ISRN UTH-INGUTB-EX-E-2010/06 SE
Examensarbete 15 hp
Augusti 2010
Klimatkabinett
Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student
Abstract
Klimatkabinett - komponenter och konstruktion
Climate cabinet - components and construction
Anders Ullbors
This report describes the construction of a climate-cabinet for testing of HV-cards (High Voltage) produced at VG Scienta. The main part of the report describes all the different components of the cabinet. The most important parts are a PID regulator from Eurotherm model 2408, a solid state contactor (SSC), a thermocouple, a finned resistor from DBK and different fans. The report even includes the connection between components by cable wiring, isolation, grounding, fuses and shaping of metal goods.
As the cabinet also communicates with a computer, the report includes the solution of the data communication using the software iTools from Eurotherm. The
communication part includes information about a converter that converts EIA422 to USB.
The cabinet was produced at a company, called VG Scienta, in Uppsala during the spring 2010. The construction of an additional climate-cabinet was necessary because during the last year Scientas productivity increased, and it was important for the company to be able to manage the testing of an increased number of electronics.
Which solution is best for the heating of a cabinet? How does the communication work between a PC and a Eurotherm 2408 regulator? How to detect the
temperature inside of the cabinet? These are some of the topics which are discussed.
The finished cabinet resembled the old cabinet in many ways. The difference between them is that the later one allows the testing of twice as many HV-cards, in an even more flexible way by the communication between the regulator and the computer. It means that the regulator parameters can be set continually and by programming it is possible to save the settings, the parameters and the curves.
ISRN UTH-INGUTB-EX-E-2010/06 SE Examinator: Lars Ericsson
Sammanfattning
Rapporten beskriver konstruktionen av ett klimatkabinett som används för testning av HV-kort (High Voltage) vid företaget VG Scienta. Den mer
ingående delen behandlar de olika komponenterna som klimatskåpet består av. Komponenterna är bland andra en regulator av modell Eurotherm 2408,
halvledarrelä, termoelement, PTC-motstånd (Positive Temperature Coefficient) och fläktar. Rapporten tar också upp metoder för montering. Med det menas kablering, isolering, avsäkring, jordning och utformning av metallgods. Kabinettet ska kunna kommunicera med en dator därför innefattar även rapporten en del datakommunikation samt programvaran iTools ifrån Eurotherm. I den digitala kommunikationen ingår även användningen av en konverterare, EIA422 till USB, med.
Konstruktionen utfördes på Uppsalaföretaget VG Scienta under våren 2010. Anledningen till bygget var att Scienta behövde ytterligare ett klimatkabinett för att kunna utföra sina tester på elektronik av olika slag. Testerna innefattar kvalitetstest och åldring av kretskort. Då Scientas produktivitet gått upp under senare år var behovet stort av ytterligare ett klimatkabinett.
Hur fungerar uppvärmningen av ett klimatkabinettet? På vilket sätt kommunicerar regulatorn med datorn? Hur känner man temperaturen i kabinettet? Rapporten ger svar på dessa frågor.
Innehållsförteckning
1 INLEDNING - VARFÖR ETT KLIMATKABINETT? ...1
1.1FÖRETAGSPRESENTATION ...1
1.2BAKGRUND ...1
1.3SCIENTAS TESTER ...3
1.4SYFTE ...4
1.5FRÅGESTÄLLNING ...4
2. GENOMFÖRANDE - TEKNISK BESKRIVNING AV SYSTEMET OCH DESS KOMPONENTER ...4
2.1PID REGLERING ...5
2.2EUROTHERM 2408–PID REGULATOR ...6
2.3TERMOELEMENT TYP K ...9
2.4HALVLEDARRELÄ –SOLID STATE CONTACTOR (SSC) ... 10
2.5PTC MOTSTÅND –POSITIVE TEMPERATURE COEFFICIENT ... 10
2.6FLÄKTAR – VÄRMEFÖRDELNING ... 12
2.7DOM-KORT - FUNKTION OCH TILLVERKNING ... 12
2.8MATNINGSSPÄNNINGAR ... 12
2.9PLÅTAR OCH CHASSI ... 14
2.10KABLERING ... 15 2.11SÄKERHET ... 16 2.12MONTERING ... 16 3. TEST ... 17 3.1TEST – KOMMUNIKATION ... 17 4. RESULTAT... 18
5. SLUTSATSER OCH FÖRSLAG TILL FRAMTIDA FÖRBÄTTRINGAR ... 18
5.1HV-SWITCH ... 18
5.2PLÅTAR OCH MONTERING ... 18
5.3ISOLERING ... 18
5.4KOMPONENTPLACERING ... 19
5.5ÖVRIGT ... 19
KÄLLFÖRTECKNING ... 19
1 Inledning - Varför ett klimatkabinett?
1.1 Företagspresentation
Examensarbetet utfördes på företaget VG Scienta under våren 2010. År 1986 grundades Gammadatakoncernen utav en grupp fysiker och
forskarstudenter från Uppsala universitet. Gammadatas ursprungliga uppdrag var att mäta nedfallet av radioaktivitet i och utanför Sverige efter olyckan i kärnkraftverket i Tjernobyl 1986. Gammadata är ett ledande företag inom forskning, utveckling och applikationer inom tillämpad atom- och kärnfysik samt ytfysik.
Gammadata har tre dotterbolag som alla inriktar sig på olika områden. De är Gammadata Mätteknik, Gammadata Instruments samt VG Scienta. Mätteknik, även kallat SAUNA, lägger sin fokus på mätning av radon i luft och i vatten. Instruments har agenturförsäljning av instrument för fysikapplikationer, samt försäljning och tillverkning av instrument som kan detektera kärnexplosioner. VG Scienta sysslar med utveckling, tillverkning och försäljning av instrument och komponenter för vakuumteknologi och ytfysik.
