Методы и аппаратура для измерения тепловых полей на основе изооптического термопреобразования

Решение актуальных проблем 80-х годов и одиннадцатой пятилетки предусматривает все большее внедрение радиоэлектроники во все отрасли народного хозяйства.

Современные радиоэлектронные системы представляют собой сложные комплексы, состоящие из огромного числа различных элементов, таких, как полупроводниковые приборы, интегральные схемы и т. д. Работоспособность таких систем зависит от внутренних физических процессов в отдельных радиокомпонентах, большое влияние на которые оказывает температура. От 10 до 50% случаев выхода из строя радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) связаны с нарушением ее теплового режима либо с работой в предельно допустимых температурных условиях /1−4/. В связи с этим постоянно возрастает роль тепловых измерений в РЭА. По данным /5/, 90−95% всех форм энергии в РЭА превращается в тепловую, и тепловое поле в аппаратуре является эффективным показателем ее качества и надежности.

Вместе с тем, анализ методов теплового контроля РЭА показывает, что при многообразии способов и средств локального измерения температуры наблюдается значительное отставание в разработке методов непрерывного исследования тепловых полей. Методы инфракрасной (ИК) термометрии, получившие относительное распространение во многих отраслях техники, не находят практического применения в РЭА ввиду широкой номенклатуры радиокомпонентов и отсутствия достоверных данных о их коэффициенте черноты. Другие известные методы исследования температурных полей алпаратурно сложны и специфичны, что ограничивает их использование в РЭА. В то же время методы исследования тепловых полей (поверхностного распределения температуры и тепловых потоков) отличаются значительно большей информативной способностью по сравнению с контролем параметров в отдельных точках объекта, применение их исключает ошибки при выявлении областей локального перегрева, при оценке топологии радиоэлектронных плат с точки зрения теплового режима работы РЭА, обеспечивает полный объем данных для прогнозирования надежности аппаратуры. В связи с этим разработка новых эффективных методов исследования тепловых полей с учетом специфики температурного контроля РЭА является актуальной проблемой.

Ц е ль ю диссертации является разработка методов исследования тепловых полей на основе изооптического термопреобразования и соответствующего измерительного комплекса, отвечающего требованиям температурного контроля РЭА по точности, безопасности измеренийи разрешающей способности., .

Целесообразность разработки изооптического метода обоснована результатами анализа известных методов исследования тепловых полей, проблем в области температурного контроля РЭА и физических основ изооптического термопреобразования.

Разработка метода проводится по приказу Министра № 34 от 25.01.80 г.

В настоящей диссертационной работе показано, что наиболее перспективными для решения поставленной задачи являются изоопти-ческие композиции на основе полимерных материалов, оптимальными из которых признаны кремнийорганические каучуки марки СКТФВ. Это обусловлено технологичностью каучуков, уникальными изоляционными и диэлектрическими свойствами (что существенно с учетом условий работы РЭА), химической стойкостью к воздействию солнечного света и повышенной влажности, высокими температурно-спектральной чувствительностью и спектральной избирательностью изооптических композиций на основе каучуков, возможностью изготовления преобразователей в виде эластичных пленок, гибких пластин, замазки и лака.

В результате исследования термооптических параметров композиций на основе каучуков, наполненных порошком оптических стекол (ИКС), разработана методика выбора компонентов, обеспечивающих преобразователю заданные характеристики. По этой методике разработан ряд преобразователей для измерений в области от минус 20 до плюс 150 °C, соответствующей температурному диапазону работы РЭА.

Разработка научных принципов построения приборов для визуализации температурного поля позволила создать ряд установок и специализированных приставок, обеспечивающих высокий цветовой контраст, приемлемую точность и разрешающую способность при исследовании тепловых полей в РЭА. Определена область целесообразного применения метода исследования тепловых полей на основе изооптического термопреобразования.

В диссертационной работе обоснованы следующие научные положения:

I. Температурная зависимость рефракционных параметров крем-нийорганических каучуков в области температур от минус 20 до плюс 150 °C близка к линейной, а их дисперсионная зависимость описывается двучленной формулой Коши с точностью, достаточной для расчета термооптических параметров преобразователей типа ИКС с относительной погрешностью, не превышающей 2,3 $ при доверительной вероятности 0,99.

2.Температурный градиент по толщине преобразователя искажает его температурно-спектральную характеристику и уменьшает свето-пропускание пропорционально величине градиента, толщине преобразователя, кратности проховдения сквозь него светового потока и смещению контура пропускания преобразователя в коротковолновую область спектра.

