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热电偶与Artic Silver热粘合剂粘合被证明是可靠的安装方法

来源:作者:上海自动化仪表三厂发表时间:2018-11-09

    上海自动化仪表三厂在本篇文章中讨论测量程序,使用的热电偶,系统误差和安装热电偶的正确方法。温度测量通常可分为两大类 - 接触式测温和辐射测温。接触式测温仪由热电偶组成,热电偶始终与被测设备保持接触,而辐射测温则通过红外传感器测量被测设备的辐射而无需接触。不应超过结温,以确保LED的使用寿命长。最大结温在LED的数据表中指定。


潜在的情况  

    由于无法直接测量LED结温,因此必须在另一个定义的点进行测量。适当的位置是焊点,因为焊点和结之间的热阻RthJS由封装设计固定,并且可以从相应的数据表中获得。

    对于特定的焊点温度TS,可以计算结温TJ,从而允许获得结温,驱动电流和热特性以改变环境温度。


热电偶的功能  

    热电偶是最常用的温度传感器; 使用典型的低电平电压表可以进行精确的温度测量。所需的设备相对便宜。


图1:-200°C至600°C 温度范围的原理测试布置。


热电偶选择  

    可提供各种热电偶,根据类型和结构进行区分。由于这些测量程序涉及接触式测温,因此引入了系统误差。连接热电偶时能量会消散。因此,重要的是要知道需要哪种精确度。

    为了测量LED焊点温度TS,建议使用K型热电偶,因为这种类型的热导率最低,因此与其他类型相比,耗散的能量更少。热电偶的尺寸应尽可能小,以尽量减少系统误差的发生(见图2)


图2:K型热电偶。


    将热电偶安装到被测设备上有几种安装方法是可能的,但这里只描述了两种方法:

焊接方法:

    焊接可确保热电偶与待测设备保持良好的热接触,并允许精确的温度测量。此外,可以精确确定安装点。这种良好的热耦合可以精确测量快速变化的温度。但是,这种方法基本上有三个明显的缺点:

    热电偶和被测器件之间存在电连接(无电压隔离)。

    焊接过程中会产生热噪声,这会在热电偶电压中产生明显的波动。

    EMI可能会出现并影响测量序列(例如测量站点的手机)。


粘合方法  

    使用粘合剂是焊接的替代方案。粘合剂的主要优点是热电偶和被测器件之间的电压隔离。此外,测量对象和传感器之间的热阻增加。

    然而,这意味着从热电偶中消耗的能量较少,这不可避免地导致测量变得迟缓且不太精确。应考虑粘合剂类型和在安装位置产生的次要影响。

    建议使用热粘合剂,如Arctic Silver Adhesive,Arctic Alumina Adhesive或类似的双组分热粘合剂。这些热粘合剂是不导电的并且具有7.5W / mK的导热率。

    粘合剂易于施用和处理。在玻璃表面上以1:1的比例混合组分A和B. 将粘合剂涂在测量位置,然后将热电偶连接到准备好的位置,然后将组件牢固地固定到位。这可以用橡皮筋或热胶来完成。

    确保热电偶上没有太大的压力,并且热电偶和LED之间不存在不希望的金属接触。当然,应该用欧姆表检查电路。如果是电接触,必须重做该程序。约40分钟后,粘合剂适用于测量目的。烙铁可用于去除热电偶,因为大多数粘合剂在此温度下变为流体。


错误估计  

    以下误差估计明确针对来自上海自动化仪表三厂的K型热电偶,具有图2所示的特定结构。误差估计基于一系列实验比较测量。用红外热像仪和热电偶进行的比较测量显示所用热电偶没有明显的误差。

    以下比较测量结果表明,热电偶能量传递产生的误差项小于红外热像仪(±2°C)和热电偶(±2,2°C)的公差带宽。


图3  专门测量设备


    图3中所示的专门测量设备仅用于比较测量,允许通过红外摄像机和热电偶同时进行测量。

    测量装置在窄端加热。厚壁铝制圆筒用于将热量均匀地分布到接触表面。在接触表面上安装特殊蚀刻的铜箔(厚度35μm),其具有导热膏,紧固环和四个螺钉。

    使用= 0.94的黑色箔作为相机的发光转换器。铜箔的厚度对应于通常与LED一起使用的焊盘的厚度。这允许借助红外摄像机可视化热电偶的效果(见图4)。

    在该IR图像中,可以识别35μm厚和1mm宽铜箔的条纹。较亮的区域(白色)显示铜箔的温度分布。明显的暗部(黄色条纹)表示箔上对称的蚀刻区域。黄色条纹是由于缺少任何导热材料造成的。从这张图片中无法得出客观的结论。

