Термопреобразователь что это. Термопреобразователи: принцип работы, виды и применение в промышленности

Принцип действия такого агрегата заключается в изменении электрического сопротивления сплавов, чистых металлов (т.е. без примесей) и полупроводников с температурой.

Самыми распространенными термометрами сопротивления являются те, у которых установлены резисторы из платины. Это объясняется рядом преимуществ, которыми владеет этот материал. Во-первых, плюсом есть высокий температурный коэффициент сопротивления, что значительно облегчает работу с таким термометром. Во-вторых, преимуществом платинового резистора является высокая стойкость платины к окислению, что обеспечивает долгий срок службы прибора.

Платиновые терморезисторы отличаются минимальной погрешностью, именно поэтому такие агрегаты часто используют как инструмент для проверки. Эталонные термометры сопротивления изготавливаются из платины максимальной чистоты с коэффициентом температуры не менее 0,003925. Модельный ряд таких приборов достаточно широкий: существуют как модели различных размеров, так и модификации увеличенных температурных диапазонов. Кроме этого, для использования такого термистора на промышленных объектах, они производятся во взрывозащитном исполнении.

Термометры сопротивления, изготовлены на основе напыленной пленки на подложку отличаются особой повышенной вибропрочностью и меньшим диапазоном рабочих измеряемых температур. Так, максимальный диапазон воспринимаемых температур для пленочных чувствительных элементов платиновых термисторов составляет 600 °C, а проволочных — 660 °C.

Применение термометров сопротивления

Термометры сопротивления используются, как правило, для измерения температуры в среде в диапазоне от -263 °C до +1000 °C. Важно, чтобы конструкция такого термистора была чувствительной и стабильной, чего будет достаточно для проведения замеров необходимой точности в определенном диапазоне температур при определенных условиях использования термометра (к примеру, благоприятные условия или неблагоприятные, такие как вибрации, агрессивные среды и т.п.).

Как правило, терморезисторы работают вместе с логометрами, потенциометрами и измерительными мостами. От точности работы этих вспомогательных приборов зависит точность показаний термометра сопротивления. Существуют также и различные виды таких термометров: поверхностные, ввинчивающиеся, вставные, с присоединительными проводами и байонетными соединениями.

Возникли вопросы?

Заполните форму обратной связи, наши менеджеры свяжутся с вами!

Термопреобразователи | Термопреобразователи высокого напряжения

Measure Tech предлагает широкий выбор высоковольтных тепловых преобразователи для различных приложений. Наш уникальный дизайн использует наши самые современные вакуумные термопары для минимизировать ошибки AC-DC.

Для всех стандартных термопреобразователей действуют следующие спецификации.

Кроме того, для всех термопреобразователей доступен малошумящий кабель длиной 4 фута (номер модели EL-2000) с отличными экранирующими характеристиками.Этот продукт совместим со всеми термопреобразователями Measure Tech, а также с любым другим термопреобразователем с выходным разъемом MS3102A-10SL-3P.

Преобразование тепла в ток низкопотенциального тепла термоемкостного цикла суперконденсаторами

Тепловая энергия доступна в изобилии, и особенно низкопотенциальное тепло часто теряется в промышленных процессах в качестве побочного продукта. Использование этого огромного источника энергии с помощью рентабельных технологий может стать ключевым элементом перехода к устойчивой с точки зрения энергии экономике и обществу.Мы предлагаем новый преобразователь тепла в ток, который основан на температурной зависимости напряжения ячеек заряженных суперконденсаторов. Используя коммерчески доступный суперконденсатор, мы наблюдали повышение напряжения теплового элемента примерно на 0,6 мВ K ^-1 в диапазоне температур от 0 ° C до 65 ° C. В рамках нашей теоретической модели это можно использовать для управления циклом заряда-напряжения, подобным Стирлингу, эффективность которого не уступает наиболее эффективным термоэлектрическим двигателям (Зеебека).Предлагаемый нами преобразователь тепла в ток изготовлен из дешевых материалов, не содержит движущихся частей и может работать с множеством электролитов, которые можно выбрать для оптимальной работы при определенных рабочих температурах. Таким образом, этот преобразователь тепла в ток представляет интерес для малых, бытовых и промышленных применений.

Эта статья в открытом доступе

Калибровка высокоточных источников переменного тока однопереходными термопреобразователями на ИНМ

1. Введение

Электрические величины очень важны в современной жизни; Производство и распределение энергии, воздушный и наземный транспорт, производственные процессы, военная промышленность, исследования и академия, среди прочего, требуют высокоточных электрических измерений.Национальный институт метрологии Колумбии (INM) отвечает за промышленную и научную метрологию в стране и отвечает за сохранность и поддержание эталонов физических величин [1].

Стандарты электрических величин прошли путь от электрохимических устройств в начале двадцатых до квантовых экспериментов в последние десятилетия. В 1988 году CIPM (Международный комитет мер и весов) установил точные значения для констант Джозефсона и фон Клитцинга (используемых для установления эффекта Джозефсона и квантового эффекта Холла в качестве основных стандартов — квантовых стандартов — для постоянного напряжения и сопротивления постоянному току, соответственно). и рекомендовали лабораториям основывать свои стандарты на этих значениях с соответствующими неопределенностями с января 1 ^st , 1990 [2].Эти стандарты чрезвычайно точны (с относительной погрешностью около 0,001 мкВ / В [3] для постоянного напряжения и 0,0001 мкОм / Ом для сопротивления постоянному току [4]), воспроизводимы и доступны во всем мире [5]. Электрические квантовые стандарты и экспериментальный прогресс в определении фундаментальных констант [6] сыграли важную роль в новой редакции СИ [7].

Ампер является базовой единицей электрического тока и может быть получен из Джозефсона и квантового эффекта Холла (через отношение Ома между током, сопротивлением и напряжением) для значений постоянного тока, но не для переменного тока.В настоящее время связующим звеном между электрическими величинами переменного тока и единицами СИ являются стандарты передачи переменного тока в постоянный [8]. Эти стандарты основаны на термопреобразователях (TC), которые могут иметь либо один переход (SJTC), либо несколько переходов (MJTC). SJTC состоит из нагревательного элемента с термопарой, прикрепленной к его средней точке с помощью небольшой электроизоляционной полоски, помещенной в вакуумный стакан, как показано на рис. 1.

Принцип действия переносных эталонов основан на тепловом воздействии; когда через нагреватель протекает известный (стандартный) постоянный ток, энергия рассеивается в виде тепла, и термопара измеряет температуру как выходное постоянное напряжение. Затем прикладывается неизвестный переменный ток и также измеряется характеристика постоянного напряжения термопары, как показано на рис. 2. Если среднеквадратичное значение (среднеквадратичное значение) подаваемых сигналов такое же, ожидается, что будет такая же мощность. рассеивается на нагревателе, а также такой же отклик напряжения термопары.Однако на SJTC влияют термоэлектрические эффекты, такие как нагрев Пельтье и Томсона [9], что вызывает отклонение от идеального поведения, известного как разность передачи переменного тока в постоянный термопреобразователь.

