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.