1.2 Bakgrund
VG Scienta är världsledande idag vad det gäller elektronspektroskopi. Företaget tillverkar och marknadsför i huvudsak elektronspektrometrar av olika slag och precision. Scienta marknadsför även annan typ av forskarutrustning.
Den teknik Scienta använder i spektrometrarna är en utveckling av det bidrag Kai Siegbahn gav spektroskopin och som sedan gav honom Nobelpriset.
Scientas olika instrument har revolutionerat vad man kallar för ”Angle resolved photoemission spectroscopy” (ARPES) (se bild 1.), för att de kan mäta
Bild 1. Spektroskopi
De olika spektrometrarna har exempelvis produktnamn som R4000 (se bild 2.), R3000, R8000. Dessa elektronspektrometrar består bland annat utav en enhet som levererar högspänningar med olika nivåer till annan apparatur.
Högspänningsgivaren (se bild 3.) är designad med extremt hög stabilitet för att utrustningen ska kunna leverera noggranna och stabila resultat. I den så kallade spänningsgivaren sitter kretskort av typerna DAC (Digital Analog Converter) och HV (se bild 4.). Deras huvudsakliga uppgifter är att leverera spänningar av olika nivåer. HV-korten levererar spänningar i området 100-6000 volt, och DAC-korten levererar spänningar under 100 volt. DAC-korten har även som uppgift att konvertera digitala signaler till analoga.
Bild 2. Spänningsgivare med analysator. R4000
Bild 4. HV-kort
1.3 Scientas tester
För att VG Scienta ska kunna garantera hög kvalitet så genomgår alla deras produkter flera olika tester. När det gäller spänningsgivarna så genomgår vardera HV-kort strömförbrukningstest, isolationstest, rippeltest, åldring och R-test innan de placeras i spänningsgivaren. Efter dessa R-tester och efter att korten placerats i spänningsgivaren så tillkommer även ytterligare tester.
Man tar alltså reda på kortets strömförbrukning, hur pass bra vissa komponenter är isolerade från varandra, samt hur mycket utspänningen avviker ifrån ett önskat värde i rippeltestet. Åldring är precis som det låter, man placerar testobjektet i ett klimatkabinett under tre dygn för att alla komponenter ska ”köras in (burn in)”. I klimatkabinettet utför man även R-testet som innebär att man kan se hur utspänningen beter sig med varierande temperaturer. R-testet utförs efter åldringen och är ett kvalitetstest av objektet. Testobjektet är under R-testning kopplat till en PC där en mjukvara läser av utspänningen och ritar en graf som är en funktion av temperaturen.
Inget kretskort som placeras i spänningsgivarna får ha en utsignal som avviker med mer än 20ppm från önskad utsignal. Avviker utsignalen med mindre än 2ppm så är kortet av bästa kvalitet. Det är resultatet av R-testet som sedan avgör om kortet ska placeras i en spektrometertyp R3000, R4000 eller R8000.
Som nämns ovan utförs åldring och R-test i ett klimatkabinett. Båda dessa procedurer är väldigt tidskrävande. R-testet tar ca 8 timmar och åldringen omkring 72 timmar. I varje spänningsgivare ingår ofta upp till 21 stycken HV-kort och fem stycken DAC-HV-kort. Åtgången är alltså hög på dessa HV-kort, speciellt då HV-korten.
VG Scienta har sedan tidigare ett klimatkabinett vilket har kapaciteten att åldra 24 HV-kortåt gången, eller att R-testa 5 HV-kortåt gången. Det är
Det nuvarande klimatkabinettet används även för utveckling, inom företaget, av nya produkter och ibland uppstår ”krockar” mellan olika projekt och produkter för försäljning. Behovet av ytterligare ett klimatkabinett är tydligt.
1.4 Syfte
Åldring och R-test har alltså blivit lite utav en flaskhals för Scienta och för att underlätta för elektronik-avdelningen har ett beslut tagits om att ytterligare ett klimatkabinett ska byggas. Syftet med detta var uppenbart, att se till att löften kan hållas gällande leveranser samt att personalen på elektronikavdelningen inte ska beordras för mycket övertid. Med två kabinett kan de också agera som backup-system åt varandra om något oväntat skulle inträffa. Även projekt inom företaget kan flyta på bättre om det inte sker fördröjningar som följd av långa väntetider på tester av objekt.
Det äldre klimatkabinettet har möjlighet att testa två olika typer av kort, DAC samt kort. Det senare kabinettet kommer endast att klara av att testa HV-kort, men dubbelt så många som det tidigare kabinettet. Huvudsyftet med hela arbetet är att utöka möjligheterna för Scienta att testa och kontrollera kort av typen HV. Det är dessa kort som har högst omsättning.
1.5 Frågeställning
Innan själva bygget av klimatkabinettet kunde börja var det en del frågor som behövde redas ut.
Vilken regulator ska köpas in och varför? Vilka egenskaper ska kabinettet ha?
Vilka strömmar, spänningar, effekter kräver/drar komponenterna, och hur ska då kabinettet kableras upp?
Hur ska det gå till att värma upp kabinettet? Vilken typ av temperaturgivare ska användas?
Hur ska reglerparametrarna i regulatorn sättas, och varför?
Hur ska önskan om att kunna styra, logga regulatorparametrar från en PC uppfyllas. Dvs. kommunikationsfunktion.
Hur kan kostnaderna hållas ner?
Onekligen tillkom ytterligare frågor under tillverkningen av kabinettet.
