Pentru a evita apariţia unor defecte de acest gen, proiectanţii de aparate electronice trebuie să poată verifica
distribuţia de temperaturi pe suprafaţa cablajului imprimat. În acest scop a fost realizat un sistem de măsură ce foloseşte pachetele software LabVIEW şi IMAQ Vision de la National Instruments
Pentru electronişti (şi nu numai!) este important să cunoască, atât în faza de proiectare, cât şi la depanare sau exploatare, distribuţia de temperaturi pe suprafaţa montajelor sau aparatelor. Dar asta este dificil de realizat: multimetru numeric are toată lumea, osciloscoapele sau sondele logice ieftine sunt destul de răspândite, dar echipamentele de termografie sunt deosebit de costisitoare, deci foarte rar întâlnite. Măsurarea punctuală a temperaturii, care se face în mod curent cu un instrument portabil sau cu termistorul amplasat sub microprocesorul de pe placa de bază, nu este suficientă.
Ar fi deci deosebit de utilă realizarea unui sistem flexibil, cu un cost accesibil, de ridicare a hărţilor termice, care să permită măsurarea şi interpretarea precisă a distribuţiei de temperaturi absolute, pentru o gamă largă de aplicaţii. Pentru reducerea preţului, harta termică nu se realizează cu o cameră de luat vederi în infraroşu, care oferă rezultate foarte bune dar este deosebit de costisitoare, ci prin termografie TLC – folosind cristale lichide termocrome.
Acest echipament este TEMPview™, primul sistem complet de măsurare a temperaturii bazat pe cristale lichide termocrome disponibil comercial. El a fost realizat folosind software LabVIEW şi IMAQ Vision. Pentru a implementa un modul de calibrare a imaginii, s-a utilizat setul de unelte Picture Control Toolkit din LabVIEW, împreună cu biblioteca de funcţii IMAQ Vision, iar pentru a construi şi distribui aplicaţia software într-o formă executabilă, cu funcţionalitate completă, s-a folosit Application Builder.
În ultimii 30 de ani, dezvoltarea sistemelor de termografie bazate pe cristale lichide termocrome (TLC) a oferit inginerilor preocupaţi de procesele termice o tehnică relativ ieftină pentru măsurarea distribuţiilor de temperatură de pe suprafeţe şi din fluide. Numeroşi ingineri, cercetători şi profesori din domeniul transferului termic au folosit cu succes răspunsul culoare-temperatură al acoperirilor TLC pentru a investiga diferite fenomene termice, atât în industriile electronică, calculatoare, de autovehicule sau aerospaţială, cât şi în numeroase medii de laborator sau de învăţământ universitar. Totuşi, majoritatea acestor sisteme erau realizate improvizat, pentru aplicaţii foarte specializate, şi ca atare nu erau proiectate şi intenţionate pentru utilizarea comercială.
Astfel, în industria răcirii componentelor electronice, măsurarea distribuţiei de temperatură a unui dispozitiv electronic de putere aflat în funcţiune, inclusiv temperatura joncţiunii şi a capsulei, este necesară pentru a caracteriza complet performanţele electrice şi termice ale dispozitivului, aşa cum se arată în figura 1.
Ca o parte a procesului de caracterizare, proiectanţii termici trebuie să fie în stare să prezică şi să verifice distribuţia de temperatură a unei componente în diferite condiţii de lucru, şi să identifice rapid eventualele puncte fierbinţi ‘hot-spots’ care pot duce la degradarea performanţelor termice şi / sau electrice. Termografia cu cristale lichide poate fi folosită de proiectanţii de componente şi de inginerii termici pentru a-i ajuta în efectuarea măsurătorilor precise şi de mare rezoluţie de care au nevoie. Sistemul trebuie să le permită să realizeze aceste măsurători rapid şi uşor, la un preţ substanţial mai scăzut decât alte metode curent disponibile (de exemplu, termografia în infraroşu).
Firma Image Therm Engineering din Waltham, Massachussets, a îmbinat tehnologia fiabilă TLC pe care au pus-o la punct la departamentul de inginerie mecanică al Universităţii Stanford cu software-ul Lab VIEW şi IMAQ Vision, pentru a realiza TEMPview. Acesta este o unealtă puternică şi flexibilă de măsurare a distribuţiilor de temperatură, pentru o gamă largă de aplicaţii comerciale şi de laborator.
Pentru realizarea sistemului TEMPview s-au folosit mediile de dezvoltare LabVIEW şi IMAQ Vision deoarece ele asigurau combinaţia ideală de procesare de înaltă performanţă a imaginilor, comunicaţii pe interfaţa serială RS-232 şi proiectare/ implementare a interfeţei grafice cu utilizatorul (GUI) într-un mediu de dezvoltare integrat, independent de platforma de calcul.