Комбинация SJTC и токового шунта известна как тепловой преобразователь тока (TCC), и ее можно использовать для калибровки высокоточных инструментов, таких как калибраторы и 8.5-ти разрядные мультиметры.

В настоящее время в INM переменный ток передается через калибраторы высокой точности, такие как Fluke 5720A и 5730A, для токов до 2 A и усилитель крутизны -Clarke Hess 8100- для токов от 2 A до 20 A. Усилитель крутизны представляет собой устройство, способное подавать ток, пропорциональный входному напряжению. Для приборов с высокой точностью в диапазоне от 5 мА до 20 А [10] требуются методы калибровки, которые могут обеспечить лучшие погрешности. Калибровка этих приборов переменным током требует выполнения процедур калибровки, основанных на стандартах передачи постоянного и переменного тока.

В этой исследовательской работе описывается процедура калибровки, разработанная INM на основе TCC с SJTC, предоставленным PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Национальный метрологический институт Германии). Эти TCC имеют разницу в передаче постоянного и переменного тока от 2 мкА / А до 27 мкА / А с погрешностью от 30 мкА / А до 120 мкА / А, согласно результатам измерений CENAM. Процедура, описанная в этой работе, позволяет проводить калибровку калибраторов переменного тока от 5 мА до 2 А (от 40 Гц до 5 кГц) с погрешностями от 68 мкА / А до 151 мкА / А, а также калибровку усилителей крутизны от 2 А до 20 A (от 40 Гц до 5 кГц) с погрешностями от 0.От 49 мА / А до 2,6 мА / А. Процедура калибровки также применима к другим источникам переменного тока, требующим большей погрешности, чем полученная при прямом измерении стандартным мультиметром.

2. Материалы и методы

Это исследование демонстрирует реализацию двух калибровочных установок с использованием SJTC в качестве стандартов теплопередачи для калибровки высокоточных калибраторов и усилителей крутизны. Диапазон калибровки составляет 5 мА — 20 А (от 40 Гц до 5 кГц).

Условия окружающей среды контролируются в лаборатории, чтобы гарантировать результаты калибровки.Температура и относительная влажность поддерживаются на уровне 23 ° C ± 1 ° C и 45% ± 15% соответственно. Атмосферное давление измеряется с вариациями в пределах 752 гПа ± 5 гПа. Температуру и относительную влажность измеряли с помощью термогигрометра Fluke 1620A, а атмосферное давление — с помощью барометрического индикатора GE Druck DPI 142.

2.1 Калибровочная установка высокоточных калибраторов

Как показано на рис. 3, эта установка состоит из калибруемого прибора (IUC), стандартного источника постоянного тока (калибраторы Fluke 5720A / 5730A), установленного шунта SJTC в качестве стандарта передачи постоянного и переменного тока (от 5 от мА до 2 А) и нановольтметр (Agilent 34420A) в качестве стандарта для измерения выходного напряжения SJTC.

2.2 Настройка калибровки усилителей крутизны (ТА)

Эта установка, представленная на рис. 4, состоит из IUC, эталона источника постоянного тока, трансдуктивного усилителя Clarke Hess 8100, набора резисторов SJTC-Shunt в качестве стандарта передачи переменного / постоянного тока (от 2 А до 20 А). A) и нановольтметр (Agilent 34420A) в качестве стандарта для измерения выходного напряжения SJTC.

Важно отметить, что для обеих схем калибровки калиброванный прибор в функции переменного тока использовался в качестве эталона в функции постоянного тока; стандарт постоянного тока должен иметь лучшие характеристики, чем неизвестный источник переменного тока.

2.3 Процесс измерения

Все оборудование прогревалось согласно рекомендациям руководства пользователя.Установки, показанные на фиг. 3 и 4, были выполнены для расчета разницы передачи постоянного и переменного тока (δ) измерительной системы. Δ вычисляется из выходного напряжения SJTC в соответствии с приложенным последовательным током, как показано в уравнении. (1); где I _ac1 = I _ac2 = I _ac3 — неизвестный переменный ток, а I _dc- и I _{dc +} — приложенные отрицательные и положительные опорные постоянные токи, эквивалентные среднеквадратичному значению неизвестного переменного тока. Текущий.Каждый ток подается в течение 60 с, а затем регистрируется ответ напряжения SJTC.

Разница передачи постоянного и переменного тока — как отклонение от идеального отклика SJTC — показана в формуле. (2); где средние выходные напряжения SJTC для приложенных токов переменного и постоянного тока из ур. (1), где n — коэффициент теплопередачи — параметр модели выходного напряжения ТС, представленный в формуле. (14) — m — количество измерений.

Процесс измерения представлен на рис.5; где I _dc — приложенный номинальный ток, E ₁ и E ₂ — выходные напряжения SJTC, измеренные для расчета ηindex. Приложение LabVIEW было разработано для автоматизации этого процесса измерения. Это приложение выполняет настройку приборов, сохраняет данные калибровки в указанной папке и отображает график зависимости напряжения SJTC в реальном времени. Для регистрации условий окружающей среды использовалось другое приложение.

2.4 Модель измерения

Согласно Международному словарю метрологии [11], модель измерения — это математическое соотношение между всеми известными величинами, которые участвуют в измерении. В этой исследовательской работе модель измерения определена в формуле. (3); где ошибка E — это величина, предназначенная для измерения, I _{ac_ind} — это значение, отображаемое источником переменного тока высокой точности, а I _{ac_ref} — эталонный переменный ток.

Выходной ток усилителя крутизны определяется как произведение входного напряжения V _inac и крутизны усилителя (G), как показано в уравнении. (4). Значение входного напряжения следует скорректировать в соответствии с его сертификатом калибровки (δV _inac ).

Уравнение (5) используется для определения I _{ac_ref} с использованием стандартного источника постоянного тока и стандартов теплопередачи тока. δ — измеренная разность передачи постоянного и переменного тока, а δ _cert — разница, указанная в сертификате калибровки.

— стандартный постоянный ток, рассчитанный как среднее значение между положительным и отрицательным скорректированными постоянными токами (I _{dc +} и I _dc-), как показано в уравнении. (6), эти значения получены из номинального приложенного постоянного тока I _dc с соответствующими погрешностями E _{idc +} и E _idc-, как показано в уравнении. (7) и ур. (8).

Замена ур. (7) и ур. (8) в ур. (6) приводит к упрощенному выражению для, как показано в уравнении. (9).

Когда стандартный постоянный ток устанавливается усилителем крутизны, I _{dc +} и I _dc- определяются в терминах крутизны усилителя G и стандартного входного напряжения постоянного тока V _dc , как показано в уравнении.(10) и ур. (11). E _{Vdc +} и E _Vdc- — это сообщенные ошибки стандартного источника напряжения для положительных и отрицательных значений соответственно.

Замена ур. (10) и ур. (11) в ур. (6) приводит к упрощенному выражению, как показано в уравнении. (12); где δI _dc представляет погрешность, обусловленную спецификациями стандартного источника постоянного тока, и включено только для анализа погрешности.

