Mer pålitelig sensor med ventil

Tingenes Internett er i stadig vekst, og det antas at mellom 25 og 30 milliarder elektroniske enheter vil ha trådløs tilkobling innen 2020. Formålet med enhetene er å utveksle data med andre tilkoblede enheter eller operatører for å få utført oppgaver som å

• rotere solcellepaneler for å få best mulig tilgang til sol, eller måle fuktigheten i luft og jord ved bruk av vanningsanlegg innen landbruket og annen næringsvirksomhet
• øke sikkerheten i kjøretøy med hjelpesystemer i biler og tunge redskaper
• kontrollere produksjonsprosesser med hensyn til kvalitetssikring eller lagerstyring
• utvikle smart-by-nettverk for å bedre trafikkflyten, styre belysningen på parkeringsplasser og i gågater, kontrollere strømforbruk og registrere faktorer som vær og luftkvalitet

En billion sensorer
De intelligente enhetene er normalt utstyrt med sensorer for å samle inn data i sanntid. Det kan dreie seg om alt fra fuktmålere og gassdetektorer i industrien til akselerometre i seismisk utstyr. Innenfor industrien antas det at over en billion sensorer vil bli brukt til slike formål innen 2020. Dataene fra en elektronisk enhet kan imidlertid ikke bli mer pålitelige enn sensorene som samler inn dataene.

Når sensoren svikter
Hva kan være årsaken til at en sensor fungerer dårlig eller svikter helt? De fleste intelligente enheter blir installert under forhold som ikke er særlig gunstige for sensoren. Det kan være et miljø der fuktighet, partikler og fremmedlegemer trenger inn, eller sensoren kan bli utsatt for kondens, høytrykksspyling, støt eller vibrasjon. Dersom sensoren monteres på kapslingen til enheten, må den kunne tåle disse påkjenningene. Hvis sensoren er integrert i den elektroniske enheten, kan den være bedre beskyttet mot miljøet utenfor, men fortsatt utsatt for temperatursvingninger og trykkvariasjoner.

Mange krav
En sensor som er innebygd i en enhet og kontrollerer lysdioder, må for eksempel holde tritt med kravene til en teknologi som er i konstant utvikling:

• avanserte komponenter som er mer følsomme overfor indre temperatur og fuktighet
• klare linser som skaper kondens og påvirker lyssensoren i større grad, med flere reklamasjoner som følge
• lysdioder som skal holde lenger og må beskyttes bedre mot både fremmedlegemer og kondens

”Vanntett” ingen garanti
For at den følsomme elektronikken skal være beskyttet, blir sensorkapsling gjerne fremstilt av robust materiale, og de tettes med slitesterke pakninger og kraftige bolter. Kapslingen blir luft- og vanntett, noe som særlig er viktig ved IP-klassifisering (Ingress Protection) eller NEMA-klassifisering (National Electrical Manufacturers Association). Etter at sensoren er installert, kan det imidlertid vise seg å være vann og partikler i kapslingen allikevel. Vanntette kapslinger garanterer ikke nødvendigvis for langvarig beskyttelse og stabil ytelse ettersom det ikke er tatt høyde for trykkforskjeller – som etter hvert kan føre til lekkasje.

Årsaken til lekkasje
Det at gass trekker seg sammen og utvider seg, er et naturlig fenomen som ofte blir oversett. Når temperaturen på innsiden og utsiden skifter under strømsyklusene til elektronikken, vil luften på innsiden utvide seg eller trekke seg sammen, og det oppstår trykkforskjeller. Kapslingen prøver å utjevne trykket på innsiden ved å føre luft ut eller inn – en prosess som gjerne omtales som pusting. I omgivelsestilstander uttrykker tilstandsligningen for idealgass forholdet mellom temperatur, trykk og volum som PV = nRT, der P er trykk, V er volum, n er stoffmengde, R er idealgasskonstant og T er temperatur.

Trykkforskjeller
Hvis kapslingen er helt lufttett, dannes det et overtrykk eller undertrykk på innsiden. Overtrykk får huset til å utvide seg, mens undertrykk skaper et vakuum. Begge deler medfører en belastning på forsegling, ledd og pakninger, som blir mindre effektive. Fuktighet og fremmedlegemer begynner å trenge forbi forseglingen når det er vakuum på innsiden, noe som kan føre til korrosjon og elektronisk svikt.

Temperatur
Temperaturforandringene på utsiden kan være dramatiske, så vel på en helt vanlig dag som under et plutselig tordenvær. Tenk deg sensorene på en bil som står parkert utendørs om vinteren. Så snart bilen startes, varmes motoren opp og når raskt temperaturer mellom 100 °C og 120 °C. Overgangen fra kald til varm temperatur får luften i sensorkapslingen til å utvide seg, og forseglingen utsettes for belastning. Eller tenk deg det motsatte: Luften i sensorkapsling på et solcellepanel er ekstremt varm på dagtid. Når panelene rengjøres ved hjelp av høytrykksspyling, faller temperaturen brått, og trykket på innsiden av husene kan falle med over 137,9 mbar. Det kan føre til at selv den kraftigste forsegling gir etter.

Utjevning av trykkforskjell
Det er utviklet en rekke metoder for å utjevne trykkforskjell. Én metode er å lage enten rette eller kurvede hull i kapslingen, men en slik åpen løsning medfører også at fremmedlegemer som støv, smuss, vann og insekter kan trenge inn i kapslingen og skade elektronikken.

Derfor velger mange produsenter å forsegle kapslingen hermetisk for å beskytte elektronikken. Hermetisk forsegling krever imidlertid at det bare benyttes materiale som er helt ugjennomtrengelig, og plastkomponenter er helt utelukket. Denne løsningen er ofte uaktuell, ettersom kapslingen blir ekstremt tungt og svært kostbart.

