AUTOMAATIO Turvallisuustekniikka Olavi Nevalainen 17.10.2001 1 (18) YMPÄRISTÖVAIKUTUSTEN HUOMIOONOTTAMINEN JA TESTAUS VTT AUTOMAATIO Turvallisuustekniikka Elektroniikan tuotetekniikka Otakaari 7 B, Espoo PL 13071 02044 VTT Puh. (09) 456 5642 Faksi (09) 456 7042 Http://www.vtt.fi/aut
2 (18) SISÄLLYSLUETTELO 2 JOHDANTO 3 YMPÄRISTÖOLOSUHTEET JA -LUOKITUS 5 MÄÄRITELMÄT (IEC 60721-1) 5 YMPÄRISTÖOLOSUHTEET (IEC 60721-2) 5 Ilmastolliset olosuhteet 5 Mekaaniset rasitukset 6 YMPÄRISTÖLUOKITUS (IEC 60721-3) 6 Varastointiolosuhteet 6 Kuljetusolosuhteet 7 Käyttöolosuhteet 7 YMPÄRISTÖTESTAUS 8 TESTAUKSEN PERIAATTEET 8 TESTIEN RASITUSASTEIDEN MÄÄRITTELY 8 Testien käyttötavat 9 Testien suoritusjärjestys 10 Testisarjan valinta 10 TESTAUSMENETELMÄT 11 Yleistä 11 Kylmä (Cold, IEC 60068-2-1) 11 Kuiva lämpö (Dry heat, IEC 60068-2-2) 11 Lämpötilan vaihtelu (Change of temperature, IEC 60068-2-14) 11 Jatkuva kostea lämpö (Damp heat, IEC 60068-2-3 ja -56) 12 Vaihteleva kostea lämpö (Damp heat cyclic, IEC 60068-2-30) 12 Sinimuotoinen tärinä (Sinusoidal vibration, IEC 60068-2-6) 12 Satunnaistärinä (Vibration, broad-band random, IEC 60068-2-64) 12 Isku (Shock, IEC 60068-2-27) ja Jyskytys (Bump, IEC 60068-2-29) 13 Pudotus ja kaato (Drop and topple, IEC 60068-2-31) 13 Vapaa pudotus (Free fall, IEC 60068-2-32) 13 TIIVIYSTESTIT (IP-KOODIT) 15 VIITTEET 16
3 (18) JOHDANTO Laitesuunnittelun lähtökohtana tulisi olla tieto olosuhteista, johon tuote joutuu elinjaksonsa aikana. Ympäristöolosuhteilla tarkoitetaan niitä fysikaalisia ja kemiallisia tuotteen ympärillä vallitsevia olosuhteita, joille tuote joutuu alttiiksi. Ympäristöolosuhteista on olemassa standardoitua ja rasitusasteiltaan luokiteltua tietoa eri käyttösovellutuksia varten. Näitä arvoja voidaan käyttää hyväksi tuotteen suunnitteluarvoja määriteltäessä ellei muuta tietoa ole käytettävissä. Mikäli halutaan varmistaa tuotteen käyttövarmuus vaikeissa käyttöolosuhteissa, tulisi olosuhteista olla tilastollista mitattua tietoa sekä sen lisäksi tiedot aikaisempien tuoteversioiden käyttökokemuksista ja vikatiedoista. Jos edellämainitut tiedot on käytettävissä suunnittelun apuna, niin vältytään turhilta suunnitteluvirheiltä ja saadaan uusi tuote nopeasti ja luotettavasti markkinoille. Panostamalla suunnitteluvaiheessa tuotteen määrittelyihin ja keräämällä olemassa olevista tuotteista kenttätietoja saadaan parannettua tuotteen käyttövarmuutta ja säästettyä kokonaiskustannuksissa. Tässä materiaalissa on kuvattu ympäristöolosuhteiden ja testien määrittelyä lähinnä kansainvälisten standardien perusteella. Seuraavalla sivulla olevassa kuvassa 1 esitetään pelkistettynä, miten ympäristötiedoista lähtien päästään testivaatimuksiin. Laitteen suoritusarvovaatimukset tulisi olla kuitenkin ensisijaisena mielessä, käytäessä spesifiointiprosessia lävitse.
