Z-метр DX4190 Руководство пользователя Версия 1.00 ООО РМТ Москва, 2012 Z-метр DX4190 OOО «РМТ» ГАРАНТИЙНЫЕ ОБЯЗАТЕЛЬСТВА OOO «РМТ» гарантирует, что поставляемый продукт не имеет дефектов. Гарантийный срок – 1 год. OOO «РМТ» также представляет гарантию на 3 месяца на следующие части, если они входят в комплект поставки: кабели, программные диски и документацию. В течение гарантийного периода OOO «РМТ» производит ремонт или замену продукта или указанных частей поставки. Для выполнения гарантийных обязательств потребитель может обращаться в офис OOO «РМТ» или его торгового представителя. Потребителю будет обеспечена немедленная поддержка. Отремонтированное или замененный продукт или указанная часть поставки будет сохранять срок гарантии от начала гарантийного периода, или не менее 3 месяца. ТЕХНИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА Для технической поддержки и гарантийного и после гарантийного ремонта следует обращаться в офис OOО «РМТ» или его торгового представителя: В России и СНГ OOО «РМТ» Москва 115230, Варшавское шоссе, 46. Тел: +7-499-678-2082 Факс: +7-499-678-2083 e-mail: [email protected] В Европе, США и др. странах TEC Microsystems GmbH Schwarzschildstrasse 3, Berlin 12489, Germany Phone: +49-(0)30-6789-3314 Fax: +49-(0)30-6789-3315 e-mail: [email protected] Стр. 2 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» Z-метр DX4190 СОДЕРЖАНИЕ 1. ВВЕДЕНИЕ ...................................................................... 5 1.1. Назначение ................................................................ 5 1.2. Системные требования ............................................. 6 2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ .............................. 6 2.1. Спецификация Z-метра ............................................. 6 2.2. Основные особенности ............................................. 7 2.3. Комплектация ............................................................ 7 3. ОПИСАНИЕ ..................................................................... 9 3.1. Устройство прибора .................................................. 9 4. РАБОТА С Z-МЕТРОМ .................................................. 11 4.1. Подготовка к работе ................................................ 11 4.2. Установка драйверов USB.................................... 14 4.3. Установка управляющей программы...................... 15 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЭ МОДУЛЕЙ ................ 17 5.1. Подключение модулей ............................................ 17 5.2. Работа с программой .............................................. 18 5.3. Основное окно программы ...................................... 20 5.3.1. Меню 20 5.3.2. Строка “reference” 22 5.3.3. Функциональные поля 23 5.4. Режим измерения сопротивления .......................... 26 5.5. Режим измерения R, Z, τ ......................................... 26 5.5.1. Установка температуры 26 5.5.2. Тип ТЭ модуля 27 5.5.3. Поле поправок для измерений Z 28 5.5.4. Ввод параметров для расчета теплового сопротивления корпуса 29 5.6. Определение полярности модуля .......................... 30 5.7. Изменение базы данных ......................................... 31 6. ТЕОРИТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ........................................ 33 Версия 1.00/2012 Стр. 3 из 45 Z-метр DX4190 OOО «РМТ» 6.1. Измерение константы времени .............................. 33 6.2. Результаты интерполяции ...................................... 34 7. ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ Z ........................................... 36 7.1. Z однокаскадного ТЭ модуля.................................. 36 7.2. Z двухкаскадного ТЭ модуля .................................. 39 7.3. Альтернативная поправка ...................................... 40 8. ПРОЦЕССЫ ИЗМЕРЕНИЯ ........................................... 41 8.1. Измерение сопротивления AC R ............................ 41 8.2. Измерение U и Uα телеметрии ............................... 42 8.3. Напряжения при измерении Z ................................ 43 8.4. Определение полярности модуля .......................... 44 9. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ ...... 