- Giám sát nhiệt độ đa kênh đo đồng thời nhiều điểm thử nghiệm hoặc nhiều đối tượng thử, nhờ đó có thể so sánh nhiệt độ trong cùng một điều kiện tải.
- Một đầu dò điểm huỳnh quang đo một vị trí vật lý xác định. Nhiều điểm cần giám sát đồng thời đòi hỏi nhiều đầu dò và số kênh hoạt động tương ứng.
- Cảm biến sợi quang hữu ích khi các đối tượng thử ở những điện thế khác nhau hoặc nằm trong môi trường điện từ mạnh.
- Thu thập đồng thời phù hợp để so sánh các vị trí hơn việc đọc thủ công lần lượt tại các thời điểm khác nhau.
- Số kênh phụ thuộc vào số điểm phải thu thập cùng lúc; vị trí đầu dò, tuyến sợi quang và giao diện dữ liệu định hình phần còn lại của kiến trúc.
Vì sao bệ thử cần đo nhiệt độ đồng thời trên nhiều kênh
Bệ thử thường đo nhiều hơn một nhiệt độ vì kỹ sư cần so sánh nhiều vị trí trong cùng điều kiện vận hành. Các vị trí đó có thể thuộc một đối tượng thử, chẳng hạn mối nối, cuộn dây và bề mặt lắp đặt, hoặc nhiều đối tượng chạy song song. Khi cần so sánh nhiệt độ trong cùng một bước tải hoặc chu kỳ thử, thu thập đồng thời hữu ích hơn một loạt lần đọc thủ công.
Đo điểm lần lượt và thu thập đa kênh đồng thời trả lời các câu hỏi khác nhau. Kiểm tra nhanh tại từng điểm phù hợp cho khảo sát hoặc xác định nơi cần chú ý. Tuy nhiên, nếu đọc điểm A trước rồi đọc điểm D sau một hoặc hai phút, tải, điều kiện làm mát và trạng thái nhiệt có thể đã thay đổi. Chênh lệch giữa hai số đo khi đó trộn lẫn đặc tính của đối tượng với thời điểm thao tác của người vận hành. Ghi tất cả các điểm cùng lúc loại bỏ sự không rõ ràng này. Điều đó đặc biệt quan trọng khi lặp lại chu kỳ thử, thay đổi tải, so sánh điều kiện vận hành và đánh giá mức tăng nhiệt bất thường so với các vị trí lân cận.
Giám sát đa kênh có giới hạn rõ ràng: hệ thống báo nhiệt độ tại nơi lắp đầu dò, không tự tìm điểm nóng chưa biết. Vị trí đầu dò được xác định từ kế hoạch thử, kinh nghiệm về đặc tính nhiệt của đối tượng hoặc khảo sát sơ bộ bằng phương pháp khác. Vì vậy, chất lượng giám sát phụ thuộc vào những quyết định đưa ra trước khi kết nối kênh đầu tiên.
Lựa chọn điểm đo và công nghệ cảm biến
Khi đã cần đo đồng thời, câu hỏi tiếp theo không phải có bao nhiêu kênh mà là vị trí vật lý nào đáp ứng mục đích thử. Các vị trí thường gặp gồm bề mặt mô-đun công suất, mối nối thanh cái hoặc đầu cực, cuộn dây máy biến áp hoặc động cơ, tấm làm mát, đồ gá được gia nhiệt, bản thân mẫu thử, bộ phận cách điện hoặc điểm tiếp xúc được chọn trong hệ thống RF. Điểm đo phải theo câu hỏi thử nghiệm. So sánh độ tăng nhiệt giữa hai mẫu đòi hỏi các vị trí tương ứng trên mỗi mẫu, còn xác nhận đồ gá có thể đặt đầu dò ở nơi nhiệt đi vào và ra khỏi cụm lắp ráp.
Sau khi xác định điểm vật lý, có thể chọn công nghệ cảm biến theo điện thế tại từng điểm, môi trường điện từ, khả năng tiếp cận và phương thức tiếp xúc mà phép thử cho phép. Độ chính xác và dải nhiệt độ quan trọng nhưng hiếm khi là yếu tố duy nhất trên bệ thử. Việc dây dẫn kim loại có đi tới điểm đo hay không, điểm đó có nhìn thấy được hay không và tuyến dây cảm biến đi qua bố trí thử như thế nào thường có trọng lượng lớn hơn.
