UPRAVLJANJE VAKUUMSKE KOMORE S SAMODEJNIM …2.1 Zgradba vakuumske komore Vakuumska komora (Slika 2.1) je prostor, iz katerega izčrpamo zrak in ostale pline s pomočjo vakuumskih

Fakulteta za elektrotehniko,

računalništvo in informatiko

Smetanova ulica 17

2000 Maribor, Slovenija

Tomo Jauk

UPRAVLJANJE VAKUUMSKE KOMORE S

SAMODEJNIM ZAJEMOM MERILNIH

PODATKOV

Diplomsko delo

Maribor, maj 2014

i

Fakulteta za elektrotehniko,

računalništvo in informatiko

Smetanova ulica 17

2000 Maribor, Slovenija



PODATKOV

Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa

Študent: Tomo Jauk

Študijski program: Univerzitetni študijski program

Telekomunikacije

Mentor: doc. dr. Iztok Kramberger

Somentor: asist. dr. Marko Kos

ii

iii

ZAHVALA

Zahvalil bi se rad predvsem mentorju doc. dr.

Iztoku Krambergerju, ki mi je nudil prostor,

opremo in strokovno pomoč pri nastalih

problemih ob delu diplomske naloge v

laboratoriju. V neizmerno pomoč so mi bili tudi

somentor dr. Marko Kos, Dejan Gačnik, ter ostali

iz Laboratorija za digitalne sisteme. Tudi njim

gre prav posebna zahvala.

iv



PODATKOV

Ključne besede: vakuum, temperatura, komora, regulacija, preizkušanje, zajem podatkov

UDK: 621.391(043.2)

Povzetek

Diplomska naloga opisuje razvoj aplikacije za upravljanje vakuumske komore s

samodejnim zajemom merilnih podatkov. Aplikacija obsega temperaturno in vakuumsko

regulacijo preko vmesnika na komori ter zajem merilnih podatkov preko zunanje enote.

Opisane so metode krmiljenja vakuumske komore in metode zajema podatkov. Prav tako so

opisane komponente na sami komori, kot tudi funkcionalnost naprave za zajemanje

podatkov.

Celoten sistem je zgrajen za termično preizkušanje elektronskih komponent v vakuumskem

okolju, s katerim lahko določamo pravilnost delovanja v različnih temperaturnih območjih.

Na takšen način je možno preizkušati primernost oziroma skladnost elektronskih

komponent glede na pričakovanja njihovega delovanja pod specifičnimi temperaturnimi in

vakuumskimi pogoji. Delovanje celotnega sistema in merilne aplikacije je predstavljeno na

primeru temperaturno spremenljivega upora oziroma termistorja.

v

VACUUM CHAMBER MANAGEMENT WITH

AUTOMATIC MEASUREMENT DATA

AQUISITION

Key words: vacuum, temperature, chamber, regulation, testing, data acquisition

UDK: 621.391(043.2)

Abstract

This diploma thesis presents the development of application for management of a vacuum

chamber with automatic acquisition of measurement data. Application includes

temperature and vacuum regulation through the interface to the chamber and data

acquisition through the external unit.

Described are methods of vacuum chamber regulation, methods of data acquisition,

vacuum chamber components and functionality of the device for data acquisition.

The entire system is built for thermal testing of electronic components within the vacuum

conditions, which enables us the testing of correct operation at different temperature

ranges. In such a way we are able to confirm the compliance of electronic components

according to expected operation under specific temperature and vacuum conditions.

Operation of the whole system and measurement application is presented with an example

of temperature variable resistor named thermistor.

vi

Kazalo

1 Uvod .............................................................................................................................. 1

2 Termično in tlačno preizkušanje elektronskih naprav ................................................... 2

2.1 Zgradba vakuumske komore ................................................................................... 2

2.1.1 Temperaturni senzor ........................................................................................ 3

2.1.2 IR merilnik temperature................................................................................... 4

2.2 Tipi vakuumski črpalk ............................................................................................ 6

2.3 Tlačno preizkušanje ................................................................................................ 7

2.3.1 Teorija vakuumske tehnologije ....................................................................... 7

2.3.2 Površinski vplivi in razplinjenje ...................................................................... 7

2.4 Termično preizkušanje ............................................................................................ 8

2.4.1 Temperaturne meje elektronskih naprav ............................................................. 8

2.4.2 Spremembe karakteristik elektronskih komponent ............................................. 9

2.4.3 Obnašanje pasivnih komponent pri preizkuševalnih temperaturah..................... 9

2.4.4 Parametri za določanje temperaturnih mej polprevodniških komponent .......... 10

2.4.5 Temperaturne meje osnovnih polprevodniških materialov ............................... 10

2.4.6 Temperaturni vpliv na materiale in dizajn kontaktov na čipu ter povezave med

komponentami ................................................................................................................. 11

2.5 Termistorji ............................................................................................................ 12

2.5.1 NTC ................................................................................................................... 13