44 Стр. 4 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» Z-метр DX4190 1. ВВЕДЕНИЕ 1.1. Назначение позволяет осуществлять измерения следующих Z-метр параметров термоэлектрических (ТЭ) модулей (одновременное измерение максимум десяти (10) идентичных ТЭ модулей). • Сопротивление AC (R) • ТЭ добротность (Z) • Максимальную разность температур (∆Tmax) • Константу времени (τ) Используя Z-метр, можно проводить измерения различных типов одно- и двухкаскадных ТЭ модулей. Можно оценивать качество ТЭ модулей с числом каскадов больше, чем два, с помощью измерения электрического сопротивления модуля. Измерения проводятся при температуре окружающей среды. Прибор позволяет пересчитывать сопротивление и максимальную разность температур к другому значению температуры. Z-метр управляется с помощью компьютера, работающего под управлением операционной системы MS Windows одной из версий: 98/2000/XP/Vista/7. Версия 1.00/2012 Стр. 5 из 45 Z-метр DX4190 OOО «РМТ» 1.2. Системные требования Z-метр работает под управлением программного обеспечения «Z-Meter». Программа «Z-Meter» дает возможность осуществлять все рабочие режимы прибора. «Z-Meter» имеет простой интерфейс и не требует от Пользователя особых знаний. Программа «Z-Meter» поставляется вместе с прибором. Для ее работы необходимо: • Свободный порт USB • 20 MB - свободного места на жестком диске (дополнительное место может потребоваться позднее, по мере роста базы данных) • Мышь или совместимое указывающее устройство 2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 2.1. Спецификация Z-метра Параметры Единицы Значения Электрическое сопротивление Диапазон Ом 0.1...100 Точность % 0.6 (но>0.01Ом) Повторяемость % 0.3 ТЭ добротность Z Диапазон 10-3/K 1...3 Точность % 1.5 Повторяемость % 0.4 Константа времени Диапазон с 1...100 Точность % 1.5 Повторяемость % 1 Электропитание Напряжение АС В 85...264 Частота Гц 47...63 Напряжение DC В 120...370 Мощность (max) Вт 15 Стр. 6 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» Ток Z-метр DX4190 А 0.35A/115VAC 0.25A/230VAC Условия эксплуатации Диапазон температур °С 15...35 Относительная влажность % 0...95 Механические параметры Блок измерительный Габаритные размеры мм 235х180х90 Масса кг 1.1 Блок испытательный Габаритные размеры мм 388х180х44(21 0) Масса кг 1.6 2.2. Основные особенности - Z-метр состоит из двух блоков, что позволяет использовать для подключения ТЭО как блок испытательный (входящий в комплект поставки), так и любые другие способы, обеспечивающие 4-х проводное подключение. - Одновременное измерение до 10 однотипных ТЭО. 2.3. Комплектация Блок измерительный 1 шт. Блок испытательный 1 шт. Версия 1.00/2012 Стр. 7 из 45 Z-метр DX4190 OOО «РМТ» Кабель соединительный 2 шт. Термодатчик 1 шт. Зажим измерительный* 10 шт. Кабель питания 1 шт. Кабель USB 1 шт. CD или USB Flash накопитель (программное обеспечение, описание) * Измерительные зажимы могут быть изготовлены на основе крокодилов (Kelvin klips) различной конструкции. Стр. 8 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» Z-метр DX4190 3. ОПИСАНИЕ 3.1. Устройство прибора Прибор состоит из двух основных частей: • блока измерительного • блока испытательного Блок измерительный, предназначен для формирования испытательных воздействий (тока), измерения напряжений, измерения температуры, сигнализации о режиме измерения, управления световой сигнализацией блока испытательного, управление нагревателем. Измерительный блок представляет собой пластиковый корпус с размещенными на торцевых панелях разъемами для подключения и выключателем питания. Блок испытательный представляет собой пассивный термостат, обеспечивающий неизменность температуры ТЭО во время измерений и оснащен зажимами для легкого подключения измеряемых охладителей. В нем находится термодатчик, а также светодиоды, индицирующие результаты Версия 1.00/2012 Стр. 9 из 45 Z-метр DX4190 OOО «РМТ» измерений. Помимо этого в испытательном блоке находится нагреватель, обеспечивающий проверку полярности ТЭО. Стр. 10 из 45 Версия 1.00/2012 Z-метр DX4190 Digital I/O Microcontroller Heater Microcontroller OOО «РМТ» Функциональная схема Z-метра Описание процессов измерения приведены в разделе 8 Процессы измерения. 