| Phương pháp | Tiếp xúc / không tiếp xúc | Kết nối điện tại điểm đo | Khả năng đo đa điểm | Các vấn đề thường gặp trên bệ thử |
|---|---|---|---|---|
| Cặp nhiệt điện | Tiếp xúc | Dây dẫn kim loại đi tới điểm đo | Nhiều kênh trên nhiều hệ thống DAQ | Nhỏ gọn, phổ biến; cần chú ý tuyến dây và cách điện khi điện thế cao hoặc trường mạnh |
| RTD / PT100 | Tiếp xúc | Dây dẫn kim loại đi tới điểm đo | Nhiều kênh trên nhiều hệ thống DAQ | Ổn định, đã được sử dụng rộng rãi; kích thước phần tử và dây nối quan trọng trong không gian chật |
| Hồng ngoại | Không tiếp xúc | Cảm biến không tiếp xúc với đối tượng | Đo điểm hoặc tạo ảnh tùy thiết bị | Cần đường nhìn trực tiếp; số đo phụ thuộc độ phát xạ bề mặt và môi trường xung quanh |
| Sợi quang huỳnh quang | Tiếp xúc | Chỉ có sợi quang; không có dây dẫn kim loại tại đầu dò | Một đầu dò cho mỗi điểm, nhiều kênh trên một thiết bị | Phù hợp với bố trí cần cách ly điện hoặc có trường mạnh; cần lập kế hoạch kích thước đầu dò và tuyến sợi quang |
Nếu cách ly điện không phải ràng buộc, cảm biến tiếp xúc thông thường có thể đã đáp ứng yêu cầu. Cặp nhiệt điện và RTD nhỏ gọn, quen thuộc, được phần cứng DAQ hỗ trợ tốt; hồng ngoại phù hợp với bề mặt lộ ra có độ phát xạ đã biết. Đo nhiệt độ sợi quang trở nên phù hợp hơn khi điểm đo ở điện thế cao hoặc điện thế thả nổi, nằm trong trường điện từ mạnh, hay dây dẫn điện làm phức tạp bố trí thử. Cảm biến nhiệt độ sợi quang huỳnh quang đo tại đầu mút vật lý của đầu dò, còn sợi quang truyền tín hiệu về thiết bị.
INNO sử dụng công nghệ đo nhiệt độ sợi quang huỳnh quang. Ánh sáng kích thích đi tới vật liệu huỳnh quang ở đầu mút; tín hiệu huỳnh quang phản hồi tạo thành dạng sóng suy giảm. Thiết bị xác định thời gian sống huỳnh quang từ dạng sóng rồi chuyển thành nhiệt độ theo quan hệ hiệu chuẩn. Vì vậy số đo dựa trên thời gian suy giảm, không phải cường độ ánh sáng. Một đầu dò đại diện cho một điểm vật lý xác định; nhiều điểm giám sát đồng thời cần nhiều đầu dò và các kênh tương ứng. Đây là đo điểm, không phải đo nhiệt độ phân bố: sợi quang không đo dọc chiều dài và hệ thống không tự xác định vị trí điểm nóng chưa biết.
Thử nghiệm cách ly điện: cao áp, điện tử công suất và RF
Bố trí thử có điện thế cao hoặc thả nổi, chuyển mạch nhanh hay trường mạnh là lý do chính để kỹ sư cân nhắc đo nhiệt độ cách ly điện. Trong những bố trí này, dây cảm biến không còn là thành phần trung tính của phép đo. Dây kim loại nối đối tượng ở một điện thế với thiết bị tham chiếu về điện thế khác trở thành một phần của bố trí điện và phải được xử lý tương ứng. Đầu dò sợi quang thay dây đó bằng đường quang và có khả năng chống nhiễu điện từ cao, dù cách lắp và tuyến dẫn vẫn quan trọng.
Bệ thử cao áp
Đối tượng thử cao áp có thể hoạt động ở điện thế khiến việc nối trực tiếp dây cảm biến dẫn điện trở nên bất tiện hoặc không mong muốn. Trong thử cách điện, thử điện môi và thử linh kiện cao áp, phương pháp cảm biến phải được xem xét cùng bố trí điện của phép thử. Đầu dò sợi quang có thể đo một điểm xác định như đầu cực, bộ phận cách điện hoặc điểm tiếp xúc đồ gá, trong khi điện tử thu thập vẫn nằm ngoài vùng mang điện.
Vị trí đầu dò vẫn theo câu hỏi về nhiệt; đường quang chỉ thay đổi nơi có thể đặt thiết bị. Đo nhiệt độ cao áp trong thực tế thường bắt đầu từ ranh giới vùng mang điện rồi lập ngược tuyến sợi quang, kể cả vách ngăn, vỏ bao và các đầu xuyên qua ranh giới đó. Khoảng cách không khí, chiều dài đường rò và giới hạn điện áp thử phải theo tiêu chuẩn áp dụng và quy trình an toàn của phòng thí nghiệm. Cảm biến sợi quang không thay thế những quy trình này.