Dessuten vil ikke den hermetiske forseglingen kunne opprettholdes når ledninger føres inn i kapslingen, siden fuktighet og fremmedlegemer vil kunne trenge forbi gummien etter hvert som den forringes som følge av miljøfaktorer, aldring og trykkforskjeller.

Ulemper
En annen metode er å bruke støpemasse. Støpemasse kan imidlertid føre til strekkspenning og skade på kretskort.  Og akkurat som hermetisk forsegling er ikke støpemasse alltid et alternativ, for det gjør at elektronikken ikke kan repareres eller skiftes ut, kapslingen blir tung og kostbar, og produksjonsprosessen krever bruk av spesialutstyr.

Andre vanlige løsninger er bruk av større og kraftigere forsegling, sterkere pakninger eller flere muttere og bolter. Disse alternativene vil løse problemet med lekkasje og fremmedlegemer der og da, men de er kortsiktige og kan svikte ettersom hovedproblemet med trykkforskjellene ikke er løst. Enheten blir bare mer lufttett og dyrere å fremstille uten at det tas tak i hovedårsaken til problemet.

Trykkutjevning som ikke påvirker ytelsen
Ventiler av ekspandert polytetrafluoretylen (ePTFE) gir både konstant trykkutjevning og beskyttelse mot miljøet utenfor. Ekspandert polytetrafluoretylen er en unik, mikroporøs, kjemisk stabil og naturlig vanntett membran. Den unike mikrostrukturen av noder og fibriller er åpen nok til å slippe gjennom gassmolekyler og damp, samtidig som åpningene er så små at væske og andre fremmedlegemer holdes ute. Ekspandert polytetrafluoretylen er også motstandsdyktig mot UV-stråler og fungerer pålitelig innenfor et stort temperaturområde. Det gjør materialet egnet for de krevende miljøene som sensorer installeres i.

En sammenligning
Figur 1 sammenligner ulike husløsninger ved vakuum. Den stiplede grønne linjen på -75 mbar er punktet der vakuumet anses som stort nok til å gi lekkasje i et forseglet hus. Den lilla linjen representerer et hermetisk forseglet metallhus, som tåler trykkforskjellene. Den røde linjen representerer et vanlig metall- eller plasthus med pakninger i klasse IP67. Dette huset tåler vakuumtrykk på om lag -70 mbar , men medfører fare for lekkasje når denne grensen nås. Den permanente sammentrykningen vil også øke etter hvert som pakningene eldes, slik at pakningene svekkes ved mindre trykkforskjell.  Den blå linjen representerer et ventilert kapsling, hvor trykkforskjell utjevnes raskt, slik at trykket i kapslingen ikke overstiger -35 mbar og forseglingen utsettes for minst mulig belastning.

Rimelig og bra
Den unike strukturen til ekspandert polytetrafluoretylen gir mer pålitelige elektroniske enheter der trykket utjevnes kontinuerlig og problemet med trykkforskjeller er løst. Ventiler av ekspandert polytetrafluoretylen er rimeligere å produsere ettersom det benyttes færre bolter og stilles mindre krav til kapsling , pakninger og o-ringer. Forseglingen utsettes ikke for konstant belastning og krever derfor mindre vedlikehold og færre reparasjoner. Produktet får lengre levetid, og de totale eierkostnadene blir lavere.

Valg av riktig ventil
Pålitelighet er en avgjørende faktor for ethvert produkt. Det er ikke bare å velge en del fra en katalog når du skal finne riktig ventil. Ventiler kommer i en rekke former, materialsammensetninger og størrelser – alle med ulik luftgjennomstrømning og slitestyrke. Derfor bør mikrostrukturen til membranen av ekspandert polytetrafluoretylen utformes med hensyn til kravene som det aktuelle bruksområdet medfører, for eksempel når det gjelder maksimal luftgjennomstrømning, IP-klasse, høyeste og laveste temperatur, standarder kapsling  må samsvare med, og størrelsen på kapslingen. IP-klassen som gjelder for en enhet, fastsetter kravet til motstandsdyktighet mot vanntrykk og faste stoffer som ventilmembranen skal oppfylle, mens omgivelsene kan påvirke metoden og plasseringen av ventilen i kapslingen.

Samarbeid viktig
Når du skal velge ventilløsning, bør du samarbeide med produsentens ingeniører for å forsikre deg om at ventilen vil fungere stabilt i det aktuelle bruksområdet. Prosessen begynner med at trykkforandringen i kapslingen modelleres basert på varmen og luftutvekslingen i kapslingen under verst mulige forhold og ved bruk av ulike ventiler. Testing av faktisk ytelse kan omfatte luftgjennomstrømning gjennom enheten, vanntrykk, klimakammer og installeringskompatibilitet. Når slik testing er utført, bør produsenten kunne hjelpe deg med å velge installeringsmetode (om enheten skal sveises, limes, skrus eller smekkes på plass), hvor stor ventilen skal være, hvilken utforming den skal ha, om den skal bestå av plast eller metall, og så videre.

Svakt punkt
Dersom arbeidet med å teste og integrere en ventil ikke er grundig nok, kan ventilen bli det svakeste punktet på et hus og elektronikken på innsiden skades. Valg av riktig ventil av ekspandert polytetrafluoretylen for trykkutjevning kan derimot øke ytelsen til enheten ved å forhindre at partikler og vann trenger inn, mens fuktighet slippes ut. Resultatet er et produkt med lengre levetid, en lavere totalkostnad og en sterkere merkevare.