Iztok Reherman PREUČITEV IN OBLIKOVANJE PREDLOGA ... · tehnike temperaturnega spajanja lahko uporabljamo mehko in trdo spajkanje ali varjenje. Različne tehnike se uporabljajo glede

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Iztok Reherman

PREUČITEV IN OBLIKOVANJE PREDLOGA

TEHNOLOGIJE SPAJANJA IN IZOLACIJE

TEMPERATURNIH SOND

Diplomsko delo

Maribor, avgust 2016

PREUČITEV IN OBLIKOVANJE PREDLOGA

TEHNOLOGIJE SPAJANJA IN IZOLACIJE

TEMPERATURNIH SOND

Diplomsko delo

Študent: Iztok Reherman

Študijski program: Visokošolski študijski program

Smer: Mehatronika

Mentor FERI: izr. prof. dr. Franc Mihalič

Mentor FS: izr. prof. dr. Karl Gotlih

I

II

Zahvala

Za ponujeno priložnost bi se rad zahvalil podjetju FBS Elektronik d. o. o., še

posebej direktorju, g. Mateju Šimonu. Prav tako gredo zahvale mentorjema, izr.

prof. dr. Karlu Gotlihu ter izr. prof. dr. Francu Mihaliču.

III

Preučitev in oblikovanje predloga tehnologije spajanja in izolacije temperaturnih

sond

Ključne besede: temperaturne sonde, spajanje, izolacija.

UDK: 681.586.6(043.2)

Povzetek:

V diplomski nalogi so raziskane ter optimalno izbrane tehnologije izdelave platinastih

temperaturnih sond. Opisani so različni tipi platinastih senzorjev, materiali vodnikov in

izolacijskih cevk ter tehnike spajanja, ki jih uporabljamo za izdelavo temperaturnih sond

različnih temperaturnih odvisnosti. Proti koncu naloge so materiali in tehnike izbrani ter

opredeljeni za izdelavo senzorjev manjših in večjih temperatur (vse do 800 °C).

IV

Examination and design of the proposal in joining tehnology and insulation of

temperature probes

Keywords: temperature probes, joining technology, isolation

UDK: 681.586.6(043.2)

Abstract:

The purposes of this thesis are researched and optimally selected manufacturing

technologies of platinum temperature probes. The thesis includes the description of

different types of platinum sensors, the materials of conductors and insulation tubes, and

the techniques of bonding, that are used for manufacturing temperature probes for various

temperatures. At the end of the thesis, materials and techniques are selected and identified

for the production of high and low temperature sensors (up to 800 °C).

V

Kazala

Kazalo vsebine

Kazala ................................................................................................................................... V

Kazalo vsebine .................................................................................................................. V

Kazalo slik ...................................................................................................................... VII

Kazalo tabel .................................................................................................................... VII

UPORABLJENE KRATICE ............................................................................................ VIII

1 UVOD ............................................................................................................................ 1

1.1 Opredelitev oz. opis problema ................................................................................ 1

1.2 Cilji in teze diplomskega dela ................................................................................. 2

1.3 Predpostavke in omejitve ........................................................................................ 2

1.4 Struktura diplomskega dela .................................................................................... 2

2 PREUČITEV IN PREDSTAVITEV SENZORJEV ...................................................... 4

2.1 PT senzor tipa L ...................................................................................................... 5

2.2 PT senzor tipa M ..................................................................................................... 5

2.3 PT senzor tipa H ..................................................................................................... 6

3 PREUČITEV IN PREDSTAVITEV IZOLACIJE ........................................................ 7

3.1 Izbira vodnikov ....................................................................................................... 7

3.1.1 Vodniki – žice izolirane z PVC ....................................................................... 7

3.1.2 Vodniki – žice izolirane s silikonom ............................................................... 8

3.1.3 Vodniki – žice izolirane s teflonom ................................................................. 9

3.1.4 Vodniki – žice izolirane s steklenimi vlakni ................................................. 10

3.1.5 Vodniki – žice izolirane s kremenovim steklom ........................................... 12

3.1.6 Vodniki – žice izolirane s keramičnimi vlakni .............................................. 12

3.2 Izbira izolacije ....................................................................................................... 13

3.2.1 Izolatorji – PVC ............................................................................................. 13

3.2.2 Izolatorji – PO ............................................................................................... 14

3.2.3 Izolatorji – silikon .......................................................................................... 15

3.2.4 Izolatorji - teflon ............................................................................................ 15

3.2.5 Izolatorji – steklo ........................................................................................... 16

3.2.6 Izolatorji – keramika ...................................................................................... 17

4 NAČINI SPAJANJA ELEMENTOV .......................................................................... 18

4.1 Spajkanje ............................................................................................................... 18

VI

4.1.1 Mehko spajkanje ............................................................................................ 19

4.1.1.1 Dodajni materiali .................................................................................... 19

4.1.1.2 Talila....................................................................................................... 20

4.1.1.3 Metode .................................................................................................... 21

4.1.2 Trdo spajkanje ............................................................................................... 23

4.1.2.1 Dodajni materiali .................................................................................... 23

4.1.2.2 Metode .................................................................................................... 25

4.2 Lasersko varjenje .................................................................................................. 27

4.3 Primerjava ............................................................................................................. 29

5 NAČINI SPLICANJA ELEMENTOV ........................................................................ 30

5.1 Autosplice ACS 2000 ........................................................................................... 30

5.1.1 Metode ........................................................................................................... 31

5.1.2 Material .......................................................................................................... 32

5.1.3 Preverjanje kakovosti .................................................................................... 33

6 SKLEP ......................................................................................................................... 36

7 VIRI ............................................................................................................................. 40

VII

Kazalo slik

2.1: Platinasti senzorji (Vir: [8]) ............................................................................................ 4

3.1: PVC izolirane žice (Vir: [9]) .......................................................................................... 7 3.2: Žice s silikonskim opletom (Vir: [9]) ............................................................................. 8 3.3: Žice izolirane s teflonom (Vir: [9]) ................................................................................ 9 3.4: Žice s steklenimi vlakni (Vir: [9]) ................................................................................ 10 3.5: Visokotemperaturna žica s steklenimi vlakni (Vir: [9]) ............................................... 11

3.6: Žica s kremenovim steklom (Vir: [9]) .......................................................................... 12 3.7: Žica z keramičnimi vlakni (Vir: [9]) ............................................................................ 13 3.8: PVC izolacijska cevka (Vir: [10]) ................................................................................ 14

3.9: Skrčna cevka poliolefina (Vir: [10])............................................................................. 14 3.10: Silikonska izolacijska cevka (Vir: [10]) ..................................................................... 15 3.11: Teflonska izolacijska cevka (Vir: [10]) ...................................................................... 16 3.12: Izolacijska cevka iz steklenih vlaken (Vir: [10]) ........................................................ 17

4.1: Sistem za valno spajkanje (Vir: [11]) ........................................................................... 22 4.2: Sistem za reflow spajkanje (Vir: [11]) ......................................................................... 23 4.3: Lasersko varjenje .......................................................................................................... 28 5.1: Autosplice ACS 2000 (Vir: [6]) ................................................................................... 31

5.2: Prikaz načina splicanja (Vir: 6) .................................................................................... 33 5.3: Orodje preveliko ........................................................................................................... 34 5.4: Preveč materiala ........................................................................................................... 34

5.5: Material predebel .......................................................................................................... 35

5.6: Pravilen splice .............................................................................................................. 35

Kazalo tabel

Tabela 2.1: Senzor tipa L ....................................................................................................... 5 Tabela 2.2: Senzor tipa M ..................................................................................................... 6

Tabela 2.3: Senzor tipa H ...................................................................................................... 6 Tabela 3.1: Dimenzije PVC vodnikov ................................................................................... 8 Tabela 3.2: Dimenzije silikonskih vodnikov ......................................................................... 9 Tabela 3.3: Dimenzije teflonskih vodnikov ........................................................................ 10

Tabela 3.4: Dimenzije vodnikov s steklenimi vlakni .......................................................... 11 Tabela 3.5: Dimenzije vodnikov s steklenimi vlakni obdelanimi za visoke temperature ... 11 Tabela 3.6: Dimenzije vodnikov s kremenovim steklom .................................................... 12 Tabela 3.7: Dimenzije vodnikov s keramičnimi vlakni ....................................................... 13

Tabela 4.1: Dodajni materiali mehkega spajkanja............................................................... 20 Tabela 4.2: Sestava aluminijastih kompozitov za trdo spajkanje ........................................ 24 Tabela 4.3: Sestava bakrenih kompozitov za trdo spajkanje ............................................... 25

Tabela 5.1: Prikaz materialov uporabljenih za splicanje ..................................................... 32 Tabela 6.1: Materiali za izdelavo senzorja od -70 do 70°C ................................................ 37

Tabela 6.2: Materiali za izdelavo senzorja od 0 do 140°C .................................................. 38 Tabela 6.3: Materiali za izdelavo senzorja od 0 do 400°C .................................................. 38

Tabela 6.4: Materiali za izdelavo senzorja do 800°C .......................................................... 39

VIII

UPORABLJENE KRATICE

NPR – na primer

OZ – oziroma

PT – platina

PVC – polivinil klorid

PO – poliolefin

PFTE − politetrafluoretilen

1

1 UVOD

Podjetje FBS Elektronik d. o. o. že od leta 1988 izdeluje induktivna in kapacitivna stikala,

zadnja leta pa tudi magnetne senzorje ter senzorje temperature, ki predstavljajo eno bolj

zastopanih skupin industrijskih senzorjev. Dandanes si sodobne industrijske proizvodnje

brez uporabe tovrstnih senzorjev ne moremo več predstavljati.