2. Genomförande - Teknisk beskrivning av
systemet och dess komponenter
Det tidigare kabinettet har fungerat tillfredställande enligt samtal med personal på elektronikavdelningen. Därför bestämdes att det nya kabinettet så gott som kunde få bli en kopia av det äldre, med några justeringar. De krav som fanns var att det nya kabinettet skulle först och främst hantera HV-kort, dvs. inga DAC-kort, samt att parametrar för regulatorn ska gå att sätta och loggas ifrån en PC. Det innebär att regulatorn måste kunna kommunicera med en dator.
Det äldre kabinettet gjordes tillgängligt för fotografering samt för att ta
Först ges en snabb beskrivning om vad som menas med PID-reglering. Sen beskrivs de ingående komponenterna som kom att stå för kabinettets funktion. Slutligen beskrivs själva monteringen av kabinettet.
2.1 PID reglering
En regulator använder man då man vill kunna styra vissa storheter av ett system , d.v.s. att få systemet att uppföra sig i önskad riktning. Regulatorer kommer av olika slag. En PID-regulator är en mekanism som använder sig av en
proportionell (P), en integrerande (I) och en deriverande (D) del för att beräkna en styrsignal (u) till systemet så att vi kan få en önskad utsignal (y) kallat ärvärdet [9]. (1)
e
dt
d
K
d
e
K
e
K
u
D t I P 0)
(
Ovan i ekvation (1) ses PID-algoritmen, den ger styrsignalen u. K står för konstanter och det är dessa man vill beräkna för just sitt system. KPe är den proportionella delen där e helt enkelt är skillnaden mellan ögonblicklig utsignal (ärvärdet) y och och börvärdet r. Detta kallas för reglerfelet e (2).
(2)
e
r
(
t
)
y
(
t
)
Vid enbart P-reglering låter man alltså styrsignalen vara proportionell mot reglerfelet. Det är på detta sätt man bestämmer Kp. Enbart P-reglering innebär att man kan få ett system som svänger mycket eftersom med P-reglering så kompenserar man för störsignaler men man kan ej eliminera dom. Därför använder man sig även av en integrerande del (3) för att beräkna styrsignalen.
(3)
U
K
e
d
t I I 0)
(
Den integrerande delen har alltså till uppgift att eliminera reglerfelet. Man vill även att systemet så snabbt och stabilt som möjligt ska svänga in mot
referenssignalen. Därför använder man sig även av en deriverande del (4). Den har alltså i uppgift att få den återkopplade signalen att så snabbt som möjligt svänga in mot referenssignalen utan att få instabilitet, dvs. allt för mycket svängningar. (4)
dt
de
K
U
D DFör det system som utgör klimatkabinettet så kan ett blockschema för
2.2 Eurotherm 2408 – PID regulator
Den viktigaste komponenten att välja är förstås regulatorn. När man beslutat om tillverkare och modell är det enklare att veta vilka komponenter som ska arbeta tillsammans med regulatorn. Det fanns önskemål från Scientas att regulatorn i det äldre och regulatorn i det nya kabinettet skulle kunna styras och loggas ifrån en och samma dator. Därför togs beslutet att beställa en likadan regulator som i det äldre kabinettet. På så vis blir det så enkelt som möjligt att senare
seriekoppla dom och hantera båda med samma mjukvara. Det blev därför ytterligare en PID-regulator utav modellen Eurotherm 2408 (se bild 5.), med tillvalet av kommunikations-modulen EIA485 4-wire, eftersom den ska kunna kommunicera med en dator. Se mer under 2.2.1 – Kommunikation. Den äldre regulatorn har dock inte kommunikationsmodulen ännu.
Bild 5. Eurotherm 2408
Eurotherm tillhandahåller även med mjukvaran iTools, som är specifikt
framtagen för kommunikation mellan dator och regulator. Med iTools kan man även logga och på så vis övervaka sina körningar samt sätta alla parametrar som finns tillgängliga i regulatorn. Se mer under 2.1.2 – iTools.
När man beställer en regulator från Eurotherm får man ange vilka moduler man vill ha installerade. Det beror förstås på vad man ska använda regulatorn till. När regulatorn är hårdvarukodad gör även Eurotherm de mjukvaruinställningar som passar ens önskemål. För de olika programmen man sen vill köra på regulatorn görs individuella inställningar.
Det finns en hel del sätt att kontrollera/programmera regulatorn på och det finns många menyer att sätta parametrar i. Det viktigaste att sätta, för att få regulatorn att jobba som vi vill, är PID parametrarna. Genom att sätta dessa bra får
regulatorn önskad funktionalitet och på så viss kan den ge signaler till andra komponenter så att rätt klimat erhålls i kabinettet. Regulatorn kommer att arbeta efter ett program som efter olika tid ger signal om att temperaturen i kabinettet ska ändras. När en sådan signal om förändring sker, exempelvis vid
temperaturökning, känner regulatorn av via en temperaturgivare, se mer under
styrsignal till ett relä, se mer under 2.4 – Halvledarrelä, att sluta en viss krets som styr värmeökningen i skåpet. På baksidan av regulatorn finns flera olika utgångar. Då det är dags för temperaturökning ges signal på en utgång, och vid temperaturminskning ges signal på en annan utgång. På detta sätt aktiveras olika kretsar som sköter uppvärmning och avkylning. Önskan är att temperaturen i kabinettet ska följa en given referenssignal (börvärde) som man sätter i
regulatorn. I och med att regulatorn kommer att köra ett program kommer denna referenssignal vara olika för olika tider. Vid vissa tider kommer den att vara 50
C och andra tider 60 C. Detta är de temperaturer Scienta använder för åldring och R-test. Programmet resulterar i en programkurva (se bild 6.).
