ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
53.088
Метод расчета погрешностей измерений температур электрорадиоэлементов печатного узла
Д. А. АМИНЕВ, А. И. МАНОХИН, А. Н. СЕМЕНЕНКО, С. У. УВАЙСОВ
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»,
Москва, Россия, e-mail: uvaysov@yandex.ru
Исследована проблема измерений температур электрорадиоэлементов работающих печатных узлов. Рассмотрены датчик измерения температуры (термопара) и возможные погрешности. Предложен метод компенсации систематической погрешности для обеспечения необходимой точности измерений с помощью термодатчика.
Кпючевые слова: электрорадиоэлемент, датчик температуры, термопара.
The problem of measuring temperatures of printing unit electro and radio elements has been studied. The temperature sensor (thermocouple) and possible sources of error are considered. The method of systematic errors compensation for assurance of required accuracy of elements temperature measurement by means of temperature sensor is proposed.
Key words: electro and radio element, temperature sensor, thermocouple.
Температура является одним из главных дестабилизирующих факторов, воздействующих на радиоэлектронную аппаратуру (РЭА) как во включенном, так и выключенном состояниях. Радиоэлектронная аппаратура чаще всего состоит из блоков, содержащих несколько печатных узлов (ПУ). В свою очередь, каждый ПУ содержит десятки или сотни электрорадиоэлементов (ЭРЭ) — резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, интегральные микросхемы и т. д. При этом любой элемент имеет рабочий температурный диапазон, определенный в технических условиях (ТУ). Несоблюдение температурных режимов работы влечет ухудшение характеристик и выход из строя как самого ЭРЭ, так и всей аппаратуры.
Для обеспечения температурных режимов РЭА разработчики с помощью специализированных систем автоматизированного проектирования (САПР) моделируют физические процессы в РЭА с учетом тепловых и механических воздействий. На современном рынке существует несколько программных комплексов, флагманом отечественного рынка САПР такого рода является автоматизированная система «АСОНИКА». Разработкой и тестированием этой системы занимаются сотрудники ООО «НИИ «АСОНИКА» и кафедры «Радиоэлектроника и телекоммуникации» НИУ ВШЭ. Примеры ее применения представлены в [1, 2].
На этапе тепловых испытаний РЭА стоит задача измерений температур ЭРЭ бесконтактными и контактными методами. Приборами, осуществляющими бесконтактное измерение температуры, являются пирометры и тепловизоры, которые особенно эффективны и предоставляют полную температурную карту ПУ или блока в наглядной форме на цветном дисплее. Некоторые модели позволяют сохранять полученные результаты на внешних картах памяти для их перенесения и детального изучения на персональном компьютере.
Однако использование указанных выше приборов не позволяет измерить температуру ЭРЭ, находящегося внутри блока. В таких случаях более уместно использование контактного метода измерения, например, с помощью термо-
пары [3, 4]. Термопара имеет ряд недостатков: необходимость точного измерения температуры свободного конца и ее компенсации; возникновение коррозии и химических процессов в металлах или сплавах; на проводах при значительной их длине могут возникать наводки и помехи от внешних электромагнитных полей, что при уровнях термоэлектродвижущей силы в несколько микровольт может вызвать существенную погрешность.
Источники погрешности в системах измерений на основе термопары. Так как термопара измеряет собственную температуру, то при проектировании измерительной системы на ее основе крайне важно создать условия измерений, чтобы температура рабочего конца термопары не вносила изменений в температуру изучаемого объекта. На практике добиться этого удается не всегда, следовательно, возникает погрешность, которую необходимо учитывать при снятии показаний с термопары.
При проведении измерений возникают две составляющие погрешности — случайная и систематическая [5]. Причины возникновения систематической погрешности в данном случае — контактное тепловое сопротивление (КТС) между рабочим концом термопары и исследуемым объектом, размер, масса и теплоемкость рабочего конца термопары, влияющие на скорость реакции термопары на изменение температуры и т. д. Причина возникновения случайной погрешности — например, помехи от внешних электромагнитных полей, что затрудняет распознавание полезного сигнала на их фоне.
С учетом изложенного выше, предложен новый метод расчета систематической погрешности, возникающей при измерении датчиком температуры нагретого ЭРЭ.
Метод расчета погрешности измерения температуры. Температуру ЭРЭ найдем по формуле
где Тд — температура датчика; АТэд — падение температуры между ЭРЭ и датчиком.
Систематическая погрешность датчика
КН1 = 50000Н; Ко = 0,2 + 4 ■ 10-9о;
= АТз.д + Ли/кд,
(1)
К = 1,12 - 1,78 ■ 10-3 t - 10-5*2; К, = 2,52^ 10-2Д
где Ли — термоЭДС, по которой в соответствии с номинальной статической характеристикой определяют температуру; кд — температурный козффициент датчика. Второй член в правой части выражения (1) описывает изменение термоЭДС на градуировочной характеристике датчика.
