Измерване на температурния режим на радиоелектронна апаратура. многоточков термопреобразувател. Особености на температурните измервания в електрониката. Направа на термодвойки в любителски условия. Други подобни схеми и устройства.

Измерване на температурния режим на радиоелектронна апаратура Иван Парашкевов
Радио телевизия електроника 1989/12/стр.7-9

Опитът от експлоатацията на радиоелектронна апаратура (РЕА) показва, че при нейното конструиране не винаги се осигурява оптимален топлинен режим на работата и. Повишаването на температурата на радиоелектронните изделия значително влошава надеждността им (напр. при намаляване на работната температура на полупроводниковия елемент само с 20%, интензивността на отказите нараства 3 пъти [1]. С повишаване на температурата най – силно се изменят обратните токове на PN – преходите, спадовете на напрежение върху тях в права посока и коефициентът на усилване на транзисторите. Освен това се влошават изолационните свойства на отделните материали, изменя се плътността и подвижността на носителите на тока в полупроводниците, намалява се индуктивността на насищане на сърцевините, общо се увеличава интензивността на стареене на материалите. Всички тези фактори могат да доведат до изкривяване на сигналите на изхода на РЕА и даже до излизането и от строя.
Следователно нормалният топлинен режим на РЕА е необходимо (но не единствено) условие за нейната надеждна работа.
След разработката на всяка радиоелектронна апаратура (РЕА) винаги възниква въпросът, съответства ли нейният топлинен режим на допустимия. Изискването е изпълнено, ако температурата на всички радиоелементи е равна или по – ниска от зададената по техническите им характеристики. Това съответствие се установява с експериментални изследвания, като се измерват температурните зони непосредствено на корпусите на топлонатоварените елементи или в пространствата около тях.
За целта е удобно да се използват миниатюрни датчици от един и същ тип. При проведените експерименти удачни се оказаха термодвойките мед – константан, транзисторите 2Т3167 (преходът база – емитер), диодите КД521. Термодвойките се закрепват към точката на измерване с помощта на пръстенчета от мед или месинг – фиг. 1 [1].

Пръстените трябва да се нахлузят плътно върху корпуса на радиоелектронния елемент. Това се препоръчва и при закрепването на транзисторите от фиг. 2 и диодите от фиг. 3. Същият ефект се постига, като датчикът (транзистор или диод) се привърже към корпуса на елемента – фиг. 4. Когато се измерва температурата на пространството около радиоелектронните елементи, датчиците се закрепват с конци, чиито краища се прихващат за детайли от

радиоелектронния блок (РЕБ) – фиг. 5. За намаляване на нагряването им, те се екранират с материали с малка степен на чернота, например алуминиево фолио, като екрана не трябва да се допира до датчика. На показаните примери с 1 са означени медните или месингови пръстенчета (фиг. 1 и 3) или конец (фиг. 4 и 5) за закрепване на термочувствителния елемент 2. С 3 са означени изводите на датчиците.
При измерване на температурата на детайлите (например радиатори или кожуха на РЕБ), при използване на термодвойки като датчици, горещите им краища трябва да се закрепват чрез запояване, заваряване или залепване. За целта в детайла, чиято температура се измерва, предварително се подготвя отвор с дължина 1-2 mm и дълбочина 0,5 – 0,8 mm, в който се поставя датчикът.
След като е проведена подготвителната работа, свързана свързана със запознаването с техническата документация на изпитвания РЕБ, означени са най – критичните към температурата зони, избрани са методите и средствата за измерване и начините за закрепване на датчиците, може да се започне монтирането им в блока. Изводите им се означават и РЕБ се поставя в изпитателната камера. Тя трябва да е така конструирана, че нито една зона, в която се намират елементи, да не се нагрява под действието на прякото температурно излъчване. Задължително е температурата в нея да се поддържа с определена точност – например +/-0,5 С.
Топлинният режим на РЕА се проверява ори температура в камерата, равна на максимално допустимата за блока.
Препоръчва се измерванията на необходимите температури да се извършват в следната последователност:
1. Включената РЕА се оставя да достигне равновесен топлинен режим при зададена температура на обкръжаващата среда, признак за което е постоянството на температурата във времето и измерваните точки.
2. Проверяват се основните контролирани параметри на РЕА.
3. Измерва се температурата последователно във всички точки на обкръжаващата среда и на термостата, в който се намират студените краища на термодвойките.
Топлинните режими на маломощни транзистори с Pmax < 0,5 W и диоди със среден изправен ток Iср < 0,5А се оценяват по температурата, на околната среда. За полупроводникови диоди с Iср > 0,5 А и транзистори с Pmax > 0,5 W температурният режим се преценява по температурата на корпуса или на радиатора. Ако полупроводниковият елемент е закрепен на шасито на РЕБ и е електрически изолиран от него, необходимо е да се контролира температурата на корпуса на елемента. Трябва да се има предвид, че оценката на температурния режим в точки, разположени близко до изводите му, е най – достоверна [1].
Топлинното въздействие се смята за допустимо, ако измерената температура не превишава указаната в техническото задание на РЕБ или в техническите характеристики на електронния елемент.
При изработването на термодвойките, трябва да се използват проводници мед – константан с диаметър, не по – голям от 0,2 mm, осигуряващи измерване с точност до +/- 0,5 С. Горещият и студеният край на термодвойките при свързването от фиг. 6 [2] трябва да се образуват чрез заваряване. Запояване и завиване не се препоръчват. Преди да се заварят, проводниците трябва добре да се зачистят, а след съединяването им да се термоизолират един от друг, за да се намали грешката в отвеждането на топлина.
Волтметърът за измерване на е.д.н. на термодвойките трябва да осигурява точност до 0,01 V. Студеният край на термодвойките се поставя в термостат, поддържащ температурата Txo с точност до +/-0,5 С (например Тхо = 0 С или Тхо = 20 С) – фиг. 6. Стойността на Тхо също трябва да се контролира.