Bild 6. Programkurva
2.2.1 Kommunikation – Regulator till dator (Skriv om differential signaling. Sen klart)
Vid beställning av regulator från Eurotherm väljer man vilken typ av
kommunikationsmodul regulatorn ska ha. I och med att det blev modell 2408 så fanns endast ett par alternativ då kommunikationsvariant skulle väljas. Till slut bestämdes att regulatorn skulle bestyckas med en kommunikationsmodul som överför data med standarden RS422, även kallad EIA422 (Electronic Industries
Alliance).
Det protokoll Eurotherms regulatorer använder för kommunikation kallas för Modbus. Modbus är det allra vanligaste kommunikationsprotokollet för standarden EIS485 och EIS422 och publicerades 1979.
EIA422 är en variant utav det mest kända gränssnittet för seriell överföring, EIA232, som blev standard 1962. Vad är skillnaden mellan standarden EIS485 och EIS422? Den elektriska principen är densamma, båda använder 0,3V till -6V som logisk ”1” och 0,3V till -6V som logisk ”0”. Det som skiljer dom åt är användningsområdet först och främst. EIS422 är till för punkt till punkt kommunikation, precis som EIA232. EIS422 använder två TP (Twisted Pair) ledare för sänd och likadant för motagning. Data kan skickas i båda riktningarna samtidigt. Det går ej med EIA232. EIA485 används oftast för
Det som skiljer EIA232 och EIA422 åt är att med EIA232 sker överföringen med tre ledare, en trancieve (T), en recieve (R) och en signalreferens (C som i common), som också felaktigt kallas för jord. Med EIA422 används fem ledare, Tx-, Tx+, Rx-, Rx+ och C. EIA232 har en överföringshastighet på 115,2 Kbit/s. och EIA422 har överföringshastigheten 10Mbit/s. Ytterligare en skillnad är att EIA232 tolkar spänningsvariationer i intervallet -3V till -15V som logisk ”1” och +3V till +15V som logisk ”0”. EIA232 kallas också för ”Single-ended signaling” och EIA422 för ”differential signaling”. Single-ended innebär att en ledare överför signalen och en annan ledare är referenssignal, medan med differental signaling så skickar man två olika signaler som jämförs i
mottagarändan. Spänningsskillnaden mellan de två signalerna används för att avkoda informationen.
Eftersom det på nyare PC datorer ej längre finns kontakter av typen 9-pinnars d-sub, utan nu används oftast USB (Universal Serial Bus), behövdes en
konverterare mellan regulator och PC. Om det nu finns d-sub kontakt så överför den data med standarden EIA 232. Konverteraren omvandlar signalen från EIA 422 till USB. Konverteraren gör att man via USB porten på datorn får en port som beter sig som en COM-port, från regulatorn sett.
Eurotherm rekommenderar en viss typ av konverterare till deras regulatorer. Dessvärre är den väldigt dyr så det bestämdes att pröva en billigare, ej
rekommenderad konverterare. Det vart en ULINX modell 485USB9F-4W (se
bild 7.).
Bild 7. Konverteraren
Det är viktigt att regulatorns kommunikationsmodul, konverteraren och datorns USB-port har samma inställningar gällande baud rate, parity, databits, stopbits och flow control. Är dessa inte rätt kommer kommunikationen ej att fungera tillfredställande eller inte alls. Vill man kommunicera med flera regulatorer måste de alla ha unika kommunikationsadresser. Under installation av
konverterare och iTools får man välja dessa inställningar, annars kan man göra det senare ifrån kontrollpanelen i windows.
2.2.2 iTools – Parametrar och loggning
iTools är en samling programvaror som Eurotherm tagit fram och marknadsför. Beroende på vilken version man beställer följer olika program med. Med iTools kan man konfigurera, logga och övervaka Eurotherms regulatorer. I den version vi beställde tas bara de viktigaste programmen upp i den här rapporten. De är ”iTools engineering studio” och ”OPC scope”. Med engineering studio kommer man åt alla menyer och parametrar i regulatorn. Det är mycket mer
snabbt kunna förändra regulatorns funktion. Det huvudsakliga programmet för VG Scientas tester visas ovan i 2.2 – Eurotherm 2408 bild 6. Med OPC scope sköter man loggningen. Här kan man generera grafer över vilka parametrar som man kan tänkas vara intresserad av, samt spara alla värden i Excelblad. Det intressanta för Scienta att logga är hur temperaturen skiftar i kabinettet. Det blir då enklare att jämföra temperaturförändringen med spänningsförändringen, som Scienta loggar med en egen programvara.
2.3 Termoelement typ K
I ett reglersystem behövs exakta mätvärden av den aktuella temperaturen. Sensorn som mäter temperaturen i detta fall är ett termoelement av typen K. Valet av temperaturgivare är det som avgör systemets prestanda regleringen följer temperaturgivarens utsignal.
År 1821 skapades det första termoelementet utav T J Seebeck. Hans upptäckt var att en elektrisk spänning bildas i en krets av två olika metaller som utsätts för en temperaturskillnad, ju större temperaturskillnad desto större spänning. De två metallerna, eller ledarna, har föreningspunkterna referenspunkt och
mätpunkt. Mätpunkten befinner sig i temperaturgivarens spets och referenspunkten (se bild 8.) ansluts till mätinstrumentet, dvs. regulatorn.
