Быстрое определение и характеристика точек температурных измерений

26.11.2014

Традиционно процесс выбора расположения температурных датчиков основывался на знании разрабатываемого проекта и некоторой доли интуиции. Согласитесь, ситуация, когда разработчик всего лишь предполагает правильное размещение датчиков, — вещь довольно распространенная. А что, если бы существовала более простая и точная альтернатива? Что, если вы могли к этому знанию добавить тестирование, которое являлось бы быстрым, ненавязчивым и практичным?

Посмотрите наши примеры тестирования, и вы убедитесь насколько лучше и быстрее, решение, состоящее из системы сбора данных Keysight 34970А/34972А и TrueIR-тепловизора U5855A, поможет вам понять процесс проведения температурных измерений.

Температурная характеристика прототипа

Вы — инженер-разработчик в области радиоэлектроники, завершающий свой первый прототип. Все действует, как задумано. Однако вам требуется провести температурную характеристику проекта для обеспечения защиты его компонентов от перегрева при работе в условиях нормальной эксплуатации. Используя собственные заметки, теоретически вы можете установить, где рассеивается основная часть мощности, и обозначить потенциально проблемные области. Но недостатки, связанные с непредвиденной скоростью потребления питания, иногда остаются незамеченными. С помощью TrueIR-тепловизора U5855A вы быстро определите эти проблемные области. Далее можно выполнить характеристику своего проекта по разным критериям, используя при этом до 60 различных термопар, соединенных проводниками в единую систему сбора данных 34970A/34972A.

Длительный строительный надзор

Длительный строительный надзор — дело достаточно сложное. Поскольку фундамент здания имеет свойство оседать, в конструкции или теплоизоляции, скорее всего, будут появляться трещины. Такие проблемы способны вызвать нагрев или переохлаждение, увеличить затраты или, что еще хуже, могут свидетельствовать об изъяне в самой конструкции. Для того чтобы характеризовать эти изменения в долгосрочной перспективе, строители и служба надзора теперь имеют возможность контролировать температуру в возводимых зданиях.
На этапе первоначальной проверки проблемные области легко идентифицируются с помощью TrueIR-тепловизора U5855A. После идентификации можно воспользоваться системой сбора данных 34972A, которая предусматривает управление для установки сети датчиков температуры, в течение длительного периода обеспечивающих удаленный контроль параметров.

Быстрое определение точек температурного измерения с помощью тепловизора

Вы решили, что вам необходим контроль температуры в течение определенного времени. В данном случае целесообразно использовать систему сбора данных, поскольку это универсальное средство, позволяющее точно снимать данные через конкретные интервалы. Тем не менее при выборе правильных мест расположения датчиков вам может потребоваться помощь, а кроме того — возникнуть вопросы по использованию систем сбора данных для мониторинга температуры. Независимо от того, насколько точно вы планируете или подготавливаете процесс, неожиданности часто возникают, когда дело доходит до тестирования температуры. Ниже дано несколько советов, которые помогут свести эти сюрпризы к минимуму.

Рис. 1. Изображение тестируемой печатной платы

Во-первых, необходимо определить участки, которые вы хотите контролировать. В электронике — это нахождение горячих точек или мест с недостаточной конвекцией воздуха. В других областях, таких как строительный надзор, горячие или холодные места могут тоже указывать на проблемные участки. В этой ситуации применение TrueIR-тепловизора U5855A от компании Keysight становится весьма эффективным. Данный прибор использует запатентованную технологию формирования изображения, которая позволяет получить тепловые снимки с разрешением 320×240 пикселей при разрешении матрицы 160×120. Очевидно, что такая особенность значительно снижает стоимость U5855A по сравнению с аналогичными тепловизорами, имеющими разрешение матрицы 320×240 пикселей.
Тепловизор U5855A имеет ряд других особенностей, помогающих быстро характеризовать проблему температурных точек с высокой скоростью освоения пользования. Он позволяет отображать температуру на дисплее прибора в реальном времени или сохранять на ПК статические изображения. Благодаря данной возможности вы будете видеть, в каких местах жарче или холоднее, чем можно было ожидать.