Thử nghiệm điện tử công suất
Bệ thử điện tử công suất kết hợp chuyển mạch nhanh, trường điện từ mạnh và các bộ phận ở điện thế thả nổi khác nhau. Vị trí đầu dò điển hình là bề mặt mô-đun công suất, mối nối thanh cái, tấm làm mát, vỏ linh kiện hoặc đồ gá thử. Mỗi đầu dò báo nhiệt độ tại chính vị trí vật lý của nó. Nhiệt độ tiếp giáp bán dẫn là đại lượng khác; không được coi đầu dò bề mặt là cảm biến nhiệt độ tiếp giáp.
Đầu dò cung cấp hồ sơ nhiệt có thể so sánh qua các chu kỳ tải, chẳng hạn cách mối nối thanh cái và bề mặt mô-đun phản ứng tương đối khi tải thay đổi. Gần nút chuyển mạch, dây dẫn điện có thể thu nhiễu, vì vậy đo nhiệt độ trong trường điện từ mạnh cần được xem xét ngay ở bước chọn cảm biến. Đầu dò sợi quang giữ dây dẫn kim loại tránh xa điểm đo.
Bố trí thử RF và vi sóng
Trong bố trí RF hoặc vi sóng, dây cảm biến dẫn điện có thể trở thành một phần của vấn đề đo. Dây có thể tương tác với trường, làm thay đổi nối đất hoặc thu nhiễu; cảm biến kim loại có thể thay đổi chính điều kiện cần đo. Đường cảm biến quang tránh dây dẫn kim loại tại điểm tiếp xúc. Các ràng buộc tương tự chi phối đo nhiệt độ trong thiết bị gia nhiệt RF và vi sóng, dù bố trí trên bàn thí nghiệm thường nhỏ hơn và thay đổi thường xuyên hơn. Cảm biến thông thường vẫn dùng được nếu dây nối của chúng không ảnh hưởng phép thử.
Ví dụ: bệ thử điện tử công suất sáu điểm
Đây là ví dụ cấu hình minh họa, không phải dự án khách hàng hay yêu cầu chung. Hai mô-đun công suất DUT 1 và DUT 2 chạy cùng chu kỳ tải trên một bệ chung; ba điểm xác định trên mỗi mô-đun được ghi đồng thời.
| Đối tượng thử | Điểm đo | Kênh |
|---|---|---|
| DUT 1 | Bề mặt mô-đun | CH1 |
| DUT 1 | Mối nối thanh cái | CH2 |
| DUT 1 | Đồ gá thử | CH3 |
| DUT 2 | Bề mặt mô-đun | CH4 |
| DUT 2 | Mối nối thanh cái | CH5 |
| DUT 2 | Đồ gá thử | CH6 |
Sáu điểm nghĩa là sáu đầu dò hoạt động và sáu kênh hoạt động, nhưng số lượng mới là điểm bắt đầu. Hai mô-đun chịu cùng chu kỳ tải nên có thể so sánh số đo trên cùng cơ sở thời gian. Chênh lệch giữa các vị trí tương ứng, bề mặt mô-đun với bề mặt mô-đun hoặc thanh cái với thanh cái, dễ diễn giải hơn khi được ghi cùng lúc thay vì lần lượt. Nếu một mối nối thanh cái nóng lên khác mối tương ứng trong điều kiện giống nhau, đó là lý do kiểm tra tình trạng tiếp xúc hoặc lắp đặt. Các kênh đồ gá giúp tách hành vi mô-đun khỏi hành vi bệ thử.
Số kênh trực tiếp theo số điểm cần đo đồng thời. Nguyên tắc rộng hơn về lựa chọn số kênh giám sát nhiệt độ sợi quang, gồm dung lượng dự phòng và quan hệ một đầu dò trên một kênh, cũng áp dụng tại đây như ở nơi khác.
Lập kế hoạch vị trí đầu dò, tuyến sợi quang và ánh xạ kênh
Đồ gá thường thay đổi giữa các phép thử, vì vậy tuyến đầu dò nên cho phép thay đối tượng mà không phải dựng lại toàn bộ bố trí cảm biến. Đường kính đầu dò, thường 2–3 mm và có thể cấu hình, phải được đối chiếu với không gian tại từng vị trí. Cách gắn cần tạo tiếp xúc nhiệt tin cậy với bề mặt hoặc bộ phận cần đo. Đầu dò lắp không khít hoặc lệch nhẹ khỏi điểm dự kiến sẽ báo nhiệt độ khác với giả định của kế hoạch thử.
Tuyến sợi quang phải tránh phần chuyển động của đồ gá. Khi đồ gá mở, quay hoặc trượt, cần chừa đủ độ dư để tránh ứng suất cơ lên sợi quang. Bán kính uốn và bảo vệ dọc tuyến cần được chú ý như vị trí đầu dò. Khi tuyến vượt qua ranh giới cách ly, có thể cần đầu xuyên. Chiều dài sợi quang là thông số đi tuyến theo khoảng cách giữa đối tượng và thiết bị, không có quan hệ trực tiếp với số kênh. Cách dễ nhất để loại bỏ độ phức tạp không cần thiết là thực hiện ngay khi lập bố trí, trước lúc bó và ghi nhãn nhiều sợi.
