高度なスプレーパターンと圧力分布試験

ますます敏感な圧力センサアレイは、製品設計を改善するために、製造者がスプレー分散と衝撃力を理解するのを助けています

新しい容量性センサーアレイ技術の感度と分解能が向上した結果、流体やガススプレーのアプリケーションに取り組んでいるデザイナーは、これまで従来の技術では測定できなかった粒子の影響、分布、蓄積に関する貴重な洞察と情報を得ています。  

この情報を武器に、製造業者は、より洗練されたテストと特性評価に加えて、製品の設計と製造を改善することにより、直接的な競争上の優位性を獲得します。

スプレー、ストリーム、ミスト

幅広いスプレー衝撃圧力と分布パターンを測定する機能は、工業用スプレーノズル、シャワーヘッド、自動車用風防ワイパー液ディスペンサー、料またはポリウレタンスプレーガン、コショウの設計と製造など、さまざまな業界のアプリケーション分野に直接適用できます。ヘルスケアで使用されるスプレーディスペンサーおよびその他の医療機器。

しかしながら、このようなアプリケーション分野で働くデザイナーは、最近まで流体またはガススプレーの粒子分布および衝撃圧力を正確に定量するために苦労していました。これは、最適な塗料噴霧量に関連するシャワーウォータージェットおよび飛行機燃料節約の場合の人間の快適さなどの重要なビジネスおよび環境要因に直接影響する。このような用途において、スプレー測定の精度および実行可能性に影響を与える重大な課題は、プロセスに直接影響を与える広範囲かつ広範囲のパラメータである。これらには、液滴サイズ、液滴質量、粒子密度および粘度が含まれ、各々は所望の機能と全体の適用との間で大きく変動する。例えば、大面積産業用途のための大砲型塗料噴霧器は、医療における創傷に使用される微細な血液凝固スプレーとは著しく異なる。

そのような測定に関連する他の主な課題は、力および圧力センサ技術の従来の限界であった。典型的な力センサは、個別の場所で単一の値を測定します。より洗練されたセンサアレイが存在するにもかかわらず、基本的な抵抗性技術アプローチは大きな感知ギャップを特徴とすることがあり、スプレー液滴マッピングおよび感知において遭遇する微小な圧力レベルを測定するほどには敏感ではない。

現在、より正確で安定した繰り返し可能な静電容量式触覚センサアレイが利用可能であり、関心のある領域にわたって広範囲の圧力値を測定することができる。の革新的な技術は、噴霧パターンと分布に関するエンジニア、デザイナー、研究者に前例のない、定量化可能なデータを提供し、製品とプロセスの最適化を容易にします。

テストと評価

スプレーテストは、一般に、第1に、圧力または衝撃測定と第2に、スプレー分配（パターン）評価の2つの異なるカテゴリに分けることができる。試験のタイプに応じて、経過時間は、噴霧後のノズルの滴下を評価する場合など、流れの全圧又は粒子の蓄積を決定する重要な役割を果たすことがある。

伝統的に、噴霧試験および測定に利用可能な方法は、これまで、原則的に、原始的で、非感受性で、容易に記録できないほどまでに至っている。例えば、スプレーパターン評価は、典型的には、視覚検査のために液体を紙または組織に噴霧することを含み、衝撃力は、時間の経過とともに液滴質量を蓄積する圧力プレートおよび重量スケールを用いて測定される。

「特に圧力の低いところでは、スプレー圧力と配分を適切に測定するためのツールがあまり多くありませんでした」と容量感覚センシングソリューションを提供する世界的リーダーであるPPSのDr. Jae Sonは次のように述べています。  

しかし、近年のセンサアレイやデータ収集技術の進歩により、スプレーパターンや圧力情報を取得するための最先端の研究・設計施設を開発するために多額の資金を投入している企業が増えています。その製品。 

特定の例には、家庭用洗浄製品、唐辛子スプレー、蛇口/シャワーヘッド、自動車用ワイパー流体ディスペンサーの消費者製品製造業者、ならびにコーティングおよび材料析出などの工業プロセス用途が含まれる。  

容量性センサアレイ

このような微細なスプレー情報の正確で再現可能な測定を可能にするのは、PPSによって設計され、製造されたもののような、容量性触覚センサアレイである。薄くて柔軟性があり、順応性のある触覚アレイセンサーは、最終的な着陸領域に直接噴霧圧力とパターン測定を可能にする、平らで複雑な形状の物体に置くことができます。

触覚アレイセンサを構築するために、PPSは、電極を直交して重なり合うストリップとして配置する。電極が重なる各点に別個のコンデンサが形成される。単一の行および列を選択的に走査することによって、その位置での静電容量、したがって局所圧力が測定される。

PPSアレイセンサーは、10 Paまでの小さな圧力を測定しながら、最大で8,192の統合された検出エレメントを備えており、スプレー圧力パターンの超精密な解像度キャプチャを可能にします。これは、体積1 mm3の噴霧された水滴の衝撃から表面に及ぼされる圧力とおおよそ同じです。

センシング素子面積に対する液滴の大きさの影響と比率を十分に理解するためには注意が必要です。スプレー測定アプリケーションで遭遇する小さな圧力を考慮すると、最高の感度のセンサーを作成するために、多数の設計パラメータが最適化されています。圧力は領域上の力の測定値であるため、個々のスプレー液滴を考慮すると、液滴質量と運動量によって決定される衝撃力から生じる圧力は、衝撃面積が大きくなるにつれて明らかに減少します。したがって、感度を最大化し、全体的な測定精度を向上させるために、センサ素子領域およびその後の素子較正などのパラメータは、全体の測定成功に重要な役割を果たす。 PPSの世界的な専門知識とセンサ設計と製造能力は、長期間の繰り返し使用に成功するためには非常に安定した機械的特性を持つ1 x 1 mmの小さな要素が可能です。別のアプローチは、容量性圧力アレイセンサを介して圧力分布を捕捉しながら、正確な全力を得るために力センサを組み合わせる。 

