CC BY
60
Агеева Л.М., Калоев О.М., Увайсов С. У.
Москва, МИЭМ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ КОМПЕНСАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ,
ВНОСИМОЙ ТЕРМОДАТЧИКОМ ПРИ КОНТАКТНОМ МЕТОДЕ КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Современный уровень развития техники создает предпосылки для значительного увеличения выпуска высококачественных электронных средств (ЭС). Обеспечение высоких показателей качества и надежности этой продукции в настоящее время невозможно без применения на заводах-изготовителях разнообразных методов и средств контроля и диагностирования на каждом этапе технологического процесса.
Постоянное усовершенствование ЭС, направленное на расширение круга решаемых задач, ужесточение внешних дестабилизирующих факторов, повышение требований к надежности, приводит к необходимости уделять особое внимание проблеме анализа и обеспечения тепловых характеристик ЭС.
Как правило, методы контроля температуры, которые широко используются в промышленности, разделяют на контактные и бесконтактные. Бесконтактныеметоды основаны на принципе регистрации излучения, которое исходит от объекта.
Контактный метод предполагаеткасание датчиком температуры корпуса комплектующего электрорадиоэлемента (ЭРЭ). В качестве датчиков используются термопары, термометры сопротивления, термисторы и датчики, в основе которых лежат полупроводниковые технологии.
Наибольшее распространение получают контактные методы (рисунок 1), т.к. имеют невысокую стоимость и возможность измерения объемных конструкций ЭС.
Рисунок 1 - Измерение температуры электрорадиоэлемента контактным методом
Однако при измерениях температур контактными датчиками, их результаты зависят от характера контакта датчика с измеряемым ЭРЭ.
Надо отметить, что контактные средства измерения температуры в принципе, определяют не температуру измеряемого объекта, а температуру своего теплоприемника, т.е. датчика, который в свою очередь отличается от температуры объекта на величину систематической погрешности, вносимой датчиком и связанной с силой его прижима, шероховатостью поверхностей датчика и ЭРЭ, тепловым сопротивлением крепления. Но, от точности измеренных температур элементов зависит достоверность контроля тепловых режимов ЭС.
Достижения в области математического моделирования тепловых процессов, протекающих в ЭС, и появление доступных и достаточных вычислительных ресурсов позволяют развить и усовершенствовать существующие методы контактных измерений температур, путем расчета и последующего внесения в результаты измерений поправки, связанной с систематической погрешностью.
Для повышения достоверности теплового контроля печатных узлов (ПУ) ЭС предлагается следующий метод компенсации температурной погрешности.
Метод состоит из двух основных этапов: компьютерного моделирования и измерения температур.
Для выявления систематической погрешности, вносимой датчиком при измерении температур ЭРЭ, в программах моделирования составляются две модели: 1) модель ЭРЭ, установленного на плате; 2) модель, включающая в себя ЭРЭ, установленный на плате и закрепленный на нем датчик температуры.
В результате расчета первой модели получаем оценку температуры ЭРЭ - Ti . В результате расчета
модели, включающей в себя термодатчик, получаем оценку температуры - Т2 . Рассчитанные температуры являются лишь оценками, т.к. в моделях не учитывается то, что ЭРЭ, как правило, стоит не один на плате, а окружен другими ЭРЭ, которые оказывают влияние на его тепловой режим.
После расчета составленных моделей, результаты расчета сравниваются и выявляется величина поправки АТ:
АТ = Т1-Т2.
Далее, рассчитанная АТ прибавляется к измеренной температуре Тизм:
Т = Т +АТ
1 к 1 изм 1 1 .
Поскольку число геометрических форм и материалов корпусов ЭРЭ и корпусов термодатчиков ограничено, то, в рамках метода, предложено составление базы, в которую будут заноситься АТ для различных пар ЭРЭ-датчик. Но, с учетом того, что, в зависимости от мощности, которая рассеивается на измеряемом ЭРЭ АТ для одной и той же пары меняется, в базу заносятся градуировочные характеристики, т. е. зависимости поправки АТ от температуры, которая рассчитана на датчике:
АТ = f (Т2 ) .
Полученное расчетное значение АТ используется далее при контроле тепловых режимов ПУ для автоматической компенсации погрешностей индивидуально для каждого элемента на печатном узле. Автоматическая компенсация погрешностей происходит путем сопоставления измеренной температуры конкретного ЭРЭ с градуировочной характеристикой для этого ЭРЭ и того датчика, которым производился замер температуры. При определении АТ используется допущение, что температура измеренная Тизм со-
азом, отложив величину Тизм по оси абсцисс и проведя нормаль из этой точки до градуировочной характеристики, а далее нормаль от найденной точки на градуировочной характеристике до оси ординат по которой отложены АТ±, находим искомую величину АТ.
В ходе исследований было проведено моделирование теплового процесса.
поставима с рассчитанной температурой датчика Т2 . Таким обр
Поскольку исследуемыми объектами являются радиоэлектронные элементы, то учитывались три возможных формы контактной поверхности: плоскость, боковая сторона цилиндра и шарообразная форма.
