Keysight Technologies Identification rapide des caractéristiques thermiques d un prototype. Inspection thermographique des bâtiments.

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1 Keysight Technologies Identification rapide des caractéristiques thermiques d un prototype. Inspection thermographique des bâtiments. Caractérisation en température pour prototype Pour nous contacter : Tel. : Fax. : info@mbelectronique.fr

2 02 Keysight Identification et caractérisation rapide des points de mesures thermiques Dossier d application Application Brief Aperçu Traditionnellement, le processus d identification pour les emplacements des capteurs de température est basé sur la connaissance de la conception du produit et une certaine intuition. Il n est pas rare pour le concepteur de deviner ces emplacements. Mais qu en est-il s il existe une alternative plus simple, plus rapide et plus précise, sans intrusion? Nos dossiers d application ci-dessous vous font découvrir comment les solutions d acquisition de données (DAQ) 34970A/34972A de Keysight et d imagerie thermique U5885A peuvent vous fournir plus rapidement, une meilleure analyse des niveaux de température. Caractérisation de la température d un prototype Vous êtes ingénieur électronicien en R&D ayant terminé votre travail sur prototype. Tout fonctionne comme prévu, cependant, une caractérisation en température de votre conception est nécessaire afin de vous assurer que ses composants ne surchauffent pas en utilisation normale. En utilisant vos notes, vous pouvez théoriquement déterminer les emplacements où la plupart de la puissance est dissipée et identifier les zones à problèmes potentiels. Cependant une lacune dans la conception pourrait ne pas permettre de détecter là où la puissance est consommée de manière inattendue. L imageur thermique U5855A TrueIR peut identifier rapidement ces zones à problèmes. Ensuite vous pouvez caractériser votre conception en différents scénarios, avec jusqu à 60 thermocouples reliés à un système DAQ 34970A ou 34972A. Inspection sur un long terme de bâtiment L inspection d un bâtiment sur un long terme peut être une proposition difficile. Comme pour les fondations d un bâtiment, des écarts/brèches dans la structure ou l isolation peuvent se développer. De tels problèmes, indiquant un défaut structurel, peuvent causer l augmentation des coûts de chauffage ou de climatisation, ou pire. Pour aider à caractériser ces changements sur le long terme, les gouvernements et/ou les constructeurs prévoyants, surveillent la température dans leurs bâtiments. Avec l imageur thermique U5855A, les zones à problèmes peuvent être aisément identifiées lors de l inspection initiale, et une fois identifiées, le DAQ 34972A connecté au réseau informatique LAN, sera utilisé pour connecter un réseau de capteurs afin de surveiller les températures du site, à distance et sur le long terme.

3 03 Keysight Identification et caractérisation rapide des points de mesures thermiques Dossier d application Identifier rapidement les points de mesure thermique avec un imageur thermique Vous avez décidé de surveiller le comportement en température d une réalisation électronique sur une période de temps. L utilisation d un système d acquisition de données (DAQ) est tout à fait sensé, car il est simple d utilisation, précis et peut prendre des données à intervalles de temps. Néanmoins, vous pourriez vouloir de l aide pour choisir au préalable les bons endroits à surveiller. Même si vous pensez pouvoir les déterminer par vos connaissances du prototype, des surprises surviennent souvent lorsque viennent les tests en réel. Voici comment vous pouvez minimiser ces surprises. Premièrement, vous avez besoin d identifier les zones que vous voulez surveiller. Dans les conceptions traditionnelles électroniques, ceci signifie trouver les points chauds, les zones ou vous avez un débit d air faible. Dans d autres applications, comme l inspection de bâtiments les points chauds ou froids peuvent être les zones concernées. Dans ces scénarios, l outil particulièrement efficace pour identifier les zones à problème est l imageur thermique U5855A TrueIR. Avec l utilisation d un algorithme, cette caméra produit des images thermiques de 320x240 pixels soit x4 fois sa résolution native. Cette capacité de résolution fine permet au U5855A d être à un prix très inférieur aux imageurs thermiques avec capteur 320x240 pixels. L imageur thermique U5855A possède des fonctionnalités automatiques et rapides permettant d aider à caractériser rapidement l ensemble des points de température problématique. Il peut visualiser la température soit avec une image statique que vous pouvez télécharger sur votre PC, soit avec une large vision en direct sur l écran du U5855A lui-même. Avec ces possibilités, vous pouvez voir là où la température est plus chaude ou plus froide que celle supposée., or a large live-view display on the U5855A itself. With this ability, you can see where the temperature is hotter or colder than you would expect. Figure 1. Image d un circuit imprimé assemblé sous test Un imageur thermique permet de mettre en évidence les températures minimales et maximales, ou donner aussi une lecture de température d un point précis pour effectuer un relevé rapide. Il peut être utilisé pour caractériser votre objet en moins de 5 minutes ; vous permettant ainsi de déterminer rapidement où concentrer vos efforts. Pour obtenir des relevés de température précis avec l U5855A, ajuster simplement le réglage émissivité de l imageur thermique pour correspondre à votre carte de circuit imprimé (" PCB") ou au matériau que vous mesurez. L émissivité d un matériau est sa capacité relative à émettre de l énergie infra-rouge. Par exemple, l émissivité normale de la carte PCB est de 0,91. Une autre option est de vaporiser votre carte avec un revêtement d émissivité élevé, un lubrifiant contenant du nitrure de bore dont le coefficient d émissivité est de 1.