Kuva 1 Ympäristötestispesifikaation laatimisen kaaviokuva (SFS-Käsikirja 108) 4 (18)
5 (18) YMPÄRISTÖOLOSUHTEET JA -LUOKITUS MÄÄRITELMÄT (IEC 60721-1) YMPÄRISTÖOLOSUHTEET (ENVIRONMENTAL CONDITIONS) Laitteen ulkopuoliset fysikaaliset tai kemialliset olosuhteet, joille laite altistuu tietyllä hetkellä ja jotka muodostuvat yksittäisten ympäristötekijöiden ja niiden rasitusasteiden yhdistelmästä. Huomautus Ympäristöolosuhteet muodostuvat yleensä luonnossa vallitsevista olosuhteista ja itse laitteen tai ulkoisten lähteiden tuottamista olosuhteista. YMPÄRISTÖTEKIJÄT (ENVIRONMENTAL PARAMETERS) Yksi tai useampi fysikaalinen tai kemiallinen ominaisuus (esimerkiksi: lämpötila, kosteus, kiihtyvyys). Esimerkki: Ympäristötekijä "tärinä" määritellään tärinän muodolla (sinimuotoinen, satunnaismuotoinen), kiihtyvyydellä ja taajuudella. RASITUSASTE (SEVERITY) Rasitusaste ilmoittaa jokaisen ympäristötekijää kuvaavan muuttujan määrällisen arvon, kuten suuruuden, nopeuden ja kestoajan. YMPÄRISTÖLUOKKA (EVIRONMENTAL CLASS) Ympäristöluokka edustaa paikkoja tai alueita, joilla on samankaltaiset ympäristöolosuhteet. Ympäristöluokka kattaa joukon ympäristöolosuhteita, jotka määritellään ympäristötekijöiden sekä vastaavien rasitusasteiden avulla. YMPÄRISTÖOLOSUHTEET (IEC 60721-2) Ilmastolliset olosuhteet Ilmastolliset olosuhteet vaikuttavat tuotteeseen jo sen valmistusvaiheessa. Pääasiallisimmat ilmastolliset rasitustekijät ovat ilman lämpötila ja kosteus. Muita vaikuttavia tekijöitä ovat ilman paine, sademäärä, auringon säteily ja ilman saasteet. Luokittelun tarkoituksena on määritellä mahdollisimman rajoitettu määrä ilmastollisia luokkia, jotka tyydyttävästi kattavat yleisimmät ilmastolliset rasitukset, joihin sähköiset laitteet kuljetuksen, varastoinnin, asennuksen ja käytön aikana joutuvat. Luokittelu on pyritty tekemään sellaiseksi, että mahdollisimman moni luokituksen käyttäjä voisi valita tarkoitukseensa soveltuvan ilmastoluokan. Sähköisiä laitteita käytetään lähes kaikkialla maailmassa hyvinkin paljon toisistaan poikkeavissa ilmastoissa, joissa niiden on toimittava riittävän luotettavasti. Tämä vaatimus johtaa siihen, että kulloinkin vaikuttava ilmasto
6 (18) on tunnettava kyllin tarkasti ja yksityiskohtaisesti. Kun ja jos nämä yksityiskohtaiset tiedot ovat käytettävissä, on mahdollista kehittää sopivia ympäristötestejä. Koko maailmasta on käytettävissä monien vuosien mittaustulokset ilman lämpötilasta ja kosteudesta. Näistä tuloksista on tilastollisin menetelmin laskettu erilaisia arvoja, jotka voidaan ilmaista mm. ilmastollisina käyrästöinä. Mekaaniset rasitukset Rasitukset voidaan jakaa karkeasti yleisiin mekaanisiin rasituksiin, väsymisrasitukseen ja resonanssien aiheuttamiin vaikutuksiin. Näistä aiheutuvia tyypillisiä vikoja ovat mm yleensä mekaaniset viat, lujuuden heikkeneminen ja rakenteen pettäminen, toiminnalliset häiriöt sekä lisääntynyt kuluminen. Mekaaniset rasitukset eivät esiinny koskaan yksinään, vaan samanaikaisesti esiintyvät lämpötilojen vaihtelut, kosteus, korroosio jne kiihdyttävät rasitusten vaikutuksia. Käytännössä tärinää ja mekaanista rasitusta on vaikeaa välttää. Esim ajoneuvoissa sitä aiheutuu tien epätasaisuuksien ohessa mm. rakenteen välyksistä, valmistustoleransseista, pyörivien osien epätasapainoisuuksista ja edestakaisin liikkuvista osista. Lisäksi on huomattava, että pieni ja merkityksetönkin tärinä saattaa resonanssien vaikutuksesta vahvistua huomattavaksi häiriötekijäksi. YMPÄRISTÖLUOKITUS (IEC 60721-3) Ympäristöluokituksen tarkoituksena on muodostaa tietty määrä olosuhteita, joiden sisään osa laitteiden käytöistä sisältyy. Luokat kattavat varastoinnin, kuljetuksen sekä käytön tyypilliset olosuhteet. Luokkitteluun on menty sen takia, koska todellisia olosuhteita on hyvin vaikea kuvata yksityiskohtaisesti ja vielä vaikeampaa on soveltaa kuvausta käytäntöön. Tähän asti on ainoana mahdollisuutena ollut soveltaa erillisiä testejä, joiden avulla on ollut mahdollista kattaa vain joitakin ympäristön vaikutuksia. Sovellutuskohteita ympäristöluokille ovat: - ostajan ja valmistajan puolelta tapahtuvassa ympäristöolosuhteiden vaatimusten määrittelyssä - laitteen rasitusten siedon määrittelyssä - laitteelle sallitun esim. lämmönluovutuksen tai säteilyn rajoittamisessa sellaiseksi, että määritellyn ympäristöluokan rajat eivät ylity Ympäristöluokka on samankaltaisten tilojen ympäristöolosuhdeperheen systemaattinen esitys. Tämä merkitsee, että luokan yksityiskohtainen kuvaus on samankaltaisten ympäristöjen kuvausten verhokäyrä. Luokka muodostuu laitteen toiminnan kannalta merkittävimmistä ympäristötekijöistä. Toisin sanoen niitä ympäristötekijöitä, joilla ei ole oleellista merkitystä laitteen toiminnalle, ei mainita luokan kuvauksessa. Varastointiolosuhteet Varastoinnilla tarkoitetaan varastointia välivarastoissa ennen toimitusta ja toimituksen jälkeen asiakkaan tiloissa. Varastointi on pitkäaikaista säilytystä näissä tiloissa joko pakattuna tai ilman pakkausta. Väliaikainen tai lyhyt säilytys kuljetusten välillä sisältyy kuljetusrasitukseen.