2.5.2 PTC.................................................................................................................... 13

2.6 Standardi ............................................................................................................... 14

2.6.1 Standardi ECSS ................................................................................................. 14

2.6.2 Standardi NASA ................................................................................................ 17

vii

3 Aplikacija za upravljanje komore z zajemom podatkov ............................................. 20

3.1 Regulacija ............................................................................................................. 20

3.2 Temperaturna regulacija ....................................................................................... 20

3.3 Vzdrževanje temperature ...................................................................................... 21

3.4 Vakuumska regulacija ........................................................................................... 21

3.5 Programsko varovanje vakuumske komore .......................................................... 22

3.6 Zajem podatkov z napravo NI-DAQ .................................................................... 22

3.6.1 Lastnosti naprave NI-DAQ 6343 in shema ....................................................... 23

3.6.2 Analogni vhodi .................................................................................................. 25

3.6.3 Območje delovanja analognega vhoda .............................................................. 26

3.6.4 Nastavitve analognega vhoda ............................................................................ 26

3.6.5 Časovne nastavitve analognih vhodov .............................................................. 26

3.6.6 Analogni izhodi ................................................................................................. 27

3.6.7 Digitalni vhodi in izhodi ................................................................................... 28

3.7 Nastavitve programirljivih nalog za NI-DAQ ...................................................... 29

3.8 Uporabniške nastavitve parametrov ...................................................................... 29

3.8.1 Nastavitve parametrov za vakuumsko komoro ................................................. 29

3.8.2 Nastavitve parametrov za napravo za zajemanje .............................................. 31

3.9 Avtomatizirano izvajanje nalog ............................................................................ 33

3.10 Beleženje merjenih podatkov ............................................................................ 37

3.11 Struktura paketov za serijsko komunikacijo ..................................................... 37

3.12 Temperaturni senzor površine ........................................................................... 41

3.13 Programsko okolje Visual Studio ...................................................................... 42

3.14 Programski jezik C# .......................................................................................... 42

3.15 Future Technology Devices International – FTDI ............................................ 42

viii

4 Meritve in rezultati ...................................................................................................... 43

4.1 Preizkusna komponenta ........................................................................................ 43

4.2 Vezava preizkusne komponente ........................................................................... 46

4.3 Meritve preizkusne komponente ........................................................................... 48

4.3.1 Merjenje napetosti ............................................................................................. 48

4.3.2 Merjenje električnega toka ................................................................................ 48

4.3.3 Spreminjanje upornosti termistorja ................................................................... 49

4.3.4 Primerjava med izmerjenimi vrednostmi in vrednostmi proizvajalca .............. 51

4.4 Primerjava vrednosti med dvema cikloma ............................................................ 54

4.5 Natančnost temperaturne histereze ....................................................................... 54

4.6 Hlajenje in gretje ................................................................................................... 55

4.7 Hitrost naraščanja in padanja temperature ............................................................ 56

4.8 Ustvarjanje vakuuma ............................................................................................ 57

4.9 Temperaturna slika ............................................................................................... 59

5 Sklep ............................................................................................................................ 61

6 Literatura ..................................................................................................................... 62

ix

Seznam simbolov

R – upornost

T – temperatura

β – materialna konstanta

U – napetost

I – tok

t - čas

p - tlak

r – relativna napaka

Δx - odmik od povprečja

x - povprečna vrednost

T(t) – spreminjanje temperature s časom

ΔT – sprememba temperature

Δt – sprememba časa

x

Seznam kratic

NASA angl. National Aeronautics and Space Administration

ESA angl.European Space Angecy

NI-DAQ zajem podatkov (angl. National Instrumets – Data Acquisition)

IR infrardeče (angl. Infrared)

PWM pulzno-širinska modulacija (angl. Pulse-width modilation)

ADC analogno-digitalni pretvornik (angl. Analog-digital converter)

NI-PGIA instrumentacijski ojačevalnik (angl. Instrumentation amplifier)

AI FIFO analogni vhod »prvi noter, zadnji ven« (angl. Analog input First in-first out)

AI analogni vhod (angl. Analog input)

AO analogni izhod (angl. Analog output)

DI digital input (angl. Digital input)

DO digital output (angl. Digital output)

RSE referenčen z enim koncem (angl. Referenced single-ended)

NRSE nereferenčen z enim koncem (angl. Non-referenced single-ended)

DAC digitalno-analogen pretvornik (angl. Digital-to-analog converter)

PTC pozitiven temperaturni koeficient (angl. Positive tempereture coefficient)

NTC negativen temperaturni keficient (angl. Negative temperature coefficient)

GUI grafičen vmesnik (angl. Graphical user interface)

MUX množilnik (angl. Multiplexer)

DIFF razlika (angl. Difference)

COM komunikacija (angl. Communication)

MIL vojaški (angl. Military)

ECSS Evropska korporacija za vesoljsko standardizacijo (angl. European Cooperation

on Space Standardization)

http://en.wikipedia.org/wiki/Temperature_coefficient#Negative_temperature_coefficient