3. Пространственно-спектральная структура выходного сигнала преобразователя такова, что его рабочий сигнал (максимум нулевого порядка) окружен симметричной системой дифракционных колец гало (рассеянной составляющей). Угловое отклонение колец гало от рабочего сигнала растет с уменьшением размера оптических не-однородностей изооптического слоя.

Научную новизну работы составляют следующие результаты: разработаны теоретические основы и реализован новый метод исследования температурных полей на основе изооптического термопреобразованияпредложен и теоретически обоснован новый метод измерения поверхностного распределения плотности теплового потока, основанный на зависимости Светопропускания от температурного перепада по толщине изооптического преобразователяопределены температурная чувствительность, геометрическая разрешающая способность и метрологические характеристики метода.

На защиту выносятся: метод исследования температурных полей на основе изооптического термопреобразованияметод измерения поверхностного распределения плотности теплового потокарасчетная методика выбора компонентов, обеспечивающих преобразователю заданные характеристикинаучные принципы построения приборов для визуализации и исследования температурных полей методом изооптического термопреобразованиярезультаты исследования температурной чувствительности и геометрической разрешающей способности методаметодика определения действительных температурных полей объектов по результатам измерений.

Практическая ценность полученных результатов состоит в том, что на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан ряд преобразователей оригинальной конструкции, обеспечивающих высокую геометрическую разрешающую способность (до 2 штрихов на I мм) и точность исследования температурного поля (инструментальная погрешность не более 0,7 К). Разработана технология их изготовления.

Создан ряд приборов и специализированных приставок, обеспечивающих высокий цветовой контраст визуализованной картины поля, регистрацию изотерм и высокую точность измерений (инструментальная погрешность не более 0,9 К). Их новизна защищена 18 авторскими свидетельствами и 2 положительными решениями ВНИИГПЭ о выдаче авторского свидетельства.

Разработанный измерительный комплекс удовлетворяет требованиям температурного контроля РЭА по точности и геометрической разрешающей способности, обеспечивает безопасность и оперативность измерений.

Измерительный комплекс эргономичен, отличается аппаратурной простотой и низкой стоимостью, удобен в эксплуатации.

Разработанный комплекс может быть успешно использован также в электронной, авиационной и других отраслях народного хозяйства.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и одиннадцати приложений. По объему диссертация содержит 144 страницы машинописного текста, 13 таблиц и 95 рисунков. Приложения составляют 60 страниц.

Результаты исследования зависимости светопропускания от температурного градиента по толщине изооптического преобрааователя (каучук СКТФВ70 — стекло КЗ, <&-а = 2 мм), работающего в режиме отражения л о, мкм !

— 2 мкм ! т.

— 0,28 ! — 0,35 !

— 1-Г.

— 0,59 j -0,67 I.

— 0,74 I -0,80.

0,461.

ЪГЛо*) J УгГЛоУ Хр Р.

0,93 0,89 0,83 0,77 0,71 0,66 0,97 0,96 0,88 0,85 0,83 0,80 -0,043 -0,076 -0,060 -0,107 -0,172 -0,220.

0,547.

Г ЫА, 1.

UV.

Jotfo*) %ГЛ9*) мкм.

— 2 Р.

— 0,22 0,88 0,98 -0,109.

— 0,28 0,87 0,96 -0,102.

— 0.47 0,78 0,90 -0,150.

— 0,54 0,73 0,87 -0,187.

— 0,59 0,70 0,84 -0,196.

— 0,63 0,65 0,82 -0,266 Ъ.

0 Го 1.

0,602.

Г с >

УоСЛо* Jn ге* мкм.

— 2.

— 0,19 0,95 0,98 -0,032.

— 0,23 0,92 0,98 -0,060.

— 0,39 0,87 0,94 -0,035.

— 0,45 0,84 0,92 -0,093.

— 0,49 0,87 0,91 -0,051.

— 0,53 0,71 0,89 -0,252.

Параметр afj, = Е za? v.

2.36) при /т? = 2. О.

7гГЛо+)Л расчет у /J*A произведен по формуле.

Я/ЛеУ Л р

S ! ло, мкм ! г, мкм" 2 ! j -0,28 ! «1 1 -0,35 i ! — 0,59 j -0,67 ! .Г -0,74 ! -0,80.

0,77 0,92 0,74 0,87 0,62 0,69 0,51 0,62 0,43 0,56 0,38 0,51.

0,461 э Р.

Э?д -0,195 -0,176 -0,113 -0,216 -0,302 -0,342.

Г, мкм -0,22 -0,28 -0,47 -0,54 -0,59 -0,63.

0,86 0,96 0,83 0,94 0,78 0,85 0,66 0,81 0,59 0,77 0,55 0,75.

0,547 9 l&MeV. Р.

