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CLASSIFICAZIONI E PROVE AMBIENTALI

15/10/2019
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Introduzione e un esempio di applicazione della normativa del Comitato Tecnico 104.

Matteo Gavazzeni, Segretario CEI CT 104

Come noto, gli apparecchi elettrici ed elettronici vengono impiegati in aree del pianeta caratterizzate dalle più svariate condizioni ambientali che possono andare dai climi estremamente freddi, come avviene nei paesi vicini al circolo polare artico, a quelli caratterizzati da un tasso di umidità elevato, come per esempio accade nelle aree tropicali. L’esigenza di rendere i prodotti adatti a funzionare in tutte queste situazioni si è tra l’altro accentuata negli ultimi decenni a seguito della globalizzazione dei mercati.

A causa della necessità di limitare al massimo il numero di varianti, uno stesso apparecchio viene spesso progettato in modo da essere adatto a svolgere regolarmente le proprie funzioni sopportando condizioni climatiche e sollecitazioni meccaniche tra le più disparate, operando in ogni contesto con il massimo grado di affidabilità in maniera regolare e anche in aree isolate, dove gli interventi di manutenzione e/o riparazione possono avvenire solo con estrema difficoltà e a costi elevati.

Per tale motivo è necessario che apparecchi e dispositivi, prima di essere immessi sul mercato, siano sottoposti a prove che simulino le condizioni climatiche e meccaniche che si prevede dovranno essere affrontate nelle varie fasi del loro ciclo di vita (trasporto, installazione, funzionamento, ecc.).

Queste prove vengono spesso richieste nelle norme di prodotto o nelle specifiche di acquisto di prodotti, al fine di garantirne la qualità o la rispondenza a requisiti funzionali.

L’onere di mettere a disposizione dei documenti che consentano ai vari attori del processo (tra i quali rientrano gli esperti di norme, i costruttori di apparecchiature elettriche ed elettroniche, i laboratori di prova, …) di raggiungere tali obbiettivi è svolto a livello nazionale ed internazionale dal Comitato 104, nato dalla fusione di due precedenti Comitati Tecnici CT 50 e CT 75.

Tale originaria suddivisione è riscontrabile dal fatto che, ancora oggi, esistono sostanzialmente due principali ambiti di normazione, ovvero la classificazione ambientale oggetto della famiglia di Norme CEI EN 60721 e i metodi di prova ambientale coperti dalla serie di Norme CEI EN 60068.

Andiamo quindi di seguito a dettagliare meglio i due suddetti ambiti di intervento.

Classificazione ambientale

Le norme della famiglia CEI EN 60721 fissano le classi dei parametri ambientali e le loro severità, che coprono le condizioni estreme (di breve durata) oppure permanenti a cui può essere sottoposto un prodotto durante il trasporto, l’installazione, l’immagazzinaggio e l’uso.

Questo tipo di documenti consente di verificare i diversi parametri ambientali andando a definire delle categorie (classi) che ne delimitano i valori estremi, quali sono, per esempio, i limiti di temperatura, la presenza di vibrazioni, la presenza di sostanze corrosive, ecc.

Tali metodi di classificazione consistono fondamentalmente in:

1) Un codice rappresentato da una sigla che definisce il tipo di applicazione di interesse, ed in particolare:

  • 1 Immagazzinamento;
  • 2 Trasporto;
  • 3 Uso in posizione fissa in luoghi protetti dalle intemperie;
  • 4 Uso in posizione fissa in luoghi non protetti dalle intemperie;
  • 5 Installazione in veicoli terrestri;
  • 6 Installazione su navi;
  • 7 Uso mobile e non fisso.

2) Un codice alfanumerico per indicare il tipo di gruppo di parametri da considerare, ed in particolare:

  • K per indicare le classi di tipo climatico, ovvero quelle legate a parametri di influenza connessi direttamente all’ambiente in cui il prodotto si trova ad essere installato (es. temperatura, umidità, presenza di acqua, ecc.);
  • M per indicare i parametri di tipo meccanico (es. le vibrazioni, gli urti, gli shock meccanici, la caduta a terra degli apparecchi, ecc.); 
  • B per indicare i parametri di tipo biologico, quali l’eventuale presenza di flora e fauna;
  • C per i parametri legati a sostanze chimicamente attive, quali la presenza di cloro, atmosfera salina ecc.

3) Una numerazione progressiva progressiva per indicare il tipo di ambiente specifico.

Per ciascuna classe e parametro vengono quindi suggerite le modalità di prova che meglio consentono di simulare le suddette condizioni.

Si tratta di tabelle di facile consultazione che permettono ai redattori di normative, di specifiche tecniche e di gare di tradurre facilmente le condizioni in cui dovranno operare i prodotti.

Poniamo per esempio il caso di un costruttore di apparecchi elettrici che voglia verificare se il suo prodotto è in grado di resistere all’installazione in un clima di tipo tropicale. 

Si conosce il tipo di installazione (es. all’esterno in posizione non protetta), ma non sono note le caratteristiche climatiche tipiche di tale ambiente (es. temperatura, umidità, ecc.).

Per scoprirlo, il costruttore può iniziare la ricerca verificando se l’ambiente di interesse rientra tra quelli proposti nelle varie norme della famiglia e, in particolare, trattandosi di un utilizzo fisso all’esterno in posizione non protetta, la Norma CEI EN 60721-3-4 (Figura 1).