4. РАБОТА С Z-МЕТРОМ 4.1. Подготовка к работе Убедиться, что выключатель на передней панели измерительного блока выключен. При помощи кабеля питания подать питающее напряжение на блок измерительный. Версия 1.00/2012 Стр. 11 из 45 Z-метр DX4190 OOО «РМТ» При помощи кабеля USB соединить блок измерительный и свободный порт USB компьютера. Если предполагается пользоваться измерительными зажимами следует присоединить их к разъемам TEC1…TEC10 блока измерительного, а также присоединить термодатчик к разъему "Sensor". Если же предполагается использовать блок испытательный соединить плоскими соединительными кабелями соответствующие разъемы блока измерительного и блока Стр. 12 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» Z-метр DX4190 испытательного. Над соответствующими разъемами нанесена одинаковая маркировка "1…5" и "6…10". Версия 1.00/2012 Стр. 13 из 45 Z-метр DX4190 OOО «РМТ» 4.2. Установка драйверов USB Для функционирования прибора необходимо установить драйвер. Самый свежий драйвер, в зависимости от версии используемой операционной системы Windows можно найти на сайте http://www.ftdichip.com http://www.ftdichip.com/Drivers/D2XX.htm . С процедурой установки под конкретную версию Windows можно ознакомиться из документов, ссылки на которые даны на странице http://www.ftdichip.com/Support/Documents/InstallGuides.htm После установки драйвера включить питание измерительного блока выключателем "Power", расположенным на передней панеле. В списке диспетчера устройств должен появиться USB Serial Converter. Windows Важно: для правильной работы программы необходимо в свойствах USB Serial Converter, на вкладке "Дополнительно" убрать галочку разрешающую виртуальный COM порт. Стр. 14 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» Z-метр DX4190 4.3. Установка управляющей программы Управляющая программа распространяется инсталляционного файла ZMeterXsetup.exe. в виде Т.к. управляющая программа предназначена для управления многопозиционными Z-метрами различных типов, в программе в качестве наименования прибора может фигурировать надпись "DX4165". Самую новую версию программы можно взять на сайте компании РМТ http://www.rmtltd.ru/downloads/ . Для установки программы следует запустить указанный файл (с правами администратора) и следовать указаниям, появляющимся в процессе инсталляции. Версия 1.00/2012 Стр. 15 из 45 Z-метр DX4190 OOО «РМТ» В процессе установки будут предложены варианты размещения, которые можно изменить в соответствии с Вашими предпочтениями. При выборе диска помните, что программа требует не менее 20 МB. (По мере роста базы данных может понадобиться дополнительное место). Стр. 16 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» Z-метр DX4190 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЭ МОДУЛЕЙ Прежде чем приступать к измерениям, необходимо, чтобы Z-метр и измеряемые ТЭ модули находились не менее 1 часа при комнатной температуре. Внимание: Если Z-метр находился длительное время при низкой температуре (ниже +10°C), перед началом работы Z-метр необходимо выдержать при комнатной температуре не менее 2 часов. 5.1. Подключение модулей Если используются измерительные зажимы - подключится к ТЭО. По возможности, исключить конвекцию воздушных Версия 1.00/2012 Стр. 17 из 45 Z-метр DX4190 OOО «РМТ» потоков в зоне измерения. Разместить термодатчик вблизи измеряемого модуля. Если используется испытательный блок – открыть крышку и разместить ТЭО в соответствующих зажимах соблюдая полярность. Закрыть крышку блока. 5.2. Работа с программой Перед запуском программы прибор должен быть включен. Стр. 18 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» Z-метр DX4190 Поле результатов Запустите программу «Z-Meter». На экране должно появится окно, представленное на рисунке 5.2.1. Поле временной динамики Поле поправок Поле управления Рисунок 5.2.1 Вид и структура основного окна программы Если устройство подключено верно и программа его обнаружила, то в строке состояния высветится ID этого прибора: Если по программе не прибор, то отобразится Found»: Версия 1.00/2012 какой-либо причине удалось обнаружить в строке статуса информация «Not Стр. 19 из 45 Z-метр DX4190 OOО «РМТ» В этом случае убедитесь в правильном подключении прибора к сети и компьютеру. Проверьте правильность установку USB драйверов. И проведите повторное сканирования устройства (File->Rescan Device): 5.3. Основное окно программы Основное окно программы представленно на рисунке 5.6.1. Его функциональная структура является общей для измерений с помощью Z-метра: • Однокаскадного ТЭ модуля; • Однокаскадного ТЭ модуля в