Jak určit body pro měření teploty

Obvykle je proces určování polohy teplotních čidel založen na dobré znalosti projektu a jisté míře intuice. Projektant často určuje polohu teplotních čidel například na základě vlastních zkušeností. Bylo by však jistě vhodnější použít nějaký snazší a hlavně přesnější způsob. Optimálním řešením by bylo provést rychlý a neinvazivní praktický test.

V další části tohoto článku je popsáno, jak nám v tomto mohou pomoci akviziční systémy 34970A/34972A a termokamera U5855A TrueIR.

Použití akvizičních systémů je vhodným řešením, neboť se jedná o řešení rychlé a přesné a také proto, že umožňuje měření v zadaných časových intervalech. Akviziční systémy mohou také pomoci při určování vhodné lokalizace měřicích bodů. I když je měření teploty dobře připraveno, vždy mohou nastat neočekávané situace. V další části je popsáno, jak jejich vznik omezit na minimum.

V prvé řadě je nutné identifikovat oblasti, které mají být monitorovány. V běžných elektronických projektech to bývají místa s vyšší teplotou nebo taková, která mají nedostatečný průtok vzduchu. V jiných případech, jako například při inspekcích budov, je nutné věnovat pozornost místům jak se zvýšenou, tak i se sníženou teplotou. V takových případech umožňuje termokamera Keysight U5855A TrueIR určit problematická místa mimořádně efektivně. Tento výkonný přístroj, založený na patentovaném algoritmu, vytváří termovidea s rozlišením 320 × 240 pixelů – tj. s 4× vyšším rozlišením, než má čidlo. Díky použití funkce Fine Resolution je cena tohoto zařízení mnohem nižší než v případě srovnatelných termokamer s rozlišením 320 × 240.

Termokamera U5855A má mnoho funkcí umožňujících rychlou identifikaci problematických míst z hlediska teploty. Teplota je vizualizována na snímku, který lze stáhnout do počítače nebo zobrazit v reálním čase na displeji. Uživatel tak dostává informace, ve kterých místech je teplota vyšší nebo nižší, než předpokládal.

Termokamera U5855A zaznamenává minimální/maximální teploty a také umožňuje jejich okamžitý odečet. Teplotní charakteristiku objektu lze získat dokonce během 5 minut, což umožňuje rychlé určení míst, na které je nutné se soustředit.

Pro získání přesných odečtů teploty za použití termokamery U5855A je nutné přizpůsobit vyzařování zařízení emisivitě desky plošných spojů nebo materiálu, který je měřen. Emisivita materiálu je relativní schopnost emitovat energii infračerveného záření. Například emisivita standardního materiálu FR4 v DPS je 0,91. Jiným řešením je pokrytí obvodu látkou zvyšující emisivitu, například nitridem boritým ve formě spreje, jehož emisivita je 1.

Na obr. 1 jsou dva snímky téže desky plošných spojů. Vlevo je záběr celé desky, vpravo pak oblast s vyšší teplotou, která byla zaznamenána v levé části desky. Je zde vidět celkem 9 míst s vyšší teplotou a dalších 5 oblastí, které je potřeba pro zajištění teplotní stability monitorovat.

Většina termokamer s větší ohniskovou vzdáleností vyžaduje dodržení větší vzdálenosti od objektu, který je měřen, což má za následek méně přesný teplotní obraz, tedy bez jemných detailů. Pro získání ostřejšího obrazu je často nutné pořídit termokameru s vyšším rozlišením.

Termokamera U5855A je schopna se zaměřit na objekty již ve vzdálenosti pouhých 10 cm od svého objektivu. Zařízení je vybaveno také funkcí optického zoomu, který umožňuje až čtyřnásobné přiblížení. Funkce, jako jsou blending nebo obraz v obraze, pak umožňují snadné porovnávání termosnímků všech objektů.

Většina elektronických systémů je umístěna pod nějakým krytem, a proto je doporučeno měřit tepelné charakteristiky systémů vč. krytu. Tak lze zjistit, zda dochází k dostatečnému průtoku vzduchu. Jednou z metod, jak rychle zjistit, kde se nacházejí místa s vyšší teplotou, je použít kryt s otvorem v místě měření. Následně je nutné tento otvor zakrýt kouskem polyetylenové fólie (často používané k výrobě sáčků na odpadky). Tato metoda umožňuje vytvoření podmínek pro průtok vzduchu v uzavřeném krytu při zachování možnosti monitorování teploty systému.

