Nowa technologia kompensacji zależności optycznej ADC w automatycznym filtrze spawalniczym MOST V913 DS ADC

Dodatkowe wymagania odnośnie zależności kątowej automatycznych filtrów spawalniczych (ADF) zostały ostatnio zatwierdzone w ramach Europejskich Standardów EN 379. Określają one poziomy zaciemnienia; nie tylko dla płaszczyzn ADF, lecz również przy nachyleniu. Obecne rozwiązania w technologii wyświetlacza ciekłokrystalicznego (LCD) pokazują znacznie niższy poziom zaciemnienia przy ustawieniach w pochyleniu pod kątem większym niż 10 stopni. Kąt widzenia spawacza poprzez przyłbicę spawalniczą z ADF wynosi około +/- 30 stopni, tak więc, niezbędne jest zapewnienie jak najniższej możliwej różnicy zaciemnienia.

Obecnie dla większości istniejących na rynku ADF różnica ta wynosi 3-4 stopni zaciemnienia w obrębie +/- 30 stopni. Właściwość ta, mimo że nie ma bezpośrednio szkodliwego wpływu na wzrok, zmniejsza komfort pracy powodując szybsze zmęczenie i jest dla spawacza denerwująca. Nowa technologia Kompensacji Zależności Kątowej (ADC - Angular Dependence Compensation) umożliwia uzyskanie jednolitego poziomu zaciemnienia w zakresie +/- 30 stopni obserwowanej osi optycznej. Osiągnięcie to jest możliwe dzięki nowej budowie wewnętrznej komórki ciekłego kryształu, nowej mieszaninie ciekłego kryształu oraz zastosowaniu dodatkowej „opóźnieniowej" powłoki optycznej.
Firma RYWAL-RHC, dbająca o najlepsze rozwiązania dla swoich klientów, zapewniające im komfort i produkty najnowszych technologii, wprowadziła na polski rynek automatyczny filtr spawalniczy MOST V913 DS ADC, wykonany w najnowszej technologii ADC.

1. STANDARD EN 379 - INFORMACJE OGÓLNE

Standard EN 379 określa wymagania dotyczące filtrów spawalniczych automatycznie przestawiających przepuszczalność światła, przyciemniając obraz po rozpoczęciu spawania.

1.1.Zalecenia ogólne

Przed zastosowaniem automatycznych filtrów spawalniczych powinny być skontrolowane następujące parametry:

• Zdolność skupiająca - sferyczna, astygmatyczna oraz pryzmatyczna
• Zmienność i przepuszczalność światła
• Rozproszenie światła
• Jakość materiału i powierzchni
• Solidność konstrukcji
• Stabilność przy podniesionej temperaturze
• Odporność na światło ultrafioletowe
• Odporność na zapłon

 
1.2 Zalecenia dodatkowe

• Zmienność wielkości skali (maksymalna różnica poziomu zaciemnienia od stanu otwartego do zamkniętego)
• Przepuszczalność
• Zmiany przepuszczalności światła
• Przepuszczalność widmowa w świetle UV oraz IR
• Czasy przełączeń
• Temperatury robocze

1.3 Nowe zalecenia

Zależność kątowa przepuszczalności światła (zalecenie dodatkowe)

1.3.1 Definicja nowego standardu dla zależności kątowej przepuszczalności światła

Przepuszczalność światła mierzona jest przy normalnym kącie padania światła na filtr oraz przy kątach aż do 15° od normalnego nachylenia względem filtru. Obliczany jest stosunek wartości przenikalności mierzonej pod dowolnym kątem padania do 15° względem normalnego nachylenia do filtra, wartości przenikalności światła pod normalnym nachyleniem oraz odwrotność tego stosunku. Maksymalny stosunek oraz jego odwrotność porównywane są z wartościami z poniższej tabeli 1, określającymi klasę kątowego współczynnika przepuszczalności światła.