В ур. (13), δ определяется в терминах и которые являются средними выходными напряжениями SJTC для каждого тока, приложенного из последовательности, представленной в формуле.(1). и корректируются согласно свидетельству о калибровке нановольтметра.

Индекс теплопередачи n исходит из модели выходного напряжения термопары TC, как показано в уравнении. (14) k — константа, которая зависит от каждого TC, а I — приложенный ток; Теоретическое значение n, обусловленное джоулевым теплом [12], составляет 2.

Очистка от ур. (14) приводит к выражению в ур. (15); (18) E ₁ и E ₂ — это реакция напряжения SJTC на входные токи I ₁ и I ₂ (как определено на рис.5).

Когда крутильный усилитель является стандартным источником постоянного тока, I ₁ и I ₂ определены, как показано в уравнении. (16) и ур. (17). В этом случае V ₁ и V ₂ — это скорректированные стандартные напряжения, прикладываемые к усилителю для генерации I ₁ , а I ₂ δI ₁ и δI ₂ — это поправки на постоянный ток для I _{. 1} и я ₂

Наконец, модель измерения определяется в общем виде в ур.(18) и ур. (19).

2.5 Оценка неопределенности

Бюджет неопределенности оценивается в соответствии с Руководством по выражению неопределенности в измерениях — GUM [13]. Комбинированная стандартная неопределенность ошибки в источнике переменного тока определяется в формуле. (20) и соответствующие им коэффициенты чувствительности представлены в таблице 1.

Таблица 1

Источники неопределенности модели измерения и соответствующие им коэффициенты чувствительности.

Стандартная погрешность из-за I _{ac_ind} , как правило, равна нулю, поскольку она соответствует значению настройки калибруемого устройства. Однако, когда используется усилитель крутизны, другие переменные играют важную роль, как показано в формуле. (4) и неопределенность для источника опорного напряжения следует рассматривать как указано в уравнении. (21). u (δ) — неопределенность типа A, а u (δ _{_cert} ) — неопределенность, обусловленная прослеживаемостью, где cert означает сертификат калибровки.

Неопределенность, связанная со стандартным постоянным током, представлена ​​в ур. (22) для калибровки калибраторов высокой точности, и в ур. (23) для усилителей крутизны. Эта оценка неопределенности основана на моделях, представленных в ур. (9) и ур. (12). в ур. (23) — погрешность из-за технических характеристик усилителя в постоянном токе. Эта переменная используется только для оценки неопределенности, но не для расчета.

Комбинированная стандартная неопределенность для индекса теплопередачи 𝑛 представлена ​​в формуле.(24). Обратите внимание, что погрешности, связанные с входным напряжением усилителя уравн. (16) и ур. (17) следует учитывать в случае усилителя крутизны проводимости.

Наконец, расширенная неопределенность была оценена в соответствии с ур. (25) где k — коэффициент охвата, рассчитанный на основе требуемого уровня достоверности, который обычно составляет 95% для распределения t-Стьюдента с эффективными степенями свободы, как представлено в уравнении. (26) формула Уэлча-Саттертуэйта.

В ур.(26) u _i — компоненты стандартной неопределенности из модели измерения, а v _i — их связанные степени свободы.

3. Результаты и обсуждение

3.1 Результаты измерений

Результаты измерений для калибровки калибратора Fluke 5720A до 2 А показаны в таблице 2. Каждое значение переменного тока было откалибровано на 5 различных частотах: 40 Гц, 55 Гц, 60 Гц, 1 кГц и 5 кГц; однако не все они представлены в таблице из-за схожести результатов, полученных на низких частотах.В таблице 3 показаны результаты измерений для калибровки усилителя крутизны Clarke Hess 8100 от 2 A до 20 A. В приведенном ниже анализе TUR означает коэффициент погрешности теста.

Таблица 2

Результаты измерений для калибровки калибратора Fluke 5720A.

3.2 Совместимость результатов

TUR — это соотношение между точностью тестируемого прибора и погрешностью калибровки; этот параметр используется для оценки того, подходит ли неопределенность, полученная данным методом, для калибровки какого-либо типа оборудования.Для результатов наших измерений TUR варьировался от 1,4 до 4,9, что означает, что полученная погрешность лучше, чем характеристики калибруемого устройства. Более высокий TUR был получен для значений при 5 кГц для Fluke 5720A, это связано с тем, что характеристики калибратора выше на этой частоте по сравнению с частотами ниже 5 кГц. Для усилителя крутизны неопределенность калибровки, как правило, в два раза лучше, чем характеристики точности прибора, как показано в таблице 3.

Таблица 3

Результаты измерений для калибровки усилителя крутизны Clarke Hess 8100.

Результаты измерений также соответствовали техническим требованиям для всех значений. На рис. 6 показана ошибка и связанная с ней неопределенность в сравнении со спецификациями калибратора Fluke 5720A.

Совместимость результатов измерений анализировалась с помощью нормированной ошибки (E _n ). В таблице 4 представлены результаты измерений CENAM и Fluke и нормализованные ошибки между этими результатами и результатами, полученными INM для калибратора Fluke 5720A. Мы получили E _n меньше 1 для всех сравниваемых значений, что означает, что наши результаты совместимы с результатами CENAM и Fluke, как показано на рис. 7.

Таблица 4

Результаты калибровки, предоставленные CENAM и Fluke, и совместимость (нормализованная ошибка E _n ) с нашими результатами.

Для результатов калибровки усилителя крутизны не проводился анализ совместимости, так как у нас нет результатов калибровки этого прибора от внешних организаций или национальных метрологических институтов.

3.3 Температурные эффекты

Результаты измерений показывают, что выходное напряжение SJTC и температура, измеренные рядом с калибровочной установкой, обратно пропорциональны.Рис. 8 и Рис. 9 показывают реакцию выходного напряжения SJTC на приложенную последовательность тока, представленную в формуле. (1), и изменение температуры на калибровочной установке; наблюдается отрицательная линейная зависимость между напряжением и температурой. Диаграмма напряжения на рис. 8 показывает дрейф напряжения, который может быть вызван разницей температур между внутренней термопарой SJTC и изменениями внешней температуры. Таблица 5 и Таблица 6 представляют максимальную температурную дельту во время калибровки для различных значений, коэффициент корреляции Пирсона ρ и выборочные коэффициенты корреляции Пирсона r ₁ , r ₂ и r ₃ между линейной регрессией температуры и Выходное напряжение SJTC.Шумное выходное напряжение SJTC (сигнал, который не представляет периодический отклик, как сигнал, представленный на рис. 8) и измерения с нетипичными данными, как показано на рис. 11 и рис. 12, не были включены в корреляционный анализ.

Коэффициент корреляции Пирсона ρ был рассчитан между данными выходного напряжения SJTC и данными, полученными в результате линейной регрессии температуры установки, измеренной во время калибровки.Некоторые значения ρ обозначают умеренную или даже слабую линейную зависимость между напряжением и температурой — например, результаты на рис. 8 имеют ρ = -0,64 — хотя очевидно, что существует сильная отрицательная линейная зависимость.