V diplomskem delu se bom bolj posvetil temperaturnim senzorjem. Osnovna značilnost

senzorja temperature je meritev lastne temperature (govorimo o kontaktnih senzorjih).

Senzor temperature je vgrajen v neko ohišje in meri svojo lastno temperaturo, ki jo doseže

znotraj ohišja. To pomeni, da mora biti senzor temperature vgrajen tako, da je v čim

boljšem stiku s svojim ohišjem, preko tega pa z materialom ali snovjo, katerega

temperatura nas zanima. Med tipalom in merjenim medijem ne sme biti pretoka drugih

temperatur. Če je npr. sam senzor v ohišje nameščen slabo ali brez temperaturno dobro

prevodne snovi, je že v samem ohišju ob senzorju zrak, za katerega vsi vemo, da je slab

prevodnik temperature. Če s takim tipalom opravimo še slabo vgradnjo (na primer damo

vse skupaj v še eno preveliko cev ali premalo potopimo), lahko še s tako dobrim senzorjem

temperature opravimo zelo netočno meritev, čeprav je uporabljen senzor najboljše

kakovosti. Zato je zelo pomembno, kako je tipalo izdelano v notranjosti, kakšnih kvalitet in

klas so uporabljeni senzorji in materiali ohišja ter kako je tako tipalo uporabljeno v praksi.

1.1 Opredelitev oz. opis problema

Vsak senzor v podjetju se mora izdelati z najvišjo možno kvaliteto, zato je zelo

pomembno, da vsak postopek izdelave tipala preučimo ter zagotovimo najboljšo možno

izdelavo. Za temperaturne sonde je potrebno izbrati ustrezen platinast senzor, material

vodnika, material izolacije in drugačne tehnike spajanja za različna temperaturna območja

delovanja. Potrebno je izpostaviti ter izbrati različne materiale in s tem upoštevati njihovo

temperaturno odvisnost ter kvaliteto. Prav tako je pomembno podrobno preučiti različne

možnosti spajanja vodnikov in senzorjev pri različnih temperaturah, raziskati in podati

rešitve ter izbrati najboljšo možno.

2

1.2 Cilji in teze diplomskega dela

Namen diplomskega dela je preučiti materiale in navesti vrste spajanja temperaturnih sond

pri različnih temperaturnih območjih ter z različnimi materiali. Raziskati je tako potrebno

pravilen material izolacije pri različnih temperaturnih pogojih ter preučiti pravilne metode

splicanja oz. stiskanja spojev senzorjev. Prav tako je potrebno za ta postopek preučiti

lastnosti različnih materialov za splicanje ter jih navesti in razvrstiti glede na temperaturno

območje.

1.3 Predpostavke in omejitve

V jedru naloge bodo podane vrste senzorjev, tipi materialov različnih temperaturnih

odvisnosti in tehnik, ki se bodo uporabljale za spajanje temperaturnih sond. Raziskave

bodo izdelane na podlagi podatkov, pridobljenih iz veljavne dokumentacije.

Predpostavljam, da bodo pridobljeni podatki točni ter verodostojni. Namen preučevanja je

podajanje predloga rešitev za področje temperaturnih tipal, kakršnih družba doslej še ni

proizvajala.

1.4 Struktura diplomskega dela

Uvod

V uvodu bo opisano in pojasnjeno, kaj je privedlo do diplomskega dela. Zajemal bo opis

problema ter cilje in predpostavke diplomske naloge.

Preučitev in predstavitev senzorjev

V prvem delu jedra naloge bom raziskal ter opisal platinaste senzorje, s katerimi bo

mogoče izdelati tipalo za visoke temperature. Določiti bo potrebno uporabo glede na

njihovo temperaturno območje, način spajanja vsakega različnega senzorja ter njihove

osnovne lastnosti.

3

Preučitev in predstavitev izolacije

V drugem poglavju bo podana raziskava, kjer bodo navedeni in opisani temperaturno

obstojni vodniki ter elektroizolacijski materiali, ki bodo zagotavljali izolacijo na različnih

temperaturnih območjih. Elektroizolacijske materiale potrebujemo predvsem za ustavitev

prevodnosti med ohišjem senzorja in elementom. So pa zelo pomembni, saj lahko ob

nepravilni izbiri pride do stika in s tem temperaturna sonda ne deluje več pravilno.

Načini spajanja elementov

V tretjem poglavju bodo preučeni načini varjenja ter sorodne tehnike toplotnega spajanja

temperaturnih sond v neločljivo zvezo. Navedeni in opisani bodo načini ter vrste

toplotnega spajanja materialov za različna temperaturna območja, ki so najbolj primerna

pri izdelavi temperaturnih sond.

Načini splicanja elementov

V četrtem poglavju bo preučeno splicanje oz. zatiskovanje vodnikov in platinastih

senzorjev. Postopek bo natančneje opisan, podani pa bodo tudi materiali za zatiskanje, ki

se bodo uporabljali na različnih temperaturnih območjih. Pri tem postopku je potrebno

upoštevati tudi preverjanje kakovosti splicov ter napake izdelave, ki bodo prav tako podane

in opisane.

4

2 PREUČITEV IN PREDSTAVITEV SENZORJEV

Za različna temperaturna območja uporabljamo različne tipe senzorjev, ki pa imajo seveda

drugačne karakteristike. Senzorji so narejeni po standardu DIN EN 60751 ter zagotavljajo

vse lastnosti, ki jih takšen senzor mora imeti. Predstavil bom več različnih PT100 oz.

PT1000 senzorjev in izbral tiste, ki bodo zagotovo opravljali svojo nalogo. Predstavil bom

tri tipe platinastih senzorjev; senzor tipa L (low), senzor tipa M (medium) ter senzor tipa H

(high). Senzorji se razlikujejo po enostavnosti izdelave ter razliki materialov, kar se

posledično opaža po temperaturni odvisnosti ter načinu oz. področju uporabe in seveda

cenovni ugodnosti.

Spodnje slike prikazujejo nekaj vrst različnih platinastih senzorjev. Dimenzije senzorjev so

standardizirane, ampak še vedno odvisne od želje kupca.

2.1: Platinasti senzorji (Vir: [8])

5

2.1 PT senzor tipa L

Senzor tipa L (low) ima nogice materiala AgPd, zlitine srebra in paladija, ki ne prenesejo

visokih temperatur. Torej lahko ta senzor temperaturno spojimo v neločljivo zvezo samo z

mehkim spajkanjem. Poleg tega je senzor natančen, cenovno ugoden in za manjše

temperature zelo uporaben. Največ se uporablja v procesni industriji ter kot merilec

temperatur klimatskih naprav ali gospodarskih prostorov.

Po standardu DIN EN 60751 bom predstavil tolerance F0.1, F0.15, F0.3 ter F0.6. Ločijo se

po načinu izdelave in temperaturni občutljivosti senzorja.

Kot prikazuje spodnja tabela, imamo pri tipu L na voljo dva senzorja z različnimi

tolerancami, kar pomeni raznoliko temperaturno občutljivost.

Tabela 2.1: Senzor tipa L

TIP TOLERANCA TEMPERATURNO

OBMOČJE

PT tip L (low) F0.1 Od 0 do 150 ˚C

F0.15 Od −50 do 300 ˚C

Kot slabo lastnost tega senzorja lahko omenimo, da se mu natančnost znižuje za približno

0.04 % vsakih 1000 ur, kadar je izpostavljen svoji maksimalni temperaturi.

2.2 PT senzor tipa M

Senzor tipa M (medium) se v industriji uporablja najpogosteje, saj je robusten in

predstavlja ogromno različnih možnosti uporabe. Uporablja se v avtomobilski industriji, v

beli tehniki, tehniki prezračevanja ter ogrevanja, v proizvodnji energije ter medicinske in

industrijske opreme. Nogice ima narejene iz nikljeve žice, prevlečene s platino, torej kot

tehnike temperaturnega spajanja lahko uporabljamo mehko in trdo spajkanje ali varjenje.