корпусе; • Двухкаскадного модуля. Основное элементы: 5.3.1. окно включает следующие структурные Меню Основное меню содержит четыре подпункта. • «File» Rescan Device позволяет осуществить повторное обнаружения устройства, используется в том случае если программа не смогла определить устройство с первого раза. TEC Base Editor вызывает подпрограмму для редактирования базы данных ТЭ модулей (см. “Database Update”). Стр. 20 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» • Z-метр DX4190 «History» Show - показывает/скрывает окно истории (см. Рисунок 5.3.1). New - создает новую историю. Load файла. загружает Print - позволяет историю. историю из распечатать Add to history - добавляет в историю измерения вручную. Рисунок 5.3.1 Окно истории Версия 1.00/2012 Стр. 21 из 45 Z-метр DX4190 • OOО «РМТ» «Options» Resistance mode - в этом режиме происходит только измерение сопротивления охладителя. TEC base позволяет осуществить выбор базы данных фирм, производящих ТЭ модули. Cooler type позволяет выбрать тип измеряемого ТЭ модуля (однокаскадный; однокаскадный в корпусе; двухкаскадный). Auto Save History автоматически сохраняет историю. По выходе из программы история автоматически сохраняется в директории \History. Имя файла формируют дата и время измерений. Auto Add to History автоматически добавляет результаты измерения в историю. Auto Load TECs settings автоматически загружает/сохраняет параметры измерений (ток, время измерения и частоту выдачи телеметрии) для каждого ТЭ модуля. • «Help» предоставляет информацию о программе «Z-Meter». 5.3.2. Строка “reference” В этой строке два поля. Стр. 22 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» Z-метр DX4190 Поле «Cooler type ID» представляет список ТЭ модулей из базы данных. Поле «Reference T» служит для установления температуры, к которой будут приведены измеренные значения R и полученное ∆Tmax. Температура изменяется с шагом 0.1 К. Кроме этого, можно щелкнуть по правой кнопке мыши в поле «Reference T». Вы увидете следующий список: Можно выбрать одну из стандартных температур (20 или 30°C) или использовать измеряемую температуру окружающей среды Ambient T. 5.3.3. Функциональные поля В основном окне присутствует четыре функциональных поля (рис. 5.2.1): • «Поле управления» показывает следующие параметры измерений: измерительный ток, полное время измерений, шаг измерений Версия 1.00/2012 Стр. 23 из 45 Z-метр DX4190 Кнопка OOО «РМТ» «Measure» начинает измерительную процедуру. • «Поле временной динамики» выдает картину телеметрии поведения измеренной и интерполяционной зависимостей Uα(t) для двух полярностей тока. Для того, чтобы увидеть динамику Uα(t) для нужного ТЭ модуля, необходимо выбрать его в поле результатов. Выбранный ТЭ модуль помечается зеленым цветом. • «Поле поправок» содержит величины расчетных поправок (см. Раздел 7). Пользователь может получить результаты с учетом или без учета поправок. В качестве альтернативы можно использовать общий поправочный коэффициент А (см. Раздел 7.3). Стр. 24 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» Z-метр DX4190 Для определения значения этого коэффициента можно использовать одну из трех возможностей: 1) Default - использование расчетных поправок (только для ТЭ модуля, полностью описанного в базе данных); 2) Manual - использование коэффициента A, введенного пользователем вручную; 3) None - отказ от каких-либо поправок. • «Поле результатов» содержит результаты измерений ТЭ модулей по всем 10 позициям, как-то: 1) Электрическое сопротивление R ТЭ модуля; 2) Температура окружающей среды Tambient; 3) ТЭ добротность Z ТЭ модуля (для двух полярностей и усредненная); 4) Максимальная разность температур ∆Tmax ТЭ модуля (для двух полярностей и усредненная); 5) Константа времени усредненная). τ ТЭ модуля (для двух полярностей и При измерении ТЭ модулей может возникнуть ситуация, когда в поле результатов ячейка некоторого ТЭ модуля выделятся красной полосой. Это происходит в двух случаях: Версия 1.00/2012 Стр. 25 из 45 Z-метр DX4190 OOО «РМТ» 1) В измеряемом ТЭ модуле может быть разрыв цепи. Также возможен плохой контакт в зажимах проводов ТЭ модуля (см. ТЭ модуль 3 на рисунке внизу). В этом случае проверьте контакты и проведите измерения снова. 