Modularitatea software naturală pe care abordarea programării tip flux de date din LabVIEW o promovează şi instrumentele puternice de procesare a imaginilor asigurate au permis punerea la punct rapidă a unui set de instrumente de termografie, analiză şi interpretare a imaginilor ce sunt folosite în TEMPview şi sunt special realizate pentru acesta, pentru a construi sisteme de ridicare a hărţilor termice bazate pe TLC care să fie adaptate cerinţelor beneficiarilor, să îndeplinească exact cerinţele clienţilor. TEMPview a fost proiectat ca un sistem complet “la cheie”, care să lucreze pe calculatoarele curente ce rulează sistemul de operare (PC-uri echipate cu procesoare 486 şi Pentium), cu o versiune pentru sistemul de operare Mac al firmei Apple disponibilă la cerere.
Sistemul include o placă inserabilă pentru achiziţia imaginilor color, o cameră video CCD color cu obiectivele adecvate, un aparat de calibrare a cristalelor lichide, materialul TLC (care se prezintă sub forma unui lichid vâscos), o sursă de lumină albă, manualele de utilizare şi software-ul de aplicaţii cu fişiere de ajutor on-line. Interfaţa software proiectată în LabVIEW şi IMAQ Vision permite utilizatorilor să simplifice configurarea aparatului, achiziţia, procesarea şi analiza imaginilor color ale suprafeţelor de observat, acoperite cu cristale lichide, deci realizarea termografiilor.
Folosirea răspunsului culoare-temperatură al TLC ca dispozitiv de măsurare a temperaturii
Inima sistemului o constituie cristalele lichide termocrome. La temperaturi mai scăzute decât “temperatura de eveniment”, un TLC va fi în stare solidă şi va fi complet transparent optic.
Când TLC-ul este la temperatura de eveniment, iluminat cu lumină albă şi privit în condiţii optice fixe (sub un unghi constant), materialul va reflecta o singură lungime de undă din lumina vizibilă, deci o anumită culoare. Pe măsură ce temperatura creşte prin banda de lucru a TLC-ului, culoarea reflectată de TLC se va modifica. În cele din urmă, când temperatura depăşeşte punctul de clarificare al TLC, materialul va intra în starea de lichid obişnuit, şi re-devine complet transparent optic. Fenomenul se numeşte reflexie selectivă şi survine la majoritatea TLC-urilor, atât la încălzire cât şi la răcire, cu un hysterezis minim.
La majoritatea materialelor TLC, distribuţia culorii reflectate va varia continuu de la lungimile de undă cele mai mari (roşu închis), corespunzătoare temperaturii de eveniment, până la lungimea de undă minimă (violet), înaintea temperaturii punctului de clarificare. În plus, un material TLC va transmite o mare parte din lumina incidentă fără nici-o modificare, de aceea cristalele termocrome sunt folosite prin reflexie, pe un fundal complet negru, care absoarbe lumina.
Răspunsul culoare-temperatură poate fi captat de o cameră video obişnuită, formulat printr-o curbă de calibrare culoare = funcţie de temperatură, şi folosit pentru a transforma un sistem de măsurare a culorilor într-un foarte eficace sistem de termografie bazat pe TLC.
Deşi culoarea este o entitate subiectivă, numeroase sisteme moderne de vedere robotică au implementat sistemul natural de descompunere în culori primare (RGB) pentru a emula vederea umană. Cu toate că pare simplă şi directă, o asemenea implementare nu este foarte eficientă pentru termografia bazată pe TLC, deoarece necesită trei valori pentru a interpreta temperatura fiecărui punct de pe o hartă termică TLC. În plus, numai vectorii descriptori RGB sunt greu de folosit în aplicaţii care au condiţii optice departe de ideal, cum este cazul în mediul industrial.
De aceea, TEMPview foloseşte un descriptor de culoare foarte eficient, bazat pe un scalar (o singură valoare), ce reprezintă o descompunere a RGB şi a fost pus la punct anume pentru termografia termocromă. Implementarea este foarte eficace pentru calcule şi stocare, deoarece volumul de date se reduce de trei ori şi prezintă caracteristica suplimentară de a fi o funcţie de o singură variabilă, monoton crescătoare cu temperatura. Astfel se îmbunătăţeşte radical procesarea imaginilor şi deci performanţele de interpretare a temperaturii ale sistemului.
