如何检测非电气现象中的温度

热涉及能量从热力学系统向或从热力学系统的转移."热流"虽然常用,但是一个多余的术语,因为热被定义为热能的流动(或转移)。热能是分子和原子的动能.焦耳(j)是国际热、功和能的系统单位。它被定义为另一个硅单位,牛顿(n)。牛顿被定义为1千克*m/s2,或给质量1千克和每秒1米加速度的平方。1j等于1n移动物体1米时的能量,j=千克*m 2 /标准 2 也叫牛顿米。

温度的概念用来确定热的预期方向.当分子和原子移动相对较快时,就会有更高的平均动能。物体叫做"热"。当分子和原子移动相对缓慢时,平均动能就会降低。物体叫做"冷"。根据热力学第二定律,当有传递路径时,热能总是从一个更热的物体转移到一个更冷的物体。这种转移叫做热。

当两种材料,一种是高温材料,另一种是低温材料,在没有中间绝缘层的情况下相互接触时,分子之间的碰撞会导致动能从高温物质转移到低温材料。在这两种物质处于同一温度并处于"热平衡状态"之前,热能转移将继续下去。

热能转移的过程可以通过与导电和欧姆定律进行类比来描绘。欧姆定律指出,在给定电压(V)下,电路中流动的电流(I)量与电阻(R)成正比。 电学 ): V = I * R 电学 .

就基本的、没有内部热生成的稳态传热问题而言,能量(热)的转移与温度差成正比:Q=K*A*(T/T-X),其中Q是热(能量的转移),K是材料的导热性,A是能量转移的正常区域,X是能量转移的距离,T是温度差 .

在与欧姆定律的热类比中: 第 , where R 第 是热电阻,欧姆x/(k*a)。和电阻一样,热电阻在较长的距离上更高,在较小的横截面面积上更高。

热电阻的概念不仅仅是一个有趣的类比。在设计电子设备的热管理系统时,它是一个有用的工具,可以防止它变得太热。热电阻,或更复杂结构中热电阻的总和,用于量化给定热管理设计所期望的冷却效果。为了确定结果,通常需要测量温度。

测量温度--有多热?

温度是以度来衡量的,它有许多名称,有几个尺寸。开尔文是在SI系统中使用的名称,而摄氏度与开尔文有相同的尺寸,通常用于工程。开尔文的起点是绝对零度,这一点没有分子或原子运动,任何实验都还没有达到。摄氏零度是水的冰点,而100度是水的沸点。另外两种常见的温度是华氏度和朗肯度。像开尔文和摄氏,华氏和兰坎有相同的尺寸。朗克因使用华氏标尺,调整后使0摄氏度等于绝对零度。在提到温度时,通常使用的符号是:C、F和R(或R)。与其他测量方法不同的是,开尔文没有使用"°"符号。

虽然许多温度计是用来测量温度的,但它们很少用于电子产品。热电偶、热敏电阻和电阻温度检测器是电子系统中首选的温度测量和热保护装置。热电偶是广泛使用的,是简单,便宜,自我能源设备。用两个不同的导体形成热电偶。每根电线的热梯度产生电压.这些热梯度之间的差别代表了连接处的温度。在连接处不产生电压,电压差可以用来测量温度。热电偶的精确度有限,设计误差小于1摄氏度的测量系统是一项挑战。

热敏电阻有两种类型:热电偶产生一个可变电压,热敏电阻有一个基于温度的可变电阻。热敏电阻能在预定的温度阈值内快速变化.

· 负温度系数 (NTC)电阻随温度上升而降低的热敏电阻。NTC通常用作温度传感器或涌流限制器。

· 正温度系数 (PTC)电阻随温度上升而增加的热敏电阻。PTC常被用作可重置引信和防止过电流或自我调节加热元件。

rtds是用一条薄薄的电线包裹在一个玻璃或陶瓷芯上或使用薄膜技术制作的。它们是用铂、镍或铜等纯金属制成的。最常见的一种rds是用铂制作的pt100,电阻在0-20秒C时为100电子。变化的速度是。一个典型的RTDPT100RTD可能有一个变化率 0.00385 Ω/Ω/⁰C .pt1000的电阻在0-VC时为1,000电子分,比pt100的小温度变化提供了更大的分辨率和更高的精度。

这三种设备都为设计者提供了一套不同的性能权衡。热敏电阻通常在-100至300℃之间运行(但在范围限于-90℃至130℃时更精确),热电偶的范围更广,为180℃至2,320℃。传统技术很少使用在660℃以上,适合于精密应用。

图:热敏电阻器、rds和热电偶在敏感度和有用温度范围方面为设计者提供了不同的权衡。

红外温度计和热成像

热成像相机和非接触红外温度计通过检测红外辐射并将其转化为温度读数来测量温度非接触。在产品开发过程中,他们可以识别出设计中需要进一步关注的热点,在制造过程中,他们可以识别出某些类型的制造和装配缺陷。

红外温度计具有很高的选择性,可以为目标上的单个点测量温度。一个热成像相机提供了一个由整个热成像中每个像素的温度读数组成的图像。在原型开发过程中,设计人员可以发现各种潜在的热问题。例如,如果工作负载分布不均匀,则可以在大芯片上开发热点,如现场可编程门阵列(fpg-Gas)。一个热相机可以识别这些不平衡,并帮助达成一个更热平衡和可靠的设计。

图:热相机可用于设计分析或电路板检测。

同样,使用热成像,操作员可以通过简单地将测试电路板的热图像与正常运行的电路板的图像进行比较,快速识别某些类别的缺陷,如冷接头。 .

阿雷尼乌斯方程-温度的实际应用

一般来说,热和电子系统不太协调。一个常见的例外是,当一个新的设计正在进行"恒定温度加速寿命测试"时,这种测试也可以被称为"高温加速寿命测试",它基于阿雷尼乌斯方程,建立了温度和反应速率之间的数学关系。利用这种关系,电子设备可以在高于其正常使用温度的温度下进行测试,以快速识别设计缺陷和弱点。这种方法的一个限制是它不会识别与热循环有关的失效模式。

确定测试的最佳温度是很重要的。如果温度太低,加速度系数也会很低。如果温度过高,在正常操作过程中可能不会发生故障。当进行高温加速寿命测试时,分析失败也是明智的,以确保它们代表了在正常工作温度下可能发生的失败类型。如果有正确的加速度系数,在高温下测试1,000小时就相当于在正常环境下运行10多年。

概括的

在设计电子系统时,热是一个重要的概念.所有电子设备都能产生热量,可靠的操作需要有效的热管理.热管理系统设计中的两个重要元素是需要管理的热量和不同部件和系统元件的热阻力。各种测量设备,如热电偶、rds和热成像设备可以成为分析和监测电子设备热性能的有价值的工具。在进行加速寿命测试以确定设计中的潜在弱点时,高温也可能是一个重要的工具。