    相反,在图5的图像中,显然热电偶的温度低于两个相邻的对称条带的温度。具体地,对于约100℃的器件温度和27℃的环境温度,该图像中的温度偏差(误差)等于1℃。

    注意:误差随温度升高而增加,随温度降低而减小。在LED的工作温度范围内(-40°C ... + 100°C),误差几乎保持线性。

    由于源自1°C热电偶的误差位于红外热像仪的公差范围和热电偶本身规定的范围内,因此热电偶无需进一步校正,其尺寸和数据如图2所示。


胶粘剂  

    原则上,必须确保粘合剂具有高导热性。大多数热粘合剂的导热率=> 7.5 W / mK,这足以达到此目的。使用氰基丙烯酸酯基粘合剂(“超级胶水”)时,建议小心:热传导不是特别好,粘合剂相对脆弱且不稳定。此外,在硬化期间发生放热反应,这导致在前十分钟期间温度显着增加。

    聚合物粘合剂提供了另一种粘合方法。然而,它们不是通用粘合剂,另外还需要UV灯。去除热电偶非常困难。环氧粘合剂具有相对长的硬化时间(约5小时),这要求热电偶牢固地固定在适当的位置,因此在实践中不太合适。去除热电偶相对困难,因为这种粘合剂具有高机械粘结性。


    通常,粘合表面应尽可能小,不显示电接触,并允许移除热电偶。被测设备和测量设备的电源。稳定的电源必须专门用于被测设备(例如带LED的电路板),该设备与电源电压电气隔离(例如带变压器的传统电源)。

    应该注意的是,许多开关电源没有隔离变压器,这会在测量过程中导致不希望的电压摆动。这些电压摆动也可以从附着的热电偶观察到,该热电偶与被测器件电隔离。被测设备的电源的电气隔离故障可能被放大而成为错误并导致测量设备中的反馈。

    对于焊接到位的热电偶,特别重要的是要注意将使用哪种类型的测量仪器以及它具有哪种类型的电源。由于大多数热电偶在100°C时的热电偶电压约为5 mV,因此低电压电平易受EMI影响。对于电池供电的测量仪器,被测设备的电气隔离不太重要,因为不存在与电源线的连接,因此不会产生反馈。


测量设备

    选择测量设备时,重要的是要知道是否只测量一个离散值或几个离散值。为了测量单个值,建议使用带有两个外部热电偶连接的小型手持式电池驱动温度测量设备。

    第二个连接对于测量环境温度很重要。随着时间的推移,需要更精细的仪器来记录多个离散值。最好使用具有计算机接口的多通道仪器,因为数据更易于管理并且与标准软件兼容(电子表格计算)。该仪器特别精确,具有高灵敏度和误差校正单元,可同时测量多达24个热电偶。

    当热电偶引线延长时,它们会在连接点处产生额外的热电偶,在某些情况下,这会显着影响测量结果。如果扩展是不可避免的,强烈建议使用专用夹具来补偿误差。

    与通常可用的串联连接器相比,应使用热电偶电压连接器,因为它们的特殊结构明确地提供成对连接。接触杆由各种金属组成,并与热电偶中的材料分别匹配。这允许温度测量元件中的金属组合不间断地延伸。

    热电偶极性:反转热电偶的极性会导致测量数据不正确。

    热电偶类型:使用的热电偶类型也必须在测量仪器中设置。

    热电偶引线的延长:必须使用适当的热电偶电压连接器,与热电偶的类型相对应。

    安装热电偶:使用精确剂量的粘合剂,仅限于小的粘合区域。

    正确的位置:正确的测量位置是LED的焊点。然而,应该注意LED的哪个端子(阳极或阴极)是热活性的。

    正确测量:校准测量设备并创建适当的测试环境。如果不需要,请使用或修改原始外壳并避免强制对流。还要避免阳光直射,并记住不应将金属物体用作平台或安装组件。在热电偶的焊接点之外不应发生接触。

    EMI:手机,功能强大的发射器和相位控制设备会对测量序列产生负面影响。

    外部电源:带有外部电源,PC接口和被测设备的设备应与电源线电气隔离。警告:许多开关电源没有电气隔离。

    电压隔离:当热电偶焊接到位时,可能会出现测量数据的强烈波动。对于安装有粘合剂的热电偶,这种影响很少发生。如果确实发生这种情况,则应重复安装程序。


结论:

    通过热电偶测量温度是一种多边适用的方法。在许多情况下,不可能使用红外摄像机,高温计或其他温度传感器进行温度测量。热电偶证明非常适合这些应用。

    该方法的优点和缺点基于一系列众多测量。重复这些测量数次并用各种LED验证。还使用边界值和约束来执行一些测量。可以通过比较测量和其他测量技术进行误差估计。对这些测量程序的分析表明,使用相对便宜的设备可以获得关于物理原理的令人满意的结果。将热电偶与Artic Silver热粘合剂粘合已被证明是一种可靠的安装方法。


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