— 0,116 -0,133 -0,090 -0,227 -0,305 -0,364.

— 2 мкм -0,19 -0,23 -0,39 -0,45 -0,49 -0,53.

0,602 УоГЛ0*) Г Зо[Ло*) э fi 0,89 0,98 -0,101 0,87 0,97 -0,115 0,75 0,91 -0,213 0,74 0,88 -0,189 0,73 0,86 -0,178 0,69 0,84 -0,217 Ъ.

0 со 1 d о 1 ' V V Т Г Ло «мкм I ^ мкм 1 -0.47 1 -0.52 ! -0.62 i -0.75 1 -0.86 i -0.94.

0.463 Г 7*ГЛ0*) * L JofAoVГ ЯгАо*-' L JofJoV. Звд 9 0,83 0,84 0,74 0,68 0,56 0,44 0,88 0,86 0,81 0,74 0,67 0,62 -0,060 -0,024 -0,095 -0,088 -0,196 -0,409.

0,536 1 li 1 Я i о i мкм" 2 -0,44 -0,49 -0,58 -0,70 -0,80 -0,88 э 0,92 0,91 0,94 0,98 0,86 0,94 0,92 0,91 0,87 0,89 0,78 0,74 Р 0 0 +0,074 +0,092 +0,093 +0,213.

0,611? [ЪГЛеУЛ мкм" 2 -0,40 -0,45 -0,53 -0,65 -0,74 -0,81 0,91 0,90 0,91 0,87 0,71 0,70 э 0,95 0,93 0,92 0,88 0,85 0,83 Р -0,044 -0,033 -0,011 -Ф, 0П -0,197 -0,186 Ъ 0 1.

1Уо ГЛо*)±э р

LУсГЛоУл э.

Параметр э?9= при т = 4. расчет.

Г7+агЛ.

1УоГЛоУр произведен по формуле (2.36).

РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОЙ ПРОДОЛЬНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ИЗООПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

Расчет эффективной теплопроводности производится методом обобщенной тепловой проводимости с использованием физической модели преобразователя, показанной на рис. 5.9.

Продольная теплопроводность преобразователя в режиме отражения рассчитывается по формуле. гА’х, +А%*А%. —% ~ (1) где .

У" / JW г*, л* +т //- Аг. j лг (А:1) //// где Aj, Л2 — теплопроводность полимера и стекла соответственно.

При А" ' = 0,17 Вт м7* (кремнийорганический каучук), А£' - 1,0 Вт и /7? = 0,45, что соответствует объемному соотношению компонентов в системе типа ИКС, теплопроводность.

4W Т Т изооптической системы составляет Л =0,37 Вт м .К. При 0,5 мм- 0?/= 0,05 мм- ?s = 0,01 мм- ?3 = 0,39 мм;

Л' «0,3 Вт м'1.(полимерная пленка типа ПЭТФ), и тт.

Л = 100 Вт м .К в результате расчета по формуле (I) получаем, что продольная теплопроводность преобразователя с зеркально отражающим алюминиевым покрытием составляет.

Лпр — 2,35 Вт В отсутствии зеркального покрытия х 0) — Афт 0,35 Вт м-1.К" «1. В результате, ГРС и РСЛТ преобразователя, предназначенного для работы в режиме отражения, примерно в 2,5 раза ниже, чем у работающего «на просвет» .

Эффективная теплопроводность преобразователя, отражающее покрытие которого выполнено в виде зеркальной мозаики, может быть рассчитана по формуле (I) при замене ./" эффективной теплопроводностью Аф7 зеркального покрытия, рассчитанной по формуле у// 1/н j’t Л •Л.

ЛэеР «2аЛ» '+П-2а)Л" ' (3) при cl = 0,45 и указанных значениях параметров.

3,58 Вт вГ^ЛГ1.

В результате, при подстановке полученного значения ЛЭ (р в формулу (I) вместо А" получаем — Ап/0 ¦ 0,42 Вт м~*.К~*, т. е. практически не отличается от теплопроводности преобразователя в отсутствии зеркального покрытия.

Для уменьшения контактного термического сопротивления между преобразователем и исследуемым объектом преобразователь прижимается к объекту через тонкий слой вязкой жидкости с низкой теплопроводностью (например, глицерина).

Введение

подслоя изменяет эффективную толщину преобразователя и его эффективную теплопроводность.

Эффективная продольная теплопроводность преобразователя с учетом контактного подслоя может быть рассчитана по формуле.

4 2А Я, + А + А% ш.

Ш/ где Л — теплопроводность контактного подслоя;

— толщина контактного подслоя, усредненная по поверхности преобразователя.