2) В мощных ТЭ модулях при большом измерительном токе может произойти перегрузка по напряжению. При этом измерительное поле будет содержать измеренное сопротивление (см. ТЭ модуль 8 на рисунке внизу). В этом случае уменьшите измерительный ток и проведите измерения снова. 5.4. Режим измерения сопротивления Для измерения только сопротивления образца (ТЭ модуля или резистора) необходимо в меню «Options» выбрать Resistance Mode. Результаты измерений выдаются в основном окне: 5.5. Режим измерения R, Z, τ 5.5.1. Установка температуры Параметры ТЭ модулей (R, ∆Tmax) можно привести к определенной температуре. (См. Раздел 7, а также пункт 5.3.3). Стр. 26 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» Z-метр DX4190 В качестве такой температуры РMT использует 30°C, другие производители могут использовать иные значения. Выберите нужную температуру из предлагаемого списка «Reference T». Если подходящего значения нет, введите его вручную. 5.5.2. Тип ТЭ модуля Выберите тип нужного ТЭ модуля из списка «Cooler type ID». Этот список содержит модули базы данных, выбранной с помощью команды «File»«TEC Base Editor». База данных РМТ принята по умолчанию. Если в строке базы данных какиелибо параметры на данный ТЭ модуль отсутствуют, появится такое сообщение: Если в списке нужный ТЭ модуль отсутствует, необходимо ввести параметры ТЭ модуля в базу. (См. Раздел “Изменение базы данных” ). Внимание: Если информации о требуемых в базе данных параметров нет, результаты измерений ТЭ модуля будут приводиться без учета расчетных поправок. В этом случае в строке “TE Cooler Type” вместо типа ТЭ модуля значится “Default”). Версия 1.00/2012 Стр. 27 из 45 Z-метр DX4190 5.5.3. OOО «РМТ» Поле поправок для измерений Z Если ТЭ модуль полностью описан в базе данных, после проведения измерений можно увидеть расчетные поправки в поле поправок. Также расчетное значение эквивалентного им коэффициента А (см. формулу 7.3.1). Поправки описаны в таблице 5.5.3.1. Можно учесть или не учесть ту или иную расчетную поправку с помощью кнопок on/off в поле «Поправок». Полученные результаты измерений учитывают выбранные поправки автоматически. Таблица 5.5.3.1. Список поправок для измерений Z Символ Описание Комментарии Учитывает неравенство температуры Для bT окружающей среды и средней однокаскадтемпературы модуля ного модуля Учитывает дополнительные Для одно-и bth теплопритоки в зазорах между двухкаскадветвями ного модуля Учитывает внешние тепловые потоки Для ba двухкаскадно го модуля Учитывает дополнительное Для одно-и br электрическое сопротивление двухкаскадподводящих проводов ного модуля Таким образом, пользователю предоставляется возможность либо учитывать поправки через расчетные величины (таблица 5.5.3.1) и выбранные пользователем, и эквивалентный им коэффициент А (режим, установленный по умолчанию), либо предложить свое собственное значение коэффициента А, либо не использовать какие-либо поправки вовсе. Стр. 28 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» Z-метр DX4190 5.5.4. Ввод параметров для расчета теплового сопротивления корпуса Для учета теплового сопротивлениях корпуса в опции «Измерение Z однокаскадного модуля в корпусе» необходимо ввести средние величины следующих параметров корпуса: 1) теплопроводность; 2) толщина; 3) площадь монтажа. Внимание: Температура ТЭ модуля несколько изменяется при прикосновении рук. Кроме того, обычно она слегка возрастает в процессе измерений. Поэтому, прежде чем повторить измерения на этом же ТЭ модуле, выдержите паузу в течение минимум трех временных констант данного ТЭ модуля. Этого времени должно быть достаточно для того, чтобы модуль пришел в тепловое равновесие с окружающей средой. Версия 1.00/2012 Стр. 29 из 45 Z-метр DX4190 OOО «РМТ» 5.6. Определение полярности модуля Для использования этой функции необходимо, установить флажок «Check Polarity» в «Option-Heater». Проверка полярности будет производиться автоматически после цикла измерения на прямой полярности. Правильность полярности определяется путем сравнивания усредненных значений напряжений, до и после включения нагревателя. Информация о полярности модуля выводится по всем 10 позициям . В случае правильной полярности - «OK», в противном случае - «NOK». Время, включения нагревателя, можно задать вручную. Для этого необходимо выбрать пункт меню «Option>Heater->Heating Period». Появится окно, в котором необходимо задать время включения нагревателя (в секундах). Стр. 30 