Это связано с тем, что выходное напряжение SJTC колеблется из-за разницы в передаче постоянного и переменного тока. По этой причине выборочный коэффициент корреляции r ₁ оценивает корреляцию между температурой и реакцией выходного напряжения SJTC на I _{dc +} , r ₂ оценивает корреляцию между температурой и реакцией выходного напряжения SJTC на I _dc- и r ₃ оценивает корреляцию между температурой и выходным напряжением SJTC из-за I _ac в соответствии с ур.(1).

Для значения 20 мА / 40 Гц r ₁ = r ₂ = r ₃ = -0,99, что представляет собой сильную отрицательную линейную зависимость между температурой и напряжением. В этом случае r ₁ , r ₂ и r ₃ позволяют провести более надежный корреляционный анализ.

В некоторых измерениях температура резко изменилась, как показано на рис.10. В этом случае были сделаны две линейные регрессии температуры: при повышении температуры и при понижении температуры. Стрелка показывает изменение дрейфа напряжения при понижении температуры.

Результаты, представленные в таблицах 5 и 6, показывают, что изменение температуры вблизи экспериментальной установки приводило к вариациям дрейфа напряжения SJTC. Следовательно, важно избегать значительных изменений температуры, которые могут привести к изменениям напряжения и измеренной разницы передачи постоянного и переменного тока.

Таблица 5

Максимальное изменение температуры установки и коэффициенты корреляции Пирсона — данные, полученные при калибровке калибратора Fluke 5720A.

Таблица 6

Максимальные колебания температуры во время измерений и коэффициенты корреляции Пирсона — данные, полученные при калибровке усилителя Clarke Hess 8100.

3.4 Электростатические эффекты

Измерения показывают, что SJTC чувствительны к электростатическим воздействиям; когда сотрудники лаборатории приблизились к калибровочной установке, наблюдались изменения напряжения, измеренного нановольтметром, от нескольких микровольт (как показано на рис.11), до десятых долей микровольт (как показано на рис. 12), даже до сотен микровольт. Электростатические эффекты приводят к нетипичным данным и, следовательно, к увеличению измеренной разницы передачи постоянного и переменного тока. Во избежание получения нетипичных данных было определено безопасное расстояние около 3 м вокруг калибровочной установки. Лучшая альтернатива, такая как экранированный ящик, может быть использована для защиты экспериментальной установки от электростатических эффектов. Измерения в пределах токовых интервалов от 22 мА до 2,2 А показывают чувствительность к электростатическим эффектам, особенно на низких частотах (40 Гц, 55 Гц и 60 Гц).

3.5 Анализ бюджета неопределенности

Важно четко определить бюджет неопределенности, чтобы определить, какие компоненты неопределенности являются доминирующими и как можно их минимизировать. Основные компоненты совокупной неопределенности ошибки (ур.(20)) были взвешены с использованием ур. (27): где u _i (%) обозначает вес соответствующего компонента неопределенности, u _i компонент неопределенности и c _i обозначает коэффициент чувствительности в соответствии с моделью измерения из ур. (19).

На рис. 13 показано, что для малых токов (<200 мА) наиболее существенные составляющие погрешности были связаны со стандартным постоянным током, разницей передачи переменного и постоянного тока из сертификата калибровки комплекта SJTC-Shunt и стандартного измерителя постоянного напряжения. Улучшение неопределенностей из сертификата калибровки комплекта SJTC-Shunt может привести к глобальному снижению неопределенности.Компонент неопределенности из-за нановольтметра был очень высоким, и он оказывает значительное влияние на общую неопределенность.

Неопределенность из-за оценки n была незначительной для всех значений. Неопределенность типа A u (δ) имеет вес менее 1% во всех текущих интервалах; От атипичных данных следует отказаться, так как они приводят к ошибкам в измерениях (из-за увеличения δ), увеличению неопределенности типа A и, как следствие, расширенной неопределенности.

При более высоких токах (от 1 А до 20 А), как показано на рис. 14, преобладающий компонент погрешности был обусловлен стандартной точностью постоянного тока и погрешностью сертификата калибровки.

4. Выводы

Наши результаты измерений были совместимы с международными результатами CENAM и Fluke; это означает, что наши результаты действительны и что INM может обеспечить прослеживаемость до SI для переменного электрического тока по стандартам передачи постоянного и переменного тока.Погрешности, полученные от 5 мА до 20 А, подходят для калибровки высокоточных источников переменного тока, таких как калибраторы Fluke 5720A и Fluke 5730A, а также усилители крутизны.

AC-DC чувствительны к условиям окружающей среды (например, температуре) и электростатическим эффектам; Как правило, существует отрицательная корреляция между температурой и выходным напряжением SJTC. Следует избегать резких изменений температуры, поскольку это может изменить реакцию выхода SJTC, что приведет к ошибкам измерения.

Электростатические эффекты, вызванные нетипичными данными, рекомендуется использовать экранирующую коробку или экранирующую камеру для защиты измерения от электростатического шума. Если это невозможно, калибровочная установка должна находиться вдали от источников электростатического шума; Персонал лаборатории должен находиться на расстоянии не менее 3 м от измерительной установки.

Поскольку SJTC основаны на тепловых эффектах, также рекомендуется уменьшить время переключения между неизвестным переменным током и стандартным постоянным током, подаваемым на SJTC.В настоящее время это время переключения составляет около 2 с, поскольку калибратор Fluke 5720A был одновременно калибруемым прибором и стандартным постоянным током. Система переключения может улучшить характеристики ТС до более стабильного теплового рабочего состояния.

Измеренная разница передачи постоянного и переменного тока системы для некоторых значений была значительной. Это можно улучшить, отрегулировав выход стандартного источника постоянного тока так, чтобы выходное напряжение SJTC было практически одинаковым при применении I _dc и I _ac .Это означает, что и будет настолько близким, что погрешность из сертификата нановольтметра не будет учитываться, будет включена только погрешность краткосрочной стабильности в соответствии со спецификациями нановольтметра. Это приведет к уменьшению расширенной неопределенности.

Анализ весов неопределенности является ценным инструментом для определения доминирующих неопределенностей в соответствии с моделью измерения и дает представление о том, как уменьшить некоторые компоненты неопределенности.Рис. 14 показывает, что неопределенность из-за стандартного источника постоянного тока оказывает значительное влияние на бюджет неопределенности; Чтобы уменьшить эту составляющую неопределенности, необходимо охарактеризовать стандартный источник постоянного тока. Таким образом, можно было бы оценить с помощью регрессионной модели вместо использования спецификации из текущего источника, что приведет к снижению неопределенности.

Получение более точной прослеживаемой неопределенности также приведет к уменьшению расширенной неопределенности.