7 (18) Kuljetusolosuhteet Kuljetusolosuhteet käsittävät ne ympäristörasitukset, joille kuljetettavat tuotteet voivat altistua matkallaan valmistajalta käyttäjälle. Tähän siirtoketjuun kuuluvat kuljetukset autoissa, junissa, lentokoneissa ja laivoissa, sekä lastaukset, purkaukset ja välivarastoinnit. Mekaaniset rasitukset kuljetuksen eri vaiheissa sisältävät tärinää, iskuja ja puristusta. - Tärinä - Iskut - Puristus Kuljetuksen aikana ilmastolliset ja mekaaniset rasitukset ovat normaalisti käytön aikaisia rasituksia suurempia. Siksi laitteet ovat useimmiten pakattuja. Pakkauksen suojaavan ominaisuuden vuoksi laitteeseen kohdistuu pienempi rasitus kuin pakkaamattomalle tuotteelle. Pakkaus tulisikin suunnitella huolellisesti siten että sen suojausvaikutus koskee mahdollisimman kattavasti kaikkia ympäristörasituksia. Kuljetuspakkauksesta purettu laite voi joutua alttiiksi siirtelyn yhteydessä myös koville rasituksille ja laitteelle olisikin hyvä tehdä kuljetusrasitustestejä pakkaamattomana. Käyttöolosuhteet Sisäkäyttö (kiinteä asennus sisälle) Kiinteä asennus sisälle tarkoittaa, että laite on pysyvästi asennettu jonnekin tilaan tai on kiinnitetty johonkin rakenteeseen, eikä tarkoituksena ole laitteen siirtely käytön aikana tai sen välillä. Olosuhteet sisältävät laitteen toiminnan ja valmiustilassa olemisen, asennuksen toiminnalliseksi, huollon ja korjauksen. Ulkokäyttö (kiinteä asennus ulos) Kiinteä asennus ulos tarkoittaa, että laite on pysyvästi asennettu ulos erilleen tai on kiinnitetty johonkin rakenteeseen (seinään tai telineeseen), eikä tarkoituksena ole laitteen siirtely käytön aikana tai sen välillä. Kiinnitysrakenne ei oleellisesti suojaa laitetta. Maa-ajoneuvokäyttö Laite voi olla kiinteästi tai tilapäisesti asennettu ajoneuvon sisälle tai sen ulkopuolelle. Sisälle asennus tarkoittaa, että laitteelle on jonkinasteinen suojaus ulko-olosuhteilta. Laivakäyttö Laite on joko kiinteästi tai tilapäisesti asennettu laivaan. Nimike laiva kattaa sisältää kaikki alustyypit; moottorilaivat, purje-, moottori- ja pelastusveneet sekä työlautat. Luokissa on usein maininta sen soveltuvuudesta moottorialuksille, jolloin moottorin aiheuttama tärinä on huomioitu. Erillistä luokkaa, joka soveltuisi pelkästään moottorittomaan purje- tai soutuveneeseen, ei ole. Kannettava tai siirrettävä käyttö
8 (18) Kannettava ja siirrettävä käyttö tarkoittaa, että laitetta siirretään toistuvasti, eikä sitä pakata tai muuten suojata siirtoa varten. Laitetta ei asenneta kiinteästi mihinkään rakenteeseen, eikä sillä ole pysyvää käyttöpaikkaa. Laite voi olla toiminnallisena myös siirron aikana. YMPÄRISTÖTESTAUS TESTAUKSEN PERIAATTEET Ympäristötesteillä voidaan osoittaa, että määriteltyjen ympäristöolosuhteiden vallitessa laite voi - säilyä ilman palautumattomia vaurioita - toimia määrittelyjen mukaisesti Ympäristötestien tarkoituksena ei ole matkia tuotteen todellisia ympäristöolosuhteita, vaan toistaa ympäristöolosuhteiden vaikutuksia. Ympäristö vaikuttaa pääasiassa kahdella tavalla: - Lyhytaikaiset äärimmäiset rasitukset voivat suoraan aiheuttaa tuotteen virhetoiminnan tai tuhoutumisen. - Pitkäaikaiset tavanomaiset rasitukset voivat hitaasti huonontaa tuotetta ja aiheuttaa lopulta sen virhetoiminnan tai tuhoutumisen. TESTIEN RASITUSASTEIDEN MÄÄRITTELY Kun tuotteelle on määritelty eri ympäristöluokat koskien kuljetusta, varastointia ja käyttöolosuhdetta, tulisi tuotteen kyky selviytyä ao. olosuhteissa varmistaa ympäristötesteillä. Yleispäteviä ohjeita, tietyn ympäristöluokan muuntamisesta testeihin, ei ole mahdollista tehdä, koska muunnos riippuu ensisijaisesti: - laitetyypistä - miten laitetta käytetään - oikean toiminnan merkityksestä Yleensä testit tehdään suuremmilla rasituksilla kuin ympäristöluokassa on määritelty. Seuraavassa kuvassa 2 vasemmalla oleva käyrä esittää rasitusten esiintymistiheyttä ja oikealla oleva käyrä laitteiden sietokykyä rasituksen suuruuteen nähden.