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» Z-метр DX4190 5.7. Изменение базы данных Если параметры ТЭ модуля, который необходимо измерить, отсутствуют в базе данных, вы можете их ввести сами. Для этого необходимо знать: 1) Размеры холодной и горячей сторон ТЭ модуля; 2) Число ветвей (для двухкаскадного ТЭ модуля отношение чисел ветвей на каскадах); 3) Поперечное сечение ветви; 4) Высота ветви; 5) Материал подводящих проводов; 6) Длина подводящих проводов; 7) Поперечное сечение подводящих проводов. Выберите базу данных, которую нужно изменить (см. рисунок вверху). Затем выберите «File» - «TEC Base Editor» из Версия 1.00/2012 Стр. 31 из 45 Z-метр DX4190 OOО «РМТ» основного меню. Вы увидите окно «Add TE cooler», как показано ниже. В этом окне два логических поля: также строка управления. «Cooler» и «Leads», а При введении нового ТЭ модуля, нажмите кнопку «New» в строке управления. Введите необходимые параметры и нажмите кнопку «Add/Modify». Вы также можете изменить параметры существующего ТЭ модуля. Для этого этого выберете нужный ТЭ модуль, сделайте необходимые измерения и нажмите кнопку «Add/Modify». Для удаления существующего ТЭ модуля из базы данных, нажмите кнопку «Delete». Стр. 32 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» Z-метр DX4190 6. ТЕОРИТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 6.1. Измерение константы времени Рассмотрим однокаскадный ТЭ модуль. Обозначим температуру окружающей среды Ta. В момент времени τ=0 включается электрический ток через ТЭ модуль. Решение дифференциальных уравнений, описывающий переход ТЭ ветви модуля в стационарное состояние, можно представить как суперпозицию экспонент: (6.1.1) где ∆T(t,x)=T-Ta, T - температура на ТЭ ветви в момент времени t в точке с кординатой х, Un и mn - собственные функции и числа, An - тепловые амплитуды, ∆Tst(x) - стационарное значение ∆T. Анализ решения (6.1.1) показывает, что в процессе охлаждения ТЭ модуль проходит две стадии -нерегулярную и регулярную. Первая стадия сильно зависит от начальных условий и описывается интерференцией многих экспонент. Эта фаза затухает довольно быстро. В случае, если теплопроводность ветвей ТЭ модуля достаточно высока, динамика выхода в стационарный режим характеризуется одной экспонентой, т.е.: (6.1.2) для всех возможных индексов n. Теория дает следующее выражение для константы времени τ=1/mmin однокаскадного ТЭ модуля в регулярном режиме: (6.1.3) Версия 1.00/2012 Стр. 33 из 45 Z-метр DX4190 C1 ,C2 модуля, OOО «РМТ» - теплоемкости холодной и горячей подложек ТЭ α - коэффициент Зеебека ТЭ материала, κ - удельная теплопроводность ТЭ материала, N - число ветвей ТЭ модуля, L - высота ветви, s - площадь поперечного сечения ветви, j - плотность электрического тока. Видно, что расчет параметра τ затруднителен, т.к. значения, входящие в (6.1.3), практически никогда не известны с необходимой точностью. Прибор позволяет измерить константу времени однокаскадного ТЭ модуля и оценить контанту времени многокаскадного модуля. 6.2. Результаты интерполяции При измерении константы времени ТЭ модуля в методике реализуется следующая процедура обработки. При определении зависимости от времени разности температур ∆T(t) однокаскадного ТЭ модуля измеряется временное поведение термо-ЭДС, которая является соответствующей пропорциональной величиной: (6.2.1) время, необходимое для того, чтобы при включении тока разность температур ∆T ТЭ модуля возросла от 0 до 0.63∆Tst. Для многокаскадного ТЭ модуля это простое соотношение неприменимо. Однако с помощью этой же идеи константа времени такого модуля может быть оценена. Процедура Стр. 34 из 45 измерений Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» Z-метр DX4190 проводится для той и другой полярности тока. Результат есть среднее от полученных величин. Время сбора данных и временной шаг можно варьировать. Окно временной представлено телеметрии программы на рисунке Z-метра 6.2.1. Рисунок 6.2.1. Окно измерений временной динамики ТЭ модуля Полученные экспериментальные данные обрабатываются с помощью функции: (6.2.2) экспоненциальная регрессия основана на методе наименьших квадратов. Результатами обработки являются константа времени τ и величина термоЭДС Ustα в стационарном режиме. Версия 1.00/2012 Стр. 35 из 45 Z-метр DX4190 7. OOО «РМТ» ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ Z 7.1. Z однокаскадного