В настоящее время TCC состоят из плоских многопереходных термопреобразователей (PMJTC) с более низкими разницей передачи переменного тока в постоянный ток и погрешностями по сравнению с SJTC, благодаря усовершенствованиям в производстве, что приводит к снижению ошибок, связанных с термоэлектрическими эффектами.Хотя SJTC показал хорошие результаты для калибровки источников переменного тока, использование PMJTC приведет к большей неопределенности.

Список литературы

Ministerio de Comercio, Industria y Turismo. Por el cual se escinden unas funciones de la Superintendencia de Industria, y Comercio, se crea el Instituto Nacional de Metrología y se establece su objetivo y estructura. [en línea]. [Consltado: 15.09.2020]. Disponible en: Disponible en: http://www.secretariasenado.gov.co/senado/basedoc/decreto_4175_2011.html.

Международное бюро поид и мер — BIPM. Практическая реализация единиц электрических величин. [Онлайн]. [Доступ: 04.09.2020]. Доступно по адресу: Доступно по адресу: https://www.bipm.org/en/publications/mises-en-pratique/electrical-units.html.

Жаннере Б. и Бенц С. Применение эффекта Джозефсона в электрической метрологии. Специальные темы Европейского физического журнала. 172 1), pp. 181-206, 2009. DOI: 10.1140 / epjst / e2009-01050-6

Клитцинг, К.V. Квантовый эффект Холла: открытие и применение. Ежегодный обзор физики конденсированного состояния. 8 (1), pp. 13-30, 2016. DOI: 10.1146 / annurev-conmatphys-031016-025148.

Флетчер Н., Ритвельд Г., Олтофф Дж., Будовский И. и Милтон М. Электрические единицы в новой системе СИ: прощаемся с ценностями 1990 года. Измерение NCSLI, The Journal of Measurement Science, 9 (3), стр. 30-35, 2014. DOI: 10.1080 / 19315775.2014.11721692

Мор, П.Дж., Ньюэлл, Д. и Тейлор, Б.Н., CODATA, рекомендуемые значения фундаментальных физических констант: 2014.Справочный журнал физических и химических данных, 45 (4), стр. 1-74, 2016. DOI: 10.1063 / 1.4954402

Генеральная конференция мер и весов (CGPM). О пересмотре Международной системы единиц (СИ). [Онлайн]. [Доступ 09-04-2020]. Доступно по адресу: Доступно по адресу: https://www.bipm.org/en/CGPM/db/26/1/.

Инглис, Б., Стандарты переключения переменного тока в постоянный. Метрология. 29 (1), pp. 191-199, 1992. DOI: 10.1088 / 0026-1394 / 29/2/007

Виддис Ф.К., Теория ошибок эффекта Пельтье и Томсона в тепловом А.CDC. передаточные устройства. Труды IEE — Часть C: Монографии. 109 (16), pp. 328-334, 1962. DOI: 10.1049 / pi-c.1962.0048.

Клонц, М. Современные разработки в области точных измерений передачи переменного тока в постоянный. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 44 (2), pp. 363-366, 1995. DOI: 10.1109 / 19.377853

Международное бюро помощи и мер — BIPM. Международный словарь метрологии — Основные и общие понятия и связанные с ними термины (VIM), [Online], 2012. [Доступно 09-04-2020].Доступно по адресу: Доступно по адресу: https://www.bipm.org/utils/common/documents/jcgm/JCGM_200_2012.pdf.

Филипски П.С., Стандарты и калибровка термопереноса AC-DC, в: Международный семинар по электрической метрологии — VIII SEMETRO, 2009, Жуан Песоа, Бразилия. Обучение и развитие SIM-карты в области электрической метрологии, Жуан Песоа, Бразилия, 2009 г.

Международное бюро поид и мер — BIPM. ГУМ: Руководство по выражению неопределенности измерения, [Online], 2008. [Доступно 09-04-2020].Доступно по адресу: Доступно по адресу: https://www.bipm.org/utils/common/documents/jcgm/JCGM_100_2008_E.pdf.

Банкноты

К. Эрнандес родился в Боготе, Колумбия, в 1987 году. Получил степень бакалавра наук. Англ. в области электроники и степень магистра. получил степень бакалавра электротехники в Национальном университете Колумбии в 2010 и 2016 годах соответственно. Карлос сосредоточил свою исследовательскую работу в университете на экспериментах и ​​моделировании микробных топливных элементов. Он также имеет опыт работы с солнечными фотоэлектрическими системами, системами управления энергопотреблением и разработкой приборов для измерительных систем.Он работал в академии и в телекоммуникационном секторе. В 2018 году он присоединился к ИВМ в Лаборатории постоянного и переменного тока. В настоящее время он работает со стандартами передачи переменного тока в постоянный для калибровки высокоточных стандартов переменного тока и напряжения. ORCID: 0000-0002-2740-9880

M. Sáchica, родился в Боготе, Колумбия, в 1987 году. Он получил степень бакалавра наук. Англ. в области электроники в Окружном университете имени Франсиско Хосе де Калдаса, Богота, в 2009 году, а также Sp. получил степень магистра в области автоматизации промышленных процессов Университета Лос-Андес, Богота, в 2012 году.В 2010 году он присоединился к группе метрологии из Управления промышленности и торговли, Богота (реорганизован в Национальный метрологический институт Колумбии, Богота, в 2011 году). В 2011 и 2012 годах разрабатывал системы автоматизации насосных станций углеводородов. С 2013 года он работал в Национальном метрологическом институте Колумбии, где занимался электрической метрологией. ORCID: 0000-0003-3148-1153

А. Мартинес родился в Боготе, Колумбия, в 1966 году. Он получил степень бакалавра наук.получил степень доктора физики в Национальном университете Колумбии, Богота, в 1993 году. В 1994 году он присоединился к группе метрологии Управления промышленности и торговли Боготы, где он отвечал за установление национальных стандартов напряжения и сопротивления и с тех пор участвует в метрологии и исследованиях измерения неопределенности. В 2012 году он присоединился к Национальному метрологическому институту Колумбии (INM), Богота, где он является координатором лабораторий по электрической метрологии, температуре и влажности.Он является вторым руководителем исследовательской группы INM Research Group по разработке эталонов. ORCID: 0000-0002-9518-2454

Как цитировать: Эрнандес-Прада, К.Ф., Сачика-Авельянеда, М. и Мартинес-Лопес, А., Калибровка источников переменного тока высокой точности с помощью однопереходных термопреобразователей в INM. DYNA, 88 (216), стр. 117-125, январь — март 2021 г.

Термопреобразователи — PTB.de

(PDF) Характеристики однопереходного теплового преобразователя напряжения (SJTVC) на частоте 1 МГц с помощью моделирования эквивалентной электрической цепи

45 апр • май • июнь 2009

Рисунок 4.Упрощенная схема автоматизированной измерительной системы

в шекелях

Источник неопределенности Вероятность

Распределение

Неопределенность

Значения, ± ppm

Сертификат калибровки Нормальный (тип B) 2,5

Тройник Тип B) 1

Комнатная температура

Изменение прямоугольной формы (тип B) 1

Повторяемость

(для 20 раз) Нормальная (тип A) 1,5

Расширенная погрешность, нормальная (k = 2) 6.5

Таблица 5. Бюджет неопределенности при 55 Гц.