9 (18) Kuva 2. Rasitus ja rasitusten sieto laitteelle, jolla on kohtuullinen rasitusten sietovara (SFS-Käsikirja 108) Piste S1 ilmaisee normaalisti ympäristöluokan 1 % (99 %) rasitusrajaa ja piste S2 ympäristön suurimman rasitusasteen. Oikeanpuoleinen käyrä saadaan selville ainoastaan testaamalla suuri joukko laitteita eri rasitusasteilla. Jos testin rasitusaste määriteltäisiin ympäristön suurimman rasituksen mukaan niin tällöinkin laite pystyisi toimimaan, eikä oltaisi lähellä laitteen vikaantumista. Seuraavassa kuvassa 3 on esitetty vähemmän rasitusta sietävä laitetyyppi. Kuva 2. Rasitus ja rasitusten sietokäyrä laitteelle, jonka rasitusten sieto on liian lähellä esiintyviä rasituksia (SFS-Käsikirja 108) Testattaessa tätä laitetyyppiä rasitusasteella S2, on todennäköistä, että saataisiin näkyviin todellisia vikoja ja paljastettua heikkoja kohtia. Heikkojen kohtien paljastaminen on tärkeää, koska tällöin saadaan tarkempi kuva laitteen ominaisuuksista ja toisaalta voidaan tehdä tarvittavia parannuksia. Testien rasitusastetta määriteltäessä tulisi myös huomioida mahdollisesta vikaantumisesta aiheutuvat seuraukset sekä laitteen kunnolle asetetut vaatimukset. Kunnon vaatimukset ja ympäristön rasitusten keskinäiset suhteet voidaan asettaa seuraavaan järjestykseen: - Normaali kunto; Laitteen toiminnalle ja kunnolle asetetut kaikki vaatimukset täyttyvät - Vajaa kunto; Kaikki ensisijaiseksi määritellyt ominaisuudet täyttyvät, toissijaisiksi määritellyt ominaisuudet ei tarvitse täyttyä - Ajoittainen toiminta, jolloin laitteessa esiintyy lyhytaikaisia toimintahäiriöitä, jotka poistuvat normaaleissa olosuhteissa - Toiminnan lakkaaminen; jolloin laitteeseen tulee palautumaton vika muttei kuitenkaan vahingoita muita laitteita tai ympäristöään Testien käyttötavat Ympäristötestien eräs käyttötapa on tyyppitestaus, jolla todetaan tuotteen kyky sietää tiettyjä ympäristöolosuhteita. Testin kohteena on muutamia yksilöitä, joten testi ei kerro mitään tuotteen luotettavuudesta tai pitkäaikaisesta rasitusten siedosta. Testaus ei ole ajallisesti sidottu, vaan se voidaan tehdä esim. prototyyppivaiheessa, ennen sarjatuotannon aloittamista tai vaikkapa huollon jälkeen (korjaavan toiminnan apuvälineenä). Supistettu prototyyppitestaus voidaan tehdä yhden kappaleen ominaisuuksien selvittämiseksi.
