Skutki adunkw elektrostatycznych.

Zjawisko elektrycznoci statycznej jest jednym z pierwszych poznanych w dziedzinie elektryki. Mimo upywu lat oraz postpu w rozwoju nauki i techniki ten rodzaj elektrycznoci wymyka si czsto spod kontroli. Sprzyja temu zjawisku powszechne stosowanie materiaw o duej rezystywnoci (np. wykadzin podogowych, materiaw opakowaniowych) oraz osigane znaczne przyspieszenie w wielu procesach technologicznych (np. przewijanie folii z tworzyw sztucznych, szlifowanie drewna), a take tworzenie rodowisk o np. nienaturalnie maej wilgotnoci atmosfery (przemys farmaceutyczny, kosmetykw itp.).

Wystpowanie niekontrolowanych i nadmiernych adunkw elektrostatycznych wywouje takie bezporednie skutki jak: zagroenie zdrowia ludzi, zakcenia pracy i uszkodzenia urzdze (zwaszcza elektronicznych), zakcenia procesw technologicznych, zagroenie poarowo-wybuchowe.

Wymienione zagroenia s na tyle istotne, e konieczne jest wprowadzanie odpowiednich norm i przepisw ograniczajcych dopuszczalne poziomy naelektryzowania oraz opracowanie metod zapobiegania nadmiernej elektryzacji.

Pomiary elektrostatyczne: Na podstawie pomiarw elektrostatycznych mona okreli wielkoci charakteryzujcych stan naelektryzowania. Nale do nich m.in.: Q adunek elektrostatyczny, C, Q/m gsto adunku elektrostatycznego, C/kg, Q/S gsto powierzchniowa adunku elektrostatycznego, C/m2.

Pomiar adunku elektrostatycznego metod naczynia Faradaya. Zasada dziaania takiego naczynia wynika bezporednio z twierdzenia Gaussa (fundamentalnego w elektrostatyce). Sygna na wyjciu wzmacniacza elektrometrycznego w tym ukadzie jest proporcjonalny do adunku indukowanego na ciankach naczynia (-q), a zatem do adunku mierzonego (+q). Ukad taki oprcz pomiaru adunku elektrostatycznego q (Q) w poczeniu z wag moe rwnie suy do pomiaru gstoci adunku w masie materiau Q/m. Metoda ta doskonale zdaje egzamin w warunkach laboratoryjnych, jednak w warunkach przemysowych stosowanie jej w wielu przypadkach jest nierealne.

Przykadem moe by pomiar poziomu naelektryzowania folii z tworzywa sztucznego podczas przewijania, gdy zatrzymanie linii produkcyjnej i pobranie prbki na tyle zaburza proces, e jest to nie do przyjcia ze wzgldu na jako pomiaru oraz wymagania uytkownika linii.

Zmodyfikowana wersja tej metody pozwala na wyznaczanie gstoci powierzchniowej adunku elektrostatycznego. Oznaczajc s jako gsto powierzchniow adunku naelektryzowanej paszczyzny dielektrycznej, mona napisa nastpujce rwnania: E1 + E2 = s/e0 E1l1 E2l2 = 0

W ktrych: E1, E2 natenie pola elektrostatycznego l1, l2 odstp elektrody od paszczyzny dielektrycznej e0 przenikalno elektryczna.

Jeeli jedn z elektrod jest sonda pomiarowa miernika, to rozwizanie tych rwna pozwala na wyznaczenia wartoci s. Jak wynika z powyszych rozwaa, miar poziomu naelektryzowania moe by rwnie warto natenia pola elektrostatycznego E. W prostych ukadach geometrycznych mona atwo powiza warto natenia pola elektrostatycznego z gstoci powierzchniow adunku.

W praktyce stosuje si trzy rodzaje miernikw natenia pola elektrostatycznego: mierniki indukcyjne, mierniki z wirujc elektrod, mierniki izotopowe.

Miernik indukcyjny skada si z elektrody pomiarowej, wzmacniacza elektrometrycznego i miernika wyjciowego. Chocia jest to bardzo prosta konstrukcja, to jednak charakteryzuje si ona du wraliwoci na adunki elektrostatyczne mogce osiada na elektrodzie pomiarowej, a ze wzgldu na dryft wzmacniacza nie nadaje si do pomiarw dugotrwaych.

Miernik z wirujc elektrod nie ma wymienionych wad miernika indukcyjnego. Dziki okresowemu przesanianiu elektrody pomiarowej elektrod wirujc sygna stay w samej gowicy pomiarowej jest przetwarzany na sygna zmienny, a nastpnie przekazywany do detektora fazoczuego.