Questa norma classifica i parametri ambientali (e le loro severità) ai quali un prodotto è sottoposto, quando è montato per un uso in posizione fissa in luoghi non protetti dalle intemperie, inclusi i periodi di montaggio, immobilizzazione, manutenzione e riparazione.

I luoghi non protetti dalle intemperie, dove possono essere montati i prodotti per un uso in posizione fissa in modo permanente o temporaneo, comprendono gli ambienti terrestri e marini. 

Scorrendo le varie classi proposte e volendo verificare le prestazioni del prodotto in conformità alle norme occorrerà focalizzarsi sulle classi di tipo climatico caratterizzate dall’indice K e in particolare, si dovrà utilizzare la classe 4K5.

In tale classificazione rientrano infatti le condizioni coperte dai tipi di clima all’aria aperta caldo umido e caldo umido costante (tipo di clima tropicale umido, in luoghi con foreste pluviali tropicali).

Figura 1 – Norme della serie CEI EN 60721 che definiscono le classificazioni ambientali

Come è possibile evincere dalla Tabella 1, tratta dalla Guida CEI 104-44, per ogni parametro ambientale vengono forniti:

  • i relativi valori estremi;
  • le prove climatiche che meglio consentono di simularne gli effetti.

Per esempio, per quanto riguarda:

  • il fenomeno della condensa, viene proposta la prova in accordo alla Norma CEI EN 60068-2-30 (prova DB), consistente in almeno due cicli di con temperature fino a 40 °C ed umidità superiore al 90%;
  • la prova in condizioni di freddo (CEI EN 60068-2-1), per ovvi motivi non richiede alcuna verifica;
  • la prova di irraggiamento (CEI EN 60068-2-5) viene richiesta con l’analisi con il valore massimo di irraggiamento (1120 W/m2).

È opportuno sottolineare che le Norme CEI EN 60721 propongono un numero molto elevato di varianti valide in tutti i contesti climatici, meccanici (es. presenza o meno di vibrazioni, urti, cadute, ecc.) e chimici (presenza di determinate sostanze, nebbia salina, ecc.).

Tabella 1 – Parametri ambientali e delle prove per la classe 4K5 [Fonte: Guida CEI 104-44]

Metodi di prova ambientali

A questo punto, il suddetto costruttore di apparecchiature si troverebbe nella necessità di eseguire le prove ambientali che meglio si adattano alle effettive condizioni previste di uso ed installazione.

Per farlo potrà attingere alla vasta bibliografia di norme rappresentate dalla serie CEI EN 60068 caratterizzate dalla seguente nomenclatura:

  • Parte 1: parte generale;
  • Parti 2: metodi di prova;
  • Parti 3: guide applicative.

Per esempio, volendo simulare le condizioni di irraggiamento solare, si può optare per la prova CEI EN 60068-2-5 “Prova Sa: Irraggiamento solare simulato al suolo e guida all’irraggiamento solare”.

Questa verifica viene normalmente effettuata su campioni di materiale termoplastico che vengono sottoposti a dei cicli di irraggiamento solare intermezzati da periodi di tempo in cui gli stessi vengono bagnati attraverso degli speciali ugelli posti all’interno delle camere di prova.

L’irraggiamento solare viene simulato attraverso delle speciali lampade, tipicamente XENON, che consento di riprodurre in modo estremamente adeguato il tipico spettro di emissione della luce solare (Figura 2).

Figura 2 – Spettro di emissione solare (CEI EN 60068-2-5)

Le Norme CEI EN 60068 definiscono quindi le severità di prova da verificare in funzione dei diversi contesti applicativi, per esempio, nel caso della suddetta prova di irraggiamento:

  • Valore della radiazione solare: 1120 W/m2;
  • Durata della prova: 500 h.

Durante e/o al termine del periodo di prova possono essere eseguite delle prove di verifica che consentono di analizzare il comportamento del prodotto nelle condizioni di installazione oggetto della verifica.

Nel caso di una prova di irraggiamento, una tipica verifica è rappresentata dalla misura del cambiamento delle coordinate di colore comparando campioni provati prima e dopo essere sottoposti alla prova (Figura 3).

Figura 3 – Esempio di analisi delle coordinate di colore

A questo punto la normativa e/o la specifica di prodotto potrà definire dei margini di accettabilità del degrado.

Per esempio, la Norma CEI EN 62208 relativa agli involucri vuoti destinati ad ospitare apparecchiature (quadri elettrici) richiede che i campioni di materiale isolante vengano provati verificando che la resistenza a flessione (secondo la ISO 178) e l’impatto charpy (secondo la ISO 179) dei campioni abbiano una ritenzione minima del 70%, ovvero che le prestazioni dei campioni invecchiati non degradino per più del 30% rispetto alle prestazioni misurate sui campioni nuovi.

Conclusioni

Pur operando da ormai diversi decenni, il Comitato Tecnico 104 è tuttora un organismo molto attivo e determinato nel raccogliere le sfide che derivano dalle nuove tecnologie e nuovi materiali con applicazioni ed utilizzi estremamente gravosi e con la richiesta di maggiore affidabilità.

Volendo mettere in pratica il seguente aforisma di Catone il censore:

“Non smettere di imparare: sia tua cura accrescere ciò che sai. Raramente la sapienza è data dalla vecchiaia”.

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