercare pentru măsurarea rezistenței electrice la traversarea materialelor (rezistența verticală);

Partea 3: Metodă de încercare pentru măsurarea capacității de disipare a sarcinii – Metoda 2 cu încărcarea materialului prin inducție.

Întrucât metodele rezistive erau deja implementate în laboratoarele INCD INSEMEX, a fost necesar să dezvolt încercările pentru măsurarea capacității de disipare a sarcinii, respectiv pentru determinarea timpului de înjumătățire a sarcinii și a factorului de ecranare conform metodei 2 din SR EN 1149-3.

În plus pentru încercarea îmbrăcămintei de protecție privind performantele de protecție împotriva descărcărilor electrostatice periculoase din punct de vedere al aprinderii atmosferelor inflamabile, întrucât nu există o metodă standardizată recunoscută, se impun cercetări în colaborare cu alte organisme și laboratoare europene.

Elaborarea documentației de realizare a standului pentru măsurarea capacității de disipare a sarcinii prin metoda de încercare folosind încărcarea prin inducție, stand pentru determinarea caracteristicilor antistatice a EIP

Schema de principiu a standului pentru măsurarea capacității de disipare a sarcinii prin metoda de încercare folosind încărcarea prin inducție este prezentată în figura 2.13. Standul l-am conceput cu scopul realizării încercărilor de laborator pe materialelor textile folosite la confecționarea îmbrăcămintei de protecție utilizată în medii cu atmosferă explozivă.

Rezultatele încercărilor fiind folosite pentru evaluarea conformității cu cerințele esențiale de securitate ale Directivei EIP (EPP Directive).

Fig. 2.13 – Schema de principiu a standului de încercare a materialelor textile

cu metoda de încărcare prin inducție.

Standul de încercare (fig. 2.13) este compus din:

1- Un electrod de generare a câmpului sub formă de disc, din oțel inoxidabil, cu un diametru de 70 ± 1 mm, fixat pe un suport izolant;

2 – Un inel de susținere (inel metalic cu diametrul interior de 100 ± 1 mm, legat la pământ și amplasat în jurul electrodului de câmp) împreună cu un inel de strângere a eșantionului;

3 – Un generator de tensiune înaltă capabil să furnizeze electrodului de câmp o tensiune continuă stabilă de 1200 ± 50 V. Tensiunea este aplicată electrodului cu ajutorul unui comutator electronic de mare viteză, comutator care asigură un front al creșterii tensiunii în intervalul de 30 μs (o sursă reglabilă de tensiune de c.c. de 5000V și un întrerupător rapid HT);

4 – O sondă de măsurare a câmpului (un disc metalic cu diametru de (30,0 ± 1) mm;

5 – Inel de gardă legat la pământ care ecranează sonda de măsurare;

6 – Electrometru/coulombmetru electronic conectat la sonda de măsurare a câmpului;

7- Osciloscop digital prevăzut cu funcția de memorare care înregistrează curba tensiunii generate de coulombmetru. Valoarea intensității câmpului electrostatic înregistrat provine de la ieșirea sondei de măsurare a câmpului. Rezoluția pe axa timpului și timpul de răspuns al dispozitivului de măsurare sunt mai mici de 50 μs.

Desenele de execuție pentru componentele realizate, parte componentă a standului sunt prezentate în figura 2.14 și figura 2.15.

Fig. 2.14 – Dimensiunile electrodului de câmp, ale sondei de măsurare a câmpului și ale

inelului de fixare a eșantionului precum și distanțele dintre componente.

Fig. 2.15 – Sonda de măsurare a câmpului.

Descrierea părților componente ale standului

Electrod de câmp

Este constituit dintr-un disc metalic (oțel inoxidabil) cu diametru de (70 ± 1) mm, fixat pe un suport izolant;

Inel de susținere

Inel metalic cu diametrul interior de (100 ± 1) mm, legat la pământ și amplasat în jurul unui electrod de câmp. Distanța dintre branșamentul superior al electrodului de câmp și partea superioară a inelului de susținere trebuie să fie de (4,0 ± 0,1) mm;

Inel de strângere a eșantionului

Eșantionul se strânge între inelul interior și inelul superior. Inelul exterior care are un diametru exterior de (250 ± 1) mm și un diametru interior de (220 ± 1) mm se leagă la pământ și se plasează în jurul electrodului de câmp și inelul de susținere. Inelul exterior este flexibil și strânge eșantionul;

Generator de tensiune

Sursă de tensiune continuă, reglabilă capabilă să furnizeze o tensiune de (1 200 ± 50)V împreună cu un comutator electronic, de mare viteză. Ansamblul sursa comutator îndeplinește condiția de aplicare rapidă a tensiunii pe electrod. Creșterea tensiunii de la 0 la 1200V se face în mai puțin de 30 μs;

Sondă de măsurare a câmpului (Figura 2.15)

Disc metalic cu diametru de (30,0 ± 1) mm, din oțel inoxidabil lustruit, înconjurat de un inel de gardă legat la pământ. Sonda este conectată la amplificatorul de sarcină, în cazul nostru la electrometru/coulombmetru. Distanța dintre marginea sondei de măsurare și înălțimea inelului suport trebuie să fie de (50 ± 1) mm;

Amplificator de sarcină (electrometru electronic/coulombmetru)

Amplificatorul de sarcină utilizat este un electrometru de ultimă generație având următoarele specificații:

– domeniul de măsură: 1 pC ÷ 2 nC;

– impedanța de intrare: > 5 x 108 Ω;

– rezoluție: 0,05 pC;

– timp de urcare: 0,2 V/μs;

– tensiune de ieșire: +/- 20 V max.

Dispozitiv de înregistrare

Dispozitivul de înregistrare a datelor temporale care provin de la ieșirea sondei de măsurare a câmpului, amplificate de electrometru, este un osciloscop digital cu funcția de memorare. Timpii de răspuns însumați ai dispozitivului de măsurare și de înregistrare trebuie să fie mai mici de 50 μs.

Dispozitivul de înregistrare, osciloscopul, este capabil să înregistreze domeniul complet de ieșire al aparatului de măsurare a câmpului electric.

În plus, înainte de efectuarea încercărilor se folosește pentru neutralizarea sarcinilor electrostatice de pe eșantioane o rolă metalică legată la pământ. Se mai folosește și o cameră climatică pentru realizarea condițiilor climatice de condiționare și încercare a eșantioanelor conform cerințelor standardizate, și anume: (23 ±1)0C temperatură și (25 ±5)% umiditate relativă.

Montaj și punere în funcțiune

Pentru realizarea standului am utilizat echipamente de ultimă generație. Echipamentele performante sunt cerute de noile standarde care solicită un înalt nivel tehnic al dotărilor de laborator.

Pentru generarea tensiunii care trebuie aplicată electrodului de câmp nu este disponibilă pe piață o sursă care să realizeze la pornire o creștere a tensiunii de la 0 la 1200V în intervalul de 30 μs, așa cum cere standardul. De aceea am ales soluția utilizării unei surse de tensiune continuă reglabilă (figura 2.16), stabilă și a unui întrerupător electronic foarte rapid, capabil să lucreze la înaltă tensiune (figura 2.17).

Fig. 2.16 – Sursa de înaltă tensiune.

Fig. 2.17 – Întrerupătorul rapid de înaltă tensiune cu semiconductori.

De asemenea, a fost necesară utilizarea unui electrometru / coulombmetru digital (figura 2.18) cu următoarele caracteristici: domeniu: 1 pC ÷ 2 nC; impedanța de intrare: > 5×108Ω; rezoluție: 0,05 pC; timp de urcare: 0,2 V/μs; tensiune de ieșire: +/- 20 V max.

Fig. 2.18 – Electrometrul.

În tabelul de mai jos (tabelul 2.7) se prezintă datele tehnice ale echipamentelor și accesoriilor achiziționate și folosite la realizarea standului de încercări.

Tab. 2.7 – Datele tehnice ale echipamentelor.

Realizarea standului de încercare

Pentru realizarea standului de încercare, electrodul de câmp s-a asamblat prin poziționarea lui concentrică în interiorul cilindrului de susținere. Fixarea lui s-a făcut cu masă electroizolantă turnată astfel încât să se asigure o distanță de (4 ± 1)mm între electrodul de câmp și eșantionul de încercare. Eșantionul se va sprijini pe cilindrul de susținere, deasupra electrodului de câmp.

Ansamblul astfel format, împreună cu inelele de susținere și de strângere a eșantionului, s-au montat pe o placă de susținere. Pe această placă s-a montat și brațul de fixare a sondei de măsurare. Brațul de fixare a sondei de măsurare este prevăzut cu o balama de rabatare pentru a putea ridica sonda în momentul schimbării eșantionului de încercat (figura 2.19).

Eșantionul se strânge între inelul interior, de susținere, și inelul exterior, de fixare. Inelul exterior care are un diametru exterior de (250 ± 1) mm și un diametru interior de (220 ± 1) mm se leagă la pământ și se plasează în jurul electrodului de câmp și inelului de susținere. Inelul exterior este flexibil și fixează prin strângere eșantionul.

Sonda de măsurare a câmpului a fost confecționată din oțel inoxidabil conform desenului de execuție prezentat în figura 2.20.

Izolatorii s-au confecționat din polipropilenă de înaltă densitate pentru a se putea asigura o impedanță foarte mare a sondei de măsurare a câmpului.

În figurile 2.21 și 2.22 se prezintă standul de măsurare finalizat, în prima figură fără eșantionul de încercare și respectiv, cu eșantionul de încercare fixat.

Fig. 2.19 – Ansamblul de fixare a eșantionului, a electrodului de câmp, a inelelor de susținere și fixare și a brațului de susținere a sondei de măsurare.

Fig. 2.20 – Desenul de execuție a sondei de măsurare.

Fig. 2.21 – Standul de măsurare fără eșantionul de încercare.

Fig. 2.22 – Standul de măsurare cu eșantionul de încercare fixat.

Pentru comanda releului de înaltă tensiune am conceput și realizat un dispozitiv de alimentare și comandă.

În figura 2.23 este prezentată schema electrică a dispozitivului de alimentare și comandă a releului de înaltă tensiune, iar în figurile 2.24 și 2.25 se prezintă circuitul imprimat și circuitul asamblat al dispozitivului de alimentare și comandă a releului de înaltă tensiune.

Fig. 2.23 – Schema electronică.

Fig. 2.24 – Circuitul imprimat. Fig. 2.25 – Circuitul asamblat.

Pentru înregistrarea semnalului care provine de la ieșirea sondei de măsurare a câmpului este necesar un dispozitiv de înregistrare cu timpul de răspuns mai mic de 50 μs. Am folosit aparatură existentă în laborator, respectiv osciloscopul digital tip LeCroy WaveRunner 6000A, seria DSO, cu o lățime de bandă de 500 MHz și cu o rată de citire de 5 Giga samples (GS)/s.

Echipamentele pentru realizarea condițiilor climatice de condiționare și încercare a eșantioanelor conform cerințelor standardizate, temperatură de (23 ±1)0C și (25 ±5)% umiditate relativă, sunt disponibile în cadrul laboratorului, și anume :

Cameră climatică tip Votsch VC 7060 care permite reglarea temperaturii în domeniul -70 +180 șC pentru testele de temperatură și în domeniul +10 +95 șC și 10 98 umiditate relativă pentru testele climatice;

Uscător de aer tip HBC ADSORPTION SENTFEUCHTER CR 750 cu care se poate obține în laborator o umiditate relativă în domeniul 20% 85%, fără condiționare;

Instalație de aer condiționat cu capacitatea de încălzire/răcire de 20000BTU/h.