Tabela 1: Zależność kątowa przenikalności światła 

1.3.2 Metoda testowania zależności kątowej przenikalności światła

Przenikalność światła musi zostać określona w skali, według której przy najmniejszym zaciemnieniu, przy zaciemnieniu na średnim poziomie oraz przy największym możliwym zaciemnieniu dla kątów padania światła na powierzchnię filtra w przedziale 15° od normalnego kąta światło pada na geometryczny środek powierzchni wycinka płaszczyzny. Pomiar musi zostać wykonany przy temperaturze otoczenia (23 5)°C, przy użyciu wiązki światła spolaryzowanego o promieniu 5 mm w standardzie oświetlenia A. Korekty osprzętu pomiarowego powinny być wykonywane osobno dla każdego testu. Maksymalna przepuszczalność może być obliczona jako stosunek dwóch wartości przepuszczalności zmierzonych dla dowolnych kątów padania światła mieszczących się w przedziale +/-15° normalnego kąta padania światła na filtr.

Oprócz obowiązkowego oznakowania produktów, jak np. nazwa, kod producenta, poziom zaciemnienia w stanie otwartym, poziom zaciemnienia w stanie zamkniętym, kod jednostki notyfikowanej oraz oznaczenie zgodności z certyfikatem (CE, DIN), produkt jest również oznaczony dodatkowo, z trzech głównych powodów. Są nimi:

• Zdolność skupiająca - sferyczna, astygmatyczna oraz pryzmatyczna
• Rozproszenie światła
• Zmienność i przepuszczalność światła

Każdy przedmiot może być oznaczony cyframi od 1 do 3 , gdzie 1 oznacza najlepszy wynik a cyfra 3 - wynik minimalny, lecz akceptowalny. Wynik powyżej 3 oznacza nie zaliczenie testu zgodności ze standardem oraz nie przyznanie Europejskiego Certyfikatu CE.

Ryc 1: Przykład oznakowania ADF

Tabela 2: Opis oznaczeń ADF

Poprzez wprowadzenie nowego obowiązującego standardu EN 379, czwarta wielkość klasy optycznej stosowana jest dla określenia kątowego współczynnika przepuszczalności światła w przedziale od 1 do 3 (patrz tabela 1).

3. NOWE WYMAGANIA EN 379 - DOTYCZĄCE PARAMETRÓW ZALEŻNOŚCI KĄTOWEJ

3.1 Zjawisko zależności kątowej

Jedną z wad wyświetlacza LCD jest ograniczona widoczność pod kątem. Zjawisko to było szczególnie uciążliwe przy korzystaniu ze starszych generacji wyświetlaczy LCD, które charakteryzowały się zmniejszoną widocznością jeśli obserwator nie znajdował się bezpośrednio prostopadle do ich powierzchni. Wówczas poziom zaciemnienia wyświetlacza stawał się znacznie jaśniejszy uniemożliwiając komfortowe użytkowanie. To zjawisko zostało przeniesione do automatycznych filtrów spawalniczych i jest kłopotliwe dla spawaczy.

Ryc. 2: Popularny wyświetlacz ciekłokrystaliczny widziany prostopadle (po lewej stronie) oraz widziany pod kątem (z prawej strony)

Podstawowe zabezpieczenie wzroku spawacza przez automatyczny filtr spawalniczy - chroni przed szkodliwym wpływem promieniowania świetlnego dzięki filtrowi światła podczerwonego i ultrafioletowego (IR/UV) znajdującemu się z przodu układu optycznego. Jest to stałe, bierne zabezpieczenie działające niezależnie od poprawności funkcjonowania aktywnej części ADF. Filtr IR/UV przewodzi światło widzialne dla ludzkiego oka, które jest następnie modulowane przez od jednej do trzech komórek ciekłokrystalicznych (LC).