4 04 Keysight Identification et caractérisation rapide des points de mesures thermiques Dossier d application En figure 2, nous avons deux images d un même circuit imprimé chargé de ses composants. A gauche l image de la carte entière, à droite une image rapprochée d un point chaud trouvé dans la figure de gauche. Il y a 9 points intéressants à caractériser, en plus des 5 zones de la carte que nous voulons surveiller pour la stabilité de température générale. Conseil de mesure Si vous voulez caractériser un composant sous test (DUT) encapsulé pour mieux analyser la conception d un produit avec un flux d air, vous pouvez utiliser une feuille en polyéthylène pour simuler une partie de l enceinte. Le polyéthylène n isole pas et permet à l énergie IR de passer au travers. Figure 2. Deux images d une carte électronique, à droite image rapprochée d une portion de l image de gauche. L U5855A peut se focaliser sur des objets situés à 10 cm de l objectif. Il possède aussi une fonction zoom optique qui permet de se rapprocher jusqu à x4 fois. Ces fonctionnalités et d autres encore, permettent une comparaison aisée entre les images obtenues, pour toutes les sous-ensembles ou composants. L U5855A est une solution optimale pour la caractérisation électronique. La plupart des autres caméras thermiques avec une distance focale plus longue doivent être placées plus loin, conduisant à une image thermique moins fine. Ces images ne vous permettent pas d analyser et de détecter les détails. De nombreuses conceptions électroniques sont logées dans un châssis ou une enceinte. Une caractérisation en température à l intérieur de ce châssis est par conséquent préférable. Ceci vous permet de déterminer si le flux d air est adéquat. Une méthode pour déterminer rapidement les points chauds est de créer un châssis avec une découpe ou une fenêtre dans le circuit intéressé. Ensuite vous pouvez couvrir cette fenêtre avec une feuille de plastique polyéthylène (utilisé généralement comme sac à déchets). Cette méthode permet de simuler le flux d air d un châssis fermé, mais visualise quand même les températures de la conception. Conseil de mesure L imageur thermique U5885A a une des meilleures spécifications de sensibilité thermique de sa classe, laquelle vous permet de voir des différences de températures de composants jusqu à 0,07 C! Effectuer une acquisition de données de mesures de température Une fois les points de température à tester déterminés, un système DAQ 34972A est utilisé pour caractériser davantage le profil comportemental en température de votre conception.. Par l utilisation de capteurs de température à faible inertie, vous pouvez mesurer exactement de faibles variations à 0,06 C (exactitude de transfert) et caractériser entièrement la température soit dans la maquette du châssis, ou en environnement réel. Une des premières étapes pour caractériser la température, est de choisir le bon capteur de température. Les sondes de température communes incluent des thermocouples, des capteurs platine résistifs (Pt100), des thermistances et des capteurs IC.. Chacun a des avantages particuliers suivant les différentes applications. Les thermocouples, par exemple, sont bien adaptés pour le profilage en température de plusieurs points en raison de leurs facteurs de forme, leur simplicité et leur faible coût. Ils peuvent également être utilisés dans une large gamme de température et sont optimisés pour des conditions diverses. Les thermocouples sont solides, souvent soudés à une pièce en métal pour une meilleure inertie/stabilité et sont les capteurs les plus polyvalents en température.