10 (18) Luotettavuustesteissä (IEC 60605: Equipment reliability testing) testataan monia yksiköitä ja käytetään pitkiä testausaikoja, mutta testiolosuhteet ovat kohtuullisen lievät. Ympäristöolosuhteet ovat usein jaksottaisesti vaihtelevia ja tarkoituksena on matkia tyypillisiä käyttöolosuhteita. Testin tarkoituksena on saada aikaan satunnaisvikoja. Pitkäaikaisen rasituksen siedon testissä testataan muutamia yksilöitä ja käytetään pitkiä testausaikoja. Testiolosuhteet ovat ankarat testin kiihdyttämiseksi ja tarkoituksena on saada aikaan ajasta riippuvia vikoja. Testillä pyritään aikaansaamaan systemaattisia vikoja, kuten esim. suunnittelu, valmistus tai kulumisvikoja. Rasituskarsinta (stress screening) on tuotelinjan loppupäässä käytetty tarkastuksia edeltävä ympäristörasituskäsittely, jolla pyritään löytämään (ja karsimaan) lähinnä valmistuksessa syntyneet piiloviat. Käytetyt rasitukset eivät saa ylittää tuotteen tai materiaalien sähköisiä tai mekaanisia rasituskynnyksiä aiheuttaen vaurioita tai kiihdyttäen väsymisilmiöitä. Rasituskarsinta on tehokas laadunvalvonnan työkalu, jolla nopeutetaan sellaisten vikojen syntymistä ja havaitsemista, jotka eivät paljastu muilla testaus ja tarkastusmenetelmillä. Vanhennus (burn-in) on tehokas tapa parantaa toimitettavan tuotteen luotettavuutta. Sen tarkoituksena on poistaa varhaisvikoja eli tuotteen vikataajuus on jo vakiovikataajuusalueella käyttöönottovaiheessa. Vanhennusta käytetään sekä laitteille että komponenteille. Testien suoritusjärjestys Kun tietyn testiolosuhteen vaikutus tuotteeseen riippuu aikaisemmin vaikuttaneista olosuhteista, on välttämätöntä suorittaa ympäristötestit määrätyssä järjestyksessä. Testisarjassa eri rasitusten väliset ajat ovat niin pitkät, että niillä ei normaalisti ole merkittävää vaikutusta tuotteeseen. Jos aikavälillä on merkitystä, tulee turvautua peräkkäistestiin, jossa peräkkäisten rasituskäsittelyjen väliset ajat on tarkasti määritelty, koska niillä on huomattava vaikutus tuotteeseen. Testisarjan valinta Testisarja valitaan tarkoituksen mukaan. Seuraavassa on esitetty neljä eri tyyppistä testauksen tavoitetta ja vastaavia käyttösovellutuksia. Tavoitteet a) Tiedon hankkiminen vikautumistapauksista heti testisarjan alussa ts. aloitetaan ankarimmilla testeillä. Testi sarjan loppuun sijoitetaan kuitenkin sellaiset testit, jotka saattavat vahingoittaa tuotetta niin, ettei testiä voisi jatkaa. b) Mahdollisimman suuren tieto määrän hankkiminen ennen kappaleen rikkoutumista, ts aloitetaan lievimmillä "ei tuhoavilla" testeillä. c) Sellaisen testisarjan käyttö, joka tuo esiin olennaisimmat ilmiöt. Erityisesti tietyt testit Käyttösovellutukset Komponenttien ja laitteiden kehitystyö. Käytetään tavallisesti osana prototyyppien ominaisuuksia selvittävässä tutkimuksessa. Kehitystyö. Käytetään tavallisesti osana prototyyppien ominaisuuksia selvittävässä tutkimuksessa erityisesti, kun tuotteiden määrä on rajoitettu Standardisoidut laitteiden ja komponenttien tyyppihyväksyntätestit.
11 (18) voivat paljastaa aikaisempien testien aiheuttamat vauriot. d) Sellaisen testisarjan käyttö, joka vastaa oletettua rasitusten esiintymisjärjestystä käytännön tilanteissa Laitteiden ja kokonaisten järjestelmien tyyppihyväksyntätestit, kun käyttöolosuhteet tunnetaan. TESTAUSMENETELMÄT Yleistä Testausmenetelmien tulee olla toistettavia ja vikamekanismeihin nähden realistisia, suhteellisen yksinkertaisia ja kohtuullisen nopeita toteuttaa. Kansainvälisesti hyväksytyt menetelmät täyttävät nämä vaatimukset. Ympäristöolosuhteet vaikuttavat yleensä hitaasti laitteen suoritusarvoihin tai kuntoon. Jotta testit voitaisiin suorittaa kohtuuajassa, on vaikutuksia kiihdytettävä joko rasitusta suurentamalla tai lyhentämällä rasitusaikaa eli lisätään rasitusten toistotaajuutta. Mekaaniset testit sisältävät yleensä kiihdytysvaikutuksia. Seuraavassa on esitelty kansainvälisen IEC 60068-2-standardisarjan yleisimmät ilmastolliset ja mekaaniset testimenetelmät. Kylmä (Cold, IEC 60068-2-1) Testin tarkoituksena on määrittää, kuinka testattava näyte toimii tai kestää alhaisessa lämpötilassa. Testi voidaan tehdä joko äkillisellä tai hitaalla lämpötilan muutoksella. Testi jakaantuu seuraaviin testausmenetelmiin: Aa: Lämpöä kehittämätön tuote, äkillinen lämpötilan muutos Ab: Lämpöä kehittämätön tuote, hidas lämpötilan muutos Ad: Lämpöä kehittävä tuote, hidas lämpötilan muutos Kuiva lämpö (Dry heat, IEC 60068-2-2) Testin tarkoituksena on määrittää, kuinka testattava näyte toimii tai kestää korkeita lämpötiloja. Testi voidaan tehdä joko äkillisellä tai hitaalla lämpötilan muutoksella. Testi jakaantuu seuraaviin testausmenetelmiin: Ba: Lämpöä kehittämätön tuote, äkillinen lämpötilan muutos Bb: Lämpöä kehittämätön tuote, hidas lämpötilan muutos Bc: Lämpöä kehittävä tuote, äkillinen lämpötilan muutos Bd: Lämpöä kehittävä tuote, hidas lämpötilan muutos Lämpötilan vaihtelu (Change of temperature, IEC 60068-2-14) Lämpötilan vaihtelun aikana testattava näyte altistetaan laskevalle ja nousevalle lämpötilalle. Käytettävä lämpötilan muutosnopeus valitaan näytteen käyttösovellutuksen mukaisesti. Testeillä voidaan tutkia lämpötilan vaihtelun tai perättäisten vaihteluiden vaikutusta tuotteeseen. Testi Na: Nopea lämpötilan vaihtelu, jossa muutosaika määritelty. Testissä näyte siirretään testauskaapista toiseen, jolloin lämpötilan shokkivaikutus on kohtalainen.
