[ЕшТ 0]

В разработке РЭА, особенно в случае техники которая что-то генерирует или измеряет часто приходится учитывать климатику и температурные эффекты на различные компоненты. Как говорят бывалые разрабочики - кусок металлического кабеля да разьемы уже являют собой термометр , а сделать оный из резистора или микросхемы и того проще. Вопрос только - насколько это мешает задаче и как с этим бороться если таки мешает заметно.

 

Но прежде чем хватать паяльник и закупать особо-дорогие герметичные и стабильные компоненты надо оценить и измерить вносимые температурным режимом погрешности. Обычно в таких случаях применяется климатическая камера с программируемым термостатом. Но если задача стоит протестировать компоненты в штучных количествах, вроде ИОНов, резисторов, усилителей занимать целую камеру не всегда удобно.

 

К тому же разные веселые производители очень любят указывать "типичные" параметры температурной стабильности, оставляя покупателя угадывать насколько купленный за золото резистор "типичен". В итоге даже в даташитах можно видеть такое безобразие:

Прям волшебство, ТКС 0.05 ppm/K ? Ага, заверните и мне таких мухоморов. Мелкая табличка далее подсказывает более правдивые цифири: на уровне +/-4.2 ppm/K для 10-50 Ом, либо же +/-2.2 ppm/K для 100-150k сопротивлений. Всего-то в 44 раза хуже "типичных" цифр приведенных болдом прямо в шапке даташита. И это при стоимости резисторов 40-200+$USD за штуку и времени поставки минимум 6 месяцев...

 

 

Так что собственная приемка по климатике = обязательная вещь для прецизионных дизайнов. Чтобы не было сильно больно потом в продакшене.

Найти и купить программируемый термостат в настольном исполнении обычно затратно (даже не финансово, а по времени). Для своих домашних любительских нужд пошел путем проще - собрал из палок и подручных материалов тестовый стенд.

Подручными материалами оказались:
* Элемент Пельтье мощностью 40Вт (типичный экземпляр китайнизиума, добытый у местных торгашей)
* Мелкий радиатор с 12В вентилятором от какого-то процессора.
* Литой корпус с крышечкой длины и ширины с типичный плафоно-смартфон
* 10 кОм Термистор YSI 44031 (также использовал Honeywell HEL-705 RTD с одинаковым успехом)
* Разная вспененая термоизоляция и пенопластовый бокс из под какой-то упаковки

Сборка прошла без особых затруднений. Элемент Пельтье смонтирован на наружное основание коробки с помощью термоклея. Датчик-термистор закрепляем у дна внутри коробки. Утепляем, изолируем, и термобокс готов к применению.

Стабильность температуры сильно зависит от качества изоляции, чем меньше потерь наружу - тем меньше затрат нужно контроллеру для поддержания стабильной температуры бокса.

В качестве контроллера температуры и драйвера для управления пельтом использовался Keithley 2510. Данный прибор как раз рассчитан на подобное применение и часто встречается в лабах вокруг лазерной техники для стабилизации диодов. По сути это термометр совмещенный с SMU для управления TEC + PID контроллер. Таким образом получаем возможность как охлаждать, так и нагревать.

В качестве дешевых альтернатив также пробовал подобный контроллер от ILX - модель 5910B. На ибея оные проскакивают в районе 100$. Результат и стабильность температуры примерно совпала с результатами Keithley. Можно и самому схему с термостатом и драйвером собрать, если совсем бюджетно и времени не жалко.

Дальше все просто - засовываем тестируемый компонент/платку в бокс, закрываем крышкой, изолируем/утепляем, и пишем велосипед для управления и сбора данных.

По привычке весь сбор данных я уже несколько лет провожу используя Raspberry Pi и USB-GPIB интерфейсы NI или Agilent. Руководства по установке и настройке linux-gpib для этих интерфейсов и RPI3 есть в интернетах тут и там.

Тестовый скрипт для управления термостатом и сбором данных с четырех приборов: Python app.
Данный скрипт управляет температурой и одновременно опрашивает мультиметры , сохраняя каждую точку в CSV-файл для дальнейшей обработки.

Затем используя подручное ПО для рисования графиков можно получить вот такие результаты:

 

Черная линия трапецией - температура с термодатчика, согласно программе от +18 до +50 градусов. Скорость нарастания/спада температуры около 0.003 градуса в секунду, либо 10.6 градусов в час. Медлительность нужна из-за габаритов бокса, чтобы внутренние градиенты имели время устаканиться (внутри ведь движения воздуха нет, перемешивать некому).

