Sensori più affidabili grazie a soluzioni di sfiato mirate

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Lo sviluppo di soluzioni di sfiato per applicazioni in ambienti ostili da parte di W. L. Gore & Associates prevede test per la verifica delle prestazioni del prodotto

Sensori & Trasmettitori

negli involucri non ventilati la pressione può provocare un malfunzionamento delle guarnizioni. L’involucro ventilato equalizza la pressione senza mai raggiungere il punto critico a partire dal quale le guarnizioni si danneggiano
negli involucri non ventilati la pressione può provocare un malfunzionamento delle guarnizioni. L’involucro ventilato equalizza la pressione senza mai raggiungere il punto critico a partire dal quale le guarnizioni si danneggiano

L'industria stima che con la continua crescita dell'Internet delle cose entro il 2020 ben 30 miliardi di dispositivi elettronici saranno connessi senza fili usando oltre un trilione di sensori dedicati alla raccolta di dati in tempo reale. L'affidabilità dei dati provenienti dal dispositivo elettronico dipenderà strettamente dall'affidabilità dei sensori deputati alla raccolta dei dati stessi.

Quali fattori possono compromettere le prestazioni del sensore o determinarne il malfunzionamento? La maggior parte dei dispositivi intelligenti è installata in ambienti ostili che possono influire negativamente sulle prestazioni del sensore esposto, ad esempio, a condizioni atmosferiche avverse, all'ingresso di umidità, particelle e altri agenti contaminanti, condensa, getti ad alta pressione, urti e vibrazioni. Generalmente i progettisti sviluppano involucri realizzati con materiali robusti, guarnizioni a lunga durata e viti resistenti in grado di garantire grande ermeticità e protezione ai delicati dispositivi elettronici. L'involucro così concepito è effettivamente impermeabile all'acqua e all'aria, requisito essenziale per soddisfare gli standard IP (di protezione contro la penetrazione) o NEMA (National Electrical Manufacturers Association). Ma dopo l'installazione sul campo, nell'involucro possono iniziare a penetrare acqua o particelle. L'impiego di involucri stagni all'acqua non garantisce necessariamente una protezione duratura e una prestazione affidabile perché non risolve il problema degli sbalzi di pressione che, con il tempo, possono causare vie di dispersione.

Ragioni all'origine delle perdite

Al variare della temperatura esterna e interna durante i cicli di reset dell'elettronica, con i cambiamenti del tempo, l'aria interna all'involucro si dilata o contrae provocando variazioni di pressione. L'involucro, per così dire, "respira" e tenta di equalizzare la pressione interna aspirando o espellendo aria. Se l'involucro è completamente stagno all'aria, la variazione di pressione interna determina una pressurizzazione o depressurizzazione. La pressurizzazione tende a gonfiare l'involucro, mentre la depressurizzazione genera una depressione. In entrambi i casi risultano sollecitati guarnizioni, giunti e elementi di tenuta, compromettendo e danneggiandone la funzionalità. Le guarnizioni danneggiate lasciano penetrare umidità e agenti contaminanti quando nell'involucro si crea una depressione; con il tempo si possono avere fenomeni di corrosione o malfunzionamenti a livello elettronico.

Protezione contro i differenziali di pressione

Nel corso degli anni sono stati sviluppati diversi metodi per eliminare i differenziali di pressione. Praticando un foro nell'involucro o dotando il foro di un percorso tortuoso si eliminano gli sbalzi di pressione aprendo però la strada agli agenti contaminanti che pregiudicano il funzionamento dell'elettronica. Un'altra soluzione prevede il ricorso a guarnizioni ermetiche e l'impiego di soli materiali impermeabili escludendo così i componenti in plastica. Questa opzione risulta però impraticabile per la maggioranza delle applicazioni essendo estremamente pesante e costosa. Non solo, ma i cavi che entrano nell'involucro vanificano lo scopo delle guarnizioni ermetiche perché, sotto l'effetto di fattori ambientali, dell'invecchiamento e dei differenziali di pressione, il passacavo in gomma si degrada diventando così potenziale punto d'ingresso per umidità e agenti contaminanti. Un'altra soluzione prevede, fra l'altro, il ricorso a composti per sigillatura. Tuttavia i materiali di sigillatura possono sottoporre i circuiti stampati a uno sforzo di trazione, causandone la deformazione[1].

