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热测试—温度测试

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温度测试


温度是热测试中最关键的测试参数。依据测温仪器是否接触热源,测温方法可分为接触式测温和非接触式测温。其中,接触式测温在电子散热领域大量应用。非接触式测温中的红外测温可以获得一个平面的温度分布,应用也较为广泛。示温材料是一种热致变色的材料,温度不同时,其表现的颜色会发生变化。示温材料多用于重工业设备。当前在电子散热的热测试中,应用不多。


3.1 热测试设备


热测试实验室需要配置如下基本设备,才能进行热测试。

1)   恒温恒湿试验箱:提供可控的测试环境;

2)   热偶线、温度补偿线、数据采集器:接触式测温,读取测点温度;

3)   胶水、高温胶带:固定测点;

4)   功率计:用来测试记录设备所耗功率,核对测试负载是否符合要求;

5)   红外成像仪:非接触式,拍摄设备表面获得温度分布。

14-1 常用测温方法对比

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3.2接触式测温


电子产品中接触式测温仪器最常用的是热电偶。热电偶的测温基于塞贝克效应,即当两种不同的金属组成回路时,两个节点间的温差会导致回路中产生电势。这种由于温差导致的电势称为热电势。温差与热电势之间存在一一对应的函数关系。因此,可以通过测量两点之间的电势来换算结点间的温差。


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14-4 热电偶数据采集仪、采集模块和热电偶线


热电偶测温的优点是直观、准确,精度一般约±0.5℃,

缺点如下:

1) 感温元件可能影响被测温度场的分布;

2) 需要一定的反应时间;

3) 对于内部接触困难的点,测试难度较大;

4) 无法获得整个面的温度分布。


使用热电偶进行测温的步骤如下:


1)根据散热风险分析,确定测试点位置;

2)使用导热胶将热电偶测温端粘贴到测点上,另一端接到数据采集模块中,如果是测试局部流体的温度(如进出风口温度),则需保证探点固定到待测位置不晃动;

3)将采集模块插装至数据采集仪中;

4)数据采集仪根据使用的热电偶的分度号设置好,读取测试结果。

说明:

1)  热电偶需要使用导热性能好的粘接剂粘贴到测温点上,可以使用乐泰384导热胶+7452催化剂,固化时间较长(常温下数小时才能进行下一步操作),但固化后比较牢固,推荐在需要反复测试的场景中采用;乐泰416胶水+7452促进剂,可在数秒中内凝固,缺点是较脆,高温下可能崩裂,可以在时间紧迫的一次性测试中使用。

2)  热电偶数据记录仪可连接至电脑,从而实现温度的自动监控和记录。

3)  高温胶带用来固定热偶线缆在设备内部的走线,以免设备移动过程中及高温测试过程中的热偶线脱落及损坏。


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  14-5 热电偶测温常用的固定测点和电偶线的导热胶水和高温胶带


对于热电偶的测温原理和各类热电偶的特点,可以参考阅读:http://www.ecooling.net/2018/08/05/热电偶测温原理和各类热电偶的特点/一文。


3.3 非接触式测温


非接触式测温常用的仪器是热成像仪和红外点温枪。点温枪只能测得表面上特定点的温度,常用于现场问题定位,正规热测试验证较少适用。热成像仪在终端产品(如手机、机顶盒、笔记本电脑等对设备表面温度有严格要求的设备)中经常使用。

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14-6 热成像仪和红外点温枪


3.3.1 非接触测温的优缺点


非接触式测温的优点:

1)   具有较高的测温上限;

2)   热惯性小,可达千分之一秒,测温立等可得,而且能够测量运动物体的温度和快速变化的温度;

3)   热成像仪还可以获得一整个面的温度分布,便于发现可能存在的不被注意的点。

非接触式测温的缺点:

1)  非接触式测温精度较差(约±2℃),不如接触式测试(约±0.5℃);

2)  需要知道表面发射率,才能正确测温;