Upravljanje vakuumske komore s samodejnim zajemom merilnih podatkov Stran 1

1 Uvod

Laboratorij za digitalne sisteme je razvil strojno opremo za vakuumsko komoro s

temperaturno regulacijo. Usmerjanje študentskih projektov v vesoljske tehnologije je

pomenilo potrebo po okolju, v katerem bi se razvijajoča oprema za vesoljske misije lahko

preizkusila. Takšne vrste oprema je na trgu sorazmerno draga, zato se je laboratorij odločil

za projekt razvoja svoje opreme. Potreba po aplikaciji, ki bi združevala celotno

funkcionalnost že razvite strojne opreme v vakuumski komori, je pripeljala do ideje za to

diplomsko nalogo. V besedi celotna funkcionalnost je mišljeno, da aplikacija omogoča

uporabo in merjenje celotnega nabora vgrajenih sistemov v komoro.

Za vesoljsko opremo veljajo precej strogi pogoji, zato obstajajo mnogi standardi različnih

vesoljskih agencij kot sta NASA in ESA. V teh standardih so zapisani preizkusni postopki

in mejne vrednosti za preizkušanje. S preizkušanjem elektronskih elementov se bomo

poskusili čim bolj približati izbranim standardom. Če bodo po končanem preizkušanju

meritve v mejah, kot so zapisane v standardu, bomo lahko trdili, da razvita oprema zadošča

določenemu standardu.

Tovarniško zgrajene vakuumske komore za preizkušanje, kot jih imajo velike vesoljske

agencije, omogočajo preizkušanje številnih faktorjev kot so:

življenjski cikli,

delovanje v temperaturno, vakuumsko in vlažno spremenljivih pogojih,

stopnje uhajanja plinov in tekočin,

spremembe sevalnih lastnosti materialov.

V laboratoriju zgrajeni vakuumski komori ni mogoče zadovoljiti tako strogih standardnih

pogojev vesoljskih agencij, zato smo se osredotočili le na temperaturne in vakuumske

pogoje ter življenjske cikle.


2 Termično in tlačno preizkušanje elektronskih naprav

Elektronske naprave delujejo v določenem temperaturnem območju, zato je potrebno za

pravilno delovanje zagotoviti pravilno dovajanje ali odvajanje toplote. V standardnem

zračnem tlaku in zemeljskih temperaturnih pogojih to ne predstavlja večjih težav. Kadar pa

imamo spremenljive pogoje, kot je vesolje, pa se pojavijo številne težave pri zagotavljanju

pravilnega delovanja elektronskih naprav.

2.1 Zgradba vakuumske komore

Vakuumska komora (Slika 2.1) je prostor, iz katerega izčrpamo zrak in ostale pline s

pomočjo vakuumskih črpalk. Za temperaturno regulacijo skrbita dva grelca moči 150 W in

hladilni sistem. Zgrajena je iz kovine in ima številne vhodno/izhodne priključke za

priključitev različnih instrumentov za merjenje.

SLIKA 2.1 VAKUUMSKA KOMORA

V notranjosti komore se nahaja mizica, po kateri so speljane bakrene cevi za odvajanje in

dovajanje toplote (Slika 2.4). Mizica ima štiri temperaturne senzorje. V vsakem kotu

mizice se nahaja en senzor. Senzorji so proizvajalca Dallas, tipa DS18B20.


2.1.1 Temperaturni senzor

Temperaturni senzor (Slika 2.2) je digitalni termometer, ki omogoča 9 do 12 bitne

temperaturne meritve. Komunicira preko enožilnega vodila s centralnim

mikroprocesorjem. Njegovo temperaturno območje je med -55 °C in +125 °C z

natančnostjo ±0,5 °C v območju med -10 °C in +85 °C. Vsak BS12B20 ima unikatno 64

bitno serijsko kodo, katera omogoča združevanje več enakih senzorjev na isto

komunikacijsko vodilo. V vakuumski komori so na merilni mizici štirje senzorji na istem

vodilu.

SLIKA 2.2 DALLASOV TEMPERATURNI SENZOR [8]

Resolucija temperaturnega registra senzorja je uporabniško nastavljiva. Uporabnik lahko

nastavi 9, 10, 11 ali 12 bitno resolucijo. 9 bitna resolucija pomeni 0,5 °C natančnost

merjenja, 12 bitna pa 0,0625 °C natančnost. Podatki o temperaturnih vrednostih se

shranjujejo v temperaturni register (Slika 2.3), ki je velikosti 2 zloga oz. 16 bitov.

Znakovni biti S nam povejo ali je temperatura pozitivna ali negativna. S = 0 pomeni, da je

temperatura negativna, S = 1 pa pomeni, da je temperatura pozitivna.