Različne tehnike se uporabljajo glede na toleranco oz. temperaturno območje različnih

senzorjev tipa M, kot so predstavljeni v spodnji tabeli.

6

Tabela 2.2: Senzor tipa M

TIP TOLERANCA TEMPERATURNO

OBMOČJE

PT tip M

(medium)

F0.1 Od 0 do 150 ˚C

F0.15 Od −50 do 300 ˚C

F0.3 Od −70 do 500 ˚C

Senzor tipa M ima slabo lastnost, da se mu natančnost znižuje za približno 0.04 % vsakih

1000 ur izpostavljenosti njegovi maksimalni temperaturi.

2.3 PT senzor tipa H

Senzor tipa H (high) se uporablja v aplikacijah z visoko porabo električne energije, torej

večinoma v avtomobilski industriji, industriji bele tehnike ter v procesih industrije

različnih peči. Skratka, kadar so prisotne temperature tudi do 650 oziroma 850 ˚C, kot je

razvidno iz spodnje tabele.

Tabela 2.3: Senzor tipa H

TIP TOLERANCA TEMPERATURNO

OBMOČJE

PT tip H (high) F0.3 Od −70 do 650 ˚C

F0.6 Od −70 do 850 ˚C

Ta senzor ima nogice, izdelane iz platine oz. platinastih zlitin, zato so glede na njegove

visoke temperature za spajanje uporabljene tehnike laserskega varjenja ter trdega lotanja.

7

3 PREUČITEV IN PREDSTAVITEV IZOLACIJE

V prvem poglavju bom najprej natančno predstavil tipe žic oz. vodnikov, nanizanih glede

na zunanji oplet, ki so ustrezni za izdelavo temperaturnih sond za širša temperaturna

območja. Kasneje bodo predstavljene še vrste izolacijskih materialov, ki bi se uporabljali

za preprečevanje stika med ohišjem ter termoelementom temperaturnih sond.

3.1 Izbira vodnikov

Kot prikazujejo spodnje slike so za termoelemente potrebni različni vodniki, ki prenašajo

želene temperature. Razlike o tem, kolikšne temperature prenašajo, so vidne v materialu in

opletu vsakega vodnika.

3.1.1 Vodniki – žice, izolirane s PVC

Vodniki iz PVC-ja so trenutno najpogostejši in cenovno najugodnejši material na trgu.

Običajno se uporabljajo v aplikacijah, v katerih obstaja povečano tveganje požara. Material

je obstojen na temperaturi od −30 °C do 105 °C. Spodnja slika prikazuje primer PVC

izoliranega vodnika. Obe žici sta najprej posebej izolirani s PVC materialom ter obdani s

PVC plaščem.

3.1: PVC izolirane žice (Vir: [9])

8

Najpogostejše standardizirane dimenzije za PVC vodnike na trgu prikazuje spodnja tabela.

Tabela 3.1: Dimenzije PVC vodnikov

PVC vodniki

premer žice dimenzije

0,22 mm² 2,4 mm × 3,8 mm

0,44 mm² 2,5 mm × 4,2 mm

0,75 mm² 4 mm × 6 mm

1,3 mm² 4 mm × 6 mm

3.1.2 Vodniki – žice, izolirane s silikonom

Žice s silikonskim opletom poznamo kot zelo fleksibilne in robustne visokotemperaturne

izolacijske kable. Prenašajo temperature od −40 °C do 200 °C. Vsaka žica je posebej

izolirana s silikonsko gumo. Kot prikazuje spodnja slika, imamo dve vrsti. Desni vodnik v

tem primeru vsebuje še pletenico z bakrenim opletom. Oba vodnika pa sta obdana še s

silikonskim plaščem.

3.2: Žice s silikonskim opletom (Vir: [9])

Tabela prikazuje najpogostejše standardizirane dimenzije, ki se uporabljajo za vodnike,

izolirane s silikonom.

9

Tabela 3.2: Dimenzije silikonskih vodnikov

Silikonski vodniki Silikonski vodniki z bakrenim opletom

premer žice dimenzije premer žice dimenzije

0,22 mm² 6 mm 0,22 mm² 7 mm

0,5 mm² 7 mm 0,5 mm² 8 mm

1,5 mm² 9 mm 1,5 mm² 10 mm

3.1.3 Vodniki – žice, izolirane s teflonom

Žice s teflonskim opletom so fleksibilne, imajo razmeroma majhen premer in širok

temperaturni razpon. Pogosto se uporabljajo v higienični industriji, sterilnih aplikacijah ter

tam, kjer je prostor omejen. Prenašajo temperature od −75 °C pa do 260 °C.

Na spodnji sliki sta prikazana dva tipa teflonskih kablov. Na levemu sta vodnika, izolirana

s teflonom ter obdana s teflonskim plaščem. Na desni strani so vodniki, zaliti s teflonom.

Ti vodniki so široki 2 mm, premer žice pa znaša 0,11 mm². Imajo pa zelo dobro lastnost,

da so popolnoma odporne na pline, paro in vodo.

3.3: Žice, izolirane s teflonom (Vir: [9])

10

Najpogostejše standardizirane dimenzije vodnika, izoliranega s teflonom, so prikazane v

naslednji tabeli.

Tabela 3.3: Dimenzije teflonskih vodnikov

Teflonski vodniki

premer žice dimenzije

0,08 mm² 1 mm × 2 mm

0,20 mm² 2 mm × 2,5 mm

0,22 mm² 2 mm × 3 mm

0,44 mm² 2 mm × 3 mm

3.1.4 Vodniki – žice, izolirane s steklenimi vlakni

Žice, izolirane s steklenimi vlakni, najpogosteje uporabljamo v aplikacijah, kjer so prisotne

visoke temperature, kot so razne peči. Na spodnji sliki imamo dva primera žice s

steklenimi vlakni. Razlika med njima je samo v tem, da je desni prepleten še s kovinskim

opletom iz nerjavečega jekla. Pri obeh sta žici prepleteni s steklenimi vlakni ter obdani z

materialom, ki je iz steklenih vlaken ter lakiran s silikonskim premazom.

3.4: Žice s steklenimi vlakni (Vir: [9])

Najpogostejše dimenzije vodnikov s steklenimi vlakni prikazuje spodnja tabela.

11

Tabela 3.4: Dimenzije vodnikov s steklenimi vlakni

Vodniki steklenih vlaken Vodniki steklenih vlaken s kovinskim

opletom

premer žice dimenzije premer žice dimenzije

0,08 mm² 1 mm × 2 mm / /

0,20 mm² 2 mm × 3 mm 0,20 mm² 3 mm × 4 mm

0,22 mm² 2 mm × 3 mm 0,22 mm² 3 mm × 4 mm

0,44 mm² 2 mm × 3 mm 0,44 mm² 3 mm × 4 mm

0,75 mm² 3 mm × 4 mm 0,75 mm² 4 mm × 5 mm

1 mm² 3 mm × 4 mm 1 mm² 4 mm × 5 mm

Na trgu obstajajo tudi žice steklenih vlaken z visokotemperaturno odpornostjo, ki zdržijo

tudi vse do 800 °C. Kot prikazuje spodnja slika, sta pri teh vodnikih žici dvakrat obkroženi

s steklenimi vlakni, obdelanimi za visoke temperature, nato pa obdani z istim materialom.

Zaradi tega lahko ta vodnik prenaša tako visoke temperature.

3.5: Visokotemperaturna žica s steklenimi vlakni (Vir: [9])

Spodnja tabela prikazuje najpogostejše dimenzije vodnikov steklenih vlaken, obdelane za

visoke temperature.

Tabela 3.5: Dimenzije vodnikov s steklenimi vlakni, obdelanimi za visoke temperature

Vodniki steklenih vlaken, obdelani za visoke temperature

premer žice dimenzije

0,5 mm² 2 mm × 3 mm

1,3 mm² 4 mm × 5 mm

12

3.1.5 Vodniki – žice, izolirane s kremenovim steklom

Žice s kremenovim steklom so narejene predvsem za uporabo pri visokih temperaturah, in

sicer vse do 1000 ºC. Kot prikazuje spodnja slika, sta obe žici prepleteni s kremenovim

steklom ter obdani z opletom iz kremenovega stekla.

3.6: Žica s kremenovim steklom (Vir: [9])

Najpogostejše dimenzije vodnikov s kremenovim steklom so podane v naslednji tabeli.

Tabela 3.6: Dimenzije vodnikov s kremenovim steklom

Vodniki s kremenovim steklom

premer žice dimenzije

0,5 mm² 2,3 mm × 3,9 mm

1,3 mm² 2,8 mm × 4,9 mm

3.1.5 Vodniki – žice, izolirane s keramičnimi vlakni

Žice, izolirane s keramičnimi vlakni, so izdelane predvsem za uporabo na zelo visokih

temperaturah, saj prenesejo temperaturo vse do 1200 ºC. Možna je enkratna izpostavljenost

temperaturi tudi do 1300 ºC. Kot prikazuje spodnja slika, sta obe žici prepleteni s

keramičnimi vlakni ter obdani s keramičnim opletom.