În figura 2.26 se prezintă standul de încercare asamblat, echipat cu aparatura de încercare. Ansamblul cuprinde generatorul de tensiune (sursa de curent continuu), electrometrul de măsurare și osciloscopul de înregistrare a rezultatelor.

Fig. 2.26 – Standul de încercare echipat cu aparatura de încercare.

Implementarea metodei de încercare în cadrul laboratorului de încercări

Experimentarea noii metode în laborator a avut în vedere identificarea factorilor de influență pentru asigurarea repetabilității și reproductibilității încercărilor. S-a avut în vedere conformarea cu cerințele standardului SR EN 17025 pentru încercarea de determinare a timpului de înjumătățire a sarcinii. De asemenea, acuratețea rezultatelor obținute a fost confirmată, ulterior, prin încercări interlaboratoare.

S-au încercat două tipuri de materiale:

EȘANTION 1 (figura 2.27)

9300/KA: VP Proban®Light Antistat Flame retarddant Proban®finishing

Caracteristici :

Masa : 205g/m2, țesătură diagonală 2/1, compoziție 99% BBC / 1% fibră antistatică;

Rezistența electrică verticală după condiționare la 200C și 85% umiditate relativă, R= 1,7×106Ω

Timpul de înjumătățire t50 <0.01 s , factor de ecranare S = 0,47.

Fig. 2.27 – Testare eșantion 1.

EȘANTION 2 (figura 2.28)

Doc echipament R color sanforizat, VASTEX Vaslui 273 g/m2, compoziție 100% BBC

Fig. 2.28 – Testare eșantion 2.

Înregistrările valorilor obținute, adică oscilogramele înregistrate sunt:

în figura 2.29 pentru calibrare (semnal înregistrat fără eșantion);

în figura 2.30 pentru eșantionul 1;

în figura 2.31 pentru eșantionul 2.

Fig. 2.29 – Oscilogramă obținută la calibrare (amplitudine 980mV).

Fig. 2.30 – Oscilogramă obținută pentru eșantionul 1 (t50<10ms).

Fig. 2.31 – Oscilogramă obținută pentru eșantionul 2 (t50<70μs).

Elaborarea procedurii de încercare pentru implementarea metodei de încercare în sistemul de calitate al laboratorului în vederea extinderii domeniului de competență al laboratorului

Grupul de laboratoare de încercări GLI din cadrul INCD-INSEMEX este acreditat de către RENAR privind conformitate cu standardul SR EN ISO/CEI 17025 Cerințe generale pentru competența laboratoarelor de încercări și etalonări.

Încercările acreditate sunt structurate în mai multe proceduri de încercare, între care și PI-60 Încercări pentru caracterizarea electrostatică (rezistență, conductibilitate, rezistivitate electrică, capacitate electrică, sarcină electrică). Întrucât metoda de încercare pentru măsurarea capacității de disipare a sarcinii, respectiv pentru determinarea timpului de înjumătățire a sarcinii și a factorului de ecranare, este o metodă de caracterizare electrostatică a materialelor textile, am revizuit procedura existentă și am completat-o cu timpul de înjumătățire a sarcinii – PI-60 Încercări pentru caracterizarea electrostatică (rezistență, conductibilitate, rezistivitate electrică, capacitate electrică, sarcină electrică, timp de injumătățire a sarcinii). Completarea procedurii o prezint în Anexa 2.

CAPITOLUL 3
PERICOLUL DE INIȚIERE PRIN DESCĂRCĂRI ELECTROSTATICE A CAPSELOR DETONANTE ELECTRICE, A ARTICOLELEOR PIROTEHNICE, A PROPULSANȚILOR ȘI A COMBUSTIBILILOR PENTRU RACHETE

Noțiuni introductive. Legislație națională și europeană.

Explozivii pentru uz civil, din categoria cărora fac parte și propulsanții, combustibili pentru rachete și capsele detonante electrice, în anumite situații, pot fi inițiați intempestiv datorită descărcărilor electrostatice. Electricitatea statică, ca și sursă de apariție a descărcărilor electrostatice, este un fenomen frecvent întâlnit în industria producătoare de explozivi.

Explozivii de uz civil sunt materii, materiale și accesorii cu un grad ridicat de risc în ceea ce privește producerea, ambalarea, depozitarea, transportul, utilizarea și distrugerea. Certificarea acestor explozivi ca fiind siguri de la producere până la utilizare, reprezintă o problemă de primă importanță pentru asigurarea securității muncii și sănătății precum și a protecției mediului.

Determinarea performanțelor privind sensibilitatea acestor dispozitive la inițierea intempestivă prin descărcări electrostatice este foarte importantă întrucât de acest lucru depinde siguranța și gradul de securitate al persoanelor.

Pentru stabilirea unor cerințe esențiale de securitate ale explozivilor de uz civil, în vederea manipulării cu risc minim pentru securitatea vieții și sănătății oamenilor, pentru prevenirea avarierii bunurilor și a mediului, precum și pentru asigurarea securității și sănătății persoanelor, atunci când acestea satisfac cerințele esențiale de securitate, la nivel european, au fost armonizate legislațiile naționale.

Cu privire la acești explozivi, în țările Uniunii Europene au fost armonizate reglementările privind standardele de testare, procedurile de evaluare a conformității și transportul acestora în cadrul următoarelor reglementări:

Recomandarea Națiunilor Unite pentru transportul produselor periculoase, în forma elaborată de Comitetul de Experți de pe lângă Consiliul Economic și Social la sesiunea din 20.04.1957 cu amendamentele ulterioare;

Directiva 2014/28/UE a Parlamentului European și a Consiliului din 26 februarie 2014 privind armonizarea legislației statelor membre referitoare la punerea la dispoziție pe piață și controlul explozivilor de uz civil;

DIRECTIVA 2013/29/UE a Parlamentului European și a Consiliului din 12 iunie 2013 privind armonizarea legislației statelor membre referitoare la punerea la dispoziție pe piață a articolelor pirotehnice.

Principalele standarde armonizate care susțin cerințele Directivei 2014/28/UE privind protecția la electricitatea statică sunt:

SR EN 13938-1:2004 Explozivi pentru uz civil. Propulsanți și combustibili pentru rachete Partea 1 : Cerințe;

SR EN 13938-2:2005 Explozivi pentru uz civil. Propulsanți și combustibili pentru rachete Partea 2: Determinarea rezistenței la energie electrostatică;

SR EN 13763-1 Explozivi pentru uz civil. Capse detonante și relee întârzietoare. Partea 1: Cerințe;

SR EN 13763-13:2004 Explozivi pentru uz civil. Capse detonante și relee întârzietoare. Partea 13: Determinarea rezistenței capselor detonante electrice la descărcare electrostatică.

Standardul armonizat cu cerințele Directivei 2013/29/UE privind protecția la electricitatea statica este SR EN 16265:2016 Articole pirotehnice. Alte articole pirotehnice. Dispozitive cu aprindere.

La nivel european Recomandarea Națiunilor Unite pentru transportul produselor periculoase a fost transpusă în acordul european referitor la transportul rutier internațional al mărfurilor periculoase – ADR și în Regulamentul privind transportul internațional feroviar al mărfurilor periculoase – RID.

În acest context, aplicarea unor metode de încercare performante pentru determinarea parametrilor de securitate este deosebit de importantă pentru evaluarea conformității explozivilor de uz civil cu cerințele de securitate prevăzute în directivele specificate.

Dezvoltarea tehnico-științifică atât în domeniul producției de echipamente, capse detonante electrice, propulsanți și combustibili pentru rachete cât și al aparaturii de laborator impune necesitatea elaborării unor noi metode de încercare / evaluare a conformității produselor cu cerințele de securitate, metode în concordanță cu principiile și practicile internaționale.

La elaborarea noilor metode de încercare trebuie avute în vedere următoarele:

diversitatea tipurilor de produse care trebuie încercate în vederea evaluării și pentru care trebuie realizate dispozitive de încercare specifice;

diversitatea și complexitatea încercărilor la care trebuie supuse produsele conform cerințelor din standardele europene;

necesitatea folosirii unor aparate de precizie etalonate la parametrii prescriși;

necesitatea asigurării unor condiții de încercare speciale atât în cea privește mediul de încercare / condiționare prealabilă cât și la folosirea materialelor periculoase;

asigurarea nivelului de încredere cerut și trasabilitatea la etaloane.

Echipamentul și software-ul utilizate pentru încercare, etalonare și eșantionare trebuie să fie capabile să atingă exactitatea cerută și trebuie să fie conforme cu specificațiile relevante pentru încercările și / sau etalonările respective. În consecință trebuie utilizate echipamente de cercetare dezvoltare de ultimă generație pentru dezvoltarea încercărilor mai sus menționate.

Dezvoltarea încercărilor de laborator pentru determinarea sensibilității la descărcări electrostatice a capselor detonante electrice

Analiza metodelor de evaluare și încercare a performanțelor de protecție (rezistența la descărcări electrostatice)

Pentru alegerea aparaturii de încercare s-au analizat parametrii de măsurare necesari în funcție de performanțele capselor detonante ce trebuie testate.

Primul parametru considerat este impulsul ESD ce trebuie aplicat capsei detonante. El trebuie să fie în conformitate cu clasificarea capselor detonante electrice, clasificare făcută în funcție de curentului de neaprindere. În tabelul următor, tabelul 3.1, este prezentată această clasificare.

Tab. 3.1 – Clasificarea capselor detonante electrice în funcție de curentul de neaprindere.

Din valorile date în tabel se observă că generatorul de descărcări electrostatice trebuie să furnizeze un impuls în domeniul 0,3 – 600 mJ/.

Deoarece sistemele de inițiere a capselor detonante electrice sunt de tip capacitiv, iar timpul de descărcare a impulsului de curent este în funcție de capacitatea electrică și de rezistența de descărcare, rezultă că un alt parametru important pentru inițierea capsei este rezistența electrică a filamentului și a reoforilor.

Tensiunea de conturnare a capsei este de asemenea un parametru de care trebuie ținut cont la încercarea capselor. Astfel, se cere ca tensiunea aplicată pentru configurația ,,electrozi-la-carcasă să fie mai mare de 99 % din nivelul tensiunii de conturnare determinată în conformitate cu standardul EN 13763-21.

În standardul SR EN 13763-1 – Explozivi pentru uz civil. Capse detonante și relee întârzietoare. Partea 1: Cerințe, la punctul 4.18 – Tensiunea de conturnare pentru capsele detonante electrice, se prevede că atunci când încercarea se efectuează conform standardului EN 13763-21 trebuie ca:

nici o capsă detonantă nu trebuie să se inițieze; și

valoarea inferioară a tensiunii de conturnare trebuie să fie mai mare de 1500 V și valoarea superioară a tensiunii de conturnare trebuie să fie mai mică de 6000 V.

Rezultă că sursa de tensiune a generatorului de impulsuri trebuie sa asigure cel puțin 12 kV.

De asemenea, pentru reglarea generatorului de descărcare electrostatică, se alege o tensiune inițială de aplicare cu valoarea de două ori tensiunea de conturnare medie a capsei detonante, a capsei care urmează să fie încercată.

Aparatura necesară pentru aplicarea metodei de determinare a sensibilității capselor detonante electrice la descărcări electrostatice trebuie să corespundă cerințelor din standardul SR EN 13763-13 – Explozivi pentru uz civil. Capse detonante și relee întârzietoare. Partea 13: Determinarea rezistenței capselor detonante electrice la descărcare electrostatică.