Измерването се осъществява по следния начин: Горещите краища на термодвойките се закрепват в точките на измерване с температури Тх1, Тх2 – Тхn, а студеният в термостат с температура Тхо. Ако Тхо = 0 С, измерената на корпуса на елемента температура се намира непосредствено на горещия край от градуировъчната характеристика Е = f(T) – фиг. 7. При Тх = 0 С (напр. Тхо = 20 С или друга) от

характеристиката се намира е.д.н. То съответства също на нея. Определеното е.д.н. се изважда от е.д.н. Тх, измерено с воптметъра. Полученото е.д.н. Тел = е.д.н Тх –е.д.н. То съответства на температурата на корпуса на контролирания елемент. По същия начин, както и при Тхо = 0 С на студения край на термодвойките, неизвестната температура Тел се намира от графиката на фиг. 7. Операцията след превключването на SА1 се повтаря за всички термодвойки, монтирани на електронните елементи или в пространствата около тях.
При диодите КД521 и емитерния преход на транзисторите 2Т3167 се използва изменението на спада на напрежението върху прехода, включен в права посока, под вличние на температурата. Това изменение е линейно, също както и при термодвойките мед – константан примерно в границите от -20 – до +120 С.
При използването на 5 – 10 диода или транзистора, грешката при измерването не надвишава +/- 0,75 С [4]. И при трите типа разгледани датчици точността на измерване на интересуващите конструктора температури зависи най – вече от добрия контакт на датчика с корпуса на елемента, чиято тампература се измерва.

Устройството, чиято схема е показана на фиг. 8, дава възможност да се получи информация за температурите на корпусите на няколко натоварени елемента, стените на кожуха и на въздуха в самата РЕА. Броят на датчиците се определя единствено от възможностите на превключвателя SA1. Схемата представлява преобразувател температура – напрежение, реализиран с три стъпала. С интегралната схема DA1 е изпълнен стабилизатор на опорно напрежение 5 V, което се използва в генератора на ток (ИС DA2 и VT1) и в усилвателя DA3. На входовете на DA3 постъпва разликата от опорното напрежение в средния извод на RP13 и спада на напрежение върху съответния датчик. В дадения случай се използва линейната зависимост на напрежението Ube от температурата, измерено в права посока върху прехода база – емитер на транзистора – датчик. Необходимият за нормалната работа на прехода ток ток 100 мкА се задава с RP4. Напрежението в изхода на DA3 се изменя линейно, пропорционално на температурата от 0 до 1,2 V при температура на датчика съответно 0 – 120 С. За индикация на температура се

използва стрелкови волтметър. При направените експерименти с мултицет Ц4324 на обхват 1,2 V се оказа, че разликата в показанията на прибора за 10 датчика не надвишава +/-0,5 С.
Настройка. Върху извод 6 на ИС1 се проверява за наличност на напрежение 5 V. Превключвателят SA1 се поставя в положение 1 и в емитерната верига на транзистора VT1 се включва амперметър с обхват 0,5 mA. С RP4 при стайна температура се регулира токът през уреда да се установи на 100 мкА. VT1 с добре изолирани изводи се поставя в съд с дестилирана вода и топящ се лед при температура 0 С. Измерва се спадът на напрежение върху VT1. Той трябва да бъде около 0,69 V (напрежението за всеки отделен транзистор е различно). Същото по големина напрежение трябва да се получи и върху плъзгача на RP13. С RP13 напрежението се регулира до съвпадането му с това върху датчика при 0 С. Необходимо е предварително с RP19 да се нулира постоянното изходно напрежение на ИС DA3 (Изводи 2 и 3 на ИС DA3 при нулирането са свързани към общия проводник). При градуирането на волтметъра с RP20 се уточняват показанията му при 100 С. В този случай VT1 се поставя във вряща вода или в подходяща термокамера с установена температура (до 120 С). С това настройката на термометъра с датчика VT1 e приключена. При постоянна температура (напр. 30 С) с RP7, RP9 и RP11 се настройват показанията на мултицета да са еднакви за всички датчици (осъществява се чрез съответното превключване на SA1). Написаното е възможно, ако се подберат предварително колкото се може „по- еднакви” транзистори – термодатчици при 0 С и при 100 С, което изисква известен разход на време.
Задължително е дължината на съединителните проводници, свързващи датчиците – транзистори с галетния превключвател, да не надвишава 2,5 m. При проверка на топлинния режим на РЕА, датчиците VT2 – VT5 се закрепват плътно върху коорпусите на съответните елементи, детайли или в пространството около тях.
Реализацията на цифрова индикация не представлява трудност, но води към усложняване на схемата.

На фиг. 9 е показано разположението на елементите върху платката, на фиг. 10 – графичният и оригинал. Многоточковият термометър е реализиран на двустранно фолиран стъклотекстолит с размери 110 х 45 mm.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чернышев, А.А. и колл. Обезпечение тепловых режимов изделий электронной техники. М., Энергия, 1980 г.
2. Дульнев, Г. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М., Высш. шк., 1984 г.
3. Найвельта, Г. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник. М., Радио и связь, 1986 г.
4. Парашкевов, И. Устройство за многоточков, дистанционен контрол на температурата. – Сп. „Радио, телевизия, електроника”, бр. 7, 1987 г.
5. Еndler, B. Digitalthermometer auf der Basis C520D. – “Funkamateur”, 6, 1984.
Забележка от автора на статията и на сайта: По - добър вариант, на предложената схема на фиг.8 е представен след 1 статия "Многоточков термопреобразувател" РТЕ1993/11/стр.9...12, който също беше използван за оценка на топлинния режим на различна електронна апаратура. В него за всеки датчик (също Si транзистор в пластмасов корпус") се настройват "0 С" и "100 С". Не е проблем пренастройката, ако се залепи датчика и след това му се скъсат изводите. Поставя се нов и се пренастройват два тример-потенциометъра. Разбира се, ако не се използват фабрични термометри за целта.