13

3.7: Žica s keramičnimi vlakni (Vir: [9])

Tabela 3.7: Dimenzije vodnikov s keramičnimi vlakni

Vodniki s keramičnimi vlakni

premer žice dimenzije

0,5 mm² 2,3 mm × 3,9 mm

1,3 mm² 2,8 mm × 4,9 mm

3.2 Izbira izolacije

Poleg spajanja je za sestavo tipala za višje temperature pomembna tudi izolacija med

vgrajenim tipalom in ohišjem. Ta je glede na zahtevano temperaturo zelo različna. Izbrati

je potrebno pravilno in previdno. Poleg izbrane izolacije je zelo važna tehnologija

sestavljanja in pri tem je potrebna velika mera previdnosti in natančnosti izdelave.

3.2.1 Izolatorji – PVC

PVC je eden izmed najbolj pogostih materialov, ki jih uporabljamo danes. Narejen je s

segrevanjem plastike, kar pomeni, da je fleksibilen, negorljiv, kemijsko nereaktiven ter

predvsem žilav. Slaba lastnost je, da pod vplivom ekstremnih temperatur ali kemijskih

agensov (olj ali emulzij) sčasoma otrdi in začne razpadati. PVC se za izolacijo uporablja z

izolacijskimi cevkami, ki imajo delovno temperaturno območje od −20 °C do 105 °C.

14

3.8: PVC izolacijska cevka (Vir: [10])

3.2.2 Izolatorji – PO

Pri izolatorju PO (poliolefin) moramo upoštevati, da je zelo prožen in se največkrat

uporablja za izolacijo. Kot dobre lastnosti lahko upoštevamo, da se ne tali, je mehansko

zelo žilav ter se ob skrčku ne da več raztegniti. Narejen je iz negorljivega poliolefina in

ima odlične električne, kemične in fizikalne lastnosti, ki v vseh pogojih predstavljajo

odlične skrčljive cevi. Prenaša toploto od −60 °C pa vse do 140 °C. Z uporabo toplote nad

120 °C se skrči na 50 % svojega premera in pokrije objekt, ki je potreben izolacije.

Odporen je na široko paleto kemikalij in olj kakor tudi na sončno svetlobo, vlago in glive.

Na željo kupca so na voljo tudi v 3 : 1 ali 4 : 1 razmerju skrčka.

3.9: Skrčna cevka poliolefina (Vir: [10])

15

3.2.3 Izolatorji – silikon

Pri silikonu moramo upoštevati, da je popolnoma odporen na vlago ter uporaben pri

temperaturah od −60 °C pa vse do 180 °C. Ostaja nepoškodovan tudi v vreli vodi in vodni

pari, zato se ogromno uporablja v medicinskih pripomočkih, kjer morajo biti stvari sterilne,

ter v ozračju in električnih daljnovodih, ker je zelo dobro odporen na vremenske vplive.

Silikon se ogromno uporablja za izolacijo v daljnovodih in v cevkah večjega premera, od

Ø5 mm. V našem primeru se za izolacijske cevke manjšega premera vedno kombinira s

steklenimi vlakni. Cevke steklenih vlaken, izolirane s silikonsko smolo, lahko prenašajo

temperature tudi do 300 °C.

3.10: Silikonska izolacijska cevka (Vir: [10])

3.2.4 Izolatorji − teflon

Teflon ali PFTE (politetrafluoretilen) ima kot material skoraj popolno kemijsko inertnost;

popolno netopnost v vseh znanih topilih pod 300 °C, odlično toplotno stabilnost in

univerzalne električne lastnosti, kot so: nizka dielektrična konstanta, nizka dielektrična

izguba ter visoka dielektrična trdnost. Moramo pa razumeti, da zaradi svoje trdnosti teflon

pri visokih ali nizkih temperaturah ne postane krhek. Je zelo univerzalen material in

poznamo več vrst izolacijskega materiala s teflonom. Od skrčnih do izolacijskih cevi.

Skrčne teflonske cevi so edinstven termoplastik, ki ima odlične lastnosti za cevko, ki se

uporablja v aplikacijah z visokimi temperaturami, v korozivnih atmosferah ter električnih

izolacijah.

16

Teflonske skrčne cevi imajo odlično kemično odpornost ter najširši delovni razpon vseh

plastičnih mas. Zajemajo področje uporabe vse od −250 °C pa do 260 °C. Material ne

izgoreva in je odličen izolator za električne aplikacije. Skrči se na temperaturi okoli 320

°C, zato je za skrček potrebno uporabljati močan vir toplotne energije.

Teflonske izolacijske cevi so najbolj vsestranski izolacijski material, ki ponuja zelo

stabilne električne lastnosti pri praktično vseh elektronskih frekvencah, skozi temperaturno

območje od −70 °C pa vse do 260 °C. Teflonske cevi niso jedke in ne bodo zagorele v

atmosferi na katerikoli temperaturi. Imajo odlično električno izvedbo in ponujajo izredno

visoko dielektrično trdnost celo v najtanjših prerezih. Teflon je material, ki temelji na

zanesljivosti in trdoti. Nekatere teflonske cevke zmorejo tudi do 170 barov fizične

napetosti.

3.11: Teflonska izolacijska cevka (Vir: [10])

3.2.5 Izolatorji – steklo

Steklena vlakna imajo visoko toplotno odpornost in so uporabna kot izolatorji v okolicah,

kjer so temperaturne zahteve najvišje (npr. električni in gospodinjski aparati, električne

naprave, oprema za segrevanje ...). Poznamo več vrst izolacije steklenih vlaken. Kot

njihove dobre lastnosti lahko izpostavimo, da so negorljiva, pri višjih temperaturah imajo

zelo dobre mehanične lastnosti in so UV stabilna. Poznamo več vrst, ki se med seboj

razlikujejo po načinu ter zahtevnosti izdelave. Najbolj znana in robustna so trenutno

nepremazana steklena vlakna, obdelana za visoke temperature. Izdelujejo se z žarjenjem. S

tem se odstranijo vse organske nečistoče, izboljša pa se tudi odpornost.

17

Uporabljajo se predvsem tam, kjer električna izolacija zadostuje ne glede na manjše zračne

reže in predvsem pri visokih temperaturah. Upoštevati moramo tudi, da se ujema preko

električnih kablov in žic brez toplotnega krčenja. Steklena vlakna, obdelana na visoke

temperature, zmorejo temperaturne obremenitve tudi vse do 1200 °C.

3.12: Izolacijska cevka iz steklenih vlaken (Vir: [10])

Poznamo tudi steklena vlakna, prevlečena z akrilnim premazom. Izdelujejo se tako, da

popolnoma prilagodljivo akrilno prevleko nanesemo na dobro spletena utrjena steklena

vlakna. Ta premaz omogoča odlično odpornost ter kompatibilnost z večino lakov, smol in

žic. Prav tako zaradi prevleke cevka drži okroglo obliko, v praksi se vlakna ne razmikajo in

robovi se po razrezu manj cefrajo. Torej so bolj obvladljive za rokovanje in uporabo.

Na trgu je še kar nekaj tipov steklenih vlaken z različnimi premazi, ampak za nas in za

naše področje uporabe niso primerni.

3.2.6 Izolatorji – keramika

Električni keramični izolatorji se najpogosteje uporabljajo v aplikacijah, ki zahtevajo

neprevodnost in trdnost, ali kot vir za odvajanje toplote. Zaradi odličnih lastnosti jih v

elektrotehniki pogosto uporabljamo. Izdelava je dokaj zahtevna, ampak v našem primeru

delujejo na temperaturnih območjih tudi do 1800 °C.

18

4 NAČINI SPAJANJA ELEMENTOV

V tem poglavju bom predstavil načine in tehnike, s katerimi bi bilo mogoče spojiti

temperaturne senzorje v neločljivo zvezo. Senzorji, ki sem jih v prejšnjem poglavju že

predstavil, so narejeni iz prevlečene žice niklja in so primerni za mehko spajkanje, trdo

spajkanje, varjenje in stiskanje, zato bom te tehnike tudi bolj podrobno predstavil. Spajanje

vodnikov z elementi se lahko izvaja na več načinov. Za tipanje nizkih temperatur se

spajanje lahko izvaja z mehkimi loti ali na način s stiskanjem z različnimi vrstami spojnih

trakov. Za višje temperature pa uporabljamo za spajanje trde lote ali lasersko varjenje.

Upoštevati bom moral temperaturno odvisnost glede na posamezen način spajanja ter

obstojnost samih materialov.

4.1 Spajkanje

Spajkanje oz. lotanje je najstarejši način spajanja kovinskih materialov v neločljivo zvezo.