Bild 8. Thermocouple
Ett termoelement består utav två metalltrådar, med olika Seebeck-koefficienter. Olika Seebeck-koefficienter har dom helt enkelt eftersom de är två olika
metaller. Då termoelementet befinner sig med mätpunkt och referenspunkt i olika temperaturer uppstår en potential mellan de två punkterna. I mätpunkten har ledarna samma potential men i referenspunkten får de olika potential. Känner man till temperaturen i referenspunkten och att man även känner sambandet mellan temperaturskillnad och spänning för de två olika materialen kan man med hjälp utav en formel (5.) räkna ut temperaturen i mätpunkten. Den beräkningen sköts dock nu för tiden av mätinstrumentet.
5. 1 2 T T A B
T
K
T
dT
K
V
BK och KA är Seebeck koefficienter för de två olika metallerna och T1 och T2 är temperaturerna i de två punkterna
att veta att de olika elementen också har olika utsignal. För klimatkabinettet valdes ett termoelement utav typen K, som är den mest använda och bästa kartlagda. Typ K har arbetsområde -200 C - 1260 C. Den består alltså av två ledare, chromel, som är en krom legering, och alumel, som är en nickel-aluminium legering. Vid rumstemperatur är elektromotoriska spänningen för kombinationen ca
C V
41 . De två ledarna monterades i kabinettet med mätpunkten så centrerad som möjligt i kabinettet och med referenspunkten kopplad till regulatorn på ingångarna V+ och V-.
2.4 Halvledarrelä – Solid State Contactor (SSC)
Då regulatorn kommer att ge signal om temperaturökning kommer en spänning att uppstå mellan punkt 1A och 1B i regulatorn (se bifogad ritning). Detta gör i sin tur att en ”Solid State Contactor” (SSC) (se bild 9.) kommer att börja leda och ström börjar gå genom ett PTC-motstånd, läs mer i 2.4 PTC motstånd. Spänningen mellan 1A och 1B är alltså styrspänningen för reläet. Solid State Relay (SSR) är, till skillnad från elektromagnetiska reläer, ett relä utan mekaniska delar. Det innebär ofta att det håller längre än ett relä med rörliga delar, dvs. ett mekaniskt relä. En annan fördel är att SSR reläet också är snabbare än mekaniska reläer. Nackdelar med SSR är t.ex. att då den är sluten så genereras mer värme, vilket leder till att man placerar ibland en stor kylfläns på reläet. Då benämns reläet som en Solid State Contactor (SSC). I klimatskåpet kommer ett relä av denna typ att ingå i en krets där relativt hög ström kommer att passera. Därav är en SSC ett bra val eftersom den tål höga strömmar bättre. SSC som används i kabinettet är ett Crydom CKRD2420. Det drivs med 220V (AC) och klarar strömmar på upp till 20A. Signalspänningen, mellan 1A och 1B som öppnar och sluter reläet, ska ligga mellan 4,5V och 32V (DC). Detta relä kommer färdigt med fäste för att monteras på DIN-skena.
Bild 9. Solid state contactor
2.5 PTC motstånd – Positive Temperature Coefficient
När det är dags för temperaturen att höjas i skåpet, dvs. när programmet i regulatorn ger ett börvärde som är högre än nuvarande temperatur, så sluts kretsen genom SSC och det börjar gå ström genom PTC-motståndet (se bild
Bild 10. PTC-motstånd HR-01, DBK
PTC-motståndet är ett självreglerande motstånd, det innebär att det
strömförande materialet i motståndet leder ström bättre vid låga temperaturer och sämre vid höga. PTC-motståndets strömförbrukning sjunker alltså med tilltagande egentemperatur eftersom det elektriska motståndet ökar med
stigande temperatur (se bild 11.). Fördelarna med detta är bl.a. att temperaturen på ytan av det ledande materialet begränsas och det finns ingen risk för
överhettning.
Bild 11. Funktion för PTC-motstånd
Motståndet är alltså temperaturberoende. Då ström går genom motståndet blir motståndet varmare. Motståndet sitter monterat på en fläkt som driver värmen uppåt i kabinettet genom en luftkanal av galvaniserad plåt. Den uppvärmda luften blåser sedan ut över området där testobjekten sitter. Mitt bland
2.6 Fläktar – värmefördelning
Tre stycken fläktar placerades i kabinettet. På en av de tre sitter
PTC-motståndet. Fläktarnas uppgift är att fördela värmen från motståndet ut över testobjekten. Fläktarna placerades i en luftkanal byggd av galvaniserad plåt. Fläktarna är av fabrikat Minebea Motor, modell 4710PS-23T-B3A. De har en effekt på 14W vid 50Hz.
2.7 DOM-kort - funktion och tillverkning
Det så kallade DOM-kortet (se bild 12.) har som uppgift att leverera spänningar till de olika testobjekten. Förkortningen DOM står i detta fall inte för något speciellt. Via optiska sändare och optiska kablar ger DOM-kortet rätt spänningar, pulsbredds-modulering, till HV-korten. På HV-korten sitter en optisk mottagare. DOM-kortet i klimatkabinettet består utav fyra stycken satellitkretskort (PCB). På vardera av dessa sitter sju optiska sändare, dvs. 28 stycken allt som allt. Satellitkorten finns redan på Scientas lager så allt som behövdes göras i tillverkningen av DOM-kortet var att utefter ritningar löda fast rätt komponenter på satelliterna. På en av satelliterna tar man in
matningsspänningen och patchar sedan den vidare till de övriga satelliterna. Patcha är alltså att leda vidare strömmen/spänningen till fler kontaktpukter. De fyra satelliterna monteras sen på en metallfront där hål finns för optiska kablar. DOM-kortet används bara vid R-testning, ej vid åldring, så en on-off switch monterades även i fronten för att det ska gå att ha DOM-kortet i offläge då det ej används. På så sätt förlänger man även livslängden på de optiska sändarna.