Для получения более быстрых результатов тепловизор U5855A оснащен возможностью выделять минимальные и максимальные значения температуры, а также считывать температуру при наведении курсора. Устройство также можно использовать для быстрой характеристики тестируемого предмета, что позволит определить области, на которых следует сосредоточить усилия.
Для того чтобы получить более точные показания температуры с помощью U5855A, необходимо просто установить значение излучательной способности тепловизора, соответствующее вашей печатной плате или измеряемому материалу. Коэффициент излучения материала является его относительной способностью излучения волн инфракрасного диапазона. Например, коэффициент излучательной способности обычной печатной платы FR4 равен 0,91.

Рис. 2. Изображение тестируемой платы и ее отдельной области

На рис. 2 представлены изображения одной и той же сборки печатной платы. Изображение слева — это снимок всей сборки, а изображение справа — увеличенный участок горячих точек, найденных на изображении слева. В общей сложности нас интересует характеристика девяти точек и пяти участков платы, которые мы хотим контролировать для обеспечения общей температурной стабильности.
U5855A имеет возможность фокусировки на объектах, находящихся на расстоянии от 10 см до объектива. В устройстве предусмотрена функция оптического зума, позволяющая увеличить изображение до 4 раз. Функция смешанного изображения, «картинка-в-картинке» и прочие инструменты помогают легко проводить сравнение оптических и тепловых изображений, а также их отдельных частей.
U5855A — это оптимальное решение для выполнения температурных характеристик в области электроники. Большинство других тепловизоров имеют более длинное фокусное расстояние, которое требует увеличения дистанции от предмета до объектива, что в свою очередь приводит к ухудшению качества теплового изображения. Плохое качество не позволяет захватывать мелкие детали изображения. Для компенсации размытия снимка приходится использовать тепловизоры с более высоким разрешением. Многие из разрабатываемых электронных устройств имеют шасси или заключены в корпус. Следовательно, температурную характеристику предпочтительнее проводить с учетом этого шасси или корпуса. Такое условие позволяет определить, достаточен ли поток воздуха в вашей системе. Одним из способов быстрого определения горячих точек является доработка корпуса вырезом или окном в схеме, представляющей интерес. Затем вы можете заклеить окно обычной полиэтиленовой пленкой, что поможет смоделировать поток воздуха внутри закрытого корпуса, и при этом провести мониторинг температуры его внутренних частей.

Сбор данных температурных измерений

После того как точки были определены, можно использовать систему сбора данных для создания термопрофиля вашего устройства. Применение таких систем, как 34970A/34972A, имеет ряд преимуществ над тепловизорами. Благодаря наличию контактных низкотемпературных датчиков вы можете измерить температуру с точностью до 0,06 °C (точность передачи) и полностью контролировать ее как в корпусе устройства, так и в окружающей среде.
Один из первых этапов проведения температурной характеристики заключается в правильном выборе температурного датчика. К самым распространенным типам датчиков относятся: термопары, резистивные датчики температуры (РТД), терморезисторы и интегральные диодные датчики. Каждый тип обладает своими определенными преимуществами в зависимости от области применения.
Например, термопары хорошо подходят для построения температурного профиля, состоящего из множества точек, благодаря их формфактору, простоте и низкой стоимости. Они также могут использоваться в широком диапазоне температур и оптимизироваться для различных условий. Термопары являются прочными, зачастую привариваются к металлическим частям для обеспечения температурной стабильности и считаются наиболее универсальными преобразователями температуры. При использовании термопар в системах сбора данных необходимо проводить компенсацию температуры холодного спая. Модели 34970A/34972A оснащены модулями, которые отвечают этому требованию за счет встроенного эталона температуры окружающей среды. В отличие от термопар, РТД хорошо подходят для работы в климатических камерах из-за их относительно высокой линейности, долгосрочной стабильности и воспроизводимости измерений. Четырехпроводная схема измерения, компенсирующая сопротивление проводников, хорошо подходит для точного измерения датчиками сопротивления. В системах сбора данных 34970A/34972A такая функция измерения входит стандартную конфигурацию прибора. РДТ представляют собой наиболее точные и стабильные датчики температуры, однако они самые медленные и дорогостоящие. Поэтому лучше всего их использовать для прецизионных измерений, где важна точность, а скорость и стоимость становятся второстепенными показателями.
Как и РДТ, термисторы имеют зависимость сопротивления от температуры. Они Основное преимущество этих приборов — их чувствительность, но в то же время у них более широкий диапазон зависимости от температуры, чем у других, ранее упомянутых датчиков. В связи со столь широкой зависимостью можно измерить и самые незначительные колебания температуры, даже при большом изменении сопротивления.
Из всех перечисленных датчиков только интегральные диодные датчики требуют электропитания и содержат устройство преобразования, обеспечивающее простоту измерения электрического сигнала. Другое преимущество заключается в том, что диодные датчики могут формировать выход, который будет линейно пропорционален абсолютной температуре.
Процедуры преобразования, встроенные в прошивку систем сбора данных 34970A и 34972A, поддерживают термопары типов B, E, J, K, N, R, S, и Т; 2.2, 5 и 10-кОм термисторы, а также широкий спектр датчиков сопротивления. Результаты отображаются непосредственно в градусах Цельсия (°С), Фаренгейта (°F) или кельвинах (K).