Po určení míst s vyšší teplotou lze přejít k další diagnostice objektu použitím akvizičního systému. Použití zařízení 34970A/34972A má ve srovnání s termokamerou mnoho výhod. Použití méně invazivních teplotních čidel umožňuje provádět měření teploty s přesností až 0,06 °C a získat kompletní informace o teplotě uvnitř krytu nebo v běžném prostředí.

Jedním z prvních kroků, který je nutné učinit, je volba správného čidla. Běžně používanými teplotními čidly jsou termoelektrické články, odporová teplotní čidla (RTD), termistory a čidla IC. Každé z nich má určité výhody pro daný způsob použití.

Termoelektrické články nacházejí uplatnění při teplotním profilování více míst s ohledem na jejich tvar, jednoduchost a nízkou cenu. Navíc mohou být využívány v širokém rozsahu teplot a lze je přizpůsobit různým podmínkám. Termoelektrické články jsou odolné, často připevněné ke kovové části pro získání dlouhodobé stability. Jsou to nejuniverzálnější čidla pro měření teploty.

Akviziční systém 34970A/34972A provádí řadu úkolů, od kompenzace reference přes softwarovou konverzi napětí na teplotu. Používání termoelektrických článků je tak snadné jako spojení dvou kabelů. Zařízení 34970A/34972A zahrnuje moduly s vestavěnou teplotní referencí, což usnadňuje dosažení přesného měření.

Díky své poměrně vysoké linearitě, dlouhodobé stabilitě a opakovatelnosti měření nacházejí odporová teplotní čidla (RTD) uplatnění v měřicích komorách. Čtyřvodičové měření odporu, které kompenzuje odpor vývodů, je vhodné řešení pro RTD při přesném měření. Měření s použitím RTD je standardní funkcí systému shromažďování dat 34970A/34972A. Odporová teplotní čidla jsou mezi teplotními čidly nejstabilnější, jsou však současně nejpomalejší a nejdražší. Jsou dobrým řešením v těch projektech, kde je nejdůležitější přesnost a rychlost a náklady jsou druhořadé.

Termistory, podobně jako odporová teplotní čidla, jsou rezistory měnící hodnotu odporu pod vlivem teploty. Jejich nejdůležitější vlastností je citlivost, působením teploty podléhají výraznějším změnám, než již popsaná čidla. Díky tomu je možné detekovat i nevelké teplotní rozdíly.

Mezi výše uvedenými čidly vyžaduje napájení pouze čidlo IC, které má funkci zpracování signálu umožňující vytvoření snadno měřitelného elektrického signálu. Další výhodou je to, že signál dodávaný čidlem IC je přímo proporcionální k absolutní teplotě.

Možnosti konverze, které umožňuje software Keysight 34970A a 34972A, jsou kompatibilní s termoelektrickými články typu B, E, J, K, N, R, S a T, 2,2-, 5- a 10kΩ termistory a mnoha typy odporových teplotních čidel. Výsledky jsou zobrazeny ve stupních Celsia, Fahrenheita a Kelvina.

Po zvolení vhodného čidla, které bude použito při měření teploty, je nutné zabudovat snímač na desku nebo do konstrukce. Tak například termoelektrické články musí být v bezprostředním kontaktu s monitorovaným povrchem. Médium spojující článek s povrchem by mělo být co nejmenší, díky tomu je fakticky monitorován testovaný povrch a změny v něm probíhající. U konstrukcí může být nezbytné použití systému, který získává údaje po delší dobu (např. jednoho roku nebo i více let). V takovém případě je nutné se ujistit, že jsou termoelektrické články připevněny pevně, např. přivařeny nebo přišroubovány ke kovové části.

V případě elektronických systémů je nutné kvalitní spojení, které však nebude mít vliv na desku plošných spojů. Články lze připájet pomocí vysokoteplotní pájky, přilepit kaptonovou páskou nebo lepidlem.

Po připojení kabelů a namontování systému lze zahájit měření buď v přirozených podmínkách, nebo ve zkušební komoře. Při využití akvizičního systému shromažďování dat 34970A/34972A lze snadno a přesně monitorovat systém po dlouhou dobu a využít podporu automatizačního softwaru.

Použití termokamery U5855A umožňuje rychlou lokalizaci míst vhodných pro měření teploty. Díky akvizičnímu systému 34970A/34972A a teplotním čidlům se získají při dlouhodobém měření přesné, relevantní výsledky. S tímto řešením je volba optimálního místa instalace teplotních čidel a provádění měření jednodušší, než kdykoliv předtím.

Na internetových stránkách www.tme.eu naleznete informace i o dalších výrobcích Keysight.