Măsurarea cu TEMPview
Înainte de a folosi TEMPview pentru a realiza măsurători de temperatură, trebuiesc parcurse următoarele etape:
1. Selectarea corespunzătoare a materialului TLC, în funcţie de domeniul de temperaturi de interes. Un anumit amestec de cristale lichide are o gamă de temperaturi de lucru destul de îngustă, deci trebuie să ştim dacă vom măsura de la 20 la 35OC, de la 150 la 200OC, sau dacă ne interesează determinări foarte fine la temperatura corpului uman (35-39OC).
2. Aplicarea stratului de material TLC pe obiectul de examinat.
3. Calibrarea culoare-temperatură a TLC.
4. Aplicarea pe obiectul de interes a distribuţiei termice (deci porniţi alimentarea cu energie, daţi drumul la încălzire, deschideţi robinetul de admisie, etc.)
5. Aprinderea luminii albe şi focalizarea camerei video asupra obiectului de examinat.
TEMPview încorporează caracteristici ce permit calibrarea culoare-temperatură, complet automată sau manuală, a practic oricărei formule de TLC disponibile.
Folosirea lui LabVIEW a simplificat punerea la punct a modulului de calibrare, care construieşte datele de calibrare a culorii înregistrând răspunsul de culoare al TLC în timp ce este supus la temperaturi crescătoare, pe o plită electronică, controlată de un regulator PID.
Caracteristici de culegere şi stocare a imaginilor
TEMPview include sprijin pentru achiziţia, medierea şi stocarea în timp real a imaginilor, în fişiere cu format TIFF, ceea ce ajută pe utilizatori să-şi configureze sistemul şi să efectueze termografiile. Este inclusă şi specificarea regiunii de interes, folosind uneltele ROI din IMAQ Vision împreună cu reglajele captării imaginilor, precum scalarea şi calibrarea. Sistemul permite recuperarea imaginilor salvate pe harddisk, pentru post-procesarea imaginilor arhivate.
Instrumente de procesare
Uneltele permit utilizatorilor să extragă un plan de imagine cu o anumită culoare sau temperatură, cu control ROI, să creeze şi să aplice diferite măşti (ce ajută la determinarea regiunilor valide ale imaginii), să introducă praguri variabile şi să aplice filtre spaţiale pe imaginile încărcate, toate acestea în mod interactiv.
Folosind datele de calibrare culoare-temperatură, se poate face conversia automată în unităţile de temperatură specificate de utilizator: grade Celsius, Fahrenheit sau Kelvin.
Instrumente de analiză termografică
TEMPview permite utilizatorilor să testeze dinamic datele, să monitorizeze temperatura în orice punct al imaginii şi să obţină profilele corespunzătoare de date X-Y, aşa cum se arată în figura 2.
S-au folosit Picture Control Toolkit din LabVIEW şi IMAQ Vision pentru a proiecta şi implementa module care să permită utilizatorilor să calibreze în mod interactiv sistemul de coordonate fizic cu cel de pe ecran, pentru oricare din imaginile supuse analizei. Această funcţie oferă utilizatorilor TEMPview un mecanism foarte simplu şi direct pentru a face măsurători spaţiale asupra fenomenelor termice prezente pe hărţile termice.
Sistemul TEMPview s-a bucurat de un mare interes în domenii precum răcirea componentelor şi subansamblelor electronice, depanarea cablajelor, industria termotehnică, turbine cu gaz şi laboratoare de cercetare, deoarece oferă performanţe excelente (precizia temperaturii de 0.5OC , rezoluţie spaţială de un micron) la un preţ substanţial mai scăzut decât tehnologiile competitive (de exemplu, cu infraroşu).
Combinaţia de instrumente software Lab VIEW şi IMAQ Vision a simplificat eforturile de proiectare şi a redus timpul de dezvoltare, contribuind la costul scăzut al echipamentului. De asemenea, ele au permis să se adauge funcţii care ar fi fost greu de implementat în alte medii de dezvoltare, iar portabilitatea inerentă a codului Lab VIEW face programele de aplicaţii uşor de întreţinut şi configurat, atât pentru calculatoarele PC cât şi pentru alte platforme, precum Macintosh.
Bibliografie
1. Farina, D. J. & R. J. Moffat, “A System for Making Temperature Measurements Using Thermochromic Liquid Crystals.” Report Number HMT-48, Stanford University, Department of Mechanical Engineering, Thermosciences Division, Stanford, CA, September, 1994.
2. Farina, D.J. (1995) “Making Surface Temperature Measurements Using Liquid Crystal Thermography” Electronics Cooling, 1(2), pp. 10-15.
3. Azar, K. & D. J. Farina, “Measuring Chip Temperatures with Thermochromic Liquid
Crystals” Electronics Cooling, 3(1), pp. 16-20.
Ing. Cristian Malide