 

Вообщем с коробочкой выше я натестировал уже ведерко всяких разных резисторов , около 260 штук.

 

Вариант 2019

Однако в мелкую коробочку приборы погабаритнее уже не влезают, так что пришлось собирать подручные материалы побольше. Для этого применим тот же подход но уже с активным перемешиванием воздуха внутри бокса. Чтобы упростить отвод тепла от элемента Пельтье использовал в этот раз компьютерную систему замкнутого водяного охлаждения.

 

 

Расположение компонентов видно на картинке.

 

 

Примеры тестовых экземпляров - эталонная мера напряжения Wavetek 7000 и набор для нановольт-любителя : делитель Keithley 262 и нановольтный усилитель EM A10 с шумом 350 пВ

 

 

На данный момент в этом боксе тестирую набор 1 Ом резисторов от Julie Research Labs с ибея. Живые данные с приборов.

 

 

Но это уже история следующего обеденного перерыва....

P.S. Более прилизанная и готовая употреблению программа для сбора данных/управления таким термостатом уже выложена на github.

З.З.ы. Как тут отключается ненависный вусивуг?? :(

[Baza 24]

я для этого приспособил  элемент от списанного кулера для воды.

 

там и драйвер и корпус в пенопласте и трубки для воды-или проводов :)

[MegaVolt 25]

Очень интересно. Спасибо. 

А что за прога строит такие мультиграфики?

[Tanya 4]

Из опыта... Можно убрать регулятор температуры...

Пенопластовый корпус хорошо бы оклеить снаружи и изнутри фольгой... Внутри нагреватель, вентилятор  и термометр. Можно и без вентилятора... Можно добавить бутылочки с водой. Проще и дешевле.

[rx3apf 0]

А вот интересно - до каких отрицательных температур в коробе можно добраться с такой конструкцией ? Если испытуемое изделие вообще не выделяет тепло ? С одноступенчатым китайским TEC на 40...100W, с активным воздушным охлаждением, для объема, например,  1л ?

[ЕшТ 0]

Quote

А что за прога строит такие мультиграфики?

Приспособил костыль на javascript с библиотекой D3.js, которая жует CSV-файлики и малюет SVG на специальные странички у меня на сайте. Этих страничек за 3 года - сотни уже...

Чтобы посмотреть код достаточно открыть пример, вроде этого и посмотреть исходник в HTML. Если надо картинкой, то делаю скриншот и сохраняю в PNG ручками :). Поскольку у меня данные собираются с приборов и загружаются на сервер автоматически каждые 5 минут, могу наблюдать за ppm-ами и температурами почти в режиме реал-тайм. Для совсем фанатов есть даже live feed с моторизированной IPC-камеры :)

 

Quote

...Можно добавить бутылочки с водой. Проще и дешевле.

Можно, но суть в эксперименте для меня в повторяемости и долговременной стабильности. Многие проволочные резисторы нелюбят термострес, и приходится из выдерживать часы, нередко дни пока замеры вернутся в норму. 

В мелком боксе получалось примерно -7 градусов без потери регулирования, а в большем боксе около +4 если в кофту завернуть еще :)

 

На тему стабильности, вот с прошлой недели картинка, стабильность +/-0.05 градусов за 3 часа:

 

Розовая кривуля - замер с термодатчика PID-контроллера (K2510 + Honeywell HEL-705 RTD). Темно-красная кривуля - замер с другого термодатчика - Omega Pt100 c Fluke 1529 Chub-E4. Естественно разрешение 0.05 градусов не значит абсолютную точность, и подобные замеры можно использовать только как в качестве относительных измерений (чего достаточно для оценки ТКС/ТКН различных эталонов и приборчиков).

 

Для абсолютных замеров нужен калиброванный термометр. Оный в роли Fluke 5699 уже добыл пару месяцев назад, но на калибровку такого агрегата еще надо заработать. 

 

Кстати пользуясь моментом - программа на гитхабе даже имеет олдскульный интерфейс с псевдографикой, для отслеживания поведения:

 

 

 

[ЕшТ 0]

Сегодняшние посиделки, отобрал 1-омные резисторы номер 4+5+8+11 в последовательно-параллельном включении, в надежде на лучшую температурную стабильность.

 

Тест запустил, через 20 часов узнаем результат. Надо будет потом еще попробовать замерить и посчитать PCR, зависимость от подведенной мощности.