SLIKA 2.3 TEMPERATURNI REGISTER [8]


2.1.2 IR merilnik temperature

Na vrhu komore se nahaja mehanizem za premikanje brezkontaktnega IR merilnika

temperature (Slika 2.4), ki se lahko s pomočjo koračnega motorčka giba nad celotno

površino mizice.

SLIKA 2.4 NOTRANJOST VAKUUMSKE KOMORE IN IR MERILNIK TEMPERATURE


Za prikaz slike skrbi endoskop z monitorjem pritrjenim zunaj komore (Slika 2.5).

Ločljivost kamere je 640x480 točk, monitorja pa 480x320 točk.

SLIKA 2.5 MONITOR ENDOSKOPSKE KAMERE

Endoskop (Slika 2.6) je 88 cm dolga, prilagodljiva cev, na koncu katere se nahaja kamera.

Kamero lahko nastavimo v poljubno lego za snemanje objekta. Nastavljena mora biti tako,

da ne ovira IR kamere med premikanjem nad površino mizice.

SLIKA 2.6 ENDOSKOPSKA KAMERA


2.2 Tipi vakuumski črpalk

2.2.1 Rotacijska črpalka oziroma črpalka na pozitivni izmik

Rotacijska črpalka je oljna črpalka na pozitivni izmik. Sestavljena je iz ekscentričnega

rotorja, lopatic, dovodnega ter odvodnega kanala. Kadar se rotor vrti, se lopatice zaradi

centrifugalne in tlačnih sil pomikajo naprej in nazaj. Ta proces ustvari zračni prostor

različnih volumnov med steno ohišja rotorja in lopaticami. Zračni prostor se poveča med

sesalnim delom cikla in ustvari vakuum na dovodnem kanalu, ter se zmanjša med

izpraznitvenim delom cikla in ustvari pritisk na odvodni kanal. Vakuum in pritisk na

odvodnem kanalu ne nihata, ker rotacijska črpalka na dovodnih in odvodnih kanalih nima

ventilov. Pretok zraka je konstanten [10].

2.2.2 Turbomolekularna črpalka

Turbomolekularno črpalko sestavljata rotor in stator. Rotirajoče in stabilne lamele so

razporejene izmenično. Vse lamele imajo poševne kanale, pri čemer so kanali rotorskih

lamel zrcalno obrnjeni glede na kanale statorskih lamel. Skupaj tvorijo kompresijsko

razmerje črpalke. Kompresijski efekt se povečuje s sekvenčnim spreminjanjem stopenj

črpalke. S tem lahko pri zraku dosežemo kompresijsko razmerje večje od 1012. Hitrost

črpanja je sorazmerna dovodni prirobnici in obratno sorazmerna hitrosti vrtenja lamel.

Zelo visok tlak za težke pline izhaja iz odvisnosti kompresijskega razmerja na molekularni

masi. Globok vakuum se pri prehodu iz molekularnega v laminarno območje pretoka zelo

hitro izgubi. Preden se vključi turbomolekularna črpalka, moramo imeti dovolj nizek tlak v

komori. Dovolj nizek tlak pomeni približno 0,1 mBar.

Turbomolekularne črpalke imajo vgrajen elektromagnet, ki je elektronsko reguliran in

skrbi, da rotor ostane v aksialnem položaju. Radialen položaj se regulira s pomočjo trajno

magnetnega ležaja ali elektronsko. Rotor in ohišje rotorja se ne dotikata, zato je stopnja

vibracij zelo nizka [10].


2.3 Tlačno preizkušanje

2.3.1 Teorija vakuumske tehnologije

Vakuum je prostor brez molekul, atomov ali podatkovnih delcev. Besedo vakuum

uporabimo, kadar je tlak manjši od standardnega zračnega tlaka, ki znaša 1013,25 mBar.

Popoln vakuum je praktično nemogoče doseči. Tudi v vesolju ni popolnega vakuuma, saj

vsebuje nekaj delcev na cm3 [19].

2.3.2 Površinski vplivi in razplinjenje

Plin sprejet od trdnine, ki jo preizkušamo v vakuumski komori, imenujemo sorpcija in

predstavlja vpliv med molekulami plina in stenami vakuumske komore. Poznamo dve vrsti

sorpcije. To sta absorpcija in adsorpcija.

Beseda adsorpcija pomeni proces vezave, s katerim so molekule plina povezane na

površino trdnine. Plast adsorpcijskega plina je debeline ene molekule (monolayer) ali več

molekul (multilayer). Vezava plina s trdnino lahko poteka s površinskimi ali kemijskimi

silami.

Absorpcija se nanaša na pline, ki vstopajo v trdnino, kot tudi na pline, ki izstopajo iz nje.

Trdnino, katera sprejema pline oziroma se plin veže na njo, imenujemo absorbant. Če plin

izstopa iz trdnine, se taka trdnina imenuje absorbat.