Измерване на топлинния режим на радиоелектронна апаратура с термодвойки Мед – Константан Иван Парашкевов Радио телевизия електроника 1993/7/стр.3-5. 1992/5/стр. 5-7.

Предимствата на термодвойките мед – константан при осъществяването на многоточков контрол на температурата са безспорни – малки размери (около 0,5 куб. mm), добра повтаряемост на параметрите, линейност на градуировъчната характеристика, лесна изработка, непосредствено на работното място [2]. Oсновен проблем при измерването е поддържането на температурата на „студения” край на термодвойката То = 0 С или То = const [1].

На фиг. 1 са показани две градуировъчни характеристики на термодвойка мед – константан: при То = 0 С [2] и при То = 50 С. В [2] са дадени напреженията ТЕДН Е = f(Tx), получени на изхода на термодвойката при То = 0 С и изменяща се температура Тx. За да не се появят допълнителни трудности при обработване на сигнала при То = 50 С, е необходимо по електрически път втората характеристика, съответстваща на То = 50 С (фиг. 1), да се премести наляво до съвпадането и с първата, получена при То = 0 С [2].

На фиг. 2 е предложена пълна принципна схема, удовлетворяваща посочените изисквания. Температурата То = 50 С се поддържа от термостат, реализиран с операционния усилвател (ОУ) DA2. Общият „студен” край на термодвойките ВК-0, терморезисторът R15 и транзисторът VT1 са в контакт с алуминиевия радиатор (фиг. 3), в който се поддържа температура 50 С.
Схемно това изискване е решено, като R15 e включен в мостова схема, захранвана от стабилизирано напрежение, към което са включени операционните усилватели DA1 и DA2. При То = 50 С, мостът трябва да е в равновесие, като напреженията на двата входа на DA2 се изравняват. При това положение на базата на VT1 се подава напрежение, което го поддържа в отпушено състояние. Протичащият колекторен ток го загрява, а заедно с него (фиг. 3) нагрява терморезистора R15 и „студения” край на термодвойката, монтирани в алуминиевия радиатор. Ако температурата върху R15 се повиши, спадът на напрежение върху него намалява, напрежението на входа 3 на ОУ DA3 също намалява, а на изхода му започва да се изменя в обратна посока. VT1 се запушва, колекторният му ток намалява, което води съответно до намаляване на температурата на радиатора. Ако температурата върху R15 спадне, процесът е аналогичен, но този път всичко протича в обратна посока. Транзисторът VT2 и диодът VD1 изпълняват защитни функции. С RP17 се регулира стойността на температурата То = 50 С, която трябва да се поддържа на алуминиевия радиатор.
С DA1 е реализиран постояннотоков усилвател, който усилва напрежението, получавано от включената към DA1 термодвойка. С тример-потенциометъра RP5 при То = 50 С на радиатора и Тх = 0 С („топлият” край на термодвойката BK-2 - фиг. 2, се поставя в разтвор на дестилирана вода и топящ се лед), напрежението в изхода на DA1 се регулира да е равно на 0 V. С RP8 при То = 50 С и Тх = 100 С (ВК-2 се поставя в подходяща термокамера), напрежението в изхода на схемата се настройва на 1 V. С други думи с RP5 градуировъчната характеристика на термодвойката, получена при То = 50 С (фиг. 1), се премества наляво, докато премине през центъра на координатната система, а с RP8 се върти около него, докато съвпадне с градуировъчната характеристика, снета при То = 0 С [2].
Оказа се, че при проверка на температурния режим на радиоелектронна апаратура [3] в обхвата от 20 до 100 С за 10 термодвойки мед – константан, грешката не надвишава +/-1,2 С, което е достатъчно за практически измервания, непосредствено на работното място на конструктора и при температурни изпитвания в термокамера.

Задължително изработеният от алуминий радиатор (фиг. 3) се поставя в кожух с форма на паралелепипед с размери 45 х 40 х 40 mm, изработен от пенополистирол със стени, не по – тесни от 10 mm. Необходимо е да се изработи допълнителна платка 2, върху която да се монтира алуминиевият радиатор 4 заедно с транзистора VT1, терморезистора 6 и термодвойката ВК – 0 8, поставени в топлопроводяща паста 5 и топлопроводящ изолационен материал 9. Отворът на радиатора се затваря със защитна капачка 7. Допълнителната платка се вгражда в предварително подготевения в пенополистирола отвор с размери 25х20х20 mm, след което върху него се залепва капачка от същия материал с дебелина 10 mm. Така подготвеният термостат е готов за използване след монтирането му върху основната платка. Температурата на алуминиевия радиатор трябва да се провери с образцов термометър.
В статията не се разглеждат измерването на температурата То, като индицирането за достигането и трябва да послужи за „разрешение” за начало на измерванията. Необходим е някакъв предварителен технологичен период от време за да се загрее алуминият с температура То = 50 С и температурата на него да се установи, което трябва да се отчита преди да се започнат измерванията с термодвойките мед константан.
Печатната платка (чертежите за изработката и) са поместени в

ЛИТЕРАТУРА
1. Дульнев, Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М., Высш. шк., 1984, 247 с.
2. Рогельберг, И.Л., В.М. Бейлин. Сплавы для термопар. Справоч. Изд., М., Металургия, 1983, 360 с.
3. Парашкевов, И. Хр. Измерване на температурния режим на радиоелектронна апаратура. – Радио, телевизия, електроника, 1989, N 12.
4. Endler, B. Digitalthermometer auf der Basis C520D. – Funkamateur, 1984, N 6.