Ánh xạ kênh hoàn thiện liên kết giữa điểm vật lý và dữ liệu ghi. Đầu dò P1 nối kênh 1, P2 nối kênh 2, P3 nối kênh 3, v.v.; nhãn đầu dò khớp nhãn kênh thu thập. Ánh xạ cần giữ ổn định và được ghi tài liệu trong các phép thử lặp lại để luôn truy ngược dữ liệu về đúng vị trí đo vật lý.
Kết nối thiết bị giám sát với hệ thống thử
Khi vị trí đầu dò và ánh xạ kênh đã cố định, thiết bị giám sát trở thành một phần của kiến trúc thu thập thử nghiệm rộng hơn. Chuỗi điển hình như sau:
- Đầu dò sợi quang tại các điểm thử xác định
- Sợi quang dẫn tới thiết bị
- Thiết bị giám sát nhiệt độ đa kênh
- Đầu ra RS485 / Modbus RTU trên thiết bị có hỗ trợ
- DAQ, PLC, SCADA hoặc hệ thống thử chủ
Bộ truyền nhiệt độ sợi quang đa kênh thu các phép đo điểm độc lập từ nhiều đầu dò và gửi dữ liệu nhiệt độ lên hệ thống cấp trên. Tại đó có thể so sánh với dòng điện, điện áp, tải hoặc trạng thái thử do hệ thống chủ ghi. Bản thân thiết bị nhiệt độ không thu các tín hiệu khác đó. Yêu cầu giao diện khác nhau giữa các hệ thống giám sát nhiệt độ sợi quang, vì vậy nên đối chiếu loại đầu ra và số kênh với hệ thống chủ ngay từ đầu thiết kế.
| Hạng mục | Giá trị điển hình |
|---|---|
| Dải nhiệt độ | −40°C đến +260°C |
| Độ chính xác | ±0.5°C đến ±1°C, tùy cấu hình |
| Độ phân giải | 0.1°C |
| Đáp ứng | <1 s với cấu hình tiêu chuẩn |
| Đường kính đầu dò | 2–3 mm, có thể cấu hình |
| Chiều dài sợi quang | Cấu hình theo ứng dụng |
| Cách điện | >100 kV với cấu hình phù hợp |
| Truyền thông | RS485 / Modbus RTU với thiết bị có hỗ trợ |
| Cấu hình kênh | Cấu hình một kênh và đa kênh |
Giá trị điển hình phụ thuộc cấu hình đầu dò và hệ thống giám sát; số kênh khác nhau giữa các thiết bị.
Mở rộng tới 32 kênh
Bệ nhỏ có thể chỉ cần bốn hoặc sáu điểm đo. Khi đồ gá phức tạp hơn, gồm nhiều đối tượng, nhiều vị trí trên mỗi đối tượng hoặc các vị trí đo lặp lại trên đồ gá lớn, số kênh đồng thời tăng và cấu hình thu thập lớn hơn trở nên hữu ích. Ví dụ, đồ gá có 32 điểm vật lý được giám sát độc lập gợi ý cấu hình 32 kênh. Đây là ví dụ cấu hình, không phải yêu cầu tiêu chuẩn.
Với thiết bị thử cần số lượng tương đối lớn phép đo điểm đồng thời, INNO cung cấp hệ thống giám sát nhiệt độ sợi quang 32 kênh cho thiết bị thử nghiệm. Cần xác nhận thông số trên trang sản phẩm theo dự án cụ thể.
Khớp hệ thống giám sát với bố trí thử
Kiến trúc đo bắt đầu từ các điểm thử thực tế. Trước khi chọn hệ thống, nên xác định đối tượng, số điểm phải thu cùng lúc, vị trí vật lý đầu dò, dải nhiệt độ, độ chính xác và đáp ứng cần thiết, tuyến sợi quang và vị trí thiết bị, yêu cầu cách ly điện và môi trường EMI, cùng giao diện DAQ hoặc PLC. Khả năng mở rộng bệ về sau cũng nên được tính ở giai đoạn này.
Công nghệ cảm biến sau đó theo điều kiện điện và môi trường của phép thử. Khi cách ly và chống nhiễu điện từ quan trọng, cảm biến điểm sợi quang đặc biệt hữu ích; bố trí lớn hơn có thể mở rộng lên đa kênh như cấu hình chuyên dụng 32 kênh cho thiết bị thử. Đội ngũ kỹ sư INNO có thể xem xét vị trí đầu dò, tuyến sợi quang và yêu cầu giao diện cho một bố trí thử cụ thể.