Pornind de la cerințele de încercare standardizate, a caracteristicilor tehnice ale aparaturii de încercare am efectuat un studiu, în cadrul unui proiect de cercetare derulat în cadrul unui program NUCLEU, și am realizat un stand de încercare, la INCD-INSEMEX Petroșani, laboratorul LENEXEMEIP.

Identificarea soluțiilor de implementare a noii metode de încercare a capselor detonante electrice pentru evaluarea conformității cu cerințele de prevenire a detonării intempestive prin descărcări electrostatice.
Stabilirea încercărilor necesare, a condițiilor de încercare și aplicarea descărcării electrostatice

Este cunoscut faptul că aplicarea unor standarde europene armonizate pentru evaluarea conformității cu cerințele directivelor europene este voluntară, în sensul că aplicarea standardului asigură prezumția de conformitate cu cerințele directivei, dar pot fi folosite și alte metode echivalente, cel puțin la nivelul standardului.

Având în vedere avantajele metodologiei de încercare standardizate la nivel european, metodologie ce asigură repetabilitatea și reproductibilitatea, s-a impus implementarea metodei de încercare și în cadrul laboratorului de încercări din INCD INSEMEX, metodă conformă cu standardul SR EN 13763-13.

Condițiile de încercare sunt:

Încercarea se efectuează la o umiditate relativă de cel mult 60%;

Reoforii trebuie să fie înfășurați așa cum au fost furnizați de producător;

Se verifică ca reoforii (cât și cablurile dacă există) să fie menținuți la o distanță de cel puțin 100 mm de sol și de orice obiecte bune conducătoare care ar putea produce căi de scurgere la pământ;

Generatorului ESD se reglează pentru a furniza impulsul de curent standardizat.

Aplicarea descărcării electrostatice se face monitorizând de fiecare dată impulsul ESD aplicat. Dacă acesta se abate de la valoarea specificată, se reglează din nou generatorul ESD, înainte de continuarea încercării.

Pentru fiecare configurație impulsul ESD se aplică astfel:

Configurația ,,electrod-la-electrod

Se aplică un impuls ESD între cele două capete separate ale reoforilor;

Se observă dacă detonează capsa detonantă;

Se repetă operația de cinci ori succesiv pentru fiecare capsă detonantă, așteptând cel puțin 10s înainte de a aplica următorul impuls;

Se repetă aceste operații cu toate capsele detonante care urmează să fie încercate în această configurație.

Configurația ,,electrod-la-carcasă

Se răsucesc împreună capetele celor doi reofori;

Se aplică un impuls ESD între capetele reoforilor și carcasa metalică a capsei detonante;

Se observă dacă detonează capsa detonantă;

Se repetă operația de cinci ori succesiv pentru fiecare capsă detonantă, așteptând cel puțin 10s înainte de a aplica următorul impuls;

Se repetă aceste operații cu toate capsele detonante care urmează să fie încercate în această configurație.

CONTRIBUȚII PERSONALE LA ELABORARAEA UNOR METODE INOVATIVE PENTRU TESTAREA CAPSELOR DETONANTE ELECTRICE PRIVIND SENSIBILITATEA LA DESCĂRCĂRI ELECTROSTATICE.
REALIZARE STAND ÎNCERCĂRI, EXPERIMENTĂRI DE LABORATOR ȘI IMPLEMENTAREA METODEI ÎN PROCEDURILE DE ÎNCERCARE ÎN REGIM ACREDITAT

Realizarea standului de încercare pentru testarea capselor detonante privind performanțele de protecție împotriva inițierii necontrolate prin descărcări electrostatice

Standul de încercare l-am făcut respectând schema de principiu standardizată, schemă prezentată în figura 3.1.

Fig. 3.1 – Montajul aparaturii de încercare.

Standul de încercare pentru testarea capselor privind performanțele de protecție împotriva inițierii necontrolate prin descărcări electrostatice, realizat de mine (figura 3.2), este format din:

Generatorul de descărcare electrostatică (generatorul ESD) compus dintr-o baterie de condensatoare cu capacități cuprinse de la 500 pF până la 3500 pF, condensatoare cu tensiunea de lucru peste 30 kV și o sursă de tensiune continuă de peste 30 kV (sursă tip HCP 260-120 000 cu tensiune până la 120kV);

Sistemul pentru înregistrarea curentului ESD și calcularea impulsului ESD furnizat capsei detonante, sistem compus dintr-un senzor de curent cuplat inductiv Rogowski tip CWT015B/1/80UM, un osciloscop cu funcții matematice capabil să integreze și să calculeze funcții pătratice, cu o lățime de bandă de 500MHz, tip LeCroy WaveRunner 6000A, seria DSO;

Rezistențe de calibrare, cabluri de conexiune de înaltă tensiune, releu electromagnetic în vid comandat de la o sursă de alimentare, uscător de aer pentru menținerea unei umidități relative de cel mult 60 %, tip HBC ADSORPTIONSENTFEUCHTER CR 750, instalație aer condiționat pentru menținerea unei temperaturi de (20 2) C.

Standul de încercare a fost realizat utilizând aparatura achiziționată în cadrul unor proiecte de cercetare derulate în cadrul INCD-INSEMEX Petroșani.

Fig. 3.2 – Stand pentru testarea capselor privind performanțele de protecție împotriva inițierii necontrolate prin descărcări electrostatice.

Experimentarea și implementarea procedurii în laboratorul acreditat pentru încercări

Experimentările făcute în laborator au avut ca scop obținerea unei proceduri de lucru prin care să se obțină rezultate optime, repetitive și fiabile.

O etapă importantă este reprezentată de reglarea generatorului de descărcare electrostatică. Pentru aceasta se asamblează generatorul ESD și aparatura, ca în figura 3.2. Se verifică ca reoforii, cablurile (dacă există) și rezistorul să fie menținute la o distanță de cel puțin 100 mm de pământ și de orice alt obiect bun conducător care ar putea produce căi de scurgere la pământ.

Senzorul inductiv de curent trebuie amplasat pe cablul de legătură.

Se reglează sursa de înaltă tensiune la o valoare inițială de două ori tensiunea medie de conturnare a capsei detonante care urmează să fie încercată.

Se aplică descărcarea și se înregistrează curentul în funcție de timp.

NOTĂ: Curba trebuie să aibă o formă descrescătoare și oscilantă (ușor armonizată) ca în figura 3.3.

Se calculează impulsul ESD, WESD, din ecuația :

, 3.1

în care :

i curentul, în amperi;

t1 timpul la care curentul începe să curgă, în secunde;

t2 timpul, în secunde, la care curentul a scăzut până la punctul în care oscilațiile nu mai depășesc curentul de neaprindere a capsei detonante, determinat conform standardului EN 13763-17.

Fig. 3.3 – Oscilograma impulsului și curbele generate de funcțiile matematice.

Pentru monitorizarea impulsului se parcurg următorii pași:

Se înregistrează impulsul de descărcare pe osciloscop (variația curentului în funcție de timp), funcția F1;

Se setează osciloscopul pentru generarea funcției F2 prin multiplicarea funcției F1 cu factorul de sensibilitate al senzorului de curent CWT1 (20 mV/A);

Se setează osciloscopul pentru generarea funcției F3 prin ridicarea la pătrat a funcției F2;

Se setează osciloscopul pentru integrarea funcției F3 pe intervalul t1 (timpul la care curentul începe să curgă) si t2 (timpul la care curentul a scăzut până la punctul în care oscilațiile nu mai depășesc curentul de neaprindere a capsei detonante).

Se ajustează tensiunea și se repetă modul de lucru descris mai sus până când impulsul calculat este egal cu valoarea cerută. Dacă tensiunea necesară pentru a se atinge impulsul cerut este mai mică decât tensiunea de conturnare a capsei detonante, se schimbă capacitatea la cea mai apropiată valoare inferioară disponibilă.

Conform punctului 4.18 din standardul SR EN 13763-1, valoarea inferioară a tensiunii de conturnare trebuie să fie mai mare de 1500 V și valoarea superioară a tensiunii de conturnare trebuie să fie mai mică de 6000V.

Capacitatea condensatorului se determină astfel încât impulsul furnizat capsei să aibă valorile din standard, prezentate în tabelul 3.2.

Tab. 3.2 – Valorile impulsului ESD în funcție de clasa capsei detonante și a configurației.

Din valorile date în tabel se observă că generatorul de descărcări electrostatice trebuie să furnizeze un impuls de curent în domeniul 0,3 – 600 mJ/.

Pentru evitarea defectelor și a rezultatelor eronate trebuie respectate limitările aparaturii de încercare, astfel:

Curentul maxim pentru sonda de curent cuplată inductiv nu trebuie să depășească 300A,

Nu trebuie depășită tensiunea de 30kV, aceasta fiind tensiunea maximă suportată de condensatoare.

Constatări făcute în timpul încercărilor de laborator efectuate pe capse detonante electrice în faza de experimentare a standului

Din experimentările efectuate s-au constatat următoarele:

Rezultatele încercării, respectiv forma impulsului de descărcare, sunt puternic influențate de configurația circuitului de descărcare. Pentru a se obține curba de descărcare sub formă descrescătoare și oscilantă (ușor armonizată), așa cum se specifică în standard, este necesar sa se reducă pe cât posibil inductanța circuitului electric;

Legarea la pământ, pământarea, defectuoasă a circuitului de încercare conduce la rezultate eronate. Curba de descărcare este puternic distorsionată datorită curenților vagabonzi;

Temperatura mediului influențează aparatura de măsurare;

Performanțele de încercare ale standului realizat sunt limitate de senzorul de curent cuplat inductiv CWT1 care suporta un curent de vârf de 300 A și de releul în vid care, la curenți foarte mari poate rămâne cu armăturile lipite, defectându-se.

Din analiza cerințelor de încercare standardizate, a caracteristicilor tehnice ale aparaturii de încercare și a rezultatelor obținute se poate constata faptul că aparatura de încercare existentă oferă posibilitatea determinării sensibilității capselor detonante electrice la descărcări electrostatice. Această determinare se face în conformitate cu cerințele de testare standardizate cuprinse în standardul SR EN 13763-13:2004.

La efectuarea încercărilor se vor avea în vedere următoarele cerințe:

depozitarea, transportul și manipularea capselor se va face cu respectarea legislației în vigoare privind materialele explozive;

locația unde se desfășoară încercările trebuie să asigure condițiile specifice pentru încercare, adică o rețea de legare la pământ adecvată, un sistem de climatizare pentru menținerea unei temperaturi de (20 2) C și a unei umidități relative de cel mult 60 %, atât pentru condiționarea eșantioanelor conform standardului dar și pentru buna funcționare a aparaturii electronice de măsurare și monitorizare.

CONTRIBUȚII PERSONALE LA ELABORAREA UNEI METODE INOVATIVE PENTRU TESTAREA PROPULSANȚILOR ȘI A COMBUSTIBILILOR PENTRU RACHETE PRIVIND SENSIBILITATEA LA DESCĂRCĂRI ELECTROSTATICE

Propulsanții și combustibilii pentru rachete fac parte din categoria explozivilor de uz civil. Propulsorul este un exploziv deflagrant utilizat pentru propulsia sau pentru reducerea frecării proiectilelor. Carburantul propulsor poate fi utilizat ca și component al generatoarelor de gaz sau alte articole.

Rezistența la energie electrostatică este una din cerințele care trebuie îndeplinite de propulsanții și combustibilii solizi pentru rachete, de calupurile de pulbere și de pulberile negre pentru uz civil, ea fiind o cerință cuprinsă în standardul SR EN 13938-1.