Danes ga uporabljamo praktično v vsaki sodobni industriji, pri strokovnem ali praktičnem

delu. Od varjenja se spajkanje razlikuje po tem, da osnovnega materiala tu ne raztalimo,

ampak le ogrejemo. Pri tem postopku se tali le dodajni material, ki pa ima seveda nižjo

temperaturo tališča kot osnovni material. Pri spajkanju z oblokom, laserskim žarkom ali s

plazmo, kjer proces poteka pri višjih temperaturah, načeloma ne potrebujemo talila, pri

ostalih spajanjih pa je priporočeno, saj razgradi nečistoče in okside, poveča omočljivost in

kapilarnost ter tekoči spajki zniža površinsko napetost. Talilo je v nekaterih primerih del

dodajnega materiala in ga dovajamo na mesto spajanja neposredno z lotanjem. V ostalih

primerih pa ga uporabljamo kot samostojno zaščitno sredstvo ter ga nanesemo na želeno

površino pred dejanskim spajanjem elementov.

Za razliko z varjenjem pri spajkanju enakih materialov v trajno zvezo porabimo veliko

manj energije. To pa zaradi tega, ker celoten proces poteka pri mnogo nižji temperaturi.

Prav tako med spajkanjem na element vnesemo manjše količine toplote, kar povzroči

manjše napetosti v materialu ter manjše deformacije materiala.

19

Kot slabo stran lahko navedemo, da imajo spajkani spoji s tem malo manjše mehanske in

trdnostne lastnosti ter nevarnost nastanka korozije. Kljub temu pa je postopek spajkanja

vseeno mnogo cenejši in enostavnejši.

Poznamo mehko in trdo spajkanje. Oba postopka zagotavljata stalen spoj ob združitvi dveh

ali več kovinskih delov. Imata pa odlično lastnost, da lahko združita tudi elemente, ki

imajo slabo varljivost, so iz različnih materialov, pri tem pa se v primerjavi z varjenjem

dovaja precej manj energije in toplote.

4.1.1 Mehko spajkanje

Pri mehkem spajkanju uporabljamo dodajni material, ki ima tališče, nižje od 400 °C.

Potrebno je, da je spojna površina pred lotanjem očiščena. To naredimo z izbranim talilom,

ki pomaga tudi, da se dodajni material na določeno mesto lepo razlije. Zatem na spojno

mesto dodajamo vir toplote, da se površine spajkanja segrejejo na določeno temperaturo.

Nato se nanese dodajni material, ki se razdeli med bližnjima spajanima elementoma.

Mehanska moč in trdnost mehkega spajkanja je manjša od trdega spajkanja ter veliko

manjša od varjenja. Največ se mehko spajkanje uporablja tam, kjer mora imeti spoj dobro

električno prevodnost in dober električni stik, kjer mora tesniti ali prenašati manjše

mehanične obremenitve. Mehko spajkanje se najpogosteje uporablja za spajanje električnih

kontaktov ter spajanje tankostenskih bakrenih cevi.

4.1.1.1 Dodajni materiali

Najpogostejši dodajni materiali pri mehkem spajkanju so zlitine kositra in svinca. Te

zlitine zajemajo širok spekter tališč in jih lahko uporabimo za popolnoma raznolike

aplikacije. Manjši odstotek svinca v materialu je uporaben predvsem zaradi njegovih

toksičnih lastnosti. Kositer postane kemično aktiven šele pri temperaturi tališča in spodbuja

mazanje, ki je potrebno za dober spoj. Cink, srebro in antimon se prav tako uporabljajo za

spajkalni material, ampak le za zahteve trdnosti spoja. Različna spajkanja ter njihova

tališča za uporabo v različnih aplikacijah so navedena v spodnji tabeli.

20

Tabela 4.1: Dodajni materiali mehkega spajkanja

Sestava kovinskih kompozitov [%] Tališče Aplikacije

kositer svinec srebro cink antimon

- 96 04 - - 305 °C Izdelava spoja pri

povišani temperaturi.

60 40 - - - 188 °C Spajanje elektronskih

vezij.

50 50 - - - 199 °C Spajanje vodnikov − žic.

40 60 - - - 208 °C Spajanje avtomobilskih

radiatorjev.

91 - - 09 - 200 °C Spajanje aluminijastih

vodnikov − žic.

95 - - - 05 238 °C Spajanje vodovoda.

Dodajni material se izbere na podlagi njegovega tališča. Če so kovine združene z

materialom, ki ima višje tališče, ta zagotavlja tudi boljše mehanične lastnosti v materialu in

večjo trdnost spoja.

4.1.1.2 Talila

Talila za mehko spajanje so razvrščena kot:

− organska in

− neorganska.

Organska talila:

Organska talila so narejena iz kolofonije ali vodotopnih materialov. Večinoma se

uporabljajo pri izdelavi elektronike in za različna električna vezja. Pri povišani temperaturi

so kemijsko nestabilna, ampak nejedka pri sobni temperaturi.

21

Neorganska talila:

Sestavljena so iz neorganskih kislin; zmesi kovinskih kloridov (cinka in amonijevih

kloridov). Uporabljajo se za dosežek zelo hitrega spajkanja, ki se uporablja pri proizvodnih

linijah, kjer je potrebo mazivo zelo hitro ter natančno nanašati.

Talila morajo biti po koncu spajkanja obvezno odstranjena z vodo ali drugimi kemijskimi

raztopinami.

Glavne naloge, ki jih talila izvajajo, so:

− preprečevanje nastanka omadeževanja površin,

− preprečevanje nastanka oksidacije med segrevanjem,

− spodbujanje navlažitev spajalnih površin.

Ob nakupu talila moramo biti pozorni na različne proizvajalce, saj bi vsako talilo moralo

imeti nalogo, da se ob spajanju elementov na določeni temperaturi samo stali.

4.1.1.3 Metode

Obstaja veliko razlik med mehkim in trdim spajkanjem. Glavna razlika je, da se za mehko

spajkanje uporablja manj toplote, torej so za stalitev dodajnega materiala potrebne nižje

temperature. Nekaj razlik pa je tudi v metodah spajkanja. Pri obeh vrstah uporabljamo

metode, kot so: ročno spajkanje, spajkanje v peči, elektrouporovno spajkanje, spajkanje s

potapljanjem in infrardečo spajkanje. Te metode bodo podrobneje opisane pri trdem

spajkanju. Poznamo pa še nekaj metod, ki jih uporabljamo samo pri mehkem spajkanju, in

to so: valno spajkanje ter reflow spajkanje.

Ročno spajkanje:

Ročno spajkanje poteka s spajkalnikom. Na ta način so narejeni manjši spoji v zelo

kratkem času, približno v eni sekundi.

22

Valno spajkanje:

Valno spajkanje je mehanska tehnika, ki omogoča spajanje več elementov naenkrat na

tiskano vezje, ki potuje po tekočem traku. V tem procesu električno vezje, na katerega so

elektronski elementi že položeni in imajo nogice skozi tiskano vezje, naložimo na tekoči

trak z opremo valnega spajkanja. Transportni trak podpira tiskano vezje na svojih straneh,

tako da je spodnja stran izpostavljena procesu. V prvem koraku sistem nanese talilo s

postopkom brizganja in ščetkanja. V drugem koraku valnega spajkanja se vključi črpalka,

ki na spodnjo stran tiskanega vezja vbrizga staljen dodajni material, poveže oz. spoji

elemente ter tiskano vezje in naredi stik med njimi. Valno spajkanje se uporablja povsod v

večjih industrijah ter proizvodnih linijah. Na spodnji sliki je sistem podjetja Ersa za valno

spajkanje.

4.1: Sistem za valno spajkanje (Vir: [11])

Reflow spajkanje:

Ta proces se najpogosteje uporablja v elektrotehniki za površinsko montažo tiskanega

vezja. V tem procesu uporabljamo spajkalno pasto, ki sestoji iz dodajnega materiala in

talila. Ta se nanese na mesta, kjer je to potrebno, torej v našem primeru med električne

komponente ter bakreno tiskano vezje.

23

Komponente postavimo na mesta, kamor predhodno nanesemo pasto, ter postavimo v peč.

V peči se električno vezje segreje in s tem stali pasto na delovno temperaturo, kar tvori

mehanične in električne vezi med nogicami električnih komponent ter tiskanim vezjem. Na

spodnji sliki je sistem podjetja Ersa za reflow spajkanje.

4.2: Sistem za reflow spajkanje (Vir: [11])

4.1.2 Trdo spajkanje

Pri trdem spajkanju gre za spajanje kovinskih delov s pomočjo kovinskega dodajnega

materiala. Tega najprej stalimo in razporedimo med želene površine materialov, ki jih

združujemo. V tem primeru se topi samo kovinski dodajni material. O trdem spajkanju

govorimo, ko ima dodajni material tališče 450 °C ali več. Upoštevati pa moramo, da mora

biti tališče dodajnega materiala manjše od tališča spajanih materialov. Dodajni materiali so

na splošno zlitine srebra, aluminija, zlata, bakra, kobalta in niklja.