スプレー圧力とパターン測定のもう一つの重要な考慮点は、離散粒子が表面に衝突するスピードと測定システムの結果として得られる感知取得速度の潜在的な不一致です。これらのパラメータの間には大きさの差が存在し、高速ストリームを考慮する場合には、インパクトポイントでのタイミングとシーケンスを正確に理解するための配慮が必要です。幸いにも、PPS内の革新的な電子通信および通信技術の開発により、現代の高性能圧力センサの速度が大幅に向上しました。これは、サンプリング速度が今や200 Hzを超える可能性があります。

このようにまたSon博士によれば、PPSセンサ技術によって捕らえることができる噴霧測定には、細かい噴霧粒子によって生成される衝撃圧力、表面にわたる噴霧分布、および流体またはミストの経時蓄積が含まれる。

影響

製品設計者やプロセスエンジニアは、粒子が表面に衝突することによって生じる衝撃や圧力を知る必要があるかもしれません。  

例えば、顧客は、その下の木材に圧力がかかる塗料剥離製品を拒否します。一方、香水は、香水の細かい霧を分配するのではなく、1つの集中した場所で噴霧器が製品を爆発させる場合、その魅力を失うことがある。

噴霧を測定するために、容量性センサアレイは、蓄積された衝撃を時間にわたって積分し、得られたデータを処理して全体の圧力を評価する。  

例えば、シャワーヘッドの設計を考慮すると、圧力の問題は水の流れを測定することを伴う。実際には、これらのストリームは連続していません。代わりに、それらは高速の速度で動く個々の水滴から構成されています。液滴の蓄積された衝撃を経時的に測定することにより、全体の水圧を導出することができる。

例えば、自動車テストでは、衝撃圧テストを使用して、自動車が様々な速度で水たまりを運転するときに、エンジンコンパートメントに噴霧される水のピーク圧力と分布を決定しました。この情報は、設計者やエンジニアに、ラジエータ、サスペンション、排気管などの水に敏感な部品の最適な位置を、長期的な操作を成功させるために直接伝えます。  

「車が大きな水たまりに乗ると、膨大な水がエンジンルームに飛散し、多くのダメージを与えることがあります」と、この種のイベントから自動車のトランスミッションを保護するプロジェクトに携わったSon氏は、 。  

日本のシスコム社が実施した試験では、この種の事象がシミュレートされ、構造的補強や保護バッフリング、腐食防止コーティングの改善、さらには部品移送の可能性があるアンダーボディの領域を決定するためにデータが収集されました。

プロジェクトのエンジニア、Fujimi Sakamoto氏によれば、スプラッシュテストプールを使って水たまりをシミュレートしました。試験中に、水位の深さ、走行速度の速度、タイヤトレッドの状態（新または摩耗）を含むいくつかの変数が変更された。  

以前の試験では、直径約10 mmの小さな一点圧センサーを使用して水の撃圧を測定しました。しかし、様々な場所やエンジン部品に設置されたいくつかのセンサーでも、最高水圧を決定することは困難でした。坂本教授は、数千ポイントの測定が可能な高分解能アレイを提供することに加えて、PPSの高さ（20 mm）触覚アレイは非常に薄く、実験に干渉しなかった。

スプレイパターン

従来の圧力検出の役割以外にも、容量性センサアレイはスプレーパターンの検出も可能ですスプレーパターンセンシングは、空気表面の電気的特性とスプレーの電気的特性とを比較する、PPSによって開発された新しい概念である。その結果、触圧センサ技術は、噴霧された流体が実際にどこに着陸するかを識別することができる。

このようなデジタル測定情報は、設計者やエンジニアがデータを分析して現在のスプレー分布をよりよく理解できるように、リアルタイムで視覚的に見ることができます。これにより、製品設計を迅速かつ効率的に改善および改訂し、最適な結果を得ることができます。

累積

非常に敏感な触覚センサーは、設計者が極端に低い圧力が関与するアプリケーションでもスプレー圧力データを定量化することを可能にします。

Son教授は、伝統的に測定が困難であったのは、スペクトルの低圧端です。これは、大気中に浮遊している微小な水滴であり、圧力は非常に低く、測定するのが難しいミストにまで及んでいます。場合によっては、高感度のメンブレンタイプのセンサーを使用する場合でも、測定するだけの圧力がありません。静電容量アレイセンサ技術は、圧力が微小である用途、例えば、香水アトマイザーによって放出される軽い霧または拭き取りの動作に関連する水分分布についても、スプレー分配の評価を可能にする。このタイプの試験では、測定値はどのくらいの量の流体がセンサ上にどのパターンで堆積されるかを定量化する。特に、このアプローチは、一様な分布（一様でない圧力）が試験の第一の目的である場合に最も適している。

センサアレイ技術は非常に敏感で、1平方メートルあたり1グラムの流体しか測定できません。

「センサの感度によって、圧力の限界に近づいています。」とDr. Sonは言います。

触覚アレイ技術の進歩にもかからず、最高解像度およびサンプリングレートで測定可能な領域を制限するサイズ、解像度および速度の間のトレードオフが残されている。  

しかしながら、触覚センサが進化し続け、より敏感になるにつれて、はるかに低い圧力で流体および気体の圧力を精密に測定することが可能になる。  

Dr. Sonによると、次のフロンティアは、非常に低圧の気流を測定できる静電容量式触覚センサーを開発することであり、これによって多くの新しい潜在的なアプリケーションが開かれます。