În standardul SR EN 13938-1 se solicită ca la încercarea din EN 13938-2, sensibilitatea la energia electrostatică să nu fie mai mică de 0,5 J.

Standul pentru determinarea sensibilității la descărcări electrostatice a propulsanților și a combustibililor pentru rachete

Pentru determinarea sensibilității la descărcări electrostatice INCD INSEMEX a achiziționat în 2019 un stand de încercări care îndeplinește condițiile prevăzute în standardele naționale și europene. Acest stand a fost achiziționat printr-un contract de achiziții la care eu am fost desemnat responsabil de contract de către conducerea INCD INSEMEX. Eu am întocmit nota de fundamentare, caietul de sarcini cu cerințele pe care trebuie să le îndeplinească echipamentul, am analizat ofertele furnizorilor, am făcut completările de rigoare și am ales oferta tehnică care a îndeplinit toate cerințele necesare.

Standul de încercări are ca componentă principală echipamentul la scară redusă X SPARK 10 (figura 3.4), echipament utilizat pentru determinarea rezistenței la energie electrostatică a materialelor energetice (materiale cu o cantitate mare de energie chimică stocată).

Echipamentul X SPARK 10, produs de OZM Research Cehia, prezintă o serie de avantaje, cum ar fi:

Permite testarea tuturor categoriilor de explozivi civili, de la explozivi de amorsare primari – extrem de sensibili, la explozivi puternici – insensibili, incluzând propulsanții și combustibilii pentru rachete;

Măsurarea exactă a energiei de inițiere a materialelor energetice cristaline cu masa probabilă tipică de aproximativ 10 mg, în domeniul energiilor de descărcare de la 25 pJ la 25 J și la tensiuni de până la 10 kV;

Efectuarea unui test complet necesitând maxim 40 de încercări, funcționează în două regimuri de descărcare – oscilant și amortizat.

Echipamentul face parte din cea mai nouă generație de instrumente de încercare destinate măsurării precise a energiei de inițiere (sensibilitatea la scânteia electrostatică) a materialelor explozive. Este proiectat pentru măsurarea exactă a energiei de inițiere a materialelor explozive cristaline în domeniul energiilor de descărcare (de la 25 pJ la 25 J), la o tensiune de până la 10 kV și cu masa tipică probabilă de aproximativ 10 mg. Acest echipament este foarte productiv deoarece sunt necesare puține încercări pentru determinarea sensibilității, de obicei sunt necesare aproximativ 30 – 40 de încercări cu diferite energii ale scânteii pentru a efectua un test complet.

Designul compact (o singură unitate portabilă) al echipamentului oferă cele mai bune condiții pentru obținerea eficienței maxime a descărcării electrostatice. Această eficiență sporită este asigurată prin aceea că prezintă o rezistență și o inductanță scăzută a circuitului de descărcare, lungimea cea mai scurt posibilă a cablurilor și o energie de descărcare ridicată la o valoare scăzută a tensiunii. Echipamentul este singurul dintre puținele instrumente disponibile de acest tip care permite măsurarea precisă a energiei scânteii descărcate în eșantion. Analiza și evaluarea sunt realizate cu un software pe PC-ul operatorului.

Echipamentul la scară redusă pentru determinarea rezistenței la energie electrostatică a propulsanților și a combustibilului pentru rachete este constituit din:

O sursă încorporată de alimentare cu înaltă tensiune;

O baterie de condensatori;

Un rezistor de amortizare;

Un comutator de înaltă tensiune controlat de la distanță, cu acționare pneumatică;

O cameră de încercare care include și un ventilator de aspirație;

Un set de condensatori adiționali externi;

O telecomandă;

Un set de accesorii și un ecran suplimentar de protecție din plexiglas care protejează instrumentul împotriva influenței efectelor exploziei în timpul testării probelor explozive neconforme (care se inițiază).

Capacitatea de lucru este selectabilă, ea putând fii suplimentată cu condensatoare externe. Tensiunea de ieșire, de ordinul kV-lor, este variabilă și se reglează dintr-un potențiometru. Valoarea tensiunii este afișată pe ecranul echipamentului.

În cazul în care echipamentul este folosit pentru realizarea încercărilor din standardul SR EN 13938-2 acesta se va folosi în configurația „mod oscilant”. Calea curentului la descărcare este evidențiată cu liniile punctate în figura 3.5.

Fig. 3.4 – Echipamentul la scară redusă X Spark 10.

Fig. 3.5 – Schema bloc a echipamentului X Spark 10.

Pentru realizarea standului în conformitate cu standardul SR EN 13938-2 am achiziționat separat celulele și capacele din cupru (figura 3.6), cablul special de legătură între X Spark și celulă precum și un compresor fără ulei pentru acționarea pneumatică a comutatorului de înaltă tensiune..

Fig. 3.6 – Celulă cu capac din cupru, asamblată.

Elaborarea și implementarea procedurii de lucru în laboratorul acreditat pentru încercări.

Grupul de laboratoare de încercări GLI din cadrul INCD-INSEMEX este acreditat de către RENAR privind conformitate cu standardul SR EN ISO/CEI 17025 Cerințe generale pentru competența laboratoarelor de încercări și etalonări.

Pentru ca o încercare să fie acreditată ea trebuie să fie în concordanță cu un standard național sau european și să se execute după o procedură de încercare clară, care să poată fi urmată de operator în timpul încercărilor.

În vederea acreditării încercării pentru: „Determinarea rezistenței la energie electrostatică a Explozivilor pentru uz civil – Propulsanți și combustibili pentru rachete” am întocmit o procedura de încercare pe care o prezint în Anexa 1.

Această procedură de încercare urmează să fie validată prin încercări de laborator experimentale.

CONCLUZII FINALE ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE

CONCLUZII FINALE

Concluzii privind electricitatea statică ca sursă de inițiere a atmosferei explozive sau a capselor detonante electrice, a articolelor pirotehnice, a propulsanților și a combustibililor pentru rachete

Electricitatea statică este unul dintre fenomenele des întâlnite în activitățile industriale dar și în viața de zi cu zi. Multe dintre efectele electricității statice trec complet neobservate sau nu produc daune, însă electricitatea statică poate să genereze și situații periculoase.

Electricitatea statică poate genera incendii și/sau explozii, detonarea nedorită a capselor detonante electrice, acționarea necontrolată a aparaturii sensibile de comandă și control, iar la persoane poate genera șoc electric sau șoc electric în combinație cu un alt pericol (cădere, împiedicare).

Pe lângă pericolele pe care le prezintă există însă și situații când electricitatea statică este dorită, când nu generează situații periculoase, făcând parte dintr-un proces tehnologic cum ar fi vopsirea în câmp electrostatic, tipărirea prin proces electrostatic, sortarea materialelor în câmp electrostatic, etc.

Formarea și acumularea sarcinilor electrostatice are loc ca urmare a mecanismelor de electrizare. Dintre mecanismele de electrizare care duc la apariția și formarea sarcinilor electrostatice fac parte electrizarea de contact și electrizarea prin inducție.

În mediile industriale există generare continuă de sarcini electrostatice care se acumulează pe conductori izolați, de exemplu, atunci când un curent de lichid sau pulbere încărcată curge într-un container printr-o conductă izolată.

Sursele de electrizare în cazul capselor detonante electrice, a propulsanților și a combustibililor pentru rachete sunt: încărcarea electrostatică a persoanelor la deplasarea pe o pardoseală, așezarea/ridicarea de pe scaun, scoaterea îmbrăcămintei, încărcarea electrostatică a explozivilor granulari la încărcarea pneumatică sau a mașinii de încărcare mecanizată etc. Persoanele pot dobândi sarcini de natură electrostatică (potențial electrostatic) capabile să producă descărcări electrostatice cu energii de descărcare de valori considerabile (de ordinul mJ).

Sarcinile după separarea din timpul procesului de încărcare electrostatică se pot recombina foarte rapid, fie direct prin contact, fie prin pământ. Sarcinile de pe un non-conductor sunt reținute din cauza rezistenței materialului însuși. Dar pentru ca un conductor să rămână încărcat, el trebuie să fie izolat de alți conductori și de pământ.

Sarcinile se scurg cu o valoare determinată de rezistențele non-conductorilor din sistem procesul fiind cunoscut ca relaxare. Nivelele rezistenței, rezistivității sau conductivității care pot conduce la situații periculoase depind în mare măsură de procesele industriale.

Descărcările electrostatice incendive reprezintă un risc de inițiere a atmosferelor explozive de gaz, praf sau vapori, a inițierii nedorite a capselor detonante, a articolelor pirotehnice, a propulsanților și a combustibililor pentru rachete.

Descărcările incendive de tip con, perie, perie de propagare și scânteie produc aprinderea atmosferelor explozive și a explozivilor de uz civil. Singura descărcare care nu produce aprinderea atmosferelor explozive este descărcarea de tip corona, descărcare cu densitatea energetică mult prea mică.

Asigurarea securității în industrie, în locuri cu atmosferă potențial explozivă, la producerea, depozitarea și transportul explozivilor de uz civil, presupune analizarea fiecărei situații în parte, atât în ce privește potențialele surse de electrizare cât și probabilitatea prezenței și persistenței atmosferei explozive sau a explozivilor cât și prin impunerea măsurilor de protecție adecvate pentru reducerea riscului la un nivel acceptabil.

Evaluarea riscului de aprindere a atmosferelor explozive praf/aer prin descărcări electrostatice se poate face cunoscând incendivitatea descărcării (adică cantitatea de energie eliberată) și sensibilitatea atmosferei potențial explozive existente, așa cum a fost caracterizată prin energia minimă de aprindere MIE.

Cunoscând incendivitatea descărcării și sensibilitatea atmosferei potențial explozive, se poate stabili dacă aprinderea apare sau nu.

Evaluarea apariției de descărcări de toate tipurile este practic cel mai important lucru și, de asemenea, cel mai dificil pas în analizarea pericolelor create de încărcările electrostatice.

Pentru că este imposibil în cazul mediilor industriale să se facă evaluarea apariției descărcărilor pe baza legilor fizicii plasmei se folosește o abordare fenomenologică. Metoda de abordare fenomenologică este cea mai utilizată metodă pentru medii industriale.

Pentru evaluarea riscului de inițiere necontrolată (intempestivă) a capselor detonante electrice, a propulsanților și a combustibililor pentru rachete trebuie determinată sensibilitatea acestor produse la descărcări electrostatice.

Pentru determinarea sensibilității la descărcări electrostatice au fost dezvoltate metode de încercare, metode care au fost standardizate (SR EN 13763-13:2004; SR EN 13938-2:2005) și care permit determinarea în condiții de laborator a sensibilității la descărcări electrostatice a capselor detonante electrice, a propulsanților și a combustibililor pentru rachete.

Evaluarea conformității produselor (echipamentelor, capselor, explozivilor de uz civil) se face în conformitate cu cerințele de securitate prevăzute în Directivele Europene 2014/28/UE și 2013/29/UE.

În urma analizării performanțelor de protecție la descărcări electrostatice ale diferitelor tipuri de capse detonante s-au constatat performanțe superioare de protecție la capsele de medie, de înaltă și foarte înaltă intensitate, față de cele de joasă intensitate.