Таким образом, от формы элемента зависит площадь контакта. Для плоскости это будет круглое пятно диаметром 3 мм (реальный размер датчика термопары MS65), для боковой поверхности цилиндра это будет прямоугольник длиной 3 мм и бесконечно малой шириной (0,1 мм в нашем случае), для шара это будет точка 0,1*0,1 мм.
Была создана упрощенная модель, отвечающая предъявляемым к ней требованиям. Моделирование проводилось на подсистеме АСОНИКА-Т, общий вид модели представлен на рисунке 2, здесь узел 1- иссле-
дуемый элемент, узел 4- датчик измерителя температуры, узлы 2 и 3 комнатной температурой. В ходе моделирования на узле 1 изменяется температура, а щадь контакта. Результаты моделирования представлены в таблице 1.
окружающая среда с постоянной на узле 4 пло-
Рисунок 2 - Общий вид модели теплового процесса
Таблица 1
Контактная поверхность: плоскость. Контакт: круглое пятно d=3 мм, Токр.=20 С ^ом, С Tдатчика, С
120 119,4
100 99,5
80 79,7
60 59,8
40 39,9
20 20
Контактная поверхность: боковая пов-сть цилиндра . Контакт: прямоугольник 0,2 х 3 мм, Токр.=20 С 120 113,5
100 95
80 76,4
60 57,8
40 39
20 20
Контактная поверхность: шар. Контакт: круглое пятно d= 0,2 мм, Токр.=20 С 120 66,2
100 57,6
80 48,7
60 39,7
40 30,2
20 20
Далее были проведены экспериментальные исследования.
Исследование объекта следует проводить в температурном диапазоне от 20 С до 120 С, что соответствует типовому рабочему диапазону температур для большинства элементов. Такой диапазон измерений позволит оценить изменение величины потерь при повышении температуры, а также позволит с удобством произвести испытания даже в бытовой обстановке.
Испытания проводились двумя методами: исследуемый объект нагревался на открытом огне до температуры в 150 С, затем, в процессе остывания, снимались показания температуры в опорных точках 120, 100, 80, 60, 40 и 20 С. Пластиковые детали нагревались в водной среде до 100 градусов, чтобы избежать повреждения открытым огнем.
В качестве средств измерения температуры использовались: контактный измеритель температуры MASTECH MS65 с термопарой К-типа (рисунок3) и бесконтактный инфракрасный измеритель температуры Komoloff 205 (рисунок4)
Рисунок 3
Контактный измеритель температуры MS65
Контактный измеритель температуры MS65 способен измерять температуру в диапазоне от -50 до +150 С, с разрешающей способностью 0,1 С. Приборная погрешность измерений на различных температурных диапазонах приведена в таблице 2.
Таблица 2
Диапазон, С Погрешность, С
(Л о 0 1 о о ±6
-39,9 - -20,0 ±3
-19,9 - 0 ±2
0 - 99,9 ±1
100,0 - 119,9 ±3
120,0 - 150,0 ±5
J
Рисунок 4 - Бесконтактный инфракрасный измеритель температуры Komoloff 205
Спецификациябесконтактного инфракрасного измерителя температуры Komoloff 205 представлена в
таблице 3. Таблица 3
Диапазон измерений -55 - +250 С
Приборная погрешность при температуре исследуемого объекта 15 -35 С и окружающей среды 25 С ± 1,0 С
Приборная погрешность при температуре исследуемого объекта 33 - ± 2% от измеренной величины
250 С и окружающей среды 23±3 С
Разрешающая способность 0,1 С
Время измерения 1 с
Оптическое разрешение 6:1
Диапазон эмиссии 0,05 - 1,00 (0,95 по умолчанию)
Результаты проведенного эксперимента представлены в таблице 4
Сравнивая результаты моделирования с результатами, полученными в ходе проведения эксперимента, можно заключить, что предварительное моделирование с достаточной точностью воспроизводит тепловой процесс и позволяет достоверно оценить погрешность вносимую в измерения контактным теплообменом. Следует также учесть, что модель, используемая в данной работе, упрощенная, и можно добиться значительно более точных результатов, внося в модель факторы соответствующие реальной обстановке.
Таким образом, проведенные исследования показывают, что предварительное моделирование позволяет оперативно оценить систематическую погрешность, вносимую термодатчиком при контактном измерении температур комплектующих ЭРЭ и, таким образом, повысить достоверность контроля тепловых режимов ПУ ЭС.
Таблица 4
Объект: медная пластина Контакт: точка Тпир, С Тконт, С
120 93,7
100 80,7
80 63,6
60 47,2
40 35,7
20 20
Объект: медная пластина; Контакт: пятно d=3; (С использованием термопасты КТ-6) 120 119,3
100 99,4
80 79,6
60 59,8
40 39,9
20 20
Объект: окрашенный металл; Контакт: точка 100 73,2
80 65,5
60 52,7
40 38,1
20 20
Объект: окрашенный металл; Контакт: пятно d=3; (С использованием термопасты КТ-6) 100 99,3
80 79,5
60 59,8
40 39,9
20 20
Объект: Пластиковая пластинка 100 (контакт точка) 68,9
100 (контакт пятно d=3) 98,9
Примечание - В ходе испытаний пластиковых изделий не удалось в должной мере использовать пирометр, поэтому измерения проводились только для температуры в 100 С.