Equalizzare la pressione senza compromettere le prestazioni

Gli sfiati realizzati in politetrafluoroetilene espanso (ePTFE) assicurano un'equalizzazione continua della pressione e, al contempo, la tenuta ambientale. Il PTFE espanso presenta una struttura unica nel suo genere: la membrana microporosa è chimicamente stabile e intrinsecamente impermeabile all'acqua. La microstruttura a nodi e fibrille è sufficientemente aperta da lasciare passare le molecole gassose, vapore incluso, respingendo invece liquidi e altre particelle. Il PTFE espanso è resistente ai raggi UV, funziona in modo affidabile con un'ampia gamma di temperature ed è perciò adatto agli ambienti ostili nei quali sono installati i sensori. La figura 1 mostra un raffronto fra diverse soluzioni di protezione, osservate durante la fase in cui si crea una depressione nell'involucro.

La linea verde tratteggiata indica in -75 mbar (-1.09 psi) il punto stimato a partire dal quale la depressione è sufficientemente forte da causare una perdita di tenuta nell'involucro sigillato. La linea viola rappresenta un involucro metallico a tenuta stagna che resta ermetico nonostante i differenziali di pressione. La linea rossa rappresenta invece un tipico involucro in metallo o plastica con guarnizioni conformi a IP67. Nella fase iniziale l'involucro resiste a pressioni fino a -70 mbar circa (-1.02 psi); oltrepassato questo valore la funzionalità delle guarnizioni risulta compromessa e iniziano le perdite di tenuta. Inoltre, con il tempo, l'invecchiamento della guarnizione contribuisce a un graduale incremento del compression set, con conseguente danneggiamento della guarnizione a differenziali di pressione inferiori2. La linea blu, infine, rappresenta un involucro ventilato che dissipa rapidamente i differenziali di pressione in modo che la pressione interna resti inferiore a -35 mbar (-0.51 psi), riducendo così il carico sulle guarnizioni. Unica nel suo genere, la struttura del PTFE espanso accresce l'affidabilità dei dispositivi elettronici tramite un'equalizzazione costante che elimina il problema dei differenziali di pressione; utilizzando sfiati in ePTFE si riduce il numero di viti necessarie e si alleggerisce e semplifica la struttura di involucri, guarnizioni e O-ring, abbattendo i costi di fabbricazione. Le guarnizioni necessitano perciò minore manutenzione e riparazione non essendo sottoposte al continuo stress da pressione; ciò si traduce in una maggiore affidabilità del prodotto nel lungo periodo e in una riduzione del costo totale di possesso.

Scelta del dispositivo di sfiato più adatto

Gli sfiati disponibili variano per forma, materiali e dimensioni, livello di flusso d'aria e durata utile. La microstruttura della membrana in ePTFE deve essere progettata per soddisfare le esigenze della specifica applicazione tenendo conto, ad esempio, del flusso d'aria massimo, della classe IP, delle temperature estreme, della dimensione e dei requisiti ai quali l'involucro deve conformarsi. La classe IP specifica del dispositivo determina il grado di protezione dalla pressione dell'acqua e dei solidi che la membrana di sfiato deve garantire; le condizioni dell'ambiente circostante possono influire sul metodo e la collocazione dello sfiato all'interno dell'involucro. Una volta scelta la potenziale soluzione è opportuno verificare assieme allo staff tecnico del produttore che lo sfiato svolga la sua funzione in modo affidabile all'interno della specifica applicazione e in condizioni operative reali.

 

[1] Tulkoff, Cheryl. Reliability Challenges for Solar Electronics. SolarPower International 2012 Presentation.2 ASTM D395, "Standard Test Methods for Rubber Property - Compression Set", descrive le modalità di misurazione del compression set dei materiali polimerici.

Pubblicato il 4 Marzo 2016 - (168 views)
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