Pentru că performanțe inferioare s-au constatat la capsele de joasă intensitate, analiza riscului de inițiere a capselor detonante electrice prin descărcări electrostatice s-a făcut în baza încercărilor de laborator făcute la INCD INSEMEX pe capse de joasă intensitate produse de UM Sadu de tip CE 0,5, cu și fără manșon de protecție. S-au evidențiat performanțele sporite de protecție ale celor confecționate cu manșon de protecție, s-a constat că sensibilitatea la descărcări electrostatice a capselor fără manșon este mult mai mare decât a celor realizate cu manșon de protecție.

În urma experimentărilor privind riscul de aprindere a capselor de joasă intensitate prin descărcări electrostatice de la om, se poate afirma că problematica certificării protecției la descărcările electrostatice la capse de joasă intensitate, se reduce la verificarea sensibilității capselor la descărcări electrostatice în modurile tub la un reofor (T1R) și tub la reoforii scurtcircuitați (TRS), la parametrii echivalenți superiori unor descărcări capacitive de la om.

În urma studiului de caz privind stabilirea cauzelor care au dus la producerea unui accident de muncă datorat inițierii intempestive a unei capse detonante electrice, accident produs la efectuarea unor lucrări de prospecțiuni geologice soldat cu moartea unei persoane, s-a demonstrat clar pericolul de inițiere intempestivă a capselor prin descărcări electrostatice.

Concluzii privind analiza cerințelor de evaluare/încercare a echipamentelor individuale de protecție (EIP) pentru reducerea riscului de aprindere a atmosferelor explosive prin descărcări electrostatice de la om

Dacă o persoană încărcată electrostatic atinge un obiect conductiv (de exemplu mânerul unei uși, o balustradă, un container metalic), în punctul de contact poate să apară o scânteie. Astfel de scântei, care sunt puțin probabil să poată fi văzute, auzite sau chiar simțite de persoană, pot genera aprinderi ale atmosferelor explozive. Scânteile de la persoane pot aprinde gaze, vapori și chiar prafuri mai sensibile. Este foarte important să se prevină încărcarea electrostatică a persoanelor care pot fi expuse atmosferelor inflamabile, atmosfere care au o energie minimă de aprindere MIE < 10 mJ.

Prevenirea apariției unei descărcări electrostatice se realizează cel mai bine utilizând o pardoseală conductivă sau disipativă și asigurându-se ca persoanele poartă echipamente individuale de protecție (EIP) adecvate, în special încălțăminte disipativă.

Evaluarea conformității echipamentelor individuale de protecție folosite în atmosfere potențial explozive este în conformitate cu cerințele din Regulamentul (UE) 2016/425 al Parlamentului European și al Consiliului din 9 martie 2016 privind echipamentele individuale de protecție și de abrogare a Directivei 89/686/CEE a Consiliului și Directivei ATEX 2014/34/UE a Parlamentului European și a Consiliului din 26 februarie 2014 privind armonizarea legislației statelor membre referitoare la echipamente și sisteme protectoare destinate utilizării în atmosfere potențial explozive.

Cerințele pentru prevenirea descărcărilor electrostatice periculoase de la om sunt date în standardul IEC TS 60079-32-1:2013+AMD1:2017: „Explosive atmospheres – Part 32-1 Electrostatic hazards, guidance” și în standardul român SR EN 60079-32-2:2015 „Atmosfere explozive. Partea 32-2: Pericole electrostatice. Încercări”.

Cerințele pentru evaluarea materialelor și EIP din punct de vedere al performantelor de protecție împotriva electricității statice periculoase, sunt date în Directiva EIP și în standardele specifice tipurilor de echipament: îmbrăcăminte, încălțăminte, mănuși sau căști de protecție.

Din analiza standardelor specifice se constată că, exceptând îmbrăcămintea de protecție, la toate celelalte echipamentele cerințele de protecție se referă la limitarea rezistenței electrice.

Atunci când se analizează riscurile de descărcări electrostatice provenite de la echipamentul neelectric, cum ar fi îmbrăcămintea de protecție și alte elemente de EIP, parametrul relevant este energia minimă de aprindere (MIE) a atmosferei explozive.

Studiul metodelor de încercare a îmbrăcămintei/materialelor textile pentru determinarea performanțelor de protecție ESD a evidențiat multitudinea de metode de încercare folosite pe plan mondial. Multe din aceste metode nu pot fi utilizate pentru noile materiale compozite, materiale textile utilizate la noile EIP.

Metoda care am constatat că poate fi folosită la evaluarea tuturor materialelor textile este cea care folosește timpul de descărcare a sarcinii, metodă conformă cu standardul EN 1149-3 metoda 2 (încărcarea prin inducție).

Metoda este universal adecvată tuturor tipurilor de materiale. Materialele textile ale îmbrăcămintei normale "omogene" nu prezintă efect de ecranare, pentru materialele eterogene valoarea ecranării este determinată de densitatea rețelei și de conductivitatea componentelor conductive ale materialului textil. Metoda poate fi utilizată pentru materialele destinate EIP folosite în industria electronică cât și pentru cele utilizate în medii explozive.

Metoda se folosește în prezent și în laboratorul Echipamente Neelectrice Ex., Electrostatică, Materiale și Echipamente Individuale de Protecție din cadrul INCD INSEMEX utilizându-se standul construit de autor, stand prezentat în această teză.

Deoarece cerințele sunt pentru materiale, metodele de încercare aplicabile conform standardelor în vigoare, se referă la testarea materialelor pentru caracterizarea lor din punct de vedere electrostatic. Încercările pe îmbrăcămintea completă sunt încă în studiu.

Standardele care au fost elaborate în urma cercetărilor efectuate în cadrul unui proiect European au avut la bază încercări de inițiere a atmosferei de hidrogen. În consecință, limitele de acceptare recomandate sunt corelate cu energia sau sarcina minimă de aprindere a materialelor inflamabile, gazelor sau prafului, cu un coeficient de siguranță acoperitor datorită sensibilității mari a amestecului de hidrogen comparativ cu alte substanțe inflamabile.

Stadiul actual al cunoștințelor în acest domeniu este reflectat în seria de standarde EN 1149 „Îmbrăcăminte de protecție. Proprietăți electrostatice”, standard care cuprinde cinci părți, și anume:

• Partea 1: Metodă de încercare pentru măsurarea rezistivității de suprafață;

• Partea 2: Metodă de încercare pentru măsurarea rezistenței electrice la traversarea materialelor (rezistență verticală);

• Partea 3: Metodă de încercare pentru măsurarea capacității de disipare a sarcinii;

• Partea 4: Încercarea îmbrăcămintei (în dezvoltare);

• Partea 5: Cerințe de performanță pentru materiale și cerințe de proiectare.

Evaluarea conformității îmbrăcămintei de protecție pentru medii Ex cu cerințele regulamentului Uniunii Europene privind EIP a prezentat probleme, standardele armonizate din domeniul directivelor sunt în continuă revizuire/perfecționare. Pe parcursul aplicării acestor reglementari apar tot felul de probleme, fie datorită omisiunilor din ele, fie datorită noutăților generate de progresul tehnic continuu.

Aceste probleme sunt sesizate de Organismul Notificat pentru evaluarea conformității cu cerințele directivei sau de alți actori implicați în aceasta activitate, incluzând producătorii de echipamente sau utilizatorii lor. Aceste probleme constatate sunt discutate în cadrul grupurilor de lucru pe domenii specifice. Conform recomandărilor Comisiei Europene, soluțiile propuse în cadrul acestor grupuri se difuzează sub formă de RECOMMENDATION FOR USE (recomandări pentru utilizare) și acestea trebuie aplicate de către ON în cadrul procedurilor de certificare a echipamentelor.

CONTRIBUȚII PERSONALE

Contribuții teoretice

Evaluarea riscului de aprindere a atmosferelor explozive praf/aer prin descărcări electrostatice;

Analiza riscului de inițiere intempestivă a explozivilor și/sau a dispozitivelor de inițiere prin descărcări electrostatice;

Analiza performanțelor de protecție la descărcări electrostatice ale diferitelor tipuri de capse detonante;

Analiza riscului de inițiere a capselor detonante electrice de joasă intensitate prin descărcări electrostatice;

Analiza cerințelor de evaluare/încercare a echipamentelor individuale de protecție (EIP) pentru reducerea riscului de aprindere a atmosferelor explosive prin descărcări electrostatice de la om;

Analiza metodelor de încercare a îmbrăcămintei/materialelor textile pentru determinarea performanțelor de protecție ESD;

Analiza aplicabilității metodelor de încercare pentru evaluarea performanțelor de protecție la descărcări electrostatice ale îmbrăcămintei de protecție utilizată în atmosfere potențial explozive;

Stabilirea încercărilor necesare pentru evaluarea conformității îmbrăcămintei cu cerințele aplicabile de securitate, potrivit noilor standarde europene;

Analiza metodelor de evaluare și încercare a performanțelor de protecție (rezistența la descărcări electrostatice) a capselor detonante electrice;

Contribuții hardware

Realizarea și implementarea standului pentru măsurarea capacității de disipare a sarcinii prin metoda de încercare folosind încărcarea prin inducție;

Realizarea și implementarea standului de încercare pentru testarea capselor detonante privind performanțele de protecție împotriva inițierii necontrolate prin descărcări electrostatice;

Realizarea și implementarea standul pentru determinarea sensibilității la descărcări electrostatice a propulsanților și a combustibililor pentru rachete.

Contribuții experimentale și aplicative

Elaborarea documentației de realizare a standului pentru măsurarea capacității de disipare a sarcinii prin metoda de încercare folosind încărcarea prin inducție, stand pentru determinarea caracteristicilor antistatice a EIP;

Elaborarea procedurii de încercare pentru metoda de încercare care folosește încărcarea prin inducție și implementarea acesteia în sistemul de calitate al laboratorului. Scopul fiind extinderea domeniului de competență al laboratorului;

Experimentarea și implementarea procedurii în laboratorul acreditat pentru încercări;

Constatări făcute în timpul încercărilor de laborator efectuate pe capse detonante electrice în faza de experimentare a standului;

Elaborarea și implementarea procedurii de lucru „Determinarea rezistenței la energie electrostatică a propulsanților și a combustibililor pentru rachete” în laboratorul acreditat pentru încercări;

Direcții de cercetare viitoare

Având în vedere contribuțiile aduse și problemele de cercetare identificate pot fi enumerate câteva direcții de cercetare pe care le voi aborda în viitor:

Realizarea și implementarea unei proceduri pentru determinarea energiei minime de aprindere a amestecurilor praf/aer folosind o descărcare electrostatică (pur capacitivă) folosind standul achiziționat recent de către INCD Insemex. Standul a fost achiziționat în cadrul unui proiect nucleu de cercetare la care autorul a fost responsabil;

Determinarea energiei minime de aprindere reale în cazul amestecurilor explozive praf/aer. Metodele actuale permit doar determinarea prin calcul a energiei dar prin dezvoltarea standului am identificat o nouă metodă prin care se poate măsura energia descărcată prin scânteie.

BIBLIOGRAFIE

ANEXA 1

PROCEDURĂ DE ÎNCERCARE

Determinarea rezistenței la energie electrostatică a propulsanților

și a combustibililor pentru rachete

OBIECT

Procedura descrie modul de efectuare a încercărilor pentru determinarea rezistenței la energie electrostatică a propulsanților și a combustibililor pentru rachete.

Se determină energia limită, adică nivelul energetic maxim fără reacție sau reacție parțială, într-o serie de 20 de încercări.

DOMENIU DE APLICARE

Această procedură se aplică pentru determinarea rezistenței la energie electrostatică pentru propulsanți și combustibili solizi conținând o fracție masică de cel puțin 5 % particule care trec printr-o sită cu ochiuri de 1 mm. Această metodă nu se aplică pulberii negre.