O desorpciji govorimo, kadar plin, kateri je bil adsorbiran ali absorbiran, pod vplivom

vakuuma začne zapuščati trdnino. Povzročajo jo pritisk, temperatura in oblika površine

trdnine. Plin, ki nastaja pri procesu desorpcije, se imenuje razplinjenje oziroma angleško

»outgassing« [4]. Specifična vrednost razplinjenja je definirana kot vrednost, kadar plin

zapusti enoto površine trdnine. Merilna enota je mbar s-1cm-2.


2.4 Termično preizkušanje

Tipično elektronske naprave delujejo v temperaturnem območju od 0 °C do 85 °C. Takšne

naprave pokrivajo največji delež elektronskih naprav. Za vojaške namene je temperaturno

območje med -65 °C in +125 °C. Delež takšnih naprav je manj kot 1 %. Elektronske

naprave za avtomobilsko industrijo predstavljajo manj kot 5 odstotni delež naprav in imajo

temperaturno območje med -55 °C in 150 °C. Obstajajo pa tudi potrebe po takšnih

elektronskih napravah, ki delujejo v precej večjih temperaturnih razponih. To so predvsem

raziskovanja v vesolju, raziskovanja in produkcija olja in plina, distribucija kontrolnih

sistemov za zračna plovila itd [18].

2.4.1 Temperaturne meje elektronskih naprav

Najnižje temperature, pri katerih polprevodniške naprave in vezja lahko delujejo, so nekaj

stopinj nad absolutno ničlo, ki znaša -273 °C. To pomeni, da delujejo nekje do temperature

-270 °C. Silicij (Si), germanij (Ge) in galijev-arzenit (GaAs) so najpogostejši

polprevodniški materiali v vezjih, ki delujejo pri tako nizkih temperaturah. Elektronske

naprave, ki bazirajo na polprevodniških materialih iz silicija (Si) in galijevega arzenita

(GaAs), imajo najvišjo delovno temperaturo med 400 °C in 500 °C. V določenih okoljih

mora elektronska naprava pokrivati obe ekstremni temperaturi. Tako najvišjo kot najnižjo.

Zato nekatere pasivne komponente delujejo od najnižje temperature, pa vse do nekaj 100

°C. Takšen primer je tranzistor. Moramo pa vzeti v obzir, da vsaka polprevodniška naprava

ali pasivni element, ne omogoča delovanja v takšnih ekstremih. Delovanje je odvisno od

števila materialov, ki so bili uporabljeni, dizajna naprave, pa tudi od tega, kako dolgo je

določena elektronska naprava izpostavljena ekstremni temperaturi. Z velikim

temperaturnim območjem delovanja se lahko spremeni tudi karakteristika delovanja [18].


2.4.2 Spremembe karakteristik elektronskih komponent

Pri ekstremnih temperaturah se v komponentah odvijajo številni elektronski, ionski in

atomski procesi. Nekateri od njih pri konvencionalnih temperaturah določajo karakteristiko

komponente, drugi pa se sprožijo šele pri višjih ali nižjih temperaturah in nenadno ali

postopno vplivajo na spremembo karakteristike komponente. Pogosto se karakteristika

spremeni pri prehodu iz konvencionalnega območja v ekstremno in spremenjeni trend

karakteristike ostane vse do kritične temperature. Primer kritične temperature je silicij,

kateremu se karakteristika drastično spremeni pri -230 °C.

Največ sprememb se pojavlja pri elektronskih komponentah, ki delujejo na premikih ionov

in na bazi kemijskih procesov. Primeri takih elektronskih komponent so elektrolitski

kondenzatorji, nekateri tipi keramičnih kondenzatorjev in baterije. Kadar je temperatura

dovolj nizka, procesi v njih popolnoma ali deloma zamrejo. Elektrolitski kondenzatorji

izgubijo kapacitivnost pri hlajenju in imajo pri temperaturi -150 °C le še približno 10 %

kapacitivnosti od vrednosti, ki so jo imeli pri sobni temperaturi. Baterije pri temperaturah

nižjih od -100 °C ne delujejo, so pa sposobne delovanja pri višjih temperaturah. Do

približno 200 °C [2].

2.4.3 Obnašanje pasivnih komponent pri preizkuševalnih temperaturah

Upori:

Tankoplastni in metalnoplastni upori se pri nizkih temperaturah obnašajo dokaj stabilno.

Pri visokih temperaturah se začne obnašanje karakteristike spreminjati. Uporabljajo se do

temperature 200 °C, saj se pri višjih temperaturah začne pojavljati hitro staranje upora.

Za debeloplastne upore velja, da se njihova karakteristika spreminja pri nizkih

temperaturah. Pri nekaterih le za nekaj odstotkov, pri drugih pa je sprememba lahko

precejšnja. Za visoke temperature, vse do 500 °C, imajo debeloplastni upori visoko

stabilnost [2].


Kondenzatorji:

Kondenzatorji s polimernim dielektrikom delujejo stabilno pri nizkih temperaturah, najvišja

temperatura pa je omejena na 200 °C, čeprav bi teoretično nekateri polimeri lahko zdržali

tudi višje temperature. Kapacitivnost se v celotnem temperaturnem območju ne spreminja

veliko.