Значение АТ во многом обусловлено КТС между поверхностью ЭРЭ и рабочим концом термопары. В свою очередь, КТС зависит от множества факторов [6]: площади контакта; материалов соприкасающихся объектов (приведенного ко-зффициента теплопроводности и предела прочности менее твердого материала контактной пары); класса чистоты обработки поверхностей (величин микровыступов); силы прижатия рабочего конца термопары к ЭРЭ (контактного давления); температуры среды; козффициента теплопроводности межконтактной газовой среды.
В [6] представлено выражение для определения КТС, а также приведены графики зависимостей различных козф-фициентов от параметров контактной пары. С помощью аппроксимации указанных графиков получены выражения для козффициентов, зависящих от: контактного давления КР; приведенного козффициента теплопроводности материалов
контактирующей пары К^пр; суммарного значения микровыступов контактирующих материалов Кн, КН1; предела прочности менее твердого материала контактной пары Ко; температуры газовой среды К(; козффициента теплопроводности межконтактной газовой среды К, .
Данные козффициенты рассчитывают по формулам КР = 9,78 ■ 106 Р-097; КЛпр = 40,05Х-1-05;
Кн И
|1,91Н
0,06
"-пр
0< н < 17,510
6
•пр
-6
м;
|1, Н > 17,5 10-6 м;
Схема метода повышения точности измерений температуры ЭРЭ с помощью
термодатчика
ор>
где Р — контактное давление; Хпр — приведенный козффициент теплопроводности материалов контактирующей пары; Н — суммарное значение микровыступов контактирующих материалов; о — предел прочности менее твердого материала контактной пары; t — температура газовой среды; Хср — козффициент теплопроводности межконтактной газовой среды.
В данной статье не представлены выражения для расчета КТС для контакта в вакууме, жидкой, пастообразной среде и через тонкую прокладку. Данные факторы, влияющие на точность измерений температуры, учитывают при моделировании тепловых процессов пары ЭРЭ-датчик. Составляющую АТ рассчитывают с помощью моделей тепловых процессов (МТП) ЭРЭ и пары ЭРЭ-датчик в подсистеме теплового моделирования конструкций РЭА.
Опишем второй член выражения (1). Отклонение измеренной термоЭДС от номинальной статической характеристики выявляется при поверке датчика. При зтом Ли = ир - ин, где ир — реальная константа сдвига градуировочной характеристики датчика, снятая при поверке; ин — номинальная константа сдвига стандартной градуировочной характеристики датчика.
Случайную составляющую температурной погрешности датчика можно определить как
±АТсЛ = ±Аид/кд = ^
где АТд — погрешность, приведенная в паспорте датчика.
Предлагаемый метод расчета погрешности, возникающей при измерении температуры ЭРЭ датчиком, позволит увеличить достоверность результатов. При разработке метода должны быть учтены следующие требования [7—11]: он должен быть основан на создании МТП; необходимо автоматический расчет погрешности при измерении температуры ЭРЭ с помощью термопары и возможность вносить изменения в МТП пары ЭРЭ-датчик, а именно задавать различные материалы, размеры, способы крепления и т. д.
Схема метода расчета погрешности, основанного на компьютерном моделировании тепловых процессов, представлена на рисунке (блок А). Для определения систематической погрешности составим две модели: ЭРЭ, установленного на печатной плате, и такого же ЭРЭ с закрепленным на нем датчиком температуры. После моделирования получим оценки температур
Г-|, 72 ЭРЭ соответственно для первой и вто-
рой МТП. Полученные значения 7|, 72 являются приближенными, так как в обеих моделях не учтено, что ЭРЭ окружен другими злементами, влияющими на его тепловой режим, к тому же точность соответствия
МТП настоящему ЭРЭ зависит от того, насколько подробно описана данная модель.
Погрешность, возникающая при измерении температуры ЭРЭ термодатчиком, выражается формулой
АТ = Т - Т2.
Приведенный расчет погрешности является основой метода повышения точности измерения температуры ЭРЭ с помощью термодатчика, основу которого также составляет компьютерное моделирование тепловых процессов (см. рисунок).
Компьютерное моделирование можно разделить на две стадии: составление базы градуировочных характеристик (зависимости поправки или погрешности от измеренной температуры) и моделирование динамических процессов, происходящих на конкретном ПУ. Моделирование динамических процессов позволяет определить время выхода температуры ЭРЭ ПУ на стационарный уровень и совершается непосредственно перед измерением.
Для того чтобы определить истинную температуру корпуса ЭРЭ, необходимо к измеренной с помощью термодатчика температуре Ти прибавить поправку АТ: Тк = Ти + АТ. Значение АТ зависит от мощности, рассеиваемой корпусом ЭРЭ. В рамках представленного метода в базу заносят градуиро-вочные характеристики (зависимости поправки АТ от температуры термодатчика): АТ = fТ). Полученное значение АТ
используется для автоматическо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.