практических результатов. По оценкам расчетов с использованием представленной имитационной модели

, заземление цепи термопары

очень важно для обеспечения прагматического значения

погрешности перехода AC-DC для SJTVC. Было обнаружено, что

тепловое воздействие керамической бусины SJTVC вносит

незначительную величину ошибок переноса. Напротив, материал термопары

может выделять дополнительное тепло, которое существенно влияет на ошибку передачи переменного / постоянного тока

.

Благодарность

Авторы выражают признательность Фатме Эль-Шаркави, Амаль

Хасану и Хале Абдель-Магед за совместную работу отдела электрических

в НИС, Египет. Их полезные предложения

очень поддержали эту работу. Мы благодарим Майка Энгельхардта из Linear

Technology (www.linear.com) за его помощь при выполнении

этой симуляции. Его поддержка признательна. Авторы

хотели бы также поблагодарить Джозефа Кинарда и Томаса Липе из NIST за

за их незаменимый вклад в калибровку SJTVC на уровне

шекелей в рамках научного проекта между двумя странами.Особая благодарность

Ара Арутюняну, Measuretech Inc., (www.measure-tech.com),

за предложение SJTVC для оценки

Ссылки

1. Fluke, «Калибровка: философия на практике, принципы AC- DC

Metrology », 2-е изд., Май 1994 г.

2. Эрл С. Уильямс« Практическое использование преобразователей переменного и постоянного тока

», ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕЧАНИЕ NBS 1166, октябрь 1982 г.

3. BD Inglis , «Стандарты для переключения переменного тока в постоянный», Метрология, 1992.

29.191-199.

4. М. К. Селби, «Точные радиочастотные микровольтные напряжения», Trans.

AIEE. Vol. 72, стр. 158–163, май 1953.

5. Илья Будовский, Барри Д. Ингилс, «Оценка различий между переменным током и постоянным током

Различия однопереходного теплового напряжения NML

Преобразователи на частотах до 1 МГц», IEEE Trans Instrum.

Измер., Том. 3, pp.1463 — 1467, 1999.

6. Томас Э. Липе, «Переоценка стандартов NIST Low Frequency

для разницы между переменным и постоянным током в диапазоне напряжений 0.6-100

В », IEEE Trans Instrum. Измер., Том. 45, № 6, декабрь 1996 г.

7. М. Клонц, Г. Хаммонд, Б. Д. Инглис, Х. Сасаки, Т. Шпигель,

Б. Стоянович, К. Такахаши и Р. Зирпед, «Измерение

». Термоэлектрические эффекты в термопреобразователях с использованием быстрого обратного постоянного тока

», IEEE Trans. Instrum. Измер., Т. 44, pp. 379-382,

Apr. 1995.

8. http://www.linear.com/designtools.

9. http://www.besttech.com/PresentationOttawa/

PresentationOttawa.html.

10. Мамдух М. Халава, Ахмед Хусейн, «Улучшение

и подтверждение новой автоматической системы для калибровки AC-DC

в НИС, Египет», Симпозиум по метрологии, Мексика,

, октябрь 2006 г.

11. Мамдух Халава, «Создание системы отслеживания напряжения переменного тока

в НИС, Египет», Семинар и симпозиум NCSL, США,

2007.

12. Абла Х. Абд Эль-Рахман, Мамдух М. Халава, «Влияние

точности источников постоянного тока на разницу между переменным и постоянным током

микропотенциометров», журнал Cal Lab: Международный журнал метрологии

, США, Vol.14, No. 3, июль-сентябрь 2007 г.

13. R.B.D. Найт, Д.Дж. Легг и П. Мартин, «Цифровой мост

для сравнения устройств передачи переменного / постоянного тока», IEE

Proceedings-A, 118, pp169-175, 1991.

14. J.L. Ying, S.W. Чуа и В.К.С. Тан, «Система автоматической калибровки

для стандартов переключения переменного / постоянного тока», NCSL Workshop и

Symposium 1996.

15. К.Дж. Лентнер и Дональд Р. Флах, «Автоматическая система

для калибровки переменного / постоянного тока», IEEE Пер.Instrum. Измер., Т.

IM-32, стр. 51-56, март 1983 г.

16. К.Дж. Лентнер и С.Г. Тремейн, «Полуавтоматическая система калибровки преобразователя напряжения переменного / постоянного тока

», NBSIR

82-2576, сентябрь 1982 г.

17. Б. Н. Тейлор и К. Э. Куятт, «Рекомендации по оценке

и выражению неопределенности результатов измерений NIST

», NIST Tech. Примечание 1297, Типография правительства США

Office, 1994.

_________________________

Мамдух Халава, Департамент электрической метрологии,

Национальный институт стандартов (NIS), Tersa St., Гиза, Эль-

Ахрам, ящик: 136, код: 12211, Египет, тел: 0020105402742,

Факс. 0020233867451, [email protected]

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОГО ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ, НАПРЯЖЕНИЯ НА 1 МГЦ, СИМУЛЯЦИЯ СИМУЛЯЦИИ ВИА

МАМДУХ ХАЛАВА, НАПРЯЖЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Спецификации преобразователей мощности обычно определяют кривую снижения номинальных характеристик. Причина в том, что преобразователь мощности имеет ограничение по максимальной температуре.Чтобы преобразователь работал в безопасном диапазоне температур, существует верхний предел нагрузки. Если преобразователь мощности работает на полную мощность, необходимо повысить эффективность и решить проблему повышения температуры. В этой статье представлен метод теплопередачи, вычисляется тепловое сопротивление по изменению температуры и потерям энергии, а также оценивается рассеивание тепла через тепловое сопротивление.

1. КПД и рассеиваемая мощность

КПД — важная характеристика для оценки преобразователей мощности.Он определяется как процентное отношение выходной мощности к входной мощности. Когда входная мощность не равна выходной мощности, разница составляет потерянную энергию. В преобразователях питания и электронных компонентах будут происходить потери энергии, большая часть которых превратится в бесполезное тепло. Следовательно, необходимо тщательно решать проблему теплопередачи, чтобы избежать повреждения окружающих электронных компонентов из-за высоких температур. На рисунке 1 показана взаимосвязь между КПД преобразователя и нагрузкой, а на рисунке 2 показана взаимосвязь между потерями мощности преобразователя и нагрузкой.Эти графики показывают, что преобразователь с большими потерями имеет более низкий КПД.

2. Теплообмен

Обычные методы отвода тепла для преобразователей энергии включают естественную конвекцию, радиатор и охлаждающий вентилятор. Алюминиевые подложки используются для покрытия изделий с высокой мощностью. Причина в том, что теплопроводность алюминиевых подложек лучше, чем у пластикового корпуса, поэтому через алюминиевые подложки может передаваться больше тепловой энергии.Если внешний радиатор или вентилятор подключается к алюминиевой подложке, удаляемая теплоемкость может эффективно увеличиваться.