Keramični kondenzatorji so primerni tako za nizke kot visoke temperature (do 300 °C).

Poznamo dve različici. Prva različica je keramični kondenzator z nizko do srednjo

dielektrično konstanto. Pri teh kondenzatorjih je sprememba kapacitivnosti pri nizkih in

visokih temperaturah zelo majhna. Druga različica je keramični kondenzator z visoko

dielektrično konstanto, ki je sestavljen iz kompleksnejših dielektričnih materialov. Pri

takšnih kondenzatorjih je izguba kapacitivnosti pri visokih in nizkih temperaturah

precejšnja [2].

2.4.4 Parametri za določanje temperaturnih mej polprevodniških

komponent

Lastnosti osnovnih polprevodniških materialov (Si, GaAs, SiC …),

tip komponente (dioda, tranzistor …),

dizajn komponente (material, geometrija, dimenzije),

material in dizajn kontaktov in povezav,

sestav in tehnike sestavljanja ohišij komponent,

tip vezja v katerem je komponenta (digitalna ali analogna) in dizajn vezja,

temperaturno območje v katerem bo komponenta delovala,

kako dolgo bo komponenta izpostavljena preizkuševalnim temperaturam.

2.4.5 Temperaturne meje osnovnih polprevodniških materialov

Polprevodniške naprave delujejo na principu premikov nosilcev naboja (elektronov in

vrzeli). Delovanje je odvisno od kontroliranja premikov nosilcev naboja med p-tipom in n-

tipom polprevodnika. Takšen primer je pn spoj, ki je različno dopiran na obeh straneh

spoja. Nosilci naboja v eno stran lahko prehajajo, v drugo pa ne.


Kadar je temperatura dovolj visoka, razlika električnega potenciala med n in p tipom

polprevodnika izgine in premiki nosilcev naboja v polprevodniku niso več kontrolirani. Z

višanjem temperature se povečuje termalna energija, ki ionizira pomemben del

polprevodniških atomov. Termalna energija prispeva dodatne elektrone in vrzeli v

polprevodniku. Rezultat je približno enako število presežnih nosilcev naboja na obeh

straneh spoja. Ker je število polprevodniških atomov večje kot število dopiranih atomov,

so dopirani atomi pri visokih temperaturah preobremenjeni in širina energijske reže se

spremeni. Zaradi tega se začne pn-spoj obnašati kot upor, ki ne kontrolira prehodov

nosilcev naboja.

Najvišjo temperaturo, pri kateri polprevodnik še deluje, določa energijska reža

polprevodniškega materiala. V praksi to pomeni, da je najvišja temperatura produkt

energijske reže v eV in števila 500. 500 je približen faktor, pri katerem polprevodnik še

deluje. Obstajajo še nekateri drugi faktorji temperaturnih mej, kot je na primer razpad

materiala polprevodnika, ki se lahko zgodi tudi pri nižji temperaturi.

Polprevodniki imajo seveda tudi določeno najnižjo temperaturo delovanja in je odvisna od

polprevodniškega materiala. Metoda, da polprevodnik deluje tudi v nižjih temperaturah, je

metoda z dopiranjem določene koncentracije atomov druge snovi. Če je polprevodnik

dopiran z določeno koncentracijo, lahko doseže degeneriranost. To je stanje, v katerem

dopanti ne potrebujejo energije za ionizacijo in lahko teoretično delujejo do absolutne ničle

[18].

2.4.6 Temperaturni vpliv na materiale in dizajn kontaktov na čipu ter

povezave med komponentami

Metalizacija na čipu se deli v dve področji:

kontakti do polprevodniških materialov ali metalizacija na vratih izolatorjev,

povezave med komponentami in povezave med skozniki (angl. vias).

Kontakti (Slika 2.7) do polprevodniških materialov predstavljajo največji problem pri

zgornjih temperaturnih mejah, predvsem zaradi interakcij med različnimi materiali pri

prenosu signala. Prav tako je metalizacija ozko grlo za temperature zgornjih mej.


S spreminjanjem temperatur od visokih proti nizkim ali obratno, se lahko na povezavah

med komponentami pojavijo spremembe v upornosti. Pri zelo nizkih temperaturah je

znižanje upornosti v povezavah med komponentami lahko kritično. Predvsem, če je za

povezave uporabljeno zlato ali aluminij.

Materiali z nižanjem temperature postajajo vedno bolj stabilni, ker se število interakcij

med materiali zmanjša in je s tem potrebne manj energije, za premike atomov oziroma

molekul. Tako povezave med komponentami in kontakti ne predstavljajo večjega problema

pri nizkih temperaturah. Po drugi strani pa lahko kontakti do polprevodnikov pri nizkih

temperaturah predstavljajo težavo za električni tok pri določenih pogojih.