Някои данни и характеристики на Интегр. Схема AD594 и Интегр. Схема AD595, използвани за измерване на температура с термодвойки, например желязо-константан, хромел-копел Радио телевизия електроника 1989/10/стр.34

Многоточков термопреобразувател Иван Парашкевов
Радио телевизия електроника 1993/11/стр.9-12

На фиг. 1 е предложена структурната схема на 10 – точков термопреобразувател с обхват на измерване от 0 до 99,9 С, който използва като термодатчици транзистори от типа 2Т3167. Той е особено подходящ за измерване на топлинния режим на радиоелектронна апаратура. Корпусът на транзистора 2Т3167 е изолиран от изводите му, което дава възможност да се закрепва към различни радиоелектронни елементи, радиатори, във въздушните пространства между тях, а така също към стените на радиоелектронните блокове [3,6].
Източникът на „образцово” напрежение 1 осигурява захранване на генератора на стабилен ток 2, също и на 10 източника на компенсиращи напрежения 4. Генераторът на стабилен ток осигурява необходимия ток за осъществяване на 10 – точково последователно измерване на температурата с термодатчиците VT1 – VT10. Превключвателят 3 комутира едновременно изхода на генератора на ток към един от термодатчиците с номера от 1 до 10, подава изходния сигнал от същия термодатчик към втория вход на диференциалния усилвател (ДУ) 5 и съответстващото на този датчик компенсиращо напрежение към първия вход на ДУ. Едновременно към изхода на ДУ се включва съответен товар (тример-потенциометър), регулиращ горната граница на обхвата на измерване на температурата за същия термодатчик. Неговият пореден номер се индицира с един от светодиодите VD1 – VD10. Изходното напрежение на ДУ, пропорционално на измерената температура с един от термодатчиците, може да се отчита с цифров или стрелкови волтметър направо в градуси Целзии в обхвата от 0 до 9,99 V, съответстващ на измерени температури от 0 до 99,9 С.

Принципната схема на многоточковия термопреобразувател е представена на фиг. 2.

Източникът на „образцово” напрежение е реализиран с интегралната схема (ИС) DA1. На изхода и се получава напрежение 5,00 V, koeто запазва големината си с точност до два знака след запетаята.
Генераторът на стабилен ток е реализиран с операционния усилвател (ОУ) DA2 и транзистора VT1. По време на измерването през използвания термодатчик се пропуска ток 100 мкА [3, 5, 6]. С тример-потенциометрите RP1-RP10 се задава избраният ток през всички термодатчици.
Източниците на компенсиращи напрежения са реализирани с помощта на делителите на напрежения R5, RP11, R15 … R14, RP20, R24. С тример – потенциометрите RP11 … RP20 се задава долната граница на измервателния обхват (в дадения случай 0 С), т.е. всеки от тях задава такова напрежение, което се равнява на спада на напрежение на прехода база – емитер на съответния термодатчик при температура 0 С [3, 5].
ДУ е реализиран с ОУ DA3. Тример-потенциометърът RP21 oсигурява минимално напрежение на изхода на DA3 (при свързване на левите по схемата изводи на резисторите R25 и R26 с общия проводник). Тример-потенциометрите RP22 – RP31 се използват поотделно като товарни резистори и определят горната граница на измервателния обхват (в дадения случай е зададена 99,9 С). Всеки от тях задава на изхода на ОУ DA3 такова ниво на напрежението, при което, ако се включи цифров волтметър като индикатор, той трябва да индицира например 0,95 V при температура на на всеки от избраните термодатчици 95 С.
Превключвателят SА изпълнява следните функции:
SA1-1 – осигурява включване на тример-потенциометрите RP1-RP10 към изхода на източника на източника на образцово напрежение;
SA1-2 - осигурява последователно свързване на плъзгачите на тример-потенциометрите RP1-RP10 към генератора на стабилен ток;
SA1-3 - използва се за превключване на термодатчиците VT2-VT11;
SA1-4 - използва се за превключване на компенсиращите напрежения към неинвертиращия вход на ДУ DA3;
SA1-5 - осигурява включване на тример-потенциометрите RP22-RP31 към изхода на ДУ;
SA1-6 – използва се за съединяване на плъзгачите на тример-потенциометрите RP22-RP31 към изхода на многоточковия термопреобразувател;
SA1-7 – осигурява превключване на светодиодите VD1-VD10 за индициране на номерата на използваните за измерване на температура термодатчици VT2-VT11.
Настройка. На изхода на ИС DA1 (извод 6) се проверява наличието на напрежение (5,00+/-0,03) V. При необходимост то се регулира с изменение на съпротивлението на резисторите R1 и R2. В емитерните вериги на транзисторните термодатчици VT2-VT11 последователно се включва амперметър с обхват на измерване 0,5 mA. Превключвателят SA1 се поставя на първо положение. С тример-потенциометъра RP1 токът през първия термодатчик VT2 се регулира да е равен на 100 мкА. Тази операция се повтаря за всички следващи термодатчици с помощта на тример-потенциометрите RP2-RP10 и превключвателя SA1.
Всички термодатчици с добре изолирани изводи последователно се поставят в смес на топящ се лед с дестилирана вода, температурата на която се контролира с образцов, живачен термометър да е равна на 0 С. С цифров волтметър се измерва спадът на напрежение на прехода база-емитер на всеки термодатчик и получените резултати се записват. Измерените десет напрежения се задават с тример-потенциометрите RP11-RP20 и се проверяват с цифров волтметър между общия проводник на схемата и плъзгачите на указаните тримери.
Левите изводи на резисторите R25 и R26 по принципната схема се отпояват и съединяват с общия проводник на схемата. На изхода на ДУ DA3 посредством RP21 се настройва напрежението да е равно на 0 V, след което изводите на резисторите R25 и R26 се запояват на местата им.
Всички термодатчици заедно с „образцовия” живачен термометър се поставят в подходяща термокамера [4]. Температурата на въздуха в нея се задава да е 95 С. С тример-потенциометрите RP22-RP31 се регулира напрежението, измерено на плъзгача на всеки от тях, да е равно на 0,95 V.
Задължително няколко пъти се проверяват показанията на цифровия волтметър, включен в изхода на термопреобразувателя при температури 0 и 95 С и при необходимост се коригират със съответните тример-потенциометри.
Настройката на многоточковия термопреобразувател е завършена, когато разликата между показанията на „образцовия” живачен термометър и тези на цифровия волтметър при температури 0 и 95 С не надвишава +/-45 С при последователно превключване на транзисторните термодатчици VT2-VT11 с превключвателя SA1.
При няколкократното изпълнение на предложената на фиг. 2 схема се оказа, че е напълно възможна употребата на термодатчици – транзистори от типа 2Т3167, без да е необходимо предварителното им подбиране по методиката, описана в [5]. В този случай обаче значително се увеличава времето за настройка на многоточковия термопреобразувател и се влошава възможността за регулирането му при ремонт след замяна на някой от термодатчиците.
При реализирането на 10 – точковия термопреобразувател се използват 2 платки, едната от които е предложена в [3], а на втората се монтират тример-потенциометрите
RP1-RP10, RP22-RP31 и делителите на напрежение R5, RP11, R15…R14, RP20, RP24. От принципната схема, предложена в [3], отпада източникът на опорно напрежение R12, R13, R14, елементите на който не се монтират върху платката.
Захранващите напрежения +/-12 V са стабилизирани.
ЛИТЕРАТУРА
1. Александров, А.В. Цифровой термометр. Авт. св. N 12395531, кл. G 01 K 7/16, 1983, СССР.
2. Термопреобразуватель. Заявка N 260224, MKИ 4, кл. G 01 K, УДК 621.317.723, ПНР.
3. Парашкевов И.Х. Измерване на температурния режим на радиоелектронна апаратура. – Радио, телевизия, електроника, 1989, N 12.
4. Парашкевов, И.Х. Терморегулатор за изпитване на радиоелектронни възли.- Радио, телевизия, електроника, 1992, N 12.
5. Парашкевов, И.Х. Устройство за подбор на транзистори – термодатчици. – Радио, телевизия, електроника, 1993, N 5.
6. Спокойный, Ю.Е., В.Е. Трофимов, И.Х. Парашкевов. 10 точечный термометр для измерения тепловых режимов РЭА. Научно – технический сборник. – Тепловые режимы и охлаждения РЭА. 1993, Вып. 2 – С. 53 – 57.