 

 

Поскольку попытка использовать на уровне ppm-ов даже навороченного мультиметра вроде 3458А для прямого измерения резистора малого сопротивления, вроде единицы Ом - затея изначально ущербная из-за малого тока и чрезмерного шума, в данных экспериментах применен внешний источник тока , а мультиметр(ы) использовались в наилучшем для них режиме - диапазоне 100мВ по постоянному напряжению.

 

 

Источник тока выдает 100мА в цепочку тестируемых резисторов, детекторы снимают потенциал А (около 100мВ) с каждого элемента, затем ток реверсируется -100мА и детекторы снимают значение Б, затем фильная инверсия на +100мА и замер C.

 

Итоговое сопротивление считается по формуле R = (A - 2*Б + С) / 4 / 100 мА. Весь цикл для получения одного отсчета занимает 76.3 секунды. Так что ловля иголок - дело неспешное. 

 

Лучше получится только с подменной схемой используя коммутатор и эталонный резистор. Это мы попробуем позднее.

[shodan_x 0]

@ЕшТ

Изучал вопрос с покупкой контроллера с год назад, зимой, и сейчас.

На ибее голяк, за 100 баксов ничего в адекватном состоянии не найти, если не ставить себе это как самоцель.

Сидеть клепать программируемый контроллер - выкинуть кучу времени... тоже не вариант.

Решил опробовать контроллеры Arroyo, заказал вот такой: https://www.arroyoinstruments.com/products/5305

Отзывов о них кот наплакал, по этому мне они интересны в двойне.

Приедут, затестирую, поделюсь с общественностью так-сказать....

 

Что касается обвязки TEC-модуля - большие радиаторы поискал, удивился ценам, и понял что не сильно дороже, но намного эффиктивнее купить лоу-кост водянку от процов.

Вообще я изначально думал об активном охлаждении воздуха но то, что ты TEC-модуль крепил прямо на металлический бокс - для меня это сегодня стало новинкой при повторном просмотре твоих картинок, очень интересный вариант, возможно я его так-же опробую.

[shodan_x 0]

Урвал еще по дешевке(но все равно значительно дороже 100$) Arroyo 585-05-12, его тоже затестю. Если понравится, будет отличный набор для эксперементов! У меня как-раз простаивают эксперименты по криогенной заморозке детекторов. Один контроллер пойдет на термокамеру, а второй на крионику...

Правда замешкался немного с выбором TEC-модуля, но изучение сайта Криотерма говорит, что вот этот http://kryothermtec.com/assets/dir2attz/ru/TB-127-1.0-0.8.pdf самое-то для этих контроллеров и задачки с термокамерой. 

[shodan_x 0]

Что касается отвода тепла, думается мне - подойдет самая простая водянка на TDP 200Вт+ типа такой https://www.xcom-shop.ru/id-cooling_frostflow_x_240_715785.html Из тех соображений, что чем лучше отвод/подача тепла, тем лучше TEC-модуль справится с задачей охлаждения/нагрева.

 

Ну а "теплообменник" внутри бокса наверное подойдет вообще самый простой, типа такого https://www.xcom-shop.ru/deepcool_ck-am209_281109.html если на нем перевернуть вентилятор на выдув, нормально должно подойти. Посадочная площадка у него монолитная, поддувать через радиатор в сторону сторону TEC-модуля не будет. И он по идее легкий, а значит не будет стремится переломить модуль под своим весом.

 

Думал еще над тем, как собирать этот бутерброд, но от варианта стяжки винтами, думаю откажусь. Винты по сути снизят КПД системы. Надо наверное поискать хороший двухкомпонентный термоклей.

 

У меня уже есть бокс из ДСП, если его обклеить вот этим https://tula.leroymerlin.ru/product/termoizolyacionnaya-pir-plita-pirrouniversal-30x600x1200-mm-17856534/ а швы заделать алюминивым скотчем, дифферент температур должен неплохо сохранять. 

[ЕшТ 0]

У меня валяется на полке Arroyo TECPak 585-04-08. Маленький контроллер который смог, по крайней мере на мелкой коробочке. По стабильности не уступает значительно более дорогому Keithley 2510, 0.005 °С на протяжении часов поддерживает без проблем. Единственное что не понравилось - пришлось докупать отдельный Honeywell HEL-705 RTD 100 Ом термодатчик для него, мои go to HEL-705 1000 Ом не поддерживаются, а термисторы я не люблю из-за нелинейности :).