Za visoke temperature velja ravno obratno. Materiali z višanjem temperature postajajo

vedno manj stabilni. Pojavljati se začnejo oksidacija, korozija in podobni procesi, ki

postajajo s cikličnim ponavljanjem gretja in ohlajanja intenzivnejši.

SLIKA 2.7 PRIMER KONTAKTOV [18]

Za kontakte polprevodnikov in povezovanje komponent morajo biti uporabljeni različni

materiali. Med različnimi materiali morajo biti zaradi nekompatibilnosti med dvema

plastema še vmesne plasti. Na primer, za polprevodnik GaAs je lahko dodana plast

Ni/Ge/Au/Ni/W5Si3/Au kot omski kontakt in lahko zdrži 600 delovnih ur pri temperaturni

obremenitvi 400 °C [3].

2.5 Termistorji

Termistorji so upori, katerih upornost se temperaturno spreminja. Termistorji se

najpogosteje uporabljajo za temperaturne senzorje, grelnih elementih s samodejnim

reguliranjem itd.


2.5.1 NTC

NTC termistorji so temperaturno spremenljivi upori (enačba 2.1) z visokim negativnim

temperaturnim koeficientom upornosti [1]. Materiali, ki se uporabljajo za izdelavo, so

kovinski oksidi z dodanimi primernimi primesmi atomov. Izdelujejo se tako, da se zmes

kovinskih oksidov z dodanimi primesmi atomov in vezivom, dobro premeša in s pomočjo

kalupa oblikuje v želeno obliko ter žge pod visoko temperaturo. Sledi še pospešeno

staranje, saj imajo termistorji v začetni obliki velike variacijske lastnosti [14].

Podobno kot v polprevodnikih, tudi v NTC termistorjih koncentracija prostih nosilcev

ekspotencialno narašča s temperaturo. Konstanta β je določena z vezalno energijo prostih

nosilcev. Imenujemo materialna konstanta. Tipično je konstanta β med 2000 K in 5000 K.

Materialno konstanto proizvajalci podajajo na podlagi izmerjenih upornosti pri dveh

temperaturah. Pri nazivni upornosti termistorja, ki je pri 25 °C in še eni temperaturi

različna od nazivne.

1

1 1( )

1( ) ( )T T

R T R T e

Za termistorje lahko izračunamo tudi temperaturni koeficient upornosti (enačba 2.2), ki je

pri NTC termistorjih izrazito negativen. Podan je v enoti %

K .

2.5.2 PTC

PTC termistorji so upori z visokim pozitivnim temperaturnim koeficientom. Razlikujejo se

od NTC termistorjev, saj imajo pozitiven temperaturni koeficient v ozkem temperaturnem

območju, izven tega območja pa imajo negativen temperaturni koeficient in se obnašajo

kot NTC termistorji. Materiali za izdelavo so kovinski oksidi s feroelektričnimi lastnostmi

[17].

2

1 lnR

dR d RTK

R dT dT T

(2.2)

(2.1)


2.6 Standardi

V svetu obstaja nekaj agencij, ki se ukvarjajo s preizkušanjem opreme za spremenljive

okoljske pogoje. Vsaka agencija ima svojo standardizacijo, zato bomo podali tiste, ki

zadoščajo vakuumski komori v laboratoriju in bi lahko bili uporabni za projekte, ki se bodo

v sklopu laboratorija razvijali za vesoljske projekte. Predstavil bom standardizacijo ECSS

(Evropska korporacija za vesoljsko standardizacijo) agencije ESA, ki je Evropska

vesoljska agencija in NASA, ki je Nacionalna zrakoplovna in vesoljska uprava, katere

standardi se imenujejo MIL (Military Standard).

Preizkusi, ki se preizkušajo za delovanje preizkusnih komponent v vesolju so:

šok, ki ga komponenta doživi ob poletu v vesolje,

akustični preizkus,

vibracijski preizkus,

termično ciklanje

vakuumsko-termično ciklanje,

preizkus pritiska,

življenjska doba.

Preizkusi, ki jih lahko preizkušamo v vakuumski komori so:

termično ciklanje,

vakuumsko-termično ciklanje,

življenjska doba.

2.6.1 Standardi ECSS

Na področje vesoljskega inženirstva in preizkušanja komponent se pri Evropski vesoljski

agenciji nanaša dokument ECSS-E-10 iz februarja 2002. V njem so zabeleženi stresni

preizkusi, ki upoštevajo družino standardov ISO 9000.

Standard ECSS-E-10-02 se nanaša na verifikacijo preizkusne naprave. Predstavlja zahteve

za verifikacijo preizkusne naprave za vesolje.


Standard ECSS-E-10-03 se nanaša na preizkušanje naprav za vesolje. Predstavlja standard

za okoljske in zmogljivostne preizkusne zahteve za vesoljske sisteme in verifikacijo iz

standarda ECSS-E-10-02 potrdi ali ovrže z dejanskimi meritvami.