Bild 12. DOM-kortet
2.8 Matningsspänningar
Olika komponenter kräver olika matningsspänning. I kabinettet finns komponenter som drivs med 220V, 12V och 5V. Därför behövs olika
nätaggregat (Power Supply, PSU), som kan transformera ned nätspänningen till 12V och 5V.
2.8.1 Regulator m.m, 220 volt
fläktarna som fördelar värmen från PTC-motståndet. 220V spänningen
patchades genom UK-plintar (se 2.9 – Kablering), och sedan ut till var och en av komponenterna.
2.8.2 HV-kort m.m, 12 volt
I kabinettet finns 28 stycken 64-pin kontakter. Kontakterna monterades på fyra stycken bakplan, (PCB-kort, printed circuit board), med färdiga ledningsbanor. I dessa kontakter kan man sedan skjuta in sina testobjekt, dvs. HV-kort, på ”guide rails”. Via dessa kontakter får sedan testobjekten sin matningsspänning. I detta fall är det 12V som gäller som matning. Hur levereras då 12V till
bakplanen? I kabinettet är ett power supply (PSU) inmonterat, som levererar 12V till de komponenter som behöver det. PSU:et är av modellen ”MeanWell SP-100-12” (se bild 13.). PSU:et transformerar ned växelspänningen (AC) från 220V till 12V likspänning (DC) så att de komponenter som kräver 12V i drivspänning kan få det. SP-100-12 från Mean Well är ett PSU som levererar 12V DC och 8,5 Ampere, dvs. 102W i uteffekt (P U I).
Bild 13. SP-100-12 PSU
Viktigt här är att se till så att den strömmängd och effektmängd PSU:et kan ge ej överskrids av de komponenter som PSU:et levererar till.
Då det är dags för temperaturen att sänkas i skåpet så ger regulatorn inte längre någon styrspänning till SSC och det upphör att gå ström genom
PTC-motståndet. Regulatorn ger istället en styrspänning på ett relä, i regulatorn mellan punkterna 2A och 2B, som sluts och en fläkt på baksidan av kabinettet går igång och suger in kallare luft utifrån rummet. På så sätt kan temperaturen sänkas relativt snabbt. Kylfläkten, en ebmpapst B412 NGM, har också en drivspänning på 12V. Den drar 110mA och levererar 1.3W
2.8.3 Optiska sändare, 5V
De optiska sändarna på DOM-kortet kräver -0,5-7V som drivspänning, samt att de har 10–750mA i strömförbrukning enligt datablad.Detta innebär att
2.9 Plåtar och chassi
Det mesta av det metallgods Scienta bygger sina apparater med levereras utav Schroff. Ytterkabinettet för klimatskåpet är av modellen Schroff 19” minirack med måtten höjd 1270mm, bredd 600mm och djup 600mm.
Det inre kabinettet, som sedan monteras in i det yttre, är så gott som lika de kabinett som byggs för spänningsgivarna till elektronspektrometrarna som Scienta säljer. Material till inre kabinettet är något Scienta har hemma på lager. Dock fanns en önskan om att hålla nere kostnaderna och därför användes så mycket som möjligt utav tidigare använda aluminiumprofiler. Dvs. profiler, frontplåtar m.m. som suttit på äldre apparatur som tagits ur bruk. I vissa frontplåtar ordnades på olika sätt hål för exempelvis On/Off-switch, lysdiod som indikerar att kabinettet är i uppvärmningsläge, regulatorn, säkring för regulatorn samt dsub-kontakt för kommunikation med dator.
På baksidan av ytterkabinettets nedre del ordnades ett hål för en ensam fläkt, som alltså har i uppgift att föra in kallare luft i kabinettet då det är dags att få ner temperaturen. I denna plåt sattes också en huvudströmbrytare. En del plåtar behövde beställas eftersom de var tvungna att bockas på olika sätt. Ovanför den mindre plåten med kylfläkten sattes en heltäckande bakplåt. Den plåten fick bli beställningsvara eftersom den skulle flikas över den mindre bakplåten, dvs. bockas. Inne i kabinettet placerades även en vågrät plåt som avskiljer kabinettets klimatdel från den del som ej ska värmas upp. Den skiljeplåten skulle skäras till och bockas även den så den fick också beställas. Ytterligare två plåtar beställdes. Dessa två utgör en luftkanal inuti kabinettet och skruvades fast i fläkthyllan med de tre fläktarna och i innerkabinettet (se bild 14.). Med
luftkanalen tvingas varmluften att ta en väg upp i kabinettet och sen fram och ner över testobjekten.
Bild 14. Luftkanal 2.9.1 Isolering
Sidoplåtarna till ytterkabinettet isolerades även dom med samma material. Likadant material limmades fast utanpå den större bakplåten och i
ytterkabinettets takplåt. Isoleringsmaterialet köptes på Biltema och är tillverkat utav skumplast. 10mm och 20mm användes.
2.10 Kablering
Då det nya kabinettet till stor del kom att likna det äldre, både när det gäller komponenter samt kopplingslösningar, användes tidigare kopplingschema som utgångspunkt för kableringen. Se bifogad ritning bilaga 2.
Via ledare/kablar levererar man sedan ut strömmen/spänningen/effekten till de olika komponenterna. Ledararean, dvs. hur tjock kabel man ska ha, beror på hur pass stor ström som ska gå i ledaren. Maximal ström från ett vägguttag är ca 10A. För de ledare som skulle kunna ha ström upp till 10A användes 2,5mm² ledare. För lägre strömmar, dvs. övrig kablering, så användes 1,5mm² ledare. 1,5mm² ledare är egentligen tillräckligt för även 10A men det är bättre att vara på den säkra sidan och dra till lite.