Miernik izotopowy ma odmienn zasad dziaania. Midzy naelektryzowan powierzchni, a elektrod pomiarow miernika nastpuje przepyw prdu proporcjonalny do wartoci natenia pola elektrostatycznego wytwarzanego przez t naelektryzowan powierzchni. Noniki adunkw s wytwarzane w procesie jonizacji wywoanej izotopem promieniotwrczym (promieniowanie a). Mierniki izotopowe charakteryzuj si du czuoci, jednak jak wynika z zasady dziaania wskutek przepywu prdu znacznie wpywaj na naelektryzowanie badanego obiektu.

W wybranych przypadkach celowe jest rwnie wykonywanie pomiarw potencjau naelektryzowanego obiektu. Dotyczy to zwaszcza odizolowanych elementw przewodzcych lub pprzewodzcych. Wwczas uyteczne s woltomierze i kilowoltomierze elektrostatyczne. Dziaaj one wykorzystujc si przycigania elektrostatycznego. Ich zalet jest bardzo dua rezystancja wejciowa i maa pojemno wejciowa (nie obciaj rda). Do pomiarw elektrostatycznych naley rwnie zaliczy te, ktre dotycz waciwoci izolacyjnych materiaw, poniewa takie waciwoci decyduj o moliwoci gromadzenia i spywu adunkw.

S to nastpujce wielkoci: rezystywno skrona, rezystywno powierzchniowa, rezystancja upywu, czas poowicznego zaniku adunku.

W zalenoci od wartoci rezystywnoci powierzchniowej RS wprowadzono kryterium podziau materiaw: RS 109 W materia nie wykazuje zdolnoci do elektryzacji, 109 W < RS 1012 W materia elektryzuje si sabo, RS > 1012 W materia elektryzuje si bardzo atwo.

Podane zakresy s umowne i dotycz typowych sytuacji. Naley jednak pamita, e naelektryzowanie obiektu jest wynikiem dwch procesw zachodzcych jednoczenie: procesu generacji i gromadzenia adunku oraz procesu rozadowania. Zalenie wic od sytuacji ten sam materia moe by silnie naelektryzowany lub nie. Z tego wzgldu znaczenie ma ostatni z wymienionych parametrw, a wic czas poowicznego zaniku adunku t. Jest on definiowany jako czas, w ktrym warto zgromadzonego na dielektryku adunku zmniejszy si o poow w odniesieniu do wartoci pocztkowej.

Pomiary rezystywnoci skronej i powierzchniowej wykonuje si z zastosowaniem odpowiedniego rodzaju elektrod. Sposb przyoenia elektrod oraz sam ukad pomiarowy ma bezporedni wpyw na warto uzyskiwanych wynikw. Wane jest wic, aby pomiary byy wykonywane zgodnie z wymaganiami norm.

Ocena zagroe wywoanych elektrycznoci statyczn: Zagroenia zwizane z wystpowaniem elektrycznoci statycznej mog by oceniane m.in. na podstawie pomiarw elektrostatycznych. W przypadku zagroe zakceniami procesw technologicznych i pracy urzdze okrelenie dopuszczalnych poziomw elektryzacji najczciej musi by dokonywane indywidualnie, natomiast dopuszczalne poziomy elektryzacji zwizane z zagroeniami poarowo-wybuchowymi i zagroeniami zdrowia ludzi zostay podane w odpowiednich normach i dokumentach.

Pole elektrostatyczne i czowiek: Parametry elektryczne czowieka (znaczna przewodno elektryczna, np. 0,1 S/m, i znaczna przenikalno elektryczna) powoduj, e wnikanie pola elektrostatycznego w gb ciaa ludzkiego jest praktycznie niemoliwe. Z tego wzgldu naley rozwaa dwa moliwe sposoby oddziaywania pola elektrostatycznego na czowieka: powstawanie wyadowa elektrycznych z lub do czowieka jako kondensatora, przepyw prdu przez czowieka w wyniku jego ruchu w polu elektrostatycznym. Aspektem dodatkowym jest wpyw zmian w koncentracji jonw w powietrzu pod wpywem pola elektrostatycznego.

Ze wzgldu na znaczn przewodno elektryczn czowieka mona traktowa jego ciao jako kondensator elektryczny. Typowa pojemno C czowieka (stojcego w butach) wzgldem ziemi wynosi 100-200 pF. W wyniku procesu tarcia lub zjawiska indukcji moliwe jest uzyskiwanie przez czowieka znacznych potencjaw. W tej sytuacji zblienie rki np. do uziemionej czci metalowej urzdzenia spowoduje przeskok iskry. Wyzwolon energi mona oszacowa ze wzoru:

W = 0,5 C (U12 U22)

gdzie: U1, U2 potencja czowieka przed wyadowaniem i po wyadowaniu.