Особености на температурните измервания в електрониката Любен Неделчев, Никола Серафимов Радио телевизия електроника 1999/4/стр. 12 - 14.

За разлика от измерването на основните параметри в електрониката, като напрежение, ток, импеданс, честота, време и пр., прецизното измерване на температурата продължава да е сложен и не докрай решен проблем. Но в повечето практически случаи е достатъчно да знаем достоверно стойността на температурата с точност примерно 0,1 С. Това е и точността на преобладаващата част от произвежданите електронни термометри. Някои автори смятат, че за температурата най – сигурно може да се съди по налягането на газ в затворена камера със строго постоянен обем, т. нар. клетка на Холей [1,2]. Този метод обаче притежава неудобства и не е широко разпространен. Най - често се използват термочувствителен датчик, подходящ преобразувател и индикатор с аналогово или цифрово отчитане.
Температурата и електрониката имат „допирни точки” главно в следните направления:
- измерване на температурата на самите електронни елементи, схеми и устройства;
- отчитане на влиянието на температурата върху параметрите на електронните елементи и изделия, както и необходимостта от термокомпенсация и/или термостабилизация;
- познаване на връзката между температурата и важни за електрониката величини, като топлинно съпротивление, коефициент на топлопроводимост, термо е.д.н., температурен коефициент и др.
Могат да се разграничат и случаите, когато температурата се измерва в по – голямо пространство (околна среда, съд с течност, затворен обем в корпуса на апаратура и пр.) и в малка локализирана зона (връх на поялник, корпус на интегрална схема, контакт между транзистор и радиатор и пр.).
Резултатът във всяко температурно измерване е число в съответните единици – градуси Целзий (С), градуси Келвин (К) или градуси Фаренхайт (F). Връзката между тези единици е:
t, C = t, K – 273, 15
t, F = 1,8t, C + 32
Споменатата структура на електронен термометър по схемата датчик-преобразувател-индикатор е добре позната, а в литературата са описани многобройни конкретни реализации. Най – често за датчик в тях се използват терморезистор (термистор), термодвойка, тънка метална жица (мед, платина и др.) или PN преход , а при много високи температури – спиралата на специална, т. нар. пирометрична лампа, чиято яркост се сравнява с тази на изследвания обект.. С много от описаните схеми се постига отлична точност, но само, ако се съобразим със специфичните особености на температурното измерване, пряко свързани с достоверността на отчетения резултат.
Проблеми на термоконтакта датчик – обект. Когато датчикът е поставен в значителен обем газ, течност или дори „мек” материал, температурното измерване обикновено е без проблеми. Трудностите започват, когато трябва да допираме термосондата с датчика до малка локализирана зона на обект с твърда повърхност. Опитите показват, че показанията на електронния термометър зависят от ъгъла между термосондата и обекта, от приложеното налягане, от грапавината и формата на повърхността, а също така те се променят при краткотрайно отделяне и връщане на сондата в същата точка. Известно стабилизиране на резултатите се