 Rys. 3. Układ optyczny ADF podwójnej komórki LC

 Ryc. 4: Zasada działania filtru IR/UV

Zależność kątowa nie ma wpływu na poziom bezpieczeństwa wymagany do ochrony wzroku, który zapewniony jest przez filtr IR/UV. Jednakże nierównomierne natężenie oświetlenia zależne od kąta patrzenia przez ADF bywa dla spawacza bardzo uciążliwe oraz znacząco wpływa na komfort pracy. Ciągłe dostosowywanie się tęczówki oka do zmieniającego się poziomu jasności powoduje zmęczenie wzroku. Podświadome wspomaganie ruchów oka poprzez ruchy szyi i zmianę pozycji ciała podczas pracy aby osiągnąć wyraźny obraz, może doprowadzić do kontuzji karku oraz bólu.  

3.3 Technologie częściowej eliminacji właściwości zależności kątowej - zalety i wady

3.3.1 ADF z jedną komórką LC

ADF z pojedynczą komórką LC może być stosowany ze względu na ograniczenia technologiczne jedynie do 11 poziomu zaciemnienia, ponieważ przy wyższych wartościach, światło rozprasza się zbyt silnie. Poprzez dobór odpowiednich materiałów oraz ustawienie polaryzatorów, zależność kątowa może zostać poprawiona w jednym kierunku. Najlepszy kierunek "dobrej osi" jest poziomy, lecz niektórzy producenci używają również osi ukośnych i pionowych..

Ryc. 5: Zależność kątowa na osi kompensacji

Najważniejszą zaletą pojedynczej komórki ADF jest jej niższa cena, ponieważ komórka LC jest najdroższym elementem ADF. Niskie zużycie energii zapewnia dłuższą żywotność i brak potrzeby wymiany baterii. Wadą tego rozwiązania jest to, że filtry z pojedynczymi komórkami LC mają ograniczone pola zastosowania, a charakterystyka zależności kątowej jest bardzo wyraźna.

Większość znajdujących się na rynku, różnorodnych automatycznych filtrów spawalniczych (zaciemnienie 9-13) składa się z dwóch komórek LC. Druga komórka LC zwiększa poziom osłabienia światła do poziomu 13 i umożliwia zastosowanie względnie dobrej kompensacji efektu zależności kątowej jednej osi optycznej. Lepiej skompensowana oś może być ustawiona poziomo, pionowo lub ukośnie. Oś prostopadła do osi skompensowanej wykazuje zdecydowaną zależność kątową. Większość znajdujących się na rynku automatycznych filtrów spawalniczych posiada oś skompensowaną ustawioną w pozycji poziomej.

3.3.3 ADF z trzema komórkami LC

Niektóre produkty dostępne na rynku zbudowane są z wykorzystaniem trzech komórek LC. Trzecia komórka ma wówczas odmienną konstrukcję optyczną. Jej zadaniem jest kompensacja zależności kątowej nie skompensowanej osi optycznej.

Z optycznego punktu widzenia, rozwiązanie to jest dosyć wydajne, lecz produkty tego typu posiadają pewne niekorzystne cechy:

Zwiększony koszt produkcji (trzy drogie komórki LC)
Większe zużycie energii i wymóg wymiany baterii (baterie wystarczają jedynie na 1500-2000 godzin pracy)
Zwiększoną masę (+50% w porównaniu z produktami o dwóch komórkach LC) ze względu na trzy komórki LC, użycie wymiennych baterii oraz bardziej skomplikowane mocowania

W związku z powyższym, spośród opisanych rozwiązań technicznych, jedynie rozwiązanie wykorzystujące 3 komórki LC spełniłoby nowe wymagania EN 379 na poziomie optycznym 2. Niektóre produkty z dwiema komórkami LC również spełniłyby nowe wymagania, lecz na poziomie 3, podczas gdy większość, szczególnie tańszych, dalekowschodnich konstrukcji prawdopodobnie nie zaliczyłaby testów z pozytywnym wynikiem.