3)  对于不裸露在外的表面,较难测量。


3.3.2 非接触式测温误差的影响因素


要正确使用红外摄像仪,首先需要理解其精度影响因素,除了仪器本身的因素外,主要表现在以下几个方面[1]

3.3.2.1 物体表面辐射率

辐射率是一个物体相对于黑体辐射能力大小的物理量,它除了与物体的材料形状、表面粗糙度、凹凸度等有关,还与测试的方向有关。若物体为光洁表面时,其方向性更为敏感。不同物质的辐射率是不同的,红外测温仪从物体上接收到辐射能量大小正比于它的辐射率。根据基尔霍夫定理:物体表面的半球单色发射率(ε)等于它的半球单色吸收率(α)ε=α。在热平衡条件下,物体辐射功率等于它的吸收功率,即吸收率(α)、反射率(ρ)、透射率(γ)总和为1,即α+ρ+γ=1,图14-7解释了上述规律。对于不透明的(或具有一定厚度)的物体透射率可将γ近似视为0,那么只有辐射和反射(α+ρ=1)。当物体的辐射率越高,反射率就越小,背景和反射的影响就会越小,测试的准确性也就越高;反之,背景温度越高或反射率越高,对测试的影响就越大。如镜面表面,其反射率高,热成像仪接收到的能量可能不是其自身辐射的能量,而是反射的其它物体发出的辐射能,这就会造成测试结果失真。在实际的检测过程中,必须尽可能将测温仪中设定的辐射率与被测表面的实际辐射率设置为相同,以减小所测温度的误差。当被测表面为镜面时(反射率较大),可以使用一些涂料将其涂黑,降低反射率。

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14-7 目标的红外辐射


3.3.2.2 测试角度

辐射率与测试方向有关,测试角度(被测表面法线方向与测试仪正对方向的夹角)越大,测试误差越大,在用红外进行测温时,最好正对设备表面进行测试。不得不倾斜测试来对比两个相同物体的测温数据时,建议在测试时测试角一定要相同。

3.3.2.3 距离系数

距离系数(K=S:D)是测温仪到目标的距离S与测温目标直径D的比值,K值越大,分辨率越高。比如,用测量距离与目标直径S:D=8:1 的测温仪,测量距离应满足表14-1的要求。

14-2 S值应满足的要求

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3.3.2.4 大气吸收

大气吸收是指在传输过程中使一部分红外线辐射能量变成其它形式的能量,或以另一种光谱分布。大气吸收程度随空气温温变化而变化,被测物体距离越远,大气透射对温度测量的影响就越大。所以,在室外进行红外测温时,应尽量在无雨、无雾、空气比较清晰的环境下进行。在室内进行红外测温时,应在没有水蒸气的环境下进行,这样就可以在误差最小的情况下测得较准确的数值。


3.3.3 非接触式测温工程处理方法


对于室内环境中普通表面的温度测试,发射率是影响红外温度检测精度的重要参数之一,因各目标表面性质不尽相同,故发射率会有很大差别;若不能准确设置发射率,则会造成测量误差,本节讲述如何修正发射率,满足客户精确测量的需求。

发射率的概念在热设计基础理论的热辐射一节有简单介绍。其影响因素如下:

材料 不同材料的发射率不同,如铜的发射率一般来说比铝高。

表面光洁度 通常表面粗糙的材料发射率比光洁表面高。

表面颜色 以黑色为代表的深色系表面发射率比浅色系高。

表面形状 表面有凹陷、夹角或不平整规则的部位比平整的部位发射率高, 如通常我们在检测模具加热时会发现温度有偏高的部位,但实际上该模具温度是均匀的,偏高的位置往往是表面不规则的部分。

大多数非金属材料(如塑料、油漆、皮革、纸张等)发射率可设置为 0.95,相同材质、不同颜色的目标其发射率非常接近,误差通常不超过测量精度范围;部分表面光亮的非金属材料发射率较低(如瓷砖、玻璃等)。