ТЭ модуля Из всех четырех параметров (R, Z, ∆Tmax, τ), определяемых Z-метром, непосредственно измеряется только сопротивление AC R. Метод измерения R описан в разделе “Измерение сопротивления (AC) модуля”. Определение Z и максимальной разности температур ∆Tmax на ТЭ модуле осуществляется с помощью непрямого метода, который позволяет трудоемкие термофизические измерения. Подход основан на методе Хармана. ТЭ добротность Z - один из важнейших параметров ТЭ модуля - можно упрощенно записать как: (7.1.1) где α − коэффициент Зеебека ТЭ материала, R − электрическое сопротивление ветви, k − теплопроводность ветви. В дальнейшем, если иначе не оговорено, все величины относятся к стационарному режиму (см. главу 6.1 Измерение константы времени). Запишем балансные уравнения для однокаскадного ТЭ модуля: (7.1.2) где Стр. 36 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» I Z-метр DX4190 - ток через модуль, R - сопротивление ветви модуля, T0 - температура холодного теплоперехода модуля, T1 - температура горячего теплоперехода модуля, Ta - температура окружающей среды, N - число ветвей модуля, a0 - суммарный коэффициент теплоотдачи с холодного теплоперехода, a1 - суммарный коэффициент теплоотдачи с горячего теплоперехода. k’ - эффективное значение теплопроводности ветви модуля с учетом дополнительных тепловых потоков в зазорах между ветвями. Пусть величины теплообмена удовлетворяет условию: с окружающей средой (7.1.3) Пусть также тока такова, что: величина Рекомендованное значение (7.1.4) где Imax - см. спецификацию ТЭ модуля Тогда, с точностью до членов первого порядка малости по величинам (7.1.3) и (7.1.4), получаем следующее выражение для Z: (7.1.5) Здесь Uα = Nα(T1 - T0)- термо-ЭДС на ТЭ модуле (напряжение Версия 1.00/2012 Стр. 37 из 45 Z-метр DX4190 OOО «РМТ» Зеебека), UR = NIR- омическая составляющая напряжения на модуле. Отношение напряжений Uα и UR в формуле (7.1.5) должно быть усреднено по значениям при одном направлении тока и при противоположном (индекс av=average), так как при этом исключаются выражения, зависящие от тока линейно, и выделяются поправочные члены bth, br, bT. Величина bth - поправка на дополнительный тепловой поток в зазорах между ветвями; br - поправка на электрическое сопротивление подводящих проводов; bT - поправка, учитывающая неравенство средней температуры модуля и температуры окружающей среды. Значения a0, a1 оцениваются с учетом естественной конвекции по воздуху и лучистого потока: a0,1=(αconv+αrad)S0,1, где αconv, αrad - коэффициенты конвекционной и излучательной теплоотдачи, рассчитываются для каждого типа модуля, S0 и S1 - поверхности холодного и горячего теплопереходов ТЭ модуля. Существенно, что формула (7.1.5) остается справедливой, если неравенства (7.1.3) модифицировать следующим образом: (7.1.6) То есть, методика позволяет найти значение Z ТЭ модуля при достаточно интенсивном теплообмене с одной стороны ТЭ модуля. Поэтому Z-метр позволяет провести измерения и для полусборки ТЭ модуля, монтированного на корпус. Тогда a1 тепловое сопротивление корпуса (оценивается с помощью программного обеспечения). Измеренное Z однокаскадного ТЭ модуля позволяет оценить ∆Tmax модуля при температуре горячей стороны модуля Т1: (7.1.7) Стр. 38 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» Z-метр DX4190 7.2. Z двухкаскадного ТЭ модуля Для двухкаскадного ТЭ модуля величины Z может оцениваться с помощью метода Хармана и является показателем усредненного качества всех ветвей лишь при выполнении некоторых условий. Запишем балансные уравнения двухкаскадного ТЭ модуля: для теплопереходов (7.2.1) Здесь T0,1,2 температуры теплопереходов, Ta температура окружающей среды, N1,2 каскадов, числа ветвей a0,1,2 - суммарные коэффициенты теплоотдачи с поверхностей холодного, промежуточного и горячего теплопереходов, соответсвенно. Допустим, что отношения коэффициента теплоотдачи a0 и a2 с поверхностей S0 и S2 к числам ветвей N1, N2 для холодной и горячей сторон ТЭ модуля одинаковы: Версия 1.00/2012 Стр. 39 из 45 Z-метр DX4190 OOО «РМТ» (7.2.2) Запишем 1-ое и 3-е уравнения (7.2.1) как: (7.2.3) Если положить величины разности температур на каскадах равными: ∆T1=∆T2 , (7.2.4) получаем: (7.2.5) Внимание: В реальности (7.2.4) выполняется нестрого, и Z (7.2.5) – лишь условный показатель годности модуля Здесь bth - поправка на дополнительные тепловые потоки в зазорах между ветвями; ba - поправка на внешние тепловые потоки; br - поправка на электрическое сопротивление подводящих проводов. Значения a оцениваются с учетом естественной конвекции по воздуху и лучистого потока. Усреднение отношения напряжений в формуле (7.2.4), хотя и не требуется математически, осуществляется для уточнения результата по аналогии со случаем однокаскадного ТЭ модуля. 