12 (18) Testi Nb: Testi Nc: Lämpötilan vaihtelu, jossa muutosnopeus on määritelty. Näyte pidetään testauskaapissa, jonka lämpötilaa muutetaan asteittain. Nopea lämpötilan vaihtelu, jossa käytetään kahta nestekylpyä. Näyte siirretään kylvystä toiseen, joten lämpötilan shokkivaikutus on suuri. Menetelmä sopii erityisesti lasi/metallitiivisteille, läpivienneille ja vastaaville näytteille. Jatkuva kostea lämpö (Damp heat, IEC 60068-2-3 ja -56) Testi tuo esiin vakiolämpötilan ja ilman suuren suhteellisen kosteuden vaikutuksen näytteissä, joissa esiintyy absorptiota ja diffuusiota. Tuote ei altistu kondensoitumiselle. Vaihteleva kostea lämpö (Damp heat cyclic, IEC 60068-2-30) Testin avulla voidaan tutkia suuren suhteellisen kosteuden ja lämpötilan vaihtelun yhteisvaikutusta. Testi soveltuu erityisesti näytteille, joille veden keräytymisellä ja kondensoitumisella on haitallinen vaikutus näytteen ominaisuuksiin Sinimuotoinen tärinä (Sinusoidal vibration, IEC 60068-2-6) Sinimuotoinen tärinätestaus on vielä satunnaistärinätestausta yleisempi johtuen testauslaitteiston ohjausjärjestelmän ja mittaussignaalin yksinkertaisuudesta. Testaus voi sisältää tietyn taajuusalueen kattavan pyyhkäisyn, resonanssitaajuuksien (= näytteen rakenteen taajuusvasteen) tutkimisen tietyllä taajuusalueella, rasituksen näytteen resonanssitaajuuksilla tai testauksen kiinteillä taajuuksilla. Yleisin menetelmä on määrättyjen rajataajuuksien välillä tapahtuva logaritminen pyyhkäisy, jossa sekä pyyhkäisynopeus että aika tai jaksojen lukumäärä on määrätty. IEC 68-2-6-standardi määrittelee suositeltavat rasitustasot (tärinän huippukiihtyvyys ja poikkeama) ja käytettävän taittotaajuuden. Taittotaajuuden alapuolella rasitustaso ilmoitetaan liikkeen poikkeamana ja yläpuolella kiihtyvyytenä. Pyyhkäisytestin jälkeen voidaan testiä jatkaa testaamalla tuotetta sen kriittisillä taajuuksilla spesifikaation ilmoittaman ja/tai standardin suositteleman ajan. Vaihtoehtoisesti voidaan tuotetta täristää kiinteillä, ennakkoon määritellyillä taajuuksilla. Tätä voidaan käyttää, mikäli tuotteella tiedetään olevan tiettyjä kriittisiä, rakenteesta tai käytöstä johtuvia taajuuksia, esim helikopterilla. Satunnaistärinä (Vibration, broad-band random, IEC 60068-2-64) Satunnaistärinä simuloi puhdasta sinimuotoista tärinää paremmin todellisissa olosuhteissa esiintyviä rasituksia. Sinitärinä testaa ainoastaan pistemäisesti esim yksittäisiä resonansseja jättäen testattavan muut resonanssitaajuudet huomioimatta. Satunnaistärinässä rasitetaan sitävastoin rakennetta ja sen resonansseja samanaikaisesti koko taajuusalueella. Näin saadaan myös tarvittava testausaika lyhyemmäksi. Satunnaistärinätestauksen yhteydessä suoritetaan usein myös resonanssimittaukset sinimuotoisella tärinällä.