4.1.2.1 Dodajni materiali

Dodajnih materialov za trdo spajkanje je na trgu in na svetu trenutno ogromno. Vsak pa

ima svoje področje uporabe. Talila v primeru trdega spajkanja delimo glede na temperaturo

tališča in vrsto dodajnega materiala.

24

V nadaljevanju naloge bodo našteti ter opisani le materiali, ki bi jih bilo mogoče uporabiti

za spajanje temperaturnih senzorjev in ostale visokotemperaturne elektronike.

Srebro (Ag)

Zlitine srebra se uporabljajo v industriji že več kot 60 let. So vsestranske, z visokim

koeficientom trdnosti ter dokaj nizkim tališčem v primerjavi z večino ostalih materialov.

Te zlitine se uspešno uporabljajo v skoraj vseh zlitinah niklja, železa, jekla ter bakra.

Temperaturni razpon imajo od približno 620 °C do 980 °C in so za razliko od ostalih

materialov cenovno gledano dokaj neugodni.

Aluminij (Al)

Aluminijasti dodajni materiali se najpogosteje uporabljajo za združitev aluminijevih zlitin

ter bakra. V največji meri se uporabljajo v industriji ogrevanj in klimatskih naprav ter v

avtomobilski industriji. Aluminijaste zlitine so po svojih lastnostih odporne proti oksidaciji

ter cenovno zelo ugodne. V naslednji tabeli podajam nekaj primerov dodajnih materialov

aluminija, ki bi se v našem primeru lahko uporabljali.

Tabela 4.2: Sestava aluminijastih kompozitov za trdo spajkanje

Sestava kovinskih kompozitov [%] Agregatno stanje [°C]

Aluminij Baker Silikon Cink Trdno Tekoče

86 4 10 - 521 585

88 - 12 . 577 582

76 4 10 10 516 560

2 - - 98 377 385

22 - - 78 426 482

Baker (Cu)

Dodajni materiali iz bakrenih zlitin imajo odlično odpornost proti koroziji, visoko

električno in toplotno prevodnost ter odlične mehanske lastnosti. Zaradi močenja in

lastnosti pretoka staljene kovine ga dodajamo k drugim zlitinam, saj se lepo razporedi po

materialu. Pogosto se uporablja z zlitino cinka in niklja. Je pa zelo občutljiv ob prisotnosti

amonijaka, saj začne pokati.

25

Tabela 4.3: Sestava bakrenih kompozitov za trdo spajkanje

Sestava kovinskih kompozitov [%] Agregatno stanje [°C]

Baker Fosfor Kositer Cink Trdno Tekoče

99.99 - - - 1082 1082

92 0.3 7.7 - 881 1026

60 - - 40 865 887

4.1.2.2 Metode

Vsi procesi, ki so tu zajeti, so skupni, torej se lahko uporabljajo tudi pri mehkem spajkanju.

Podrobneje so opisani v nadaljevanju.

Spajkanje z gorilnikom:

Za spajkanje z gorilnikom se uporablja mešanica dveh plinov, kisika in acetilena, enako

kot za plinsko varjenje. Poteka pa tako, da na spojni del materialov najprej nanesemo

talilo, ki preprečuje nastanek umazanije in zagotovi trden spoj. Nato vanje usmerimo

gorilnik. Ko sta materiala na delovni temperaturi, se nanese dodajni material različnih

zlitin, ki spoji želene dele. Dodajni material je odvisen od vrste materiala, ki ga spajamo,

ter od različnih lastnosti in področja uporabe.

Spajkanje v peči:

Pri tem postopku spajkanja uporabljamo peč, ki oddaja zadostno toploto in spoji

obdelovance. V proizvodnji to izdelujejo v serijah. Pripravljeni izdelki so skupaj z

dodajnim materialom naloženi v peč. Potem peč ogrejemo do potrebne temperature, da se

materiali spojijo, jih ohladimo in odstranimo. Izdelki morajo biti pripravljeni, torej mora

biti dodajni material pred odhodom v peč na želenem mestu.

Indukcijsko spajkanje:

Ta postopek deluje na način izkoriščanja toplote, ki nastane zaradi indukcije visoko

frekvenčnih električnih tokov. Izdelki so pripravljeni z dodajnim materialom in

izpostavljeni visokim frekvencam od 5 pa vse do 5000 kHz. Z visokimi frekvencami je

možno površinsko segreti element, z nižjimi pa toplota prodre globlje v obdelovanec.

26

Za težje in večje predmete so bolj zaželene nižje frekvence. S tem postopkom je mogoče

doseči tudi zelo visoko stopnjo proizvodnje, saj lahko visokofrekvenčni tok, ki teče v

tuljavi, namestimo kamorkoli, tudi okrog več različnih izdelkov.

Elektrouporovno spajkanje:

Uporovno spajkanje je zelo podobno uporovnemu varjenju. Razlika je v tem, da je za ta

postopek potrebno veliko manj energije ter da je med dvema elementoma, ki ju je potrebno

spojiti, predhodno nameščen dodajni material. Oprema za uporovno spajkanje je podobna

kot pri elektrouporovnem varjenju, le da spajkamo z manjšo jakostjo toka, potrebna mora

biti manjša sila stiskanja in tudi spajkanca se ne talita, torej sta lahko iz popolnoma

različnih materialov.

Spajkanje s potapljanjem:

Pri tem principu naredimo spoj med materialoma, ko obdelovanec pomočimo v kopel.

Poznamo kovinske in solne kopeli. Kovinske kopeli se najpogosteje uporabljajo pri

mehkem spajkanju. Kopel vsebuje dodajani material, ki je segret na njegovo tališče.

Obdelovancu najprej dodamo potrebno talilo, nato pa ga pomočimo v kopel. Dele, za

katere ne želimo, da se spajkajo, premažemo z zaščitno snovjo, na primer z grafitom. Solna

kopel deluje ravno obratno. Dodajni material mora biti že na površini spajke, v kopeli pa

imamo topilo. Dodajni material se stali in združi obdelovanec pri potopu v solno kopel.

Temperatura solne kopeli je odvisna od njene sestave, giblje se od 510 °C pa vse do 960

°C. Prednost spajkanja s potapljanjem je v spojih visoke kakovosti z dobrimi mehanskimi

lastnostmi ter z možnostjo avtomatizacije.

Spajkanje z infrardečo svetlobo:

Za to uporabljamo infrardeče svetilke. Te so zmožne osredotočiti svojo toplotno energijo

na zelo male površine. Generirajo lahko tudi do 5000 W sevalne toplotne energije.

Infrardečo svetlobo usmerimo na spoj za trdo spajkanje, na katerega je predhodno nanesen

dodajni material ter talilo. Ta postopek je namenjen predvsem za spajanje malih površin.

27

Našteti in opisani so bili nekateri enostavnejši postopki spajanja, s katerimi bi bilo mogoče

spojiti senzorje. Kot je že zgoraj opisano, je mogoče z mehkim postopkom spajanja spojiti

senzorje do 300 °C, s trdim pa vse do 1000 °C. Za to je potreben visok vir toplote in prava

tehnika oz. metoda spajanja.

4.2 Lasersko varjenje

Lasersko varjenje je eden izmed najpomembnejših postopkov spajanja kovinskih in

plastičnih materialov. Uveljavljeno je v mnogih panogah, predvsem v avtomobilski in

elektroindustriji. Ima veliko prednosti, kot so majhnost zvara, velika hitrost, visoka trdnost,

majhne toplotne deformacije, majhno vnašanje toplote, brezkontaktna in natančna

obdelava ter visoka koncentracija moči. Ogromno se uporablja v primerih, ko drugi

postopki odpovedo. Slaba stran laserskega varjenja je v velikem strošku nabave tega stroja.

Cene strojev laserskega varjenja za manjše elemente, kakršni bi zadostovali našim

potrebam, se gibljejo okrog 8000 € in več. Odvisno od moči in kvalitete produkta.

Pri obdelavi materialov se v glavnem uporabljajo CO2, YAG in excimer laserji. Prva dva

nudita veliko moč, tretjega odlikujejo zelo kratki pulzi in visoka pulzna energija. Deluje na

principu taljenja. V našem primeru glede na lastnosti materiala vodnika ter elementa

temperaturne sonde določimo moč laserja in s tem dva materiala zavarimo skupaj. Med

taljenjem se nekaj materiala uparja in nekaj izgoreva. Količina je odvisna od vrste

materiala, ki ga varimo, ter od gostote energije laserja. Lasersko spajkanje omogoča

izdelavo fine strukture spojnega mesta.