Термоклей и thermal epoxy от термоциклирования отваливаются спустя месяц-два. Я так уже три TEC элемента спалил когда воздушное охлаждение на элементах было :) С тех пор сменил на AIO СВО (с одним кулером, 200Вт там не нужно если тестировать мелкие девайсы), прикрученную нейлоновыми болтами к радиатору "холодной" стороны, уже год полет нормальный. Главная проблема которую решает водянка - это отсутсвие воздушных потоков и необходимости заморачиватся о хорошей теплоизоляции вокруг TEC. В последнем боксе теплообменник СВО с помпой вообще целиком изолирован, только шланги и провода торчат на улицу. Обычно у меня этот сетап работает месяцами во время тестов, гоняя циклы +16...+50 для тестов компонентов.

Сейчас думаю на тему сделать большой бокс (или конвертировать кейс Pelican 1640 в "бокс") и наставить мощных пельтов с соответственным управлением. Чтобы можно было калибратор например внутрь засунуть и его потестировать на температурную стабильность, но пока этот проект отложен на позднее время изза ковида :)

[shodan_x 0]

50 minutes ago, ЕшТ said:

Термоклей и thermal epoxy от термоциклирования отваливаются спустя месяц-два.

Это учту.

Ты мне лучше скажи, куда датчик крепишь? Мне почему-то кажется(на базе опыта с TMP117) если его просто в воздухе повесить болтаться, PID-регулирование с ума  сойдет.(речь конечно про большие боксы с циркуляцией воздуха)

Нутрянка мне подсказывает что его надо крепить на радиатор-теплообменник, нет?

Скорее всего мне вся электроника скоро приедет, и я начну строить бокс, а контроллеры с этим короновирусом, скорее всего не менее месяца ехать будут. По этому вопрос про датчик довольно актуален, чтобы учесть его возможное положение.

 

50 minutes ago, ЕшТ said:

У меня валяется на полке Arroyo TECPak 585-04-08. Маленький контроллер который смог

Значит я не сильно прогадал с выбором, судя по всему.

50 minutes ago, ЕшТ said:

а термисторы я не люблю из-за нелинейности :).

Да я вот тоже думал о AD590 для 5305 как минимум, но пока на первых порах мне наверное хватит Epcos B57861S0103F040, собственно их и заказал вместе с пельтъешками.

[shodan_x 0]

1 hour ago, ЕшТ said:

200Вт там не нужно если тестировать мелкие девайсы

Low-cost охлаждение, это такая штука... где написанное TDP можно смело делить на 2 :)

К тому-же разницы по цене между водянкой с водоблоком под один 120мм куллер, и под два 120мм куллера - почти нет.

Ну и мне всетаки хочется достичь минусовых температур, что будет весьма полезно для тестирования переносных девайсиков, эмитируя ношение в кармане куртки. (это одна из причин - почему я контроллер постарался взять на 60Вт) Исходя из того что ТЕС будет работать на пределе своих возможностей, лучше чтобы тепло горячей стороны забиралось наиболее эффективно. По этому водоблок 2*120 мне кажется более подходящим чем 1*120.

[ЕшТ 0]

TDP к охлаждению имеет примерно тоже самое отношение как литраж двигателя к скорости машины :) Т.е. где-то рядом, но не совсем.

Один 120мм кулер размещать проще :)

На картинках выше же датчик видно (даже два, один с чернобелым витым проводом, к термоконтроллеру, второй в черном провода для DUT).

На самом деле я всегда использую два датчика. Один для PID и управления боксом, этот датчик подключается к контроллеру, будь то Arroyo или ILX или Keithley. Но для измерений и анализа результатов я использую второй датчик, расположенный либо в прямом контакте с DUT, либо рядом (например если тестируются сразу 5 резисторов, датчик между ними и все в пластиковой коробочке с дырками в целях uniformity). Ибо температура бокса на самом деле нам не очень нужна, а нужна температура DUT. Заодно можно проверять response самого бокса сличая оба термодатчика и прикинуть uniformity по углам/ориентациям.

[shodan_x 0]

12 minutes ago, ЕшТ said:

На картинках выше же датчик видн.

Если-бы я увидел датчик в большом боксе, я-бы не спрашивал.

Запишусь на понедельник к окулисту.

 

Quote

На самом деле я всегда использую два датчика.

Это понятно by default, но мой вопрос состоял в другом, хотя я думаю, что мне на него ответит только окулист и эксперемент.