13 (18) Satunnaistärinätestin rasitusaste ilmoitetaan taajuusalueena, kiihtyvyysspektrin tiheystasona eli ASD-tasona (Acceleration Spectral Density, vast.amer. PSD, Power Spectral Density) ja testin kestoaikana. Käytetty ASDtaso (m 2 /s 3 tai g 2 /Hz) on riippumaton mittaus- tai ohjausjärjestelmän kaistanleveydestä. Testissä vaikuttava tehollinen kokonaiskiihtyvyys (rms) saadaan laskettua ASD-tason ja taajuusalueen tulon neliöjuurena tai luettua suoraan standardien taulukoista. Satunnaistärinässä esiintyvien kiihtyvyyshuippujen jakautumassa saattaa olla huomattavia vaihteluja, mutta sen rms-arvo pysyy muuttumattomana. Esiintyvien maksimihuippujen ja rms-arvon suhde on tavallisimmin luokkaa 2...4, mutta kenttämittauksissa saattaa löytyä jopa kymmenkertaisia arvoja. Isku (Shock, IEC 60068-2-27) ja Jyskytys (Bump, IEC 60068-2-29) Iskutestillä voidaan paljastaa komponenttien tai laitteiden mekaaninen heikkous ja/tai suoritusarvojen heikkeneminen sovelluksissa, joissa ne ovat alttiina epäsäännöllisille yksittäisille iskuille käytön tai kuljetuksen aikana. Testiä voidaan käyttää laadunvalvonnassa, ja sen avulla voidaan myös arvioida tuotteen rakenteellista kestävyyttä. Jyskytystestillä voidaan paljastaa komponenttien tai laitteiden kertyvät vauriot tai heikkeneminen sovelluksissa, joissa ne ovat alttiina toistuville iskuille käytön tai kuljetuksen aikana. Testiä voidaan käyttää laadunvalvonnassa ja sen avulla voidaan myös arvioida rakenteellista kestävyyttä. Testi on ensisijaisesti tarkoitettu pakkaamattomalle tuotteelle sekä kuljetuslaatikossa olevalle tuotteelle, jos pakkaus katsotaan osaksi tuotetta. Testattava näyte kiinnitetään aina testauslaitteeseen rasituksen ajaksi. Käytettävä pulssimuoto on puolisini. Pudotus ja kaato (Drop and topple, IEC 60068-2-31) Ensisijaisesti laitteille tarkoitettu testi, jonka avulla voidaan arvioida huollon aikaisten tai kovakouraisesta käsittelystä johtuvien lyöntien ja iskujen vaikutuksia pöydillä tai työpenkeillä käytettäviin laitteisiin. Testiä voidaan myös käyttää aikaansaamaan karkeahkon käsittelyn vaikutuksia arvioitaessa turvallisuusvaatimuksia. Testi on ensisijaisesti tarkoitettu pakkaamattomille laitteille sekä itse laitteeseen kuuluville osille, jotka ovat kuljetuslaatikossaan. Testiin kuuluu kolme erillistä menetelmää, joista kukin edustaa erilaista käsittelyä: a) Särmän nosto ja pudotus b) Kulmalleen pudotus c) Kaato Vapaa pudotus (Free fall, IEC 60068-2-32) Testissä on kaksi menetelmää, vapaa pudotus ja toistuva vapaa pudotus. Ensimmäinen jäljittelee pudotuksia, joihin yleensä pakkaamaton laite voi joutua käsittelyn aikana. Toinen jäljittelee toistuvia pudotuksia, joita voi tapahtua sellaisille laitteille kuten liittimet tai pienet langalliset kauko-ohjaimet. Vapaassa pudotuksessa näytteen annetaan yleensä kaksi kertaa pudota vapaasti valitulta korkeudelta pinnalle, joka on sileä, kova ja jäykkä. Pinta on yleensä betonia tai terästä.
14 (18) Toistuvassa vapaassa pudotuksessa näytteen annetaan pudota 500 mm korkeudelta useita kertoja teräspinnalle tahdilla noin 10 pudotusta minuutissa. Pinta on sileä, kova ja jäykkä sekä 3 mm paksuinen, ja sen alla on noin 10 mm paksuinen kovapuu.
15 (18) TIIVIYSTESTIT (IP-KOODIT) Sähkölaitteiden koteloinnin suojausominaisuudet määritellään IP-koodien avulla, jossa IP-koodin ensimmäinen numero määrittelee koteloinnin kosketus- ja vierasainesuojauksen ja toinen numero vesisuojauksen. IP-koodiin liittyvillä lisäkirjaimilla ja täydentävillä kirjaimilla voidaan määritellään esim. laitteen toiminnalliseen tilaan testauksessa liittyviä asioita. Laitteiden olosuhdetestauksen kannalta olennaisimmat tiiviysluokat, joita testataan ovat koteloiden pölysuojaus (IP5X ja IP6X) ja vesisuojaus (IPX1... IPX8). Pölysuojauksen arviointi tehdään pölytestin avulla, missä tutkittava kotelo sijoitetaan hienojakoista talkkipölyä sisältävään pölykammioon joko alipaineen kanssa tai ilman. Vesisuojauksen arviointia varten on jokaista luokan numeroa varten oma testausmenetelmänsä alkaen tippuvesitestistä ja päätyen laitteen upotukseen määriteltyyn syvyyteen.