NOTĂ: Dacă fracția masică de particule mai mici de 1 mm este mai mică de 5 %, atunci se consideră că propulsanții și combustibilii solizi sunt insensibili la energie electrostatică și nu mai este necesară efectuarea acestei încercări.

DOCUMENTE DE REFERINȚĂ

Pentru referințele datate se aplică numai ediția citată. Pentru referințele nedatate se aplică ultima ediție a documentului la care se face referire (inclusiv amendamentele).

3.1 – EN 13857-1:2003, Explosives for civil uses. Part 1: Terminology;

3.2 – EN ISO / IEC 17025, General requirements for the competence of testing and calibration laboratories (ISO/IEC 17025:1999);

3.3 – ISO 565, Test sieves; Metal wire cloth, perforated metal plate and electroformed sheet-nominal sizes of openings.

TERMINOLOGIE, ABREVIERI

Pentru scopurile acestui document se aplică termenii și definițiile din standardul EN 13857-1:2003 și următoarele:

4.1 reacție – producerea unei detonații, pocnituri, scânteie și/sau flacără.

4.2 reacție parțială – schimbarea culorii, deschiderea celulei sau urme de căldură la suprafața celulei.

REGULI DE PROCEDURĂ

Principiul metodei

Determinarea comportamentului la aplicarea unei descărcări sub formă de scânteie asupra unui eșantion dintr-un propulsant sau combustibil pentru rachete. Descărcarea este pur capacitivă pentru a simula descărcarea electrostatică.

Aparatură

Celule și capace. Celula este formată dintr-un disc de material plastic, cu grosimea de (3,0 ±0,1) mm, diametrul de (32 ± 1) mm, având un orificiu central cu diametrul de (6,3 ±0,1) mm și un disc de cupru cu grosime de aproximativ 1 mm, diametrul de (19 ± 1) mm, care formează baza celulei. Capacul constă într-un disc de cupru cu grosimea de aproximativ 0,1 mm, diametrul de (16 ± 1) mm, care este fixat de partea superioară a discului de material plastic cu o bandă dublu adezivă;

Generatorul de energie electrostatică care este echipamentul la scară redusă X Spark 10;

Sondă de înaltă tensiune;

Ohmmetru (punte RLC electronică);

Sondă de curent;

Osciloscop cu o lățime de bandă > 20 MHz.

Obiecte de încercat

Se folosesc eșantioane de 100g cernute conform metodei de cernere din anexa B a standardului SR EN 13938-2. Pentru încercare trebuie utilizată fracția care trece prin sita cu ochiuri de 1,0 mm, atunci când această fracție este mai mare sau egală cu 5g, în caz contrar, încercarea nu trebuie efectuată. Eșantionul pentru încercare trebuie condiționat la (20 ± 5) °C și (60 ± 10) % umiditate relativă, timp de 24 h.

Mod de lucru

Calibrarea tensiunii și a capacității

Se conectează ieșirea echipamentului X Spark 10 la sonda de înaltă tensiune;

Se reglează din potențiometru cea mai ridicată tensiune care urmează să fie utilizată pentru încercare;

Se descarcă generatorul prin aceeași metodă ca cea utilizată pentru încercarea unui eșantion;

Se înregistrează tensiunea în funcție de timp. Curba trebuie să fie puternic atenuată (descreștere exponențială);

Se determină Umax de pe curba înregistrată;

Se calculează constanta de timp τ = RC, utilizând următoarea formulă:

, 3.2

în care Ui este tensiunea și ti este timpul în punctul i al curbei de descărcare exponențială. Se alege punctul 1 ca fiind 10% din Umax și punctul 2 ca fiind 90% din Umax;

Se calculează capacitatea circuitului de descărcare C = τ / R.

Calibrarea circuitului de descărcare

Se amplasează sonda de curent în circuitul de descărcare;

Se șuntează ieșirea generatorului, inclusiv cablul de conectare;

Se descarcă generatorul prin aceeași metodă ca cea utilizată pentru încercarea unui eșantion;

Se înregistrează curentul în funcție de timp. Curba trebuie să fie ușor atenuată (pseudo-periodică).

Analiza semnalului

Se determină tensiunea (sau curentul) la cele două extreme ale semnalului pseudo-periodic. Se aleg cele două extreme încât 0,5 < n < 3, în care n este numărul de pseudo-perioade între cele două extreme;

Se determină pseudo-perioada T pentru cea mai bună exactitate, se calculează T din valorile lui t pentru care U(t) = 0 (sau l(t) = 0);

Se calculează L (inductanța) și R (rezistența dinamică) a circuitului de descărcare, utilizând următoarele formule:

și ; cu , 3.3

în care:

C capacitatea determinată la pct. 5.4.1;

T Pseudo perioada;

3.14…;

a factorul de atenuare;

n numărul de pseudo-perioade între M1 și M2 ;

M1, M2 tensiunea (sau curentul) la extremele 1 și 2.

Fig. 3.7 – Exemplu de înregistrare a unei descărcări (tensiune în funcție de timp).

Încercarea propriu zisă

Se umple celula, adică orificiul din discul de material plastic, cu o parte din eșantion, astfel încât capacul să fie în contact cu combustibilul solid, fără să-l preseze. Se închide celula cu capacul, utilizând banda dublu adezivă și se menține la (20 ± 5)°C și (30 ± 10)% umiditate relativă;

Se așază celula pe electrodul inferior. Apoi se aduce electrodul superior în contact cu capacul celulei. Se alege un condensator și se încarcă prin aplicarea unei tensiuni de 10 kV. Apoi se descarcă condensatorul prin electrozi;

În timpul încercării și la recuperarea restului de eșantion pentru încercare, se observă dacă are loc o reacție sau o reacție parțială, adică un eveniment pozitiv.

Pentru fiecare serie de încercări se utilizează o celulă nouă. Se începe cu un nivel energetic de 5 J (capacitate 0,1 pF). Se încearcă 20 probe din eșantion la un nivel energetic de 5 J. Dacă se produce o reacție sau o reacție parțială, se oprește încercarea și se trece la un nivel energetic de 0,5 J (capacitate 0,01 pF) pentru următoarele 20 încercări. Dacă se înregistrează o reacție sau o reacție parțială, se continuă cu un nivel energetic de 0,05 J (capacitate 0,001 pF) pentru alte 20 încercări, dacă nu se produce o reacție sau o reacție parțială.

Exprimarea rezultatelor

Se înregistrează rezultatul încercării sub formă de energie limită, adică nivelul energetic maxim fără reacție sau reacție parțială, într-o serie de 20 de încercări. De exemplu: dacă se obține o reacție sau o reacție parțială la un nivel energetic de 0,05 J, se exprimă energia limită ca < 0,05J.

Rezultatele încercării vor fi menționate în raportul de încercare redactat de responsabilul de încercare.

INCERTITUDINEA MĂSURĂRII

Incertitudinea unei măsurări este un parametru asociat rezultatelor măsurării, care caracterizează dispersia valorilor ce pot fi atribuite mărimii măsurate și se obține prin compunerea tuturor incertitudinilor specifice aferente factorilor ce influențează semnificativ măsurarea unui parametru (rezistență electrică, tensiune, curent, etc.).

COMPLETAREA FORMULARELOR CU CONSEMNAREA REZULTATELOR ÎNCERCĂRILOR

Rezultatele finale ale încercărilor sunt consemnate în Raportul de Încercare. Raportul de încercare trebuie să includă cel puțin următoarele informații:

Referire la standardul SR EN 13938-2;

Identificarea completă a substanței încercate, inclusiv distribuția granulometrică;

Tratamentul la care a fost supus eșantionul și de către cine;

Temperatura și umiditatea relativă în timpul încercărilor;

Rezultatele încercărilor individuale, sub forma: „fără reacție”, „reacție parțială”, sau „reacție”;

energia limită.

ANEXA 2

Extras din noua procedură de încercare acreditată PI – 60: Încercări pentru caracterizarea electrostatică (rezistență, conductibilitate, rezistivitate electrică, capacitate electrică, sarcină electrică, timp de înjumătățire a sarcinii).

Procedura a fost elaborată de d-nul dr.ing. Florin Păun și de mine pentru a fi inclusă în procedurile acreditate ale Laboratorului de echipamente Neelectrice Ex, Electrostatică, Materiale și EIP din cadrul INCD INSEMEX Petroșani.

„ 5.10. Încercarea pentru determinarea timpului de înjumătățire a sarcinii la materiale textile folosite la confecționarea îmbrăcămintei de protecție

Principiul metodei

Încărcarea eșantionul se efectuează prin efect de inducție. Un electrod de câmp este amplasat exact sub eșantionul dispus orizontal, fără a atinge eșantionul. Pe electrodul de câmp se aplică rapid înaltă tensiune.

Dacă eșantionul este conductiv sau dacă conține elemente conductive atunci pe eșantion este indusă sarcină de polaritate opusă celei de pe electrodul de câmp. Câmpul electrodului de câmp care afectează elementele conductive nu trece prin eșantionul de încercare, iar câmpul care rezultă se reduce într-un anumit mod care este caracteristic materialului supus la încercare.

Acest efect se măsoară și se înregistrează în spatele eșantionului cu ajutorul unei sonde corespunzătoare de măsurare a câmpului. Pe măsură ce cantitatea de sarcină indusă pe eșantion creste, câmpul înregistrat de sonda de măsurare scade. Această reducere de câmp este folosită la determinarea timpului de înjumătățire a sarcinii și coeficientului de ecranare.

5.10.1 Aparatură și materiale

Standul de încercare ( fig. 5.10.1-1) este compus din:

– un electrod de câmp (un disc metalic cromat cu diametru de 70 ± , fixat pe un suport izolant) (1);

– un inel de susținere (inel metalic cu diametrul interior de 100 ± , legat la pământ și amplasat în jurul unui electrod de câmp) (2);

– un inel de strângere a epruvetei;

– un generator de tensiune capabil să furnizeze electrodului de câmp o tensiune progresivă de (1 200 ± 50) V în intervalul de 30 μs (o sursa de tensiune de c.c. de 5000 V și un întrerupător rapid HT) (3);

– o sondă de măsurare a câmpului (un disc metalic cu diametru de (30,0 ± 1) mm (4);

– un inel de gardă la pământ (5);

– un electrometru electronic (6);

– un osciloscop (7) pentru înregistrarea datelor temporale care provin de la ieșirea sondei de măsurare a câmpului, de preferință sub formă grafică. Rezoluția temporală și timpul de răspuns al dispozitivului de măsurare este mai mică de 50 μs.

Figura 5.12.1-1 Schema de principiu a standului de încercare a materialelor textile

cu metoda de încărcare prin inducție

Electrod de câmp

Un disc de oțel inoxidabil lustruit cu diametrul de (70 ± 1) mm fixat pe un suport izolant. Detaliile sunt arătate în figura 5.12.1-2.

Figura 5.12.1-2 – Dimensiunile electrodului de câmp,

ale sondei de măsurare a câmpului, inelului de fixare a eșantionului și distanțe

1 – sondă de măsurare a câmpului;

2 – inel de gardă;

3 – inel de fixare a eșantionului;

4 – eșantion de încercare;

5 – inel de sprijin;

6 – electrod de câmp;

7 – circuit electric, conectare la generatorul de tensiune;

8 – circuit electric, conectare la amplificatorul de sarcină.