Датчики температуры: недостатки и преимущества

Термопары		РТД		Термисторы		Диодные датчики
Напряжение		Сопротивление		Сопротивление		Ток или напряж.
Температура		Температура		Температура		Температура
Преимущества
Не требуют питания Простота Прочность Недорогие Широкий выбор форм Широкий температурный диапазон		Наиболее стабильные Наиболее точные Более линейные чем термопары		Высокий выход Быстрые Двухпроводное измерение		Наиболее линейные Высокий выход Недорогие
Недостатки
Нелинейность Низкое напряжение Требуют эталона температуры Менее стабильные		Дорогие Медленные Требуют источник тока Малый диапазон регулировки сопротивления Четырехпроводное измерение		Нелинейность Ограниченный темп. диапазон Хрупкие Требуют источник тока Самонагрев		Т<250°C Требуют источника питания Медленные Самонагрев Ограниченная настройка

После того как вы определились с типами датчиков, используемых для контроля температуры, необходимо смонтировать их на соответствующую плату или конструкцию. Например, при использовании термопар важно обеспечить прямой контакт с поверхностью, которую вы контролируете. Масса, держащая термопару на поверхности, должна быть минимальной, чтобы гарантировать контроль поверхности, а не материала крепления.
Для зданий и конструкций весьма желательно использовать систему регистрации данных с продолжительностью контроля до года или больше. При этом также следует убедиться, что ваши термопары крепятся с помощью прочного соединения, в частности, с помощью сварки или завинчивания в металлическую часть конструкции.
Для электроники прочность крепления датчика не менее важна, однако, скорее всего, вам понадобится соединение, которое не повредило бы плату. Вы можете спаять термопары припоем высокой температуры, удерживая их при этом лентой из каптона, или использовать адгезив, чтобы приклеить их к плате.
После того как система будет подключена и смонтирована, можно проводить контроль температуры в различных условиях окружающей среды, в реальных условиях или в камере искусственного климата. Применение приборов серии 34970A/34972A, позволяет легко и точно контролировать ваши системы в продолжительные периоды времени с автоматизацией программного обеспечения.
На рис. 5 представлен график сборки печатной платы, полученный при использовании программного обеспечения BenchLink Data Logger Pro. Сканирование включает 14 точек измерения температуры, полученных с помощью термопар K-типа. Точки были предварительно идентифицированы тепловизором. Помимо точек измерения температуры можно контролировать и другие сигналы — напряжение, ток или общие цифровые измерения мультиметра (DMM). Это дает вам быстрый графический способ представления хода измерения в течение долгого времени. Сканирование можно использовать для сбора данных в точные интервалы, в течение нескольких минут, часов или даже дней, что особенно полезно для характеристики электронных изделий.

Рис. 5. Результаты характеристики 14 точек

Вывод

Используя тепловизор типа U5855A, вы можете быстро определить тепловые точки, которые необходимо контролировать. С системой сбора данных типа 34970A/34972A и датчиками температуры легко выполнимы надежные, точные и долгосрочные температурные измерения, которые в полной мере характеризуют ваши проекты. Благодаря этим решениям выявление местоположения датчиков температуры, выполняющих измерения температуры на конструкциях, стало как никогда проще.