Till PTC-motståndets alla kontakter är det tvunget att använda sig av en kabeltyp som tål hög värme. Därför användes kaptonisolerad kabel 1,5mm². Den tål temperaturer på upp till 400 C. På så sätt slipper man ha kablar vars hölje kommer att smälta och till slut kanske orsaka kortslutning och i värsta fall brand eller att någon skadar sig.
För att det vid eventuella fel eller framtida justeringar av klimatkabinettet förenklar arbetet så crimpades kabelskor och ferruler av olika storlekar på alla kabeländar. Då slipper man krångla med hoptrasslade kabeländar. En ferrul är ett litet metallrör som kläms (crimpas) fast på kabeländen. En kabelsko kläms också fast på kabeländen men kabelskon ser ut som en hästsko eller en
metallring. Under kableringen är det också bra att planera för hur man senare ska bunta ihop kablarna med buntband. Så det är bra att tänka till flera gånger innan längden på kablarna bestäms.
Kablarna som går mellan konverteraren och datorn är av typen AWG24. (AWG
betyder American Wire Gauge). AWG24 har en ledararea på 0.205 mm². Det är
viktigt att linda dessa kablar, två och två (TP betyder ju Twisted Pair), runt varandra för att undvika omkringliggande elektromagnetisk störning på bästa sätt, störningar som kan påverka signalen.
2.10.1 Säkringar
Vissa komponenter tål ej ström större än ett visst värde. Därför brukar man försöka avsäkra dessa komponenter så att de ej går sönder eller att något annat dåligt inträffar. För att regulatorn ej ska ta skada om det utav någon anledning går för hög ström på dess matning, så avsäkrades den med en 1,25A säkring. Mer ström än så får det ej gå på regulatorn enligt datablad. Huvudströmbrytaren avsäkrades med 10A säkringar.
2.10.2 UK-plint
För att flera olika komponenter ska kunna ta del utav den nertransformerade nätspänningen på 12V och 5V så kan man använda sig av UK-plintar (se bild
genom att ”patcha”, leda vidare, den rätta spänningen. Viktigt är att se till att plintarna är rättvända, så att den sida med kontaktyta ej ligger mot kontaktytan på plinten bredvid.
Bild 15. Patchade UK-plintar
Det syns tydligt på bilden hur patchningen i UK-plinten ser ut. Det är helt enkelt 2,5mm² ledare som fördelar ut spänningen till flera plintar. Dessa plintar klarar av en ledararea på 4mm². Plinten av detta fabrikat uppfyller också ROHS-direktivet, dvs. den innehåller ej vissa farliga ämnen som annars är vanliga i elektronikprodukter. Det kan vara bra att veta vad ROHS-direktivet är om man är i elektronikbranschen.
2.11 Säkerhet
Viktigt att tänka på vid kableringen är säkerheten, att se till att jorda enligt bestämmelser. Vi vill inte att någon del av kabinettet, som ej ska leda ström, leder ström. Alla Scientas högspänningsgivare är CE-märkta. Det innebär att produkten överensstämmer med kraven på säkerhet, hälsa och miljö som satts av europeiska gemenskapen (EG). Huvudströmbrytaren på baksidan har ju tre kontakter där fas, nolla och jord tas in. Fasen och nollan dras direkt till en UK-plint och sedan vidare till de två olika nätaggregaten. Jordkabeln dras direkt, en så kort sträcka som möjligt, till en bult som monterats i bakplåten precis bredvid huvudströmbrytaren. Ifrån denna bult går sedan alla jordkablar ut som en
stjärna. En går till UK-plinten, en till innerchassit och en till ytterchassit. Att använda krympslang på de ställen där ledaren på kabeln ligger öppen är också ett bra sätt att säkra sig om att man inte kommer åt med fingrarna där det går ström. Sätt krympslang över lödningar på kontakter.
Man vill inte heller att kablar ligger och skaver mot vassa kanter. Därför är det bra att limma fast plastlister på alla de kanter där kablar ligger emot, just för att undvika att höljet på kabeln skavs bort.
2.12 Montering
För att vara så kostnadseffektiv och miljövänlig som möjligt användes till stor del äldre redan använd utrsutning.
tidigare, så dessa var klara på ett tidigt stadium. De består helt enkelt utav olika metallprofiler i aluminium som skruvats ihop. I dessa profiler kan sedan
frontpaneler och bakplan fästas. Frontpanelerna är antingen blindplåtar eller så sitter någon komponent i den. Exempelvis regulatorn, av/på-strömbrytare, lysdiod, samt d-sub.
Bakplanen är helt enkelt PCB:er som ger matningsspänning till testobjekten som skjuts in i kabinettet. På bakplanen sitter sju stycken 64-pinnars kontakter i vilka HV-korten skjuts in på rails. För varje kortplats på bakplanet sitter även en säkring och en lysdiod ditlödd som säkerhet för HV-korten. Dioden lyser som en indikation på att något inte stämmer. Bakplanen är inget Scienta normalt tillverkar själva, utan den tillverkningen görs på beställning. Bakplanen för det nya kabinettet tillverkades dock i huset. Kontakter för matningsspänning, säkringar, kondensatorer samt lysdioder löddes dit på fyra stycken bakplan. En finess på dessa bakplan var att lysdioden löddes fast på den sidan av planet som syns då man öppnar kabinettet, eftersom man då direkt kan se att matningen till HV-kortet fungerar, dvs. att dioden ej lyser.