7.3. Альтернативная поправка Все поправки, обсужденные выше, иногда удобно свести к некоторому коэффициенту А. Тогда формулы (7.1.5) и (7.2.5) могут быть записаны: (7.3.1) Коэффициент А может быть определен феноменологическим путем сопоставления экспериментальных Стр. 40 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» Z-метр DX4190 данных ∆Tmax, полученных в прямых измерениях и измерениях при помощи Z-метра. 8. ПРОЦЕССЫ ИЗМЕРЕНИЯ 8.1. Измерение сопротивления AC R Сопротивление ТЭ модуля AC R измеряется на переменном токе малой амплитуды. Ток формируется при помощи Коммутатора, который периодически (со скважностью 2) реверсирует направление измерительного тока Im. Упрощенная диаграмма Коммутатора представлена на рисунке 8.1.1. Если входной сигнал отсутствует, выходное напряжение усилителя составляет Em/2, где Em= 4.096 В (Рисунок 8.1.2). Рисунок 8.1.1. Упрощенная диаграмма измерения сопротивления на переменном токе Рисунок 8.1.2. Выходной сигнал усилителя при измерении сопротивления на переменном токе Версия 1.00/2012 Стр. 41 из 45 Z-метр DX4190 OOО «РМТ» При измерении AC R выходной сигнал усилителя измеряется 12-разрядным АЦП каждый раз перед реверсированием тока Im. Моменты выборки на рисунке 8.1.2 помечены ti. Значение AC R, с учетом значений напряжения на модуле при положительном токе (Upi) и отрицательном токе (Uni) рассчитывается по следующей формуле: (8.1.1) где AV - коэффициент усиления усилителя; n - полное число выборок в течение одного измерения. Типичные значения параметров в формуле (8.1.1): = 2 мA Im = 5 или 50 AV n = 50 8.2. Измерение U и Uα телеметрии При измерении U и Uα ТЭ модуль питается малым током IT (скважность равна двум). Для определения значений U и Uα необходимо провести две последовательные процедуры измерений при разных полярностях тока. Стр. 42 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» Z-метр DX4190 Рисунок 8.2.1 Схематическое поведение со временем измерительного тока и напряжения 8.3. Напряжения при измерении Z Уравнения (7.1.5) и (7.2.5) содержат напряжения UR и Uα ТЭ модуля в стационарном режиме, то есть при времени t, когда можно считать процесс установившимся. Напряжение Uα в уравнениях (7.1.5), (7.2.5) равно стационарному значению Ustα, полученному при процедуре интерполяции (см. уравнение (6.2.2)). Омическая составляющая напряжения UR также измеряется в стационарном режиме, так как сопротивление ТЭ модуля R слегка изменяется по причине незначительной эволюции средней температуры модуля. При токе IT=0.01Imax возрастание сопротивления может быть до 1-1.5 %. При измерении Z значение UR есть результат усреднения по последним 10 временным точкам сеанса измерений при данном токе: Версия 1.00/2012 Стр. 43 из 45 Z-метр DX4190 OOО «РМТ» (8.3.1) 8.4. Определение полярности модуля Для определения правильной полярности ТЭ модуля используется процедура кратковременного нагрева нижнего теплоперехода модуля при завершении процедуры измерения напряжения на “прямой” полярности. Измеренное среднее значение U’α сравнивается с усредненным по последним 10 точкам измерений значением Uα: (8.4.1) При правильной полярности ТЭ модуля: (8.4.2) При перепутанной полярности ТЭ модуля: (8.4.3) 9. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ Для прибора нет никаких обслуживанию и хранению. особых требований к Однако, если по какой-либо причине есть сомнения относительно точности измерений прибора, вы можете проверить ее при помощи измерения прецизионного резистора Стр. 44 из 45 Версия 1.00/2012 OOО «РМТ» вместо ТЭ модуля сопротивления). Z-метр DX4190 (см. раздел 5.4 Режим измерения Для этой процедуры мы рекомендуем сопротивление от 5 до 20 Ом. Сначала прецизионный резистор измеряется с помощью цифрового измерительного прибора с точностью не менее 3 десятичных разряда. Если различие между измеренными величинами находится в пределах 0.5%, данный Z-метр можно считать пригодным для измерений. Версия 1.00/2012 Стр. 45 из 45