5 05 Keysight Identification et caractérisation rapide des points de mesures thermiques Dossier d application Le 34970A/34972A effectue la majeure partie du travail ; de la compensation de point de jonction au logiciel de conversion tension/température. L utilisation d un thermocouple est aussi aisé que de connecter deux fils ensemble. Le système DAQ 34970A/34972A fournit des modules ayant un point de soudure froide intégrée afin de rendre plus facile et plus précise la réalisation des mesures par thermocouple. Les sondes Pt100 sont bien adaptées à une utilisation en chambre climatique en raison de leur excellente linéarité, de leur stabilité à long terme et leur répétabilité. La mesure de résistance à 4 fils, compensant la résistance des fils, est bien adaptée pour mesurer avec précision les Pt100. Elle est intégrée en standard dans les systèmes DAQ 34970A/34972A. Les Pt100 sont les capteurs de température les plus précis et les plus stables : cependant, ils sont aussi plus lents et plus onéreux. Ils sont un bon choix pour les applications nécessitant grande précision et stabilité/exactitude, là où le temps de réponse et le prix sont des préoccupations secondaires. Les thermistances ont, comme les Pt100, une valeur de résistance qui change en fonction de la température. Comme principal argument de vente, elles offrent une meilleure sensibilité et permettent une plus grande variation en fonction de la température que les autres capteurs précédemment mentionnés. Ce comportement permet à de petites variations de température d être mesurées par de grandes variations de résistance. Parmi ces capteurs, seul le capteur IC (électronique) a besoin d une alimentation électrique et intègre un prétraitement du signal afin de générer un signal électrique facilement mesurable. Un autre avantage est que ce capteur fournit une sortie linéaire proportionnelle à la température absolue. Thermocouple RTD Thermistance Capteur IC V ou I Avantages Auto-alimenté Simple Robuste Peu couteux Nombreuses variétés de formes physiques Large gamme de température Le plus stable Le plus précis Plus linéaire qu un thermocouple Sortie élevée Rapide Mesure de la résistance avec deux fils Le plus linéaire La sortie la plus élevée Pas cher Désavantages Non linéaire Fourni une tension faible Une référence est requise Le moins stable Bon marché Onéreux Lent Une source de courant est requise Variation de résistance faible Nécessite 4fils pour une mesure Non linéaire Gamme de température limitée Fragile Nécessite une source de courant Autoéchauffement Figure 3. Avantages et désavantages des capteurs de température.

6 06 Keysight Identification et caractérisation rapide des points de mesures thermiques Dossier d application Les routines de conversion intégrées dans le micro-logiciel des modèles 34970A et 34972A acceptent les thermocouples de type B, E, J, K, N, R, S, T, les thermistances de 2,2, 5 et 10kΩ ainsi qu une large gamme de RTD. Les résultats sont affichés directement en degrés C, F ou K. Une fois que vous avez décidé du type de capteurs à utiliser pour surveiller la température, vous devez les monter sur la carte ou sur la structure. Par exemple, si des thermocouples sont utilisés, ils doivent être en contact direct avec la surface à mesurer. La masse fixant un thermocouple sur la surface doit être minimale afin de ne pas alourdir l inertie et ainsi de fausser les mesures. Conseil de mesure Vous n avez pas envie de programmer! Alors, essayez BenchLink Data Logger Pro qui automatise un grand nombre de mesures de DAQ et affiche vos données sous une réprésentation graphique. Un système de surveillance avec enregistrement de données sur plus long terme, jusqu à un an ou plus, peut être désiré. Dans ce cas, vous devez vous assurer que les thermocouples sont maintenus par un moyen robuste et solide, en les soudant ou les vissant sur une pièce de métal. Sur l électronique, vous devez les monter avec des raccordements adaptés, sasn endommager la carte et les composants. Vous pouvez souder les thermocouples avec de la soudure à haute température, maintenir un thermocouple avec une bande de Kapton, ou utiliser un adhésif pour le coller. Une fois que votre système est câblé et monté, vous le surveillerez dans diverses conditions environnementales, en réel ou en chambre climatique (Espec de chez MB Electronique). Avec l utilisation du DAQ 34970A/34972A, vous pouvez surveiller facilement et avec exactitude votre système sur une longue durée avec le logiciel d automatisation. Figure 4. Module DAQ pour 34970A/34972A avec une flèche pointant la température de référence