4. NOWE ROZWIĄZANIE TECHNICZNE SPEŁNIAJĄCE ZMODYFIKOWANY EUROPEJSKI STANDARD EN 379

Obecny poziom rozwoju technologii LCD niemal całkowicie umożliwił wyeliminowanie efektu zależności kątowej. Było to możliwe dzięki zastosowaniu specjalnych warstw kompensujących oraz nowym projektom konstrukcji LCD. Rozwiązania techniczne zastosowane w nowoczesnych monitorach i telewizorach wytwarzanych w technologii LCD umożliwiły dobry odbiór obrazu pod kątem bliskim 180 stopni. Nowe rozwiązania techniczne oraz zastosowane nowe materiały nie są niestety stosowane w automatycznych filtrach spawalniczych, ponieważ nie nadają się do komórek LC o wysokim kontraście. Mają wpływ na inne ważne parametry techniczne, bardziej istotne dla komfortu i bezpieczeństwa pracy spawacza (jednorodność, rozproszenie światła itp.).

W nowym, automatycznym filtrze spawalniczym MOST V913 DS ADC, celem było zmniejszenie kątowego współczynnika przepuszczalności światła na poziomie klasy 1, określonym w standardzie EN 379. Inne pożądane parametry, jak jednorodność, rozproszenie światła oraz parametry optyczne (wszystkie poprzednio spełniające wymagania 1 klasy) nie mogły zostać zmniejszone.

Producent tego filtra, poprzez zmianę struktury komórek ciekłego kryształu, osiągnął nowy skład mieszaniny ciekłego kryształu o zaawansowanych parametrach, poprzez dodanie specjalnego, niedostępnego na rynku składnika warstwy kompensacyjnej w celu dalszego ulepszenia zależności kątowej.

Ryc. 6: Pomiar kontrastu i wybrany poziom zaciemnienia obserwowany przez standardowy ADF (po lewej stronie) przez ADF z zastosowaniem technologii ADC (po prawej stronie).

Zaleta technologii ADC (Kompensacji Zależności Kątowej) jest niepodważalna. Zastosowanie jej w automatycznym filtrze spawalniczym z dwiema komórkami LC umożliwia zachowanie takich samych lub lepszych parametrów zależności kątowej w porównaniu z filtrem z trzema komórkami LC. Nowy produkt wykorzystujący technologię ADC jest znacznie lżejszy i cieńszy oraz bardziej energooszczędny. Nie wymaga wymiany baterii, a przewidywany okres żywotności to 10 lat.

Ulepszona zależność kątowa zapewnia niezakłócony obraz poprzez filtr pod każdym kątem. Zwiększa to wygodę prowadzenia prac spawalniczych, zmniejszając zmęczenie oczu spawacza.

Zgodnie z wykonanymi przez firmę BALDER pomiarami, wykorzystanie technologii ADC nie ma wpływu na inne parametry optyczne, a rezultat testu zależności kątowej mieści się w klasie 1. Dlatego też produkty wykorzystujące technologię ADC oznaczone będą najwyższymi możliwymi wynikami pomiarów: 1/1/1/1.

Jacek Borowiec
RYWAL-RHC
Na podstawie: NEW TECHNICAL SOLUTION FOR ACHIEVING THE MODIFIED STANDARD EN 379 FOR AUTODARKENING WELDING FILTERS, Miha Pesec

Materiały źródłowe:
(1) International Institute of Welding, Slovenian Delegation, Commission VIII, Doc.VIII-2015-06, Miha Pesec: Nowe rozwiązanie techniczne zapewniające osiągnięcie zmodyfikowanego standardu B EN 379 dla automatycznych filtrów spawalniczych
(2) Europejski standard CEN/TC 85, EN 379, Ochrona oczu - Automatyczne filtry spawalnicze. Wydanie: październik 2002r.