Inel de sprijin

Un inel de metal cu diametrul interior de (100 ± 1) mm legat la pământ și amplasat concentric cu electrodul de câmp (6) – figura 5.12.1-2. Distanța dintre suprafața de sus a electrodului de câmp și partea superioară a inelului de sprijin trebuie să fie de (40 ± 0,1) mm.

Inele de fixare a eșantionului

Eșantionul se fixează între un inel interior și un inel exterior. Inelul exterior care are un diametru exterior de (250 ± 1) mm și un diametru interior de (220 ± 1) mm se leagă la pământ și se plasează concentric cu electrodul de câmp și inelul de sprijin (5). Inelul exterior este flexibil și fixează eșantionul.

Generator de tensiune

Generator piezoelectric sau un alt tip corespunzător de generator care poate produce o tensiune în trepte de (1200 ± 50) V pe electrodul de câmp în intervalul de 30 μs.

Sondă de măsurare a câmpului

Un disc metalic cu diametru de (30,0 ± 1) mm, înconjurat de un inel de gardă legat la pământ și conectat la un amplificator de sarcină. Distanța dintre marginea de jos a sondei de măsurare și partea superioară a inelului de sprijin trebuie să fie de (50 ± 1) mm.

Amplificatorul de sarcină (electrometru electronic):

– domeniu: 1 pC ÷ 2 nC;

– impedanța de intrare: > 5 × 108 Ω;

– rezoluție: 0,05 pC;

– timp de urcare: 0,2 V/μs;

– tensiune de ieșire: +/- 20 V max.

Dispozitiv de înregistrare

Un mijloc de înregistrare a datelor în relație cu timpul care provin de la ieșirea sondei de măsurare a câmpului. Precizia în timp și timpul de răspuns al dispozitivului de înregistrare trebuie să fie mai mici sau egale cu 50 μs și acesta trebuie să poată înregistra întregul domeniu de ieșire al fieldmetrului.

Exemple de dispozitive corespunzătoare sunt înregistratoarele cu bandă de hârtie, osciloscoapele cu memorie și înregistratoarele de date/calculatoare prevăzute cu software corespunzătoare.

Agent de neutralizare antistatică

Un mijloc de neutralizare a sarcinii electrostatice de pe eșantioanele de încercare înainte de măsurare.

Eșantioane (epruvetă sau îmbrăcăminte)

Se decupează trei eșantioane cu latura de dintr-un eșantion de încercare. Eșantionul nu trebuie să cuprindă cusături. Ca alternativă, dacă trebuie încercată o îmbrăcăminte (material) netăiat, atunci măsurările trebuie efectuate în trei locuri corespunzătoare pe material (îmbrăcăminte). Pentru a evita contaminarea eșantionul se ține numai de margini.

5.10.3 Mod de lucru

Determinarea intensității maxime a câmpului fără eșantion

Trebuie efectuat controlul măsurătorii fără eșantion între electrodul de câmp și sonda de măsurare a câmpului. Se pornește dispozitivul de înregistrare și se cuplează generatorul de tensiune pentru a aplica tensiunea în trepte pe electrodul de câmp. Sonda de măsurare a câmpului trebuie să arate valoarea maximă constantă Emax.

Măsurarea cu eșantion

Se fixează primul eșantionul sau suprafața de încercare în inelul de fixare și se poziționează cu inelul de fixare concentric cu inelul de sprijin al eșantionului. Se leagă inelul de fixare la pământ.

Se elimină orice sarcină electrostatică reziduală semnificativă de pe eșantion cu ajutorul agentului de neutralizare antistatică și se asigură că sonda de măsurare a câmpului indică zero sau aproape zero.

Se pornește dispozitivul de înregistrare și se cuplează generatorul de tensiune pentru a se aplica tensiunea în trepte pe electrodul de câmp.

Se oprește dispozitivul de înregistrare atunci când valoarea citită de sonda de măsurare a câmpului este cea mai scurtă din următoarele două: valoarea s-a diminuat cel puțin la jumătate față de valoarea sa maximă sau după timpul de 30 s.

Se notează din înregistrare valorile ER și t50.

Se îndepărtează eșantionul și se repetă procedura cu celelalte două eșantioane.

5.10.4 Exprimarea rezultatelor

Se calculează valorile medii ale timpilor de înjumătățire a sarcinii t50 și a coeficientului de protecție S.

Pentru materiale care nu prezintă efecte de ecranare, ER este egal cu Emax (a se vedea figura 5.10.4-1).

Pentru materiale ce prezintă efecte de ecranare, ER este mai mic de Emax (a se vedea figura 5.10.4-2). Ocazional, la începutul înregistrărilor va apărea un vârf tranzitoriu. Astfel de vârfuri sunt neglijate la calcularea ER.

Legenda

X – Timp

Y – Intensitatea câmpului (unități relative)

Figura 5.10.4-1- Exemplu de înregistrare a măsurării descărcării pentru materiale disipative fără efect de ecranare

Legenda

X – Timp

Y – Intensitatea câmpului (unități relative)

Figura 5.12.4-2- Exemplu de înregistrare a măsurării descărcării pentru materiale cu efect de ecranare

Dacă ER < Emax/2 atunci t50 este înregistrat ca < 0,01 s. Dacă câmpul indicat nu a scăzut /2 în timp de 30 s, atunci t50 este înregistrat ca > 30 s.

5.10.5 Incertitudinea măsurării

Incertitudinea unei măsurări este un parametru asociat rezultatelor măsurării, care caracterizează dispersia valorilor ce pot fi atribuite mărimii măsurate și se obține prin compunerea tuturor incertitudinilor specifice aferente factorilor ce influențează semnificativ măsurarea unui parametru (rezistență electrică).

Incertitudinea de măsurare se calculează conform PS 13 – Evaluarea și exprimarea incertitudinii de măsurare, respectiv modelului de calcul din anexa 10.3.

5.10.6 Completarea formularelor cu consemnarea rezultatelor încercărilor.

Rezultatele parțiale obținute în timpul efectuării încercării se vor consemna în Fișa de înregistrări primare (anexa 10.1).

Rezultatele obținute se consemnează apoi în Raportul de încercare conform modelului din anexa 1 la PS – 06.

5.10.7 Păstrarea eșantioanelor

După efectuarea încercărilor obiectele de încercat se depozitează în locuri amenajate în acest scop ținând-se seama de informațiile cuprinse în instrucțiunile elaborate de fabricant (dacă există) și din documentația acestora.

Depozitarea obiectelor de încercat se face astfel încât să nu fie afectate caracteristicile și integritatea acestora pe tot parcursul depozitării, fără să îngreuneze posibilitatea identificării și fără a fi posibilă descompletarea sau sustragerea acestora.”

Au fost reproduse paginile 37 ÷ 43 din procedura PI-60 a Grupului de Laboratoare GLI de pe lângă INCD INSEMEX Petroșani.

ANEXA 3

LISTA ARTICOLELOR ȘI LUCRĂRILOR ȘTIINȚIFICE PUBLICATE ÎN URMA CERCETĂRILOR DOCTORALE

1. Articole publicate în reviste indexate Web of Science -WoS (ISI)

[1] Jurca, AM (Jurca, Adrian Marius); Ghicioi, E (Ghicioi, Emilian); Paun, F (Paun, Florin); Gabor, D (Gabor, Dan); Lupu, L (Lupu, Leonard), „MODERNIZATION OF THE TEST METHOD FOR NON-SPARKING MATERIALS INTENDED FOR USE IN EXPLOSIVE AREAS”, ENVIRONMENTAL ENGINEERING AND MANAGEMENT JOURNAL Volume: 18 Issue: 4 Pages: 847-852 Published: APR 2019, Accession Number: WOS:000469992200010, ISSN: 1582-9596, elSSN: 1843-3707;

[2] Gabor, D (Gabor, Dan); Radu, SM (Radu, Sorin Mihai); Ghicioi, E (Ghicioi, Emilian); Paraian, M (Paraian, Mihaela); Jurca, AM (Jurca, Adrian Marius); Vatavu, N (Vatavu, Niculina); Paun, F (Paun, Florin); Popa, CM (Popa, Catalin Mihai), “Study of methods for assessment of the ignition risk of dust/air explosive atmospheres by electrostatic discharge”, QUALITY-ACCESS TO SUCCESS Volume: 20 Pages: 93-98 Supplement: 1 Published: JAN 2019, Accession Number: WOS:000459686300016, ISSN: 1582-2559;

[3] Popa, CM (Popa, Catalin Mihai); Nan, SM (Nan, Silviu Marin); Paraian, M (Paraian, Mihaela); Jurca, AM (Jurca, Adrian Marius); Paun, FA (Paun, Florin Adrian); Lupu, L (Lupu, Leonard); Vatavu, N (Vatavu, Niculina); Gabor, D (Gabor, Dan), “Study of explosive characteristics of combustible powders”, QUALITY-ACCESS TO SUCCESS Volume: 20 Pages: 201-206 Supplement: 1 Published: JAN 2019, WOS:000459686300035, ISSN: 1582-2559;

[4] Ghicioi, E (Ghicioi, Emilian); Gaman, GA (Gaman, George Artur); Vlasin, N (Vlasin, Nicolae); Pasculescu, VM (Pasculescu, Vlad Mihai); Gabor, D (Gabor, Dan), „PREVENTION OF ACCIDENTAL POLLUTION WITH COMBUSTION GASES AFTER THE OCCURRENCE OF EXPLOSIONS”, ENVIRONMENTAL ENGINEERING AND MANAGEMENT JOURNAL Volume: 16 Issue: 6 Pages: 1289-1294 DOI: 10.30638/eemj.2017.136 Published: JUN 2017, Accession Number: WOS:000409071500007, ISSN: 1582-9596, elSSN: 1843-3707;

[5] Lupu, L (Lupu, Leonard); Paraian, M (Paraian, Mihaela); Paun, FA (Paun, Florin Adrian); Jurca, A (Jurca, Adrian); Vatavu, N (Vatavu, Niculina); Gabor, D (Gabor, Dan), „Implementation of new tools to calculate dispersed volume of combustible gases to achievement classification of hazardous areas”, QUALITY-ACCESS TO SUCCESS Volume: 18 Pages: 240-243 Supplement: 1 Published: JAN 2017, Accession Number: WOS:000417405000043, ISSN: 1582-2559.

2. Lucrări științifice publicate în volumele unor manifestări științifice indexate Web of Science -WoS (ISI)

[1] Vatavu, N (Vatavu, Niculina); Paun, FA (Paun, Florin-Adrian); Jurca, AM (Jurca, Adrian-Marius); Lupu, L (Lupu, Leonard); Gabor, D (Gabor, Dan), “RESEARCH REGARDING DEVELOPMENT OF MECHANICAL TESTING METHODS FOR MINE ELECTRIC CABLES HAVING IN VIEW THEIR CERTIFICATION IN VOLUNTARY FIELD”, 16TH INTERNATIONAL MULTIDISCIPLINARY SCIENTIFIC GEOCONFERENCE, SGEM 2016: SCIENCE AND TECHNOLOGIES IN GEOLOGY, EXPLORATION AND MINING, VOL II Book Series: International Multidisciplinary Scientific GeoConference-SGEM Pages: 743-750 Published: 2016, Accession Number: WOS:000395499700097, ISSN: 1314-2704, ISBN: 978-619-7105-56-8.