3. Test
När kabinettet så gott som var färdigbyggt, kommunikationsfunktionen saknades dock under första testet, var det dags för testning. För att se att uppvärmningen fungerade som den skulle sattes regulatorns börvärde manuellt först till 40°C och kabinettet fick hålla den temperaturen ett par timmar. De två följande dagarna varierades börvärdet mellan 50°C och 60°C, vilka är de temperaturer Scienta testar sina HV-kort i. Lyckligtvis brann inte kabinettet upp. En extern temperaturgivare användes också. Det innebär att man via en springa i kabinettets dörr fäste en temperaturgivare för kabinettets övre del och en för den undre delen av uppvärmingsområdet. Detta visade tydligt att det tog längre tid att värma upp kabinettets nedre del eftersom värmen strömmar
uppifrån och nedåt. En annan faktor som inverkar på uppvärmningstiden och på att få jämn temperatur i hela skåpet är all metall som måste värmas upp.
3.1 Test – kommunikation
Efter en hel del problem med att få kommunikationen att fungera fick vi till slut regulator och iTools att prata med varandra. De problem som uppstod med kommunikationen var att det var svårt att tolka olika pin-layouter samt att det fanns ett flertal sätt att scanna efter regulatorn på. En kombination av
felkopplingar och felscanningar gjorde att det drog ut på tiden med kommunikationsdelen. Med hjälp av Eurotherm fann vi en lösning på problemen. Vi hade dock en misstanke om att kommunikationsmodulen Eurotherm levererat ej fungerat på förväntat sätt.
Efter uppdatering av drivrutinerna för konverteraren, och rätt tillvägagångssätt då det gäller scanningen efter regulatorn, började kommunikationen att fungera mellan regulatorn och PC. iTools scannar av Modbus nätverket och identifierar någon regulator som har en giltig Modbus adress.
Med fungerande kommunikationsdel testades iTools och regulator mot
körning utav program. Ärvärdet är alltså den momentana temperaturen.
Kommunikationen fungerade bra och grafer och loggning av processvärdet gick fint.
4. Resultat
Huvudsakliga meningen med bygget av klimatkabinettet var att Scienta även i fortsättningen ska kunna hålla sin höga standard gällande kvalitet samt att klara av att leverera sina produkter i tid. Allt detta trots högre arbetsbelastning. Under de tester som gjorts på klimatkabinettet, för att se om det håller måttet, så har det visat sig att kabinettet fungerar tillfredställande och ger bra resultat. Först till hösten 2010, dvs. efter att detta skrivs, så kommer kabinettet att börja användas under produktion. Trots detta är personalen på Scienta övertygade om att kabinettet kommer att prestera och att klara av att bistå testpersonalen i ellabbet framöver.
5. Slutsatser och förslag till framtida förbättringar
5.1 HV-switch
I examensarbetet ingick att bygga ett klimatkabinett för åldring av HV-kort. För att utföra R-testning av samma kort behövs kabinettet kompleteras med en så kallad HV-switch eller Mux även kallad. Med det menas att att kabinettet måste ha någon typ av elektronisk lösning som ger varje testobjekt en identitet av något slag. Det innebär i sin tur att den mjukvara som används vid R-testning kan känna igen testobjektet. HV-switch är något kabinettet kommer att utrustas med så småning om, då tid finns. Det ingick dock inte i detta projekt.
5.2 Plåtar och montering
I övrigt hade det varit braatt fundera mer över hur olika plåtar skulle se ut, innan monteringen av kabinettet sattes igång. Det var ett av de mest
tidskrävande momenten, att mäta och planera vilken av alla lösningar, när det gäller plåtutformning, som var tillfredsställande. Kabinettet ska ju vara lätt att hantera om det är något som behöver förändras. Utöver utformningen av
plåtarna hade det varit bra att fundera på vart och hur de skulle monteras, fästas i kabinettet. Skulle de skruvas, popnitas, klämmas fast? På vilket sätt ska de monteras för att senare underlätta underhåll av skåpet? Även vilket material plåtarna skulle vara togs mer eller mindre för givet. Det visade sig dock att galvaniserad plåt fungerade bra även om aluminium hade varit att föredra.
5.3 Isolering
För att effektivisera uppvärmningen ännu mer kan det vara klokt att se över isoleringen. Det skulle då leda till snabbare uppvärmning samt att kabinettet håller den värmen bättre. Man skulle t.ex. kunna täta till springor och/eller eventuellt använda sig av ett annat isoleringsmaterial. Någon typ av
5.4 Komponentplacering
Hade det gått att placera alla de olika komponenterna på andra ställen i kabinettet för att underlätta kabeldragning? Skulle det gått att placera DOM-kortet i samma hylla som regulator och PSU och på så sätt slippa att ha
komponenter, som ej ska värmas upp, i uppvärmningsutrymmet? Detta är frågor som kan effektivisera bygget av ett klimatkabinett.
5.5 Övrigt
Ytterligare planering innan montering hade varit bra. Det märktes en bit in i arbetet att allt ej var välplanerat, gällande kablering och utformning utav plåtar. En hel del av arbetet gick dock bra att lösa samtidigt som problemet dök upp.
Källförteckning
[1] Cornelis Gortzak – Handledare, elektronikansvarig, VG Scienta [2] Johan Waltari – Elektronikmontör, VG Scienta
[3] Pentronics - Temperaturhandbok 1 [4] iTools manual
[5] Koppla V.24/RS-232 – Campbell [6] Eurotherm 2408 manual
[7] Eurotherm – Basic operation 2408
[8] Wikipedia – ARPES, Kai Siegbahn, Thermocouple
[9] B.Tomas: Modern reglerteknik, LIBER, fjärde upplagan 2008