Wyzwolona w procesie takiego wyadowania energia moe nie tylko powodowa nieprzyjemne doznania (prg odczuwania), ale moe rwnie wywoywa silne wstrzsy groce wypadkiem. Jednoczenie warto tej energii jest na tyle dua, e moe by przyczyn zaponu gazw, par i pyw.

Rozporzdzenie MPiPS okrela dopuszczalne wartoci nate pl elektrostatycznych. Zgodnie z tym rozporzdzeniem dla zakresu czstotliwoci 0-0,5 Hz okrelono nastpujce wartoci: E0 grn granic strefy bezpiecznej 10 000 V/m, E1 grn granic strefy poredniej 20 000 V/m, E2 grn granic strefy zagroenia, pocztek strefy niebezpiecznej 40 000 V/m, Ddc(f ) doz dopuszczaln wynoszc 3200 (kV/m)2 h.

Konsekwencj wprowadzenia NDN (najwyszych dopuszczalnych nate) dla pl elektrostatycznych jest konieczno dokonywania zarwno okresowych pomiarw na stanowiskach pracy, jak i oceny poziomu naraenia pracownikw, a take w razie koniecznoci okrelenia stref, w ktrych pracownicy mog przebywa.

Zagroenia poarowo-wybuchowe. W normie PN-92/E-05201 okrelono kryteria zagroenia poarowego i/lub wybuchowego wywoanego elektryzacj materiaw o paskiej powierzchni. Do oceny zagroenia wykorzystuje si takie parametry, jak gsto powierzchniowa adunku s, potencja powierzchniowy Vp oraz natenie pola elektrostatycznego E. Zgodnie z podan norm stan zagroenia nie wystpuje, gdy gsto s 2,710-6 C/m2, potencja Vp 103 V, a natenie pola E 105 V/m przy minimalnej energii zaponu Wz min 10-4 J lub E 3105 V/m przy energii 10-4 J Wz min 510-1 J.

W normie okrelono rwnie dopuszczalny czas relaksacji adunku elektrostatycznego. Zagroenie nie wystpuje, gdy t 10-3 s. W normie podano take kryteria oceny zagroenia w przypadku elektryzacji materiaw sypkich i aerozoli.

W strefach zagroenia wybuchem istotnym elementem bezpieczestwa jest posadzka, ktra ma umoliwia spyw adunkw z ludzi, wzkw transportowych itp., a przy tym ona sama nie powinna si elektryzowa. W normie PN-92/E-05203 sprecyzowano wymagania dotyczce rezystancji (oporu) upywu Ru, ktra powinna by mniejsza ni 106 W. W normie PN-94/E-05204 okrelono wymagania i rodki zabezpieczenia przed elektrycznoci statyczn w przestrzeniach zagroonych wybuchem i niezagroonych wybuchem.

Do typowych miejsc, w ktrych naley prowadzi analiz zagroe od elektrycznoci statycznej, zalicza si linie wytwarzania i przewijania folii i wkien o duej rezystywnoci, linie lakiernicze proszkowe i cieke, sale operacyjne i zabiegowe w szpitalach, linie drukarskie, urzdzenia do konfekcjonowania materiaw sproszkowanych itp.

Jako przykad moe posuy pracownik obsugujcy stacj nadruku (rotograwiury) folii PE podczas pracy przebywa w bezporednim ssiedztwie naelektryzowanej folii. Z powodu braku jakichkolwiek elementw deelektryzujcych foli, powstawao pole elektrostatyczne o wartoci natenia do 15 kV/cm! Pracownik ten uzyskiwa potencja sigajcy kilku kilowoltw. Taka organizacja pracy powodowaa cige naraenie pracownika na wyadowania odczuwane jako nieprzyjemne wstrzsy, a take zagroenie inicjacj zaponu mieszaniny par rozpuszczalnikw w strefie nadruku.

W celu usunicia zagroe wprowadzono nastpujce rodki ochrony anty-elektrostatycznej: zamontowano neutralizatory adunkw elektrostatycznych w celu ograniczenia poziomu elektryzacji, pracownika zaopatrzono w obuwie antystatyczne, wykonano posadzk antystatyczn.

rodki ochrony antyelektrostatycznej i ich kontrola: Ochrona przed elektrycznoci statyczn jest realizowana za pomoc takich zabiegw technicznych jak: zwikszanie przewodnoci materiaw o duej rezystywnoci (antystatyzacja), uziemianie, ekranowanie, zwikszanie lokalne pojemnoci, stosowanie neutralizatorw adunkw elektrostatycznych, ograniczanie prdkoci procesw technologicznych, zwikszanie wilgotnoci otaczajcego rodowiska.