7 07 Keysight Identification et caractérisation rapide des points de mesures thermiques Dossier d application La figure 5 montre un graphique et des points de données d une "PCB" capturés en utilisant le logiciel BenchLink Data Logger Pro. Cette analyse comprend 14 points de mesure utilisant des thermocouples type K. Ces points ont été préalablement identifiés par la caméra thermique de caractérisation. En plus des points de mesures de température, vous pouvez surveiller d autres signaux tels que tension, courant ou autres mesures communes aux multimètres. L enregistreur de données Pro s Quick Graph normalise tous les points, de sorte que vous pouvez voir les détails d une lecture à l autre. Ceci vous donne une représentation graphique rapide de la manière dont les mesures ont évolué dans le temps. Les acquisitions du DAQ 34970A ou 34972A se fait sur 14 points (identifiés précédemment avec l imageur thermique U5855ATrueIR). Après le préchauffage de l unité sous test, la numérisation peut être utilisée pour recueillir des données à intervalles précis au cours des minutes, des heures ou même des jours. Les données peuvent être traitées par la suite, pour une meilleure compréhension. Résumé Figure 5. Les résultats à partir des 14 points de caractérisation. En utilisant l imageur thermique U5855A, vous allez identifier rapidement les points thermiques que vous voulez surveiller. Avec le système DAQ 34970A/34972A et ses capteurs de température, vous ferez des mesures à court ou long terme fiables, précises afin de caractériser entièrement votre conception. Grâce à ces solutions, l identification des emplacements idéaux des capteurs de température et les mesures de température seront très efficaces.

8 08 Keysight Identification et caractérisation rapide des points de mesures thermiques Dossier d application Conseils pour la capture d images de qualité Normalement, une formation et une expérience en thermographie IR est requise pour garantir que les points chauds pris sur la caméra IR sont valides. Il est aussi essentiel pour l utilisateur du thermographe de capturer des images IR correctes et précises. Quelques recommandations simples sont listées ci-dessous afin d aider l utilisateur à prendre des images IR de bonnes qualité sur des systèmes électriques. Obtenir une bonne focalisation de la zone ciblée pour de bonnes mesures de température. Effectuer un rapide balayage du système/carte/panneau électrique. Régler la gamme de température et l échelle de température en mode Auto et passer le U5855A autour de la zone ciblée pour rechercher les points chauds. Une fois qu un point chaud suspecté est trouvé, focaliser manuel-lement sur la zone. L échelle de température peut être ajustée en passant l échelle en mode manuel permettant au U8555A de saisir une image thermique plus stable. Valider le point chaud par d éventuelles vérifications de toutes les sources de chaleur réfléchies possibles ou les effets de charges solaires si l inspection est effectuée dans un espace ouvert ou sous la lumière du soleil. Se déplacer d un côté à l autre afin d éliminer les sources de chaleur possibles extérieures ou réfléchies. Contrôler l état de la surface de la zone du point chaud et appliquer le coefficient d émissivité approprié (facteur Є). Noter : si la surface de l objet est polie ou de nature brillante, l énergie IR et le facteur Є seront faibles. Ces surfaces peuvent aussi refléter l énergie IR d autres sources. Dans de tel cas, un faible Є sur une énergie IR réfléchie produit une mesure de température imprécise par les imageurs IR. Capturer et sauvegarder l image IR pour l établissement de rapports. Une identification et des informations complémentaires sur les zones de points chauds peuvent être effectuées en libellant les photos ou simplement en écrivant des notes dans un PC. Solution pour inspection de thermographie L inspection par thermographie IR a acquit sa popularité comme une pratique de maintenance prédictive pour les installations et les usines de fabrication. Pour effectuer cette tâche, l imageur IR U5855A TrueIR de Keysight Technologies est un outil idéal. Il est équipé de la fonction résolution fine (FR), donnant réellement une image IR 240 x 320. Le U5855A est doté d un zoom numérique X4 permettant une focalisation sur de petits objets. Cette fonction est également utile lors d inspection par thermographie de zone difficile d accès puisque les points chauds ou l objet ciblé peuvent être agrandis sur l écran LCD du U5885A. Cette caméra est équipée de diverses fonctions de mesure tel que Point "spot", Cadre "box", température minimale, maximale et l écart de température. Le logiciel gratuit "Keysight TrueIR Analysis and Reporting Tool" apporte un confort d utilisation pour la génération de rapports et de résultats d inspection par thermographie. Keysight TrueIR Analysis and Reporting Tool Figure 3. Outil d analyse IR et de présentation de rapports Keysight TrueIR Effectuer une analyse post-thermographie IR, comme l ajout d autres mesures de points de température à l aide d un logiciel PC, tel que «Keysight TrueIR Analysis and Reporting Tool livré avec l instrument, en figure 3. Ce logiciel peut aussi être utilisé pour générer des rapports de thermographie et des résultats. Pour nous contacter : Tel. : Fax. : info@mbelectronique.fr