Lasersko varjenje:

Na spodnji sliki imamo shematski prikaz delovanja laserskega varjenja.

28

4.3: Lasersko varjenje

Shematski prikaz naprave za lasersko varjenje:

1 – aktivni medij (YAG kristal) za ustvarjanje laserskega žarka,

2 – bliskovita luč,

3 – nepropustno zrcalo,

4 – polprepustno zrcalo,

5 – optični kabel,

6 – laserski optični sistem,

7 – varjenec (predhodno stisnjene splice),

8 – fokus laserskega žarka,

9 – sistem za časovno delitev žarka,

10 – sistem za energetsko delitev žarka na več manj intenzivnih žarkov.

29

4.3 Primerjava

Lasersko varjenje Mehko spajkanje Trdo spajkanje

Pri varjenju nastanejo

najmočnejši spoji. Trdnost

spoja je lahko tudi večja od

trdnostnega razreda same

kovine.

Pri mehkem spajkanju

nastanejo najšibkejši spoji,

če denimo naštete tehnike

niso namenjene trdnosti,

ampak predvsem uporabi pri

nastanku električnih stikov.

So močnejši od mehkega

spajkanja, ampak slabši od

varjenja. Uporabni so za

nošenje bremena do neke

meje.

Temperatura, potrebna za

varjenje, se giblje okoli

3800 °C.

Temperaturno območje do

400 °C.

Temperaturno območje od

400 °C pa tudi to 1500 °C.

Obdelovanca spojimo tako,

da ju segrejemo na njuno

tališče ter združimo.

Predsegrevanje obdelovanca

pri mehkem spajkanju je

priporočljivo za izdelavo

višje kakovostnega spoja.

Za obdelovanca je zaželeno

predsegrevanje, saj tako

tvorita močnejši spoj.

Mehanične lastnosti

materiala se lahko

spremenijo med

segrevanjem in ohlajanjem.

Ni nobene spremembe

materialov med združitvijo.

Možne so spremembe

materiala pri tem postopku,

ampak so tako majhne, da so

zanemarljive.

Stroški so visoki, poraba

energije je velika in obvezna

stopnja usposobljenosti za

izdelavo je prav tako visoka.

Stroški so majhni in pred

uporabo ne zahtevajo

visokega izobraževanja.

Stroški so še vedno majhni,

zaradi visokih temperatur je

pred uporabo zahtevanega

nekaj znanja.

30

5 NAČINI SPLICANJA ELEMENTOV

Način splicanja je bil razvit zaradi potrebe nadomestitve načina spajkanja ter varjenja

materialov. Ta tehnologija zagotavlja mnogo hitrejši in doslednejši način spajanja med

vodnikom in elementom pri relativno nizkih cenovnih stroških. Pri načinu splicanja gre za

deformacijo materialov, ki jih združimo s fizično silo. Če je stiskanje narejeno kvalitetno,

je pri tem procesu element mnogo trdnejši in dlje trajajoči kot spajka. Metode splicanja se

razlikujejo od načina in obsega uporabe, od ročnih pripomočkov ter avtomatiziranih

sistemov. Zaradi avtomatiziranja se je splicanje uveljavilo kot uspešna panoga v industriji.

5.1 Autosplice ACS 2000

Podrobneje bom predstavil in v nadaljevanju preučil avtomatski stroj za splicanje podjetja

Autosplice, ki ga uporabljajo tudi v delavski družbi FBS Elektronik. Sistem za stiskanje

Autosplice je napredna metoda za proizvajanje nizkocenovnih in zanesljivih splicov. Ta

sistem je sestavljen iz polavtomatičnega stroja in koluta stalnega materiala za splicanje.

Metoda omogoča robljenje, splicanje, rezanje in preoblikovanje ter odpravlja potrebo po

dragih, vnaprej oblikovanih električnih priključkih. Sistem prav tako omogoča paleto

različnih vrst orodja ter velikosti in materialov za splicanje in izpolnjuje večino zahtev

proizvodnje.

ACS 2000 združuje 40 let izkušenj splicanja in tehnologije v učinkovit avtomatiziran stroj.

V tem razvoju je velik poudarek na enostavnosti in natančnosti delovanja, zanesljivosti ter

cenovni ugodnosti. Ponuja spekter različnih razpoložljivih velikosti orodja, ki zajemajo

skoraj neomejeno možnost uporabe v industriji. Z najnovejšo tehnologijo pri zelo hitrem

orodju, ki se tudi samodejno nastavlja glede na velikost splica, omogoča sistem časovno

zelo hitro splicanje, kar do 2300 splicov na uro, ter zmanjšuje stroške vzdrževanja.

31

5.1: Autosplice ACS 2000 (Vir: [6])

5.1.1 Metode

Omogočajo skoraj neomejeno število splicanja, kot na primer:

− žica na žico,

− žica na komponento,

− žica na kontaktor ali elektromotor,

− žica na tiskano vezje.

32

5.1.2 Material

Splice material dobimo na kolutih, ki so napeljani v orodje stroja. Material se sproti reže na

manjše kose, ki jih orodje stisne okrog želenih elementov. Spodnja stran materiala je

posebej nazobčana, za zagotavljanje dobre električne in mehanične lastnosti splicanih

elementov. Glede na različna področja uporabe imamo na voljo različne vrste materialov.

Tabela 5.1: Prikaz materialov, uporabljenih za splicanje

Material Področja uporabe

Medenina Za osnovna področja vse do 120 °C.

Medenina, prevlečena z kositrom Za osnovna področja vse do 120 °C.

Preprečujejo počrnitev.

Priporočljivo za elemente, ki so prej

spajkani.

Baker in nikelj Za osnovna področja vse do 260 °C.

Odporni na korozijo.

Možnost varjenja.

Nerjaveče jeklo Odporni na korozijo.

Za uporabo nad 260 °C.

Nerjaveče jeklo, prevlečeno z nikljem Uporabni nad 260 °C.

Zelo trd material.

Priporočljiv samo za velike spoje.

Za materiale so možne dimenzije: širina 2 mm, 4 mm, 6 mm in debelina 0,25 mm in

0,50 mm.

Neprevlečeno nerjaveče jeklo se pogosto uporablja za visokotemperaturne aplikacije.

Možnost uporabe ima tudi za manjše spoje, torej z uporabo manjših orodij. Slaba lastnost

nerjavečega jekla je, da zaradi svoje trdnosti obtiči v orodju, zato je orodje nujno potrebno

pred uporabo dobro namazati s parafinom. Za nerjaveče jeklo je maksimalna dovoljena

temperatura, ki jo proizvajalec podaja, 400 °C. Če je material stabilen pri višji temperaturi,

mora stranka sama preizkusiti na svojem izdelku.

33

5.1.3 Preverjanje kakovosti

Splicanje je čisto posebna oblika stiskanja, ki je ni mogoče primerjati z nobeno drugo. S to

tehniko sta med seboj povezana dva vodnika, včasih tudi več, zato osnovnih standardov

kakovosti ostalih tehnik stiskanj tukaj ne smemo upoštevati.

Najprej moramo preveriti, kakšne velikosti je sklop, ki ga želimo splicati, in na takšno

velikost nastavimo odrez materiala ter širino orodja. Material za splicanje je pri tej tehniki

v prvi operaciji odrezan in pripravljen. Ko je sklop na mestu za stiskanje, orodje stroja

nanese odrezan konec materiala nanj ter ga stisne, da nastane lepa povezava. Stroj ima moč

stiskanja okoli 10 kN, tako da če je sklop pred obdelovanjem na pravi poziciji in če

material ni preveč odrezan, nastane lep spoj. Splice je potrebno takoj preveriti in ob

primeru slabega stika ponoviti postopek.

5.2: Prikaz načina splicanja (Vir: 6)

Pri tem načinu nam lahko ob morebitni neprevidnosti postopek spodleti. Kakovost spoja je

mogoče preveriti in optimizirati. Pri tem pa je seveda potrebno upoštevati posebne lastnosti

splicanja. Najpogostejše napake, ki se lahko zgodijo ob neprevidnosti, so:

34

a) Orodje je preveliko, žice niso dovolj stisnjene zaradi neprilagojene velikosti

orodja na stroju.

5.3: Preveliko orodje

b) Prevelika količina odrezanega materiala, orodje je bilo pravilno izbrano, ampak

zaradi odvečnega materiala spoja ni bilo mogoče dovolj stisniti.

5.4: Preveč materiala

35

c) Material je glede na površino spoja predebel, stroj ga zaradi velikosti ni uspel

dovolj stisniti.

5.5: Predebel material

č) Pravilno izbrana material in orodje. Orodje ter dolžina materiala sta popolnoma

enaka kot na sliki c, samo da je izbran material tanjši.