получава, ако е възможно в измерваната зона да се оформи вдлъбнатина с формата и размерите на активния край на термосондата (фиг. 1). Препоръчваното решение на проблема е използването на капка от специална термоконтактна течност (т.нар. имерсия) или паста с висока топлопроводност (фиг. 2). Различните фирми произвеждат богат асортимент от такива пасти, съставени обикновено от силиконово масло и прах от топлопроводим материал.
Ще предложим и едно експериментирано от нас решение, което е изключително просто и достъпно и дава отличен резултат при температури до около 300 С. От тънко, алуминиево фолио (станиол) се изрязва лента с широчина 3 – 4 mm, навива се, докато се получи квадрат с дебелина 10 – 12 слоя, и се притиска с термосондата върху обекта. Разликата в измерената температура върху нагрят поялник без и с предложения термоконтакт превишава 30 С!
Пример. С професионален цифров електронен термометър FLUKE 52 беше измерена температурата в центъра на металния корпус на мощен изправителен диод КД213А, захранван със стабилизиран ток Iпр (фиг. 3). Резултати: при пряко докосване на сондата (с термодвойка) – 86,1 С; при използване на българска термоконтактна паста – 94,2 С; с вносна паста – 90,4 С; с предложения слуминиев термоконтакт – 90,2 С.
Да обърнем внимание и на още една „тънкост”, при локални температурни измервания на малогабаритни обекти – миниатюрни транзистори, елементи за повърхностен монтаж и т.н. – трябва да се отчита охлаждащото въздействие на самата термосонда.
При необходимост от перманентно следене на температурата в определени точки, стабилизация на термоконтакта може да се постигне и чрез неподвижно фиксиране (залепване, заваряване и т.н.) на термочувствителните датчици към тези точки.
Проблеми на „опорните” температури. За да сме уверени в показанията на един термометър, необходимо е периодичното измерване с него на обекти с достатъчно известна „опорна” температура. Достатъчно точни за практически цели са температурите на топящ се лед (О С), кипяща вода (прибл. 100 С), за планински райони 98 до 99 С), топящ се калай (232 С) и цинк (420 С). За междинната температура 60 – 70 С може да се използва сплавта на Ууд или топящ се парафин, но само след точното и измерване с друг, проверен термометър.
Регулируем топлинен източник за поставяне на миниатюрни обекти (елементи за повърхностен монтаж, малки частици от изследван материал и пр.) при температура от 40 до 120 С е показан на фиг. 3. Това е мощният диод КД212А, запоен на около 10 mm разстояние от печатната платка върху изводите си, скъсени до около 15 mm. Контактната площадка на корпуса му е обърната нагоре и образува своеобразна „масичка” с еднаква температура около центъра и. Диодът се захранва в права посока от регулируем източник на стабилизиран ток Iпр. Дадената „градус – амперна” характеристика при стайна температура 22 С (фиг. 4) е само илюстративна, тя трябва да се снеме прецизно за конкретния диод с точен цифров термометър. По – нататък измерване на температурата не е необходимо – тя се задава чрез тока Iпр и се установява след около 2 – 3 min.
За експресна, качествена или сравнителна оценка на температурното влияние върху електронни елементи и схеми може да се използва пистолет за горещ въздух и дори обикновен сешоар, с който се постигат температури над 60 – 70 С. Предимството на този метод, освен бързината и достъпността, е, че въздухът не оказва влияние върху електрическите и магнитните параметри на изследвания обект.
Интересни приложения на температурните измервания.
Оценка на температурен коефициент.
Споменатото температурно въздействие с поток от горещ въздух е бърз, прост и особено информативен начин за преценка на термостабилността на електронните елементи. Достатъчно е към изследвания елемент да се включи прецизен цифров измервател на интересуващия ни параметър (съпротивление, капацитет, честота и т.н.) с поне 4 значещи цифри. Наблюдаваме известно време и запомняме показанията при стайна температура, след което „обдухваме” елемента с въздух, нагрят до около 60 – 70 С. Промяната в показанията ни ориентира незабавно за качеството на елемента или схемата. Особено интересно е да сравняваме елементи от различни фирми, произведени от различни материали (напр. кондензатори с диелектрик от полимер, слюда или сегнетокерамика, мрталослойни обемни резистори), доставени скоро или произведени отдавна и пр.
За да определим и количествено (макар и приблизително) температурния коефициент ТКр на даден параметър Р, трябва да следим температурата на елемента to с точен термометър с малка времеконстанта и да използваме формулата:

ТКр = ((Р2 – Р1)/Р1*(t2-t1))*100%/C

Където t1 и P1 са стойностите на температурата и параметъра преди нагряването, а t2 и P2 – съответните стабилизирани стойности при нагряването.
Влажност на въздуха.
Тя може да се измери с т.нар. психрометричен метод. За целта трябва да разполагаме с точен термометър с две термосонди. Поставяме ги на около 5 – 6 сm рдна от друга в измерваната въздушна среда, като датчика на едната термосонда обвиваме с тънък навлажнен (но не напоен с вода плат!). Получаваме две различни показания – на т.нар. „мокър” и „сух” термометър, от които по психрометричната графика [5] oтчитаме влажността.
Пример: С цифровия термометър FLUKE52 беше експериментиран описаният начин и се получиха температурите 29,3 С и 22,5 С съответно за „сухата” и „мократа” термосонда. От графиката беше отчетена влажността 52 – 53%, а по радиото съобщиха, че преди един час влажността в София (мястото на експеримента) е била 53% ...
Определяне на концентрацията на газове.
На разгледаните температурни зависимости е основан и метод за определяне на концентрацията на газове като въглероден двуокис CO2, водород Н2 и въглероден окис СО.
Принципът на действие на датчиците е сравннение на топлопроводимостта на съответния газ (CO2, H2, CO) с тази на въздуха при една и съща температура.