当不知道测试表面的发射率时,通常采用如下方法来处理,保证测试结果的准确性[2]


3.3.3.1 绝缘胶带法


将一块绝缘胶带(已知发射率)贴于被测物体表面,通过调整红外热像仪发射率,使被测材料表面的温度与贴有绝缘胶带表面温度相同或接近,此时的发射率即为被测材料物体正确的发射率。

操作方法 

贴绝缘胶布(建议使用 3M 电气绝缘胶带,牌号 1712,黑色),发射率:0.93

适用场合 

此种方法适用于被测目标相对比较大,温度较低(小于 80℃),要求测试后不改变原目标表面状况的场合,例如各种散热模块,光洁芯片(较大)表面,金属表面等。

注意事项

应尽量使胶带与被测目标的表面接触紧密,没有气泡或褶皱等现象,需要预留 5分钟以上时间,使被测目标表面与胶带充分达到热平衡状态。

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14-8 3M1712电气绝缘胶带

3.3.3.2 喷漆法


将漆(已知发射率)均匀的喷涂在被测物体表面,然后通过调整红外热像仪发射率,直到没有喷漆的表面温度与喷漆表面温度相同或接近,此时的发射率即为目标物体正确的发射率。

操作方法 

喷涂的丙烯酸树脂(建议使用保赐利自动喷漆,黑色),发射率: 0.97

适用场合 

此种方法可以适用于温度较高目标,也可以适用目标尺寸较小的,但可以接受 被测物体表面状况被改变的场合,例如设备维护场合下的管道、阀门等静设备 ;制造业中,较小的芯片表面、管脚、不规则的散热片、电容器顶端、LED 芯片(表面镀银)。

注意事项 

应尽量使喷漆面均匀,而且薄(但要覆盖住被测目标表面),同时要给客户说明,喷涂后的目标可能无法擦拭干净;建议使用者喷涂 3 分钟后,再进行测试。建议使用黑体漆 : 已知发射率为 0.96

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14-9 黑体漆


3.3.3.3 涂抹法


用水性白板笔(已知发射率)均匀的涂抹在被测物体表面,然后通过调整红外热像仪发射率,直到没有涂抹的表面温度与涂抹表面温度相同或接近,此时的发射率即为目标物体正确的发射率。

操作方法 

涂抹水性白板笔(建议使用晨光水性白板笔,牌号 MG - 2160 ,黑色),发射率:0.95

适用场合

此方法可以适用于不允许改变物体表面状态(涂抹后可擦去),同时 形状不适合进行胶带粘贴的目标,涂抹法可针对较小的目标进行,但目标表面温度不宜超过 100℃。

注意事项

白板笔不能是油性笔,否则干后很难擦去。

应尽量使涂抹面均匀,建议使用者涂抹 3 分钟后,待目标表面热平衡后再进行测试。

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14-10水性白板笔


3.3.3.4 接触温度计法


用接触式温度计,如热电偶、热电阻等直接测量物体表面温度,然后通过调整红外热像仪发射率,直到热像仪所测得的表面温度与接触式接触式温度计测得的表面温度相同或接近,此时的发射率即为目标物体正确的发射率。

操作方法 

使用接触式测温仪器。

适用场合 

测量方便,但需注意现场是否允许进行表面接触测温(特别是带电、运动等现场)。

注意事项 

应使热电偶与被测目标表面接触良好,并要求测试的数据必须是温度稳定后的数据。


参考文献

[1] 曾强, 舒芳誉, 李清华. 红外测温仪的工作原理及误差分析[J]. 自动化信息,2006(12):71-72.

[2] 用户手册. www.fluke.com.cn/

[3] www.ecooling.net

[4] https://www.keysight.com

[5] https://www.fluke.com.cn/

[6] https://cn.omega.com

[7] http://www.longwin.com/

本篇节选自:陈继良.从零开始学散热.第十四章 热测试


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