5.6: Pravilen splice

36

6 SKLEP

V diplomski nalogi so preučene ter natančno opisane tehnike in materiali, ki bi se lahko

uporabljali za temperaturne senzorje PT100 ali PT1000. Največ poudarka je pri

upoštevanju termičnih lastnosti materialov. Za skoraj vsak senzor, ki se lahko uporablja na

določeni temperaturi, so raziskani vodnik, izolacija ter način združitve.

V prvem poglavju naloge sem raziskal tipe senzorjev. Torej L (low), M (medium) in H

(high). Ti senzorji se razlikujejo po kvaliteti izdelave, kar posredno pomeni tudi po

cenovni vrednosti. Kot je podrobno opisano, ima vsak senzor svoje temperaturno območje

uporabe, kar posredno privede do večje izbire temperaturnih območij izdelave.

Nadaljeval sem z vodniki ter izolacijskimi cevmi, ki so pri izdelavi takšnega senzorja

obvezne. Imamo veliko vrst vodnikov in izolacijskih cevk, omogočajo pa možnost izdelave

različnih temperaturnih senzorjev. Imamo torej vodnike iz PVC-ja, silikona, teflona,

steklenih vlaken, kremenovega stekla ter keramičnih vlaken. Razlika je tudi v debelini in

premeru samega kabla ter žice. Imamo pa tudi veliko vrst in temperaturnih območij

izolacijskih cevi. V primeru, da se bo potreboval senzor do 280 °C, lahko kaj kmalu

najdemo pravo izbiro.

Pri načinih spajanja sem opisal tri postopke, ki so uporabni pri višjih temperaturah ter za

spajanje predvsem manjših delov (moramo upoštevati, da je nogica senzorja debeline 0,25

mm). Kot tehnike spajanja elementov poznamo mehko spajkanje, trdo spajkanje ter

lasersko varjenje. Z mehkim spajkanjem lahko izdelujemo vse senzorje do nekje 300 °C,

torej dokler se dodajni material ne začne taliti. Potem uporabljamo trdo spajkanje, lahko

tudi vse do 1000 °C, ampak moramo zagotoviti takšen vir toplote. V nasprotnem primeru

lahko tudi lasersko varimo, ampak v primerjavi s prejšnjima metodama je ta izvedba

cenovno manj ugodna, saj je stroj za lasersko varjenje zelo drag. Potrebujemo ogromno

masovno proizvodnjo teh senzorjev, da lahko upravičimo stroške nakupa.

Opisan je tudi postopek splicanja elementov, ki se uporablja za izdelavo temperaturnih

senzorjev. Uporabljamo ga za vse metode izdelave do 400 °C in je zelo priljubljen

37

postopek, ker je dokaj cenovno ugoden in kakovosten. Kot dobro lastnost lahko

upoštevamo tudi, da pri tem postopku izdelave ne potrebujemo visokega vira temperature.

Praktično je potrebno preveriti le, če za izdelavo visokotemperaturnih senzorjev zadostuje

samo postopek splicanja.

Raziskal sem mnogo materialov ter načinov, s katerimi je mogoče izdelati senzorje

različnih temperatur. Nekaj primerov za različna temperaturna območja navajam v

nadaljevanju.

V primeru, da bi bilo na trgu povpraševanje za PT senzorje nižjih temperatur, se tukaj

podaja tudi rešitev. Torej, v prvi kategoriji so združeni materiali, ki so potrebni za izdelavo

temperaturnih senzorjev, ki naj bi se uporabljali na nižjih temperaturnih območjih, od −70

°C pa vse do 70 °C.

Tabela 6.1: Materiali za izdelavo senzorja od −70 °C do 70 °C

Temperaturni senzor PT za območje od −70 °C do 70 °C

Senzor: PT senzor tipa M, toleranca F0.3.

Vodnik: Žica, izolirana s teflonskim opletom; premer 0,22 mm²,

dimenzije 2 mm × 3 mm.

Izolacija: Termoskrčljiva cevka iz PO.

Spajanje: Za zagotovitev največje možne kakovosti bi bilo

potrebno element ter vodnik najprej splicati z

materialom iz medenine, potem pa uporabiti še mehko

spajkanje s potapljanjem v kovinski kopeli. Torej

izdelek najprej zatisnemo, kasneje pa še zalijemo s

spajko. To omogoča največjo možno kakovost.

Predstavljam najpogostejše senzorje, ki se najpogosteje uporabljajo za merjenje zunanje

temperature okolice.

38

Tabela 6.2: Materiali za izdelavo senzorja od 0 °C do 140 °C

Temperaturni senzor PT za območje od 0 °C do 140 °C

Senzor: PT senzor tipa L, toleranca F0.1.

Vodnik: Žica, izolirana s silikonom; premer 0,22 mm², dimenzije

6 mm.

Izolacija: Termoskrčljiva cevka iz PO.

Spajanje: Za spajanje bi izbrali popolnoma enak postopek, kot smo

ga opisali že pri senzorju za temperaturno območje od

−70 °C do 0 °C.

Postopek izdelave spajanja ter izbire materialov za senzor temperature do 400 °C je

preučen ter opisan v spodnji tabeli.

Tabela 6.3: Materiali za izdelavo senzorja od 0 °C do 400 °C

Temperaturni senzor PT za območje do 400 °C

Senzor: PT senzor tipa M, toleranca F0.3.

Vodnik: Žica, izolirana s steklenimi vlakni ter s kovinskim

opletom; premer 0,22 mm², dimenzije 3 mm × 4 mm.

Izolacija: Toplotno utrnjena izolacijska cevka iz steklenih vlaken.

Spajanje: Cenovno najugodnejša rešitev za zagotovitev najvišje

kakovosti je naslednja. Najprej je potrebno vodnik ter

element splicati z nerjavečim jeklom. Pri tem je

potrebno upoštevati tehnike in nepravilnosti, naštete v

tem poglavju. V praksi izdelave je potrebno naknadno

preveriti, če sam postopek splicanja zadostuje. V

nasprotnem primeru je potrebno še trdo lotanje. Pri tem

priporočam postopek s potapljanjem v solni kopeli, z

dodajnim materialom aluminija ter cinka, saj se tali pri

480 °C in v popolnoma trdem stanju zdrži do 420 °C.

39

V nalogi sem preučil ogromno število materialov in odkril, da lahko izdelamo tudi senzorje

višjih temperatur, zato bom dodal še postopek izdelave senzorjev, ki vzdržijo temperature

vse do 800 °C.

Tabela 6.4: Materiali za izdelavo senzorja do 800 °C

Temperaturni senzor PT za območje do 800 °C

Senzor: PT senzor tipa H, toleranca F0.6.

Vodnik: Žica, izolirana s steklenimi vlakni, obdelanimi za visoke

temperature; premer 0,5 mm², dimenzije 2 mm × 3 mm.

Izolacija: Toplotno utrnjena izolacijska cevka iz steklenih vlaken,

obdelana za visoke temperature.

Spajanje: Za spajanje senzorja za temperaturno območje 800 °C

priporočam trdo spajkanje z dodajnim materialom zlitine

bakra ter cinka. Problem nastane, ker je njegovo tališče

pri 880 °C, torej je potrebno imeti visok vir toplote.

Splicati tega ne moremo, saj nimamo tako vzdržljivih

materialov za ta postopek, zato priporočam trdo

spajkanje v solni kopeli ali način laserskega varjenja.

V diplomski nalogi sem torej raziskal potrebne materiale in načine spajanja in opisal

postopke izdelave platinastih temperaturnih senzorjev za območja od −70 °C pa do 800 °C.

40

7 VIRI

[1] Janez Tušek. Varjenje in sorodne tehnike spajanja materialov v neločljivo zvezo.

Maribor: Univerzitetna knjižnica Maribor, 2016.

[2] Craig Stinchcomb. Welding technology today. Maribor: Univerzitetna knjižnica

Maribor, 2016.

[3] FBS Elektronik. Razvoj in izdelava temperaturnih tipal. Velenje: FBS Elektronik d. o.

o., 2016.

[4] William F. Hosford. Materials for engineers. Maribor: Univerzitetna knjižnica

Maribor, 2016.

[5] Fachkude Mehantronik. Mehatronika.

[6] Autosplice Europe GmbH (svetovni splet). URL: http://www.autosplice-solutions.com/.

[7] Ebooks. Design of electrical services for buildings.

[8] Heraeus brošura (svetovni splet). URL:

https://www.heraeus.com/media/media/group/doc_group/products_1/hst/Heraeus_Sensorbr

oschuere_2016_englisch_Web.pdf.

[9] Thermosense (svetovni splet). URL:

http://www.thermosense.co.uk/category/thermocouple_cable.html.

[10] Awcwire (svetovni splet). URL:

http://www.awcwire.com/categorygroup.aspx?id=tubing.

[11] Kurtzersa (svetovni splet). URL: http://www.kurtzersa.com/electronics-production-

equipment/soldering-machines.html.