Таблица 1 отразява съотношението между топлопроводимостта на някои видове газове (ламбда Г) и тази на въздуха (ламбда В). Както се вижда от приведените данни, при незначително съдържание на SO2 и СН4 в анализирания газ неговата топлопроводимост се определя основно от концентрацията на CO2 и Н2.
Сензор за определяне на концентрацията на СО2.
Този вид датчици се вграждат в мостова схема (фиг. 5). С оглед на осигуряване на по – висока точност при определяне на концентрацията на СО2 изследваният газ предварително преминава през филтър. Той служи за отделяне на SO2, тъй като ЛамбдаSO2 < ЛамбдаСО2 (около 2 пъти). След това газът преминава през доизгаряща пещ, в която се елиминира влиянието и на H2 и CO, тъй като ЛамбдаН2 > ЛамбдаСО2 (около 12 пъти) и ЛамбдаСО > ЛамбдаСО2 (около 1,5 пъти).
В рамената на моста са включени прецизните платинени резистори (напр. тип Pt100) R1 – R4, затворени в камери. Тези на R2 и R4 са запълнени с въздух, а през камерите на R1 и R3 непрекъснато преминава анализираният газ. Протичащият през мостовата схема ток загрява резисторите до определена температура. Вследствие на разликата в топлопроводимостта на въздуха и въглеродния двуокис (въглеродният двуокис има около два пъти по – малка топлопроводимост от тази на въздуха – табл. 1) R1 и R3 ще се загреят до по – висока температура в сравнение с R2 и R4. Това ще доведе до увеличаване на тяхното съпротивление в сравнение с това на R2 и R4 и до разбалансиране на моста. Промяната на съпротивлението може да бъде отчетена като изменение на тока или напрежението в измервателния диагонал на моста.
Датчик за определяне на концентрацията на СО + Н2 и СО2.
Примерна схема на този вид датчик е показана на фиг. 6. По същество той може да бъде разгледан като комбинация от два свързани помежду си датчика – един за определяне на концентрацията на СО и втори за Н2. Анализираният газ преминава последователно през тях.
Принципът на действие на датчика за определяне на концентрацията на СО + Н2 се основава на зависимостта на съпротивлението на жичния платинен резистор от количеството топлина, отделяна при доизгарянето на съдържащите се в анализираната среда СО и Н2.
Мостовата схема се състои от четирите резистора R1 – R4. Два от тях – R1 и R4 – са платинени (напр. тип Pt100), а R2 и R3 – манганинови. R1 е поместен в камера, през която преминава контролираният газ, а R4 – в камера, запълнена с въздух.
При оротичане на ток през моста R1 и R4 се загряват до около 450 – 500 С. Под действието на специален катализатор, намиращите се в камерата с R1 елементи СО и H2 доизгарят, като при това се повишава и съответната температура. Това води до увеличаване на съпротивлението на R1 и съответно до разбалансиране на моста, при което изменението на тока (респ. напрежението) в измервателния му диагонал ще бъде пропорционално на концентрацията на СО и Н2.
ЛИТЕРАТУРА
1. Смородинский, Я.А. Температура. М., Наука, 1987.
2. Кунце, Х – И. Методы физических измерений. М., Мир, 1989.
3. FLUKE 52 (K/J Thermometer) – Operator’s Manual.
4. PHILIPS Industrial Automation and Process Control, 1987/1988
5. Христов, И. (Парашкевов). Устройство за поддържане на влажността на въздуха. – Радио, телевизия, електроника, 1998, N 1, с. 20.

Измерване на температурата на радиоелементите Иван Парашкевов Радио телевизия електроника 1992/5/стр 5-7

Прост начин за направа на термодвойки в любителски условия с цел използването им като датчици на температура. От книгата 300 практических советов. – М.: Моск. Рабочий, 1986. – 352 с., ил. Стр.174, 175 и рис. 139.

За измерването на температурата на човката на поялника, на стопения тинол във ваната за калайдисване на проводници, за измерването на температурата на нагряването на различни електрически машини и т.н. в практиката се използват термодвойки.
По – долу се описват два изключително прости начина за направа на термодвойки в любителски условия.

1. В желязна чашка (капачка) с метална подставка се насипва въгленов прах – прах от четки за електродвигатели или от електроди за галванически елементи. Единият проводник от желязната чашка се съединява с клемата от автотрансформатора (ЛАТРа), а другият извод на автотрансформатора се съединява с термодвойката. Нейните краища предварително са почистени и завити един с друг. Това става с помощта на клещи с изолирани дръжки (рис. 139, а) и от автотрансформатора се подава напрежение от порядъка ~60 – 80 V.
Почистените и завити един с друг (например, хромель – копель с диаметър 0,3 – 0,5 mm) се спускат във въгленовия прах, в който може да е добавено и малко флюс, в резултат на което възниква малка електрическа дъга, и краищата на термодвойката се заваряват, като в края на завитите проводници се образува малко кълбо (топченце).
Такъв начин за заваряване е приложим и е удобен за заваряване на хромалуминиеви, медноконстантанови, платиноиридиеви термодвойки, спирали от нагревателни елементи и проводници от изводи на трансформатори и на електродвигатели.
2. Завиват почистените проводници хромель-копель с диаметър 0,3 – 0,5 mm на дължина 6 – 8 mm. При заваряването (рис. 139,б) зачистените и завити един в друг краища се хващат както и в първия начин с плоски клещи с изолирани дръжки. Напрежението от понижаващия трансформатор 12 V се подвежда към дръжките (металната част) на клещите и към въгленовия електрод. При допирането на въгленовия електрод към завитите един в друг проводници, проводниците се разтапят, като в краищата си образуват както и при първия начин малко кълбо (топченце).
Допълнение на превода от автора на сайта. Като студент трябваше да направя многоточков термометър с термодвойки мед константан – собствена изработка, като използвах първия метод. Много е лесен и удобен за работа. Даже позволява и използването на молив тип В, графитът на който също може да бъде използван като въгленов прах, но само ако отсъстват в момента четки за електродвигател или електрод от батерия. Разбира се, тук се работи с точност около +/- 0,5 – 1,5 градуси по Целзии, която в много случай е достатъчна за практическите цели на едно многоточково измерване, без да се правят някакви особени разходи и да се купуват термодатчици и термометри. Още повече, ако се налага термодвойките да се лепят с епоксидно или друго лепило и след опитите да се унищожават, до следващия експеримент. Измерванията може да се направят с обикновен миливолтметър и по графики да се стигне до измерваната температура.
Техниката на електро безопасност, която е много важна при изработването на термодвойките се подразбира!!!