16 (18) VIITTEET IEC:n ympäristöluokitusstandardit ja tekniset raportit ympäristöluokituksesta testeihin IEC 60721-1, Classification of environmental conditions - Part 1: Environmental parameters and their severities. IEC 60721-3-0, Part 3: Classification of groups of environmental parameters and their severities. Introduction IEC 60721-3-1, Part 3: Classification of groups of environmental parameters and their severities. Storage IEC 60721-3-2, Part 3: Classification of groups of environmental parameters and their severities. Transportation IEC 60721-3-3, Part 3: Classification of groups of environmental parameters and their severities. Stationary use at weatherprotected locations IEC 60721-3-4, Part 3: Classification of groups of environmental parameters and their severities. Stationary use at non-weatherprotected locations IEC 60721-3-5, Part 3: Classification of groups of environmental parameters and their severities. Ground vehicle installations IEC 60721-3-6, Part 3: Classification of groups of environmental parameters and their severities. Ship environment IEC 60721-3-7, Part 3: Classification of groups of environmental parameters and their severities. Portable and non-stationary use IEC 60721-3-9, Part 3: Classification of groups of environmental parameters and their severities. Microclimates inside products IEC TR 60721-4-0, Part 4-0: Guidance for the correlation and transformation of the environmental condition classes of IEC 60721-3 to the environmental tests of IEC 60068 - Introduction IEC TR 60721-4-1, Part 4-1: Guidance for the correlation and transformation of the environmental condition classes of IEC 60721-3 to the environmental tests of IEC 60068 - Storage IEC TR 60721-4-2, Part 4-2: Guidance for the correlation and transformation of the environmental condition classes of IEC 60721-3 to the environmental tests of IEC 60068 - Transportation IEC TR 60721-4-3, Part 4-3: Guidance for the correlation and transformation of the environmental condition classes of IEC 60721-3 to the environmental tests of IEC 60068 - Stationary use at weatherprotected locations IEC TR 60721-4-4, Part 4-4: Guidance for the correlation and transformation of the environmental condition classes of IEC 60721-3 to the environmental tests of IEC 60068 - Stationary use at nonweatherprotected locations
17 (18) IEC TR 60721-4-5, Part 4-5: Guidance for the correlation and transformation of the environmental condition classes of IEC 60721-3 to the environmental tests of IEC 60068 - Ground vehicle installations IEC TR 60721-4-6, Part 4-6: Guidance for the correlation and transformation of the environmental condition classes of IEC 60721-3 to the environmental tests of IEC 60068 - Ship environment IEC TR 60721-4-7, Part 4-7: Guidance for the correlation and transformation of the environmental condition classes of IEC 60721-3 to the environmental tests of IEC 60068 - Portable and nonstationary use IEC 60068-2 -julkaisusarjan yleisimmät testausmenetelmät IEC 60068-2-1, Test A, Cold IEC 60068-2-2, Test B, Dry heat IEC 60068-2-3, Test Ca, Damp heat, steady state IEC 60068-2-5, Test Sa, Simulated solar radiation at ground level IEC 60068-2-6, Test Fc, Vibration (sinusoidal IEC 60068-2-14, Test N, Change of temperature IEC 60068-2-18, Test R, Water IEC 60068-2-27, Test Ea, Shock IEC 60068-2-28, Guidance for damp heat tests IEC 60068-2-29, Test Eb, Bump IEC 60068-2-30, Test Db, Damp heat cyclic IEC 60068-2-31, Test Ec, Drop and topple, primarily for equipment-type specimens IEC 60068-2-32, Test Ed, Free fall IEC 60068-2-38, Test Z/AD, Composite temperature/humidity cyclic test IEC 60068-2-52, Test Kb, Salt mist cyclic IEC 60068-2-56, Test Cb, Damp heat, steady state, primarily for equipment IEC 60068-2-64, Test Fh, Vibration, broad-band random (digital control) and guidance Muut standardit ja julkaisut Helsinki University of Technology Publications in Machine Design 1/2001, Smart Machines and Systems - Recent Advances in Mechatronics in Finland, Chapter 11. Dependability of electronics.
18 (18) VTT Julkaisuja - 842, Korroosio ja ilmastolliset vaikutukset elektroniikassa, 2000 SFS EN 60 529, Sähkölaitteiden kotelointiluokat (IP-koodi), 1992 MIL-STD-810E, Environmental Test Methods and Engineering Guidelines DEF -standardit (Ministry of Defence, Great Britain) - DEF 00-35 Environmental Handbook for defence material Part 1: General Requirements Part 2: Spefication of service environments Part 3: Natural Environments - DEF 07-55, Environmental Testing of Service Material, Part 2: Tests. KOTEL 203, Ympäristötestauskäsikirja, 1989, 171 s. KOTEL 215, Ympäristötestauskäsikirja. II osa, 1994, 150 s. KOTEL 214, Elektroniikkateollisuuden luotettavuuskäsikirja, 1991, 103 s. SFS-Käsikirja 108, Ypäristöluokitus- ja testaus, 1989, 80 s. SFS-IEC 68-5-2, Sähköteknillinen ympäristötestaussanasto, 1995. IEC 1163-1, Reliability stress screening, Part 1: Repairable items manufactured in lots, 1995.