W zalenoci od funkcji jak peni zastosowane rodki i od ich poprawnego dziaania moe zalee bezpieczestwo procesu, obsugi, komfort pracy itp. Istnieje wic potrzeba okresowego kontrolowania skutecznoci dziaania zastosowanych rozwiza, zwaszcza w porach suchych (zima, lato).

Kolejne przykady: W celu deelektryzacji przdzy stosuje si wysokonapiciowe neutralizatory adunkw elektrostatycznych. Na skutek dugotrwaego uytkowania elektrody ostrzowe neutralizatorw ulegy erozji, a dodatkowo zostay pokryte grub warstw pyu. Wskutek tego jak to pokazay pomiary natenia pola elektrostatycznego na przdzy przed i za neutralizatorem obnienie poziomu naelektryzowania byo niezauwaalne. Wymiana zespou elektrod i oczyszczenie neutralizatora przywrciy funkcj urzdzenia, poprawi si komfort pracy obsugi maszyny.

Posadzka w strefie zagroenia wybuchem zostaa wykonana jako elektroprzewodzca, co stwierdzono wykonujc odpowiednie pomiary przed jej oddaniem do uytku. Po okresie uytkowania ok. 1 roku wskutek niewaciwej eksploatacji nastpio rozwarstwienie posadzki i oddzielenie jej warstwy wierzchniej od elektrod stanowicych system uziemienia. Posadzka utracia w kilku obszarach zdolno odprowadzania adunkw elektrostatycznych, stajc si nowym rdem zagroenia wybuchem.

Obydwa przypadki zostay wykryte podczas okresowych kontroli. Terminy takich kontroli w niektrych przypadkach wynikaj z wymienionych norm i przepisw, cho czsto musz by ustalane bezporednio przez uytkownika urzdze ochrony antyelektrostatycznej.

Ocena wynikw bada i pomiarw elektrostatycznych: Pomiary elektrostatyczne ze wzgldu na swoj specyfik musz by w odpowiedni sposb interpretowane tak, by mona byo na ich podstawie oceni rzeczywisty poziom zagroenia i problemw zwizanych z nadmiern kumulacj adunkw. Proste odczytywanie wskaza miernikw bez uwzgldnienia geometrii ukadu miernik-naelektryzowany obiekt oraz lokalnych specyficznych niejednokrotnie warunkw moe prowadzi do grubych pomyek i nieporozumie. Konieczne jest zawsze dokadne zrozumienie koncepcji pomiaru; dotyczy to zwaszcza zasady dziaania miernikw pola elektrostatycznego. Aby unikn typowych bdw przy pomiarach elektrostatycznych, naley przestrzega nastpujce zalecenia: przy pomiarze natenia pola elektrostatycznego naley pamita, e samo zblienie miernika do naelektryzowanego obiektu deformuje rozkad pola wytwarzanego przez ten obiekt, miejsce pomiaru natenia pola elektrostatycznego nie moe by wybierane przypadkowo, a przy jego wyborze naley uwzgldni geometri ssiadujcych z badanym obiektem innych elementw, zwaszcza metalowych, podczas pomiarw naley koniecznie rejestrowa temperatur i wilgotno otaczajcego powietrza, gdy ich wpyw na wikszo procesw elektryzacji jest ogromny, a czas wykonania pomiaru tak zaplanowa, aby warunki te sprzyjay zwikszonej elektryzacji, podczas pomiarw potencjau woltomierzem elektrostatycznym naley uwzgldnia pojemno wejciow woltomierza (bdem jest odczytywanie wskaza kilowoltomierza jako rzeczywistego napicia na obiekcie), podczas pomiarw rezystancji upywu posadzki istotny jest waciwy dobr wartoci napicia pomiarowego, np. zbyt niskie napicie pomiarowe moe spowodowa, e zmierzona warto rezystancji upywu okae si zbyt dua, cho w rzeczywistoci posadzka waciwie odprowadza adunek elektrostatyczny.

Podsumowanie: W otaczajcym nas rodowisku adunki elektrostatyczne (adunki elektryczne o ograniczonej zdolnoci do przemieszczania si) mog wystpowa i wystpuj wpywajc bezporednio na nasze bezpieczestwo, zdrowie, a take mog by przyczyn znacznych strat materialnych. Dostpne dokumenty normalizacyjne, przepisy i publikacje daj wytyczne, jak zwalcza zagroenia wynikajce z istnienia adunkw elektrostatycznych i w jaki sposb mona okreli poziom tych zagroe.