Превод от руски език: Иван Парашкевов

Термоиндикатор Николай Цоневски
Радио телевизия електроника 1982/8/стр. 23,24

Често в практиката се налага следенето на някаква критична температура, като е необходимо да се знае дали тя превишава или не определен, предварително зададен праг, например температурата на радиаторите на мощни транзистори, работещи във влошена среда за охлаждане, и др.

Схемата на електронно устройство, реализиращо такъв контрол, е дадена на на фиг. 1. За сигнализация се използва светлинният индикатор върху лицевата плоча на контролираното устройство, към което се вгражда термоиндикаторът. При нормален режим, когато върху никой от следените радиатори, температурата не превишава предварително зададената стойност, индикаторният елемент (електрическа лампичка или светодиод) свети постоянно. След превишаване на зададената температура, индикаторният елемент започва да мига, с което сигнализира за авариен или близък до аварийния режим на работа. Термоиндикаторът е изграден от термодатчик, реализиран с PNP – транзистора SFT308, тригер на Шмит, съставен от транзисторите Т3, Т4, (Т6, Т7 за второто симетрично рамо), емитерен повторител – Т5 (Т8), за съгласуване на малкото входно съпротивление на сумиращата схема ИС11 с голямото изходно съпротивление на тригера на Шмит. Сумарният сигнал се подава на входа на мултивибратора, изграден с елементите R18, C3, ИС12, ИС13, който започва да генерира. Получените импулси от изхода на ИС14 се подават на транзистора Т9 като по този начин се осъществява мигането на индикаторния елемент.
Предимството на описаната схема е възможността за следене на голям брой термоопасни места, като при това праговата температура на индикация във всяка една от зоните може да бъде различна. Получената точност 1,5 – 2 С е напълно достатъчна за сигнализация.
В описаната реализация броят на следените зони е две, но чрез замяна на ИС11 с многовходов логически елемент ИЛИ-НЕ (напр. 4- или 8- входов), те могат да се увеличат съответно на 4 или 8, а дори и повече. Следената температура може да се движи в границите на 25 – 90 С.
При нормално състояние на входовете на ИС11 от емитерния повторител Т5 (Т8) постъпва сигнал лог. 1. За получаване на импулси на изхода на ИС14 е необходимо на входа на ИС12 да се получи сигнал лог. 1. Това ще стане, ако някой от тригерите на Шмит се „обърне” при превишаване на температурата на термодатчика му.
Устройството се захранва с напрежение 7 V, koето зависи изключително от работното напрежение на светлинния индикатор. Ако то е по – голямо (напр. 12 или 24 V), необходимо е съпротивлението на резистора R17 да бъде увеличено съответно на 240 или 620 Om.
Устройството е изключително удобно за температурен контрол на регулиращи елементи и стабилизатори, на крайните транзистори в многоканални УНЧ или там, където поради схемни особености върху всеки силов охлаждан елемент се разсейва различна мощност, респ. топлина.

Вариант на печатната платка на схемата от фиг. 1 е даден на фиг. 2. При изправни елементи, устройството заработва веднага, като е необходимо само настройване на температурата за преобръщане на тригерите на Шмит, което се осъществява с тример-потенциометъра R1 (R9).
Tранзисторите 2Т3603 могат да бъдат заменени с всякакъв друг тип NPN-транзистори, за които коефициентът на усилване по ток beta > 30. Интегралната схема SN7400 може да бъде заменена с 1КЛБ553 – СССР, транзисторът 2Т6551 с КТ603А, като при тази замяна е необходимо да се промени съпротивлението на резистора R19 oт 3 кОm на 680 Om. Ако за индикаторен елемент се използва светодиод, транзисторът Т9 може да бъде заменен с по – маломощен – напр. 2Т3167, 2Т3502, КТ315 и др.
Термодатчиците Т1 и Т2 се монтират на подходящо място върху радиаторите на силовите елементи, като връзката между тях и електронната схема се осъществява с обикновени неекранирани проводници.
Ако е наложително кабелите да бъдат с голяма дължина (повече от 30 cm) или ако в средата, в която минават, има силни разсеяни магнитни полета, връзката трябва да стане с екраниран кабел. За по – добра шумоустойчивост на устройството са поставени кондензаторите С1 и С2. По същите съображения не бива да се допуска масата на термоиндикатора и масата на електронния блок, към който се монтира устройството, да са общи. (Ако за термоиндикатора няма отделно захранване, желателно е масата на устройството да се свърже направо към масата на захранващия източник. По този начин не се нарушава нормалният режим на работа на устройството, към което се вгражда термоиндикаторът).

Материалите подготви за сайта:

Иван Парашкевов

e-mail: ivanparst@dir.bg

главна страница напред горе