Существует три способа передачи тепловой энергии: теплопроводность, конвекция и излучение.

Проводимость — это процесс, при котором тепловая энергия передается через столкновения между соседними атомами или молекулами. Молекулы в высокотемпературных объектах имеют более высокую энергию и теплопередачу от высокой температуры к низкой температуре. Если объект находится в контакте с другим объектом с другой температурой, молекулы столкнутся с передачей энергии.Способность теплопроводности заключается в том, что твердые тела больше, чем жидкости, а металл имеет лучшую теплопроводность. Предполагая, что направление теплопередачи является x-направлением, закон Фурье упрощается следующим образом:

(1)

Скорость теплопередачи пропорциональна проводимости материала, площади поперечного сечения в направлении теплового потока и разности температур и обратно пропорциональна расстоянию теплопередачи. При выборе радиатора необходимо учитывать материал и термическое сопротивление, а также обеспечивать как можно большую площадь контакта.Близость радиатора и преобразователя также влияет на эффект теплопроводности. Неровная поверхность вызовет зазор между радиатором и преобразователем, а воздух в зазоре значительно снизит эффективность теплопроводности. Следовательно, теплопроводный клей или термопрокладка могут сделать контактную поверхность полностью близкой для достижения максимального эффекта.

Термическая конвекция относится к явлению теплопередачи между твердым телом и текущей жидкостью. Он также включает разницу плотностей между жидкостями, которая будет происходить при смешивании жидкостей, приводящем к явлению теплопередачи.В применении преобразователя его можно разделить на естественную конвекцию и принудительную конвекцию. Естественная конвекция — это конвекция, которая естественным образом возникает из-за разницы в плотности воздуха, когда тепло от конвертера передается ближайшему воздуху с более низкой температурой. Принудительная конвекция — это использование вентилятора для принудительной конвекции воздуха.

Коэффициент тепловой конвекции представляет собой эффект теплопередачи. Факторы, влияющие на коэффициент тепловой конвекции, включают разницу температур между жидкостью и твердым телом, скорость и направление жидкости, форму и поверхность и так далее.Использование вентилятора может значительно снизить тепловое сопротивление поверхности преобразователя воздуху. Однако необходимо обращать внимание на направление излучающих ребер, чтобы ветер мог циркулировать, и регулярно заменять фильтр, чтобы пыль или посторонние предметы не вызывали сбой системы.

Радиация не нуждается в среде и передается в виде волн. Пока температура объекта больше абсолютного нуля, он может продолжать генерировать тепловое излучение.В то же время он также поглощает тепловое излучение внешнего мира. Польза теплового излучения тесно связана с температурой поверхности. Чем выше температура, тем лучше коэффициент излучения. Следовательно, если преобразователь не является самым горячим объектом в системе, тепловыделение может не увеличиваться, а уменьшаться. На коэффициент излучения поверхности влияют цвет, шероховатость и материал поверхности. Кроме того, тепло преобразовалось между собой и окружающими объектами, поэтому вычислить тепловое излучение сложно и сложно.Тем не менее, по-прежнему можно оценить компоновку преобразователя в системном приложении, основанном на принципе теплового излучения. Преобразователь не должен размещать рядом высокотемпературные части, потому что тепловое излучение других частей вызывает повышение температуры преобразователя, а также избегать размещения рядом с термочувствительным элементом. Как правило, температура преобразователя во время работы выше, чем снаружи, поэтому излучение все же способствует общему рассеиванию тепла.

3. Термическое сопротивление

Преобразователи мощности или электронные компоненты общего назначения необходимо оценить на предмет теплового воздействия. Когда температура превышает установленный предел, необходимо снизить номинальные параметры преобразователя, чтобы избежать повреждения компонентов. В этом случае можно добавить соответствующее тепловое решение, например, радиатор или охлаждающий вентилятор. Преимущество отвода тепла можно оценить по тепловому сопротивлению, но только с учетом состояния теплового равновесия, а не с учетом нелинейного повышения температуры.Чтобы понять изменение температуры и выбрать подходящий радиатор, можно использовать простые расчеты.

Когда объект находится в контакте с другим предметом с другой температурой, тепло передается от высокой к низкой. Следовательно, две смежные контактные поверхности будут создавать разность температур DT, скорость теплопередачи двух контактных поверхностей равна q, а тепловое сопротивление θ определяется, как показано ниже.

(2)

Термическое сопротивление — это способность объекта сопротивляться теплопередаче, поэтому чем больше тепловое сопротивление, тем ниже теплопроводность.

Инженеры-электрики могут использовать его как аналогию с законом Ома при расчетах теплового сопротивления. Разница температур заменяет напряжение, тепло заменяет ток, а тепловое сопротивление заменяет сопротивление. Следовательно, модель закона Ома может быть эквивалентна расчету теплового сопротивления.

(3)

При расчете теплового сопротивления преобразователя, предполагая, что вся мощность, рассеиваемая преобразователем, преобразуется в тепло, теплопроводность q представляет собой потерю мощности преобразователя.

Согласно (1) и (2) могут быть получены следующие уравнения. Тепловое сопротивление материала можно рассчитать по теплопроводности материала, площади поперечного сечения в направлении теплового потока и расстоянию теплопередачи.

(4)

4. Измерение температуры

Преобразователь мощности имеет ограничение максимальной рабочей температуры. Если температура превышает верхний предел, это может повлиять на производительность или вызвать необратимые повреждения.При оценке температуры, предполагая линейную зависимость между путем рассеивания тепла и температурой, измерительная установка заключается в том, чтобы обернуть окружающую среду преобразователя теплоизоляционным материалом, и единственное отверстие находится над преобразователем, как показано на рисунке 3. Цель состоит в том, чтобы обеспечить направление рассеивания тепла от поверхности корпуса в воздух. В дополнение к тепловизору можно использовать для простого и непосредственного представления температуры, а электрическую термопару также можно использовать для измерения температуры корпуса и температуры окружающей среды.

Эквивалентная тепловая схема показана на рисунке 4. Сумма представляет собой сумму тепловых сопротивлений на пути отвода тепла. Сопротивление корпуса преобразователя воздуху можно рассчитать по известной потере мощности, а также измерить температуру корпуса и температуру окружающей среды.

(5)

(6)

Зная тепловое сопротивление, можно использовать максимальный температурный предел преобразователя для расчета максимальной рабочей температуры окружающей среды.Если температура окружающей среды повышается, пользователь также может рассчитать тепловое сопротивление, чтобы оценить подходящий радиатор или охлаждающий вентилятор.

Следует отметить, что результаты расчетов вышеуказанными методами содержат поля. Особенно трудно измерить температуру окружающей среды Ta. В настоящее время нет единого метода измерения. Расстояние между точкой измерения и преобразователем вызывает большую разницу в температуре. А в условиях принудительной конвекции нет никаких выводов о том, где следует измерять Ta.Следовательно, точность зависит от метода измерения и количества условий расчета.