3. Cărți publicate în țară

[1] Colectiv autori, Gabor Dan, sa, “Cerințe specifice pentru instalațiile care funcționează în medii cu atmosferă explozivă, altele decât minele”, Editura I.N.S.E.M.E.X., 2018, ISBN 978-606-8761-09-1;

[2] Găman G.A., Gabor D., sa., “Ghidul național privind stabilirea cerințelor de securitate și sănătate în muncă, pentru agenții economici care operează cu substanțe/ produse/ bunuri capabile să genereze atmosfere explozive/ toxice, sau prezintă caracteristici detonante/ deflagrante Editura INSEMEX, Petroșani, România, 2018, ISBN* 978-606-8761-26-8;

4. Lucrări științifice publicate în volumele unor manifestări științifice din țară

[1] Leonard Lupu, Mihaela Părăian, Florin Adrian Păun, Adrian Jurca, Niculina Vătavu, Dan Gabor, “Implementation of new tools to calculate dispersed volume of combustible gases to achievement classification of hazardous areas”, 7th International Multidisciplinary Symposium „UNIVERSITARIA SIMPRO", 2016, Conference Proceedings, ISSN–L 1842 – 4449, ISSN 2344 – 4754;

[2] Niculina Vătavu, Mihaela Părăian, Florin Adrian Păun, Adrian Jurca, Dan Gabor, Leonard Lupu, “Considerations regarding the mechanical strength to torsion and simultaneous bending for the mining electrical cables”, 7th International Multidisciplinary Symposium „UNIVERSITARIA SIMPRO", 2016, Conference Proceedings, ISSN–L 1842 – 4449, ISSN 2344 – 4754;

[3] Adrian Marius Jurca, Emilian Ghicioi, Florin Păun, Dan Gabor, Leonard Lupu, “Research on the modernization of the test method for non-sparking materials intended for use in explosive atmospheres”, 8th International Symposium Occupational Health and Safety – SESAM 2017

Proceedings of the Symposium, vol II, ISSN 1843-6226;

[4] Florin Adrian Păun, Sorin Burian, Adrian Marius Jurca, Dan Gabor, Sorin Mihai Radu, Leonard Andrei Lupu, “Research regarding on the ignition risk of explosive mixtures by electrostatic discharges”, 8th International Symposium Occupational Health and Safety – SESAM 2017, Proceedings of the Symposium, vol II, ISSN 1843-6226;

[5] Alin Irimia, Sorin Burian, Florin Păun, Dan Gabor, Marius Darie, “Testing the temperature proof of self-contained breathing apparatus, based on compressed air”, 8th International Multidisciplinary Scientific Symposium „UNIVERSITARIA SIMPRO” 2018, Pag. 105÷108, Conference Proceedings, ISSN–L 1842 – 4449, ISSN 2344 – 4754;

[6] Edward Gheorghiosu, Emilian Ghicioi, Robert Laszlo, Attila Kovacs, Cristian Rădeanu, Dan Gabor, “Checking the quality of the electric igniter – pyrotechnic article of category P1, by laboratory methods applied to determine the sensitivity to electrostatic discharge”, 8th International Multidisciplinary Scientific Symposium, „UNIVERSITARIA SIMPRO” 2018, Pag. 141÷144, Conference Proceedings ISSN–L 1842 – 4449, ISSN 2344 – 4754;

[7] Dan Gabor, Radu Sorin Mihai, Emilian Ghicioi, Mihaela Părăian, Adrian Marius Jurca, Niculina Vătavu, Florin Păun, Cătălin Mihai Popa, “Study of methods for assessment of the ignition risk of dust/air explosive atmospheres by electrostatic discharge”, 8th International Multidisciplinary Scientific Symposium, „UNIVERSITARIA SIMPRO” 11-13 October 2018, Pag. 157÷162, Petroșani, România, Conference Proceedings ISSN–L 1842 – 4449, ISSN 2344 – 4754;

[8] Florin Adrian Păun, Mihaela Părăian, Adrian Marius Jurca, Dan Gabor, Niculina Vătavu, Cătălin Mihai Popa, “Selection of personal protective equipment for use in potentially explosive atmospheres”, 8th International Multidisciplinary Scientific Symposium „UNIVERSITARIA SIMPRO” 11-13 October 2018, Petroșani, România, Conference Proceedings ISSN–L 1842 – 4449, ISSN 2344 – 4754;

[9] Cătălin Mihai Popa, Silviu Marin Nan, Mihaela Părăian, Adrian Marius Jurca, Florin Adrian Păun, Leonard Lupu, Niculina Vătavu, Dan Gabor, “Study of explosive characteristics of combustible powders”, 8th International Multidisciplinary Scientific Symposium „UNIVERSITARIA SIMPRO” 11-13 October 2018, Petroșani, România, Conference Proceedings ISSN–L 1842 – 4449, ISSN 2344 – 4754;

[10] Niculina Vatavu, Emilian Ghicioi, Sorin Vatavu, Mihaela Paraian, Adrian Jurca, Florin Paun, Dan Gabor, Mihai Popa, „Research on the identification of the dangers of dust and water entering equipment for potentially explosive atmospheres”, 8th International Multidisciplinary Scientific Symposium „UNIVERSITARIA SIMPRO” 11-13 October 2018, Petroșani, România

Conference Proceedings ISSN–L 1842 – 4449; ISSN 2344 – 4754;

[11] Dan Sorin Gabor, Mihaela Paraian, Emilian Ghicioi, Mihai Popa, Florin Adrian Paun, Niculina Vatavu, “Sensitivity to ignition by electrostatic discharge of explosive dust / air mixtures”, 9th Edition of the International Symposium on Occupational Health and Safety – SESAM, Petrosani, on October 3rd 2019.

5. Lucrări științifice publicate în volumele unor manifestări științifice din străinătate

[1] Adrian Jurca, Florin Adrian Paun, Mihaela Paraian, Dan Gabor, Leonard Lupu, “Study of influence factors of determination the explosive characteristics to the air”, 18th International Multidisciplinary Scientific GeoConference – SGEM 2018, Pag. 819÷826, Conference Proceedings Vol. 18, ISSUE 1.4, ISBN 978-619-7408-38-6, ISSN 1314-2704;

[2] Florin Paun, Danut Grecea, Lucian Moldovan, Dan Gabor, Niculina Vatavu, “Study of the influence factors for quality assurance of determination tests of charge decay time for antistatic textile materials”, 18th International Multidisciplinary Scientific GeoConference – SGEM 2018, Pag. 835÷842, Conference Proceedings, Vol. 18, ISSUE 1.4, ISBN 978-619-7408-38-6, ISSN 1314-2704;

[3] Adrian Jurca, Dan Gabor, Florin Adrian Păun, Niculina Vătavu, Mihaela Părăian, “Comparative study having in view the methods of determination the minimum ignition energy of the air/combustible dust mixtures”, 19th International Multidisciplinary Scientific Geoconference SGEM 2019, 28 June – 7 July, Conference Proceedings Vol. 19 Science and Technologies in Geology, Exploration and Mining ISSUE 1.3, pag.127-134, ISBN 978-619-7408-78-2, Albena Resort & Spa, Bulgaria;

6. Premii obținute la manifestări științifice din țară și din străinătate

[1] Dr. ing. Emilian Ghicioi, Dr.ing. George Artur Găman, Dr. ing. Constantin Lupu, Dr.ing. Sorin Burian, Dr.ing. Mihaela Părăian, Drd. Chim. Maria Prodan, Ing. Dan Sorin Gabor, Dr.ing. Vlad Păsculescu, Dr.ing. Nicolae Vlasin, Drd. Chim. Andrei Szollosi Moța, Drd.ing. Marius Șuvar, Drd.ing. chim. Irina Vasilica Nălboc, „Sistem integrat de măsurare simultană a vitezelor de propagare a frontului flăcării și a undei de presiune în cazul exploziilor”, premiile obținute sunt:

– Diplomă de Excelență PRO INVENT la Salonul Internațional de inventică PRO INVENT, Ediția a XIV-a, 2016, Cluj Napoca, România;

– Diplomă și Medalia de Aur la Salonul Internațional de Invenții și Inovații ,,TRAIAN VUIA” Timișoara ediția II, 2016;

– Diplomă și Medalia de Aur – Salonul Internațional de Inventică „INVENTICA 2017”, ediția a XXI-a Iași, România, 28 – 30 iunie 2017.

[2] Drd.chim.Maria Prodan, Dr.ing.Găman George Artur, Dr.ing.Ghicioi Emilian, Dr.ing.Lupu Constantin, Dr.ing. Cioclea Doru, Dr.ing.Păsculescu Vlad, Ing. Gabor Dan, dr.ing.Vlasin Nicolae, Dr.ing.Jurca Adrian, Drd.chimSzollosi Mota Andrei, Drd.ing. Chim.Nălboc Irina, Drd.ing.Șuvar Marius, “Stand pentru determinarea limitelor de explozie pentru vaporii lichidelor inflamabile”, premiile obținute:

– Diplomă și Medalia de Aur la Salonul Internațional al Cercetării, Inovării și Inventicii PRO INVENT a XV-a ediție, Cluj–Napoca, 22 – 24 martie 2017;

– Diplomă și Medalia de Aur la Salonul Internațională de Inovații – INNOVA Barcelona, Spania, 4 – 6 mai 2017;

– Diplomă și Medalia de Aur la Salonul Internațional de Invenții și Inovații ,,TRAIAN VUIA” Timișoara ediția II, 2016;

– Diplomă și medalia de aur la Salonul Internațional de Inventică „INVENTICA 2017”, ediția a XXI-a, Iași, România, 28 – 30 iunie 2017.

[3] Adriana Andris, George Artur Găman, Constantin Lupu, Emilian Ghicioi, Sorin Constantin Burian, Marius Darie, Csaszar Tiberiu, Lucian Moldovan, Ioan Cosmin Colda, Daniela Botar, Dănuț Grecea, Dan Gabor, Daniela Pupăzan, “Stand de încercare la aprindere a componentelor mici din echipamentele destinate utilizării în atmosfere explosive”, premiile obținute sunt:

– Diplomă și Medalia de Argint precum și Diplomă de excelență – CORNELIUGROUP la Salonul Internațional de Invenții și Inovații ,,TRAIAN VUIA” Timișoara, ediția a IV-a, 13 – 15 iunie 2018;

– Diplomă și medalia de aur la Salonul Internațional de Inventică „INVENTICA 2018”, ediția a XXII-a Iași, România, 27 – 29 iunie 2018;

– Medalia de aur și Diplomă de Excelență la Salonul Internațional al Cercetării Științifice, Inovării și Inventicii PRO INVENT, 20-22 Martie 2019, Cluj Napoca.

[4] Maria Prodan, Emilian Ghicioi, George Artur Găman, Constantin Lupu, Vlad Păsculescu, Nicolae Vlasin, Adrian Jurca, Angelica Călămar, Dan Gabor, Andrei Szollosi-Mota, Irina Nălboc, Marius Șuvar, “Sistem universal pentru determinarea energiei minime de aprindere a amestecurilor explozive aer – substanțe inflamabile”, premiile obținute sunt:

– Diplomă și Medalia de Aur la Salonul Internațional de Invenții și Inovații ,,TRAIAN VUIA”

Timișoara, ediția a IV-a, 13 – 15 iunie 2018;

– Diplomă și Medalia de Aur la Salonul Internațional de Inventică „INVENTICA 2018” ediția a XXII-a, Iași, România, 27 – 29 iunie 2018;

– Pemiu special din partea APIR la Salonul Internațional de Invenții de la GENEVA, 10-14 Aprilie 2019, Geneva – Elveția;

– Medalia de Aur la Euroinvent European Exhibition of Creativity And Innovation, 16-18 Mai 2019, Iași.

Drd.ing. Dan Gabor