5. Расчет термического сопротивления

5.1 Радиатор

Большая часть тепла преобразователя передается от алюминиевой подложки. Поэтому радиатор следует разместить на алюминиевой подложке через термопрокладку. Если сопротивление корпуса преобразователя воздуху уменьшается, температура окружающей среды может повыситься во время работы преобразователя.

Эквивалентная тепловая схема показана на рисунке 5. Полное тепловое сопротивление Rca от корпуса преобразователя к воздуху включает сопротивление корпуса преобразователя к радиатору Rcs и сопротивление теплоотвода к воздуху Rsa.

Пример:

Потери мощности преобразователя мощности составляют 17 Вт, а максимальная температура ограничена 110 ℃. Определите максимальную рабочую температуру окружающей среды после установки радиатора.

Технические характеристики радиатора и термопрокладки следующие:

Тепловое сопротивление радиатора = 3.2 Вт / ℃

Электропроводность термопрокладки = 1,56 Вт / м ℃

Толщина термопрокладки = 0,5 мм

Площадь поверхности = 57,9×36,8 мм

Эквивалентная тепловая схема показана на рисунке 5, сначала рассчитайте тепловое сопротивление тепловой прокладки по формуле (4).

(7)

Сумма — это сумма теплового сопротивления на пути отвода тепла.

(8)

Затем рассчитайте максимальную температуру окружающей среды по формуле (6)

(9)

5.2 Вентилятор охлаждения

Вентилятор охлаждения обеспечивает принудительную конвекцию. Следует отметить, что фильтр следует регулярно заменять, чтобы пыль не попадала в корпус, что может снизить эффективность охлаждения или вызвать отключение системы. При размещении радиатора следует учитывать взаимное расположение направления ветра и ребер, а также обеспечивать максимальную эффективность отвода тепла.

Характеристики вентилятора выражаются соотношением расхода воздуха к статическому давлению, как показано на рисунке 6.Максимальный поток воздуха означает, что статическое давление равно нулю и вокруг вентилятора ничего нет. Максимальное статическое давление означает, что устройство не имеет отверстия для выпуска воздуха, воздух не может выходить, а вентилятор не может продвигать воздушный поток. Когда вентилятор работает в разных системах, рабочая точка также изменится, что означает, что воздушный поток и статическое давление будут меняться в зависимости от системы. Расход воздуха в рабочей точке можно рассчитать с помощью симулятора или измерить.

Пример:

Потери мощности преобразователя мощности составляют 17 Вт, а максимальная температура ограничена 110 ° C.Характеристики радиатора показаны на рис. 7. Какой воздушный поток должен обеспечить системе, если температура окружающей среды поднимется до 80 ° C?

Тепловое сопротивление термопрокладки = 0,15 Вт / ℃

Рассчитайте тепловое сопротивление радиатора воздуху по известной температуре и потерям мощности:

(10)

1,6 Вт / ℃ — это тепловое сопротивление, которое должно достигаться радиатором с потоком воздуха. Как правило, характеристики радиатора представлены в виде графика зависимости расхода воздуха оттепловое сопротивление. Согласно графику, тепловое сопротивление соответствует расходу воздуха примерно 400 л / мин.

6. Резюме

Для преобразователя мощности необходимы соответствующие методы отвода тепла. Чтобы преобразователь мощности работал при безопасной температуре, хороший метод отвода тепла может увеличить мощность и получить большие преимущества. Эквивалентная модель термического сопротивления используется для анализа термического сопротивления между различными материалами.Его можно использовать для оценки теплопередачи, включая теплоотвод и охлаждающий вентилятор. При использовании вентилятора следует учитывать изменение воздушного потока в зависимости от теплового сопротивления. Также обратите внимание, что тепловым сопротивлением тепловой прокладки для контактной поверхности между радиатором и преобразователем нельзя пренебречь. В заключение, сложные тепловые характеристики можно оценить с помощью простых методов расчета с концепцией теплового сопротивления.

CTC является профессиональным поставщиком услуг для высокопроизводительных модулей питания (преобразователь переменного тока в постоянный и преобразователь постоянного тока в постоянный) для критически важных приложений по всему миру уже 30 лет.Наша основная компетенция заключается в разработке и поставке продуктов с использованием передовых технологий, конкурентоспособных цен, чрезвычайно гибких сроков поставки, глобального технического обслуживания и высококачественного производства (Сделано в Тайване).

CTC — единственная корпорация, имеющая сертификаты ISO-9001, IATF-16949, ISO22613 (IRIS) и ESD / ANSI-2020. Мы можем на 100% гарантировать, что не только продукт, но и наши рабочие процессы и услуги будут соответствовать системе управления качеством для каждого высокотехнологичного приложения с самого начала. От проектирования до производства и технической поддержки, каждая деталь эксплуатируется в соответствии с высочайшими стандартами.

Общие сведения о термическом сопротивлении — learn.sparkfun.com

Пример: преобразователь постоянного тока в постоянный SMD

Мы используем плату Buck-Boost, в которой используется преобразователь постоянного тока в постоянный TPS63070. Размер платы составляет 1,25×1,25 дюйма, используется медь весом 1 унция. Также следует отметить, что регулятор находится в центре платы и на 95% состоит из сплошной меди. Из-за размера я сделаю некоторые предположения, используя общую площадь платы для теплового сопротивления и все 41 переходное отверстие для теплового сопротивления переходного отверстия.

Для начала нам нужно выяснить, сколько мощности нам нужно рассеять. В преобразователе постоянного тока в постоянный входной ток не равен выходному току, поэтому мы не можем использовать ту же формулу, что и для линейного регулятора. Вместо этого мы можем оценить, используя график эффективности из таблицы:

График КПД отображает КПД как функцию выходного тока, который различается в зависимости от входного и выходного напряжений. Для этого теста мы будем использовать те же значения ранее, имея входное напряжение 12 В и выходное напряжение 5 В.На этот раз мы увеличим ток нагрузки до 1.0A. Используя приведенный выше график эффективности 5 В, эффективность должна составлять около 93%, что сделает наши потери мощности 7% от выходной мощности.

Для определения тепловых сопротивлений я использовал калькулятор термического сопротивления переходных отверстий и приблизил тепловое сопротивление переходных отверстий к 4,4 ° C / Вт, используя значения из инструмента вычисления переходных отверстий. Чтобы оценить тепловое сопротивление печатной платы, плата будет приподнята над столом, чтобы предотвратить использование стола в качестве радиатора.2. Основываясь на площади поверхности понижающей и повышающей платы, я могу оценить тепловое сопротивление печатной платы примерно 65 ° C / Вт.

В технических характеристиках TPS63070 указаны следующие тепловые характеристики:

Щелкните изображение для более детального просмотра.

Термическое сопротивление перехода к корпусу неприменимо, однако тепловое сопротивление перехода к плате составляет около 13 ° C / Вт. Используя значения термического сопротивления, мы можем подставить это в уравнение температуры перехода:

Как и раньше, я включил фиктивную нагрузку и дал плате нагреться до тех пор, пока температура не перестанет расти.