Ker vseh stresnih preizkusov znotraj standarda ne moramo preizkusiti, saj nam trenutna

oprema tega ne omogoča, bomo iz standarda izvzeli tiste parametre, katerih ne moremo

preizkušati.

Preizkusni pogoji in tolerance

Vsak okoljski preizkus mora biti izveden na preizkusnih parametrih, pri katerih bo oprema

delovala in na parametrih, ki so lahko analitično določeni ali pa so kombinacija analize in

dejanskih okoljskih parametrov. Okoljski preizkusi za strojno opremo bi se naj preizkušali

na različne načine in ne le na tisti način, katerega smo predvideli. Stopnja preizkusnih

pogojev in dolžina preizkusa bi tako naj bila maksimalno predvidena z dodano preizkusno

rezervo. Parametri, pri katerih se mora stresni preizkus izvajati, so podani v tabeli 2.1.

TABELA 2.1 PREIZKUSNI POGOJI [13]

Preizkus Območje Trajanje

Oprema Vesoljski

elementi

Oprema Vesoljski

elementi

Termalno

ciklanje

10 °C nad ali

pod

maksimalno in

minimalno

10 °C nad ali

pod

maksimalno in

minimalno

8 ciklov 8 ciklov

Vakuumsko-

termično

ciklanje

10 °C nad ali

pod

maksimalno in

minimalno

10 °C nad ali

pod

maksimalno in

minimalno

8 ciklov v

kombinaciji s

preizkusom

termalnega

ciklanja

8 ciklov v

kombinaciji s

preizkusom

termalnega

ciklanja

Življenjska

doba

/ / 4-kratni čas

operativnega

življenja

/


Sprejemljivi preizkusni pogoji in trajanje

Sprejemljivi preizkusni pogoji (Tabela 2.2) morajo zadovoljevati maksimalno stopnjo, ki

smo jo predvideli. V tabeli so predstavljene stopnje, ki še zadovoljujejo standard.

TABELA 2.2 SPREMENLJIVI PREIZKUSNI POGOJI IN TRAJANJE [13]

Preizkus Območje Trajanje

Oprema Vesoljski

elementi

Oprema Vesoljski

elementi

Termalno

ciklanje

5 °C nad ali pod

maksimalno in

minimalno

Temperatura

poleta

8 ciklov 8 ciklov

Vakuumsko-

termično

ciklanje

5 °C nad ali pod

maksimalno in

minimalno

Temperatura

poleta

4 cikli v

kombinaciji s

preizkusom

termalnega

ciklanja

4 cikli v

kombinaciji s

preizkusom

termalnega

ciklanja

Natančnost merilnih naprav

Natančnost merilnih naprav (Tabela 2.3), ki so uporabljene za kontrolo in spremljanje

preizkusnih parametrov, mora biti periodično verificirana in mora zadovoljevati preizkusne

okvirje. Tolerance, ki jih standard še dovoljuje so predstavljene v tabeli.


TABELA 2.3 NATANČNOST MERILNIH NAPRAV [13]

Preizkusni parametri Toleranca

Temperatura

od -50 °C do 100 °C Tmax +3 °C in -0 °C

Tmin +0 °C in -3 °C

pod -50 °C in nad 100 °C Tmax +4 °C in -0 °C

Tmin +0 °C in -4 °C

Pritisk

>1,3 mBar 15 %

31,3 10 v 1,3 mBar 30 %

<31,3 10 mBar 80 %

Čas preizkusa 0/+10 %

Temperaturni senzorji vgrajeni v merilno mizico imajo operativno temperaturno območje

med -55 °C in 125 °C. Njihova natančnost je 0,5 °C. Tlaka vakuumskih črpalk ne moremo

nastavljati, tako da je vedno merjen pri najnižji vrednosti, ki jo vakuumske črpalke lahko

dosežejo.

2.6.2 Standardi NASA

Pri vesoljski agenciji NASA se na področje preizkusnih metod za vezja nanaša predvsem

standard MIL-STD-883. Tudi pri tem standardu ne moremo zadovoljiti vseh preizkusnih

postavk, zato bomo izvzeli le tiste, katere lahko zadovoljimo.

Standard se deli v štiri sklope:

1. 1001 do 1999, ki predstavljajo okoljske preizkuse,

2. 2001 do 2999, ki predstavljajo mehanske preizkuse,

3. 3001 do 4999, ki predstavljajo električne preizkuse,

4. 5001 do 5999, ki predstavljajo preizkusne procedure.


Preizkusna metoda 1001

Preizkusna oprema mora biti v vakuumski komori pod tlakom, kot je podan v tabeli 2.4.

Pred preizkusom mora biti oprema vsaj 20 minut na temperaturi 25 °C ± 10 °C. Preizkusna

naprava mora biti napajana s specificirano napetostjo in mora biti nadzorovana od

atmosferskega do minimalnega tlaka.

TABELA 2.4 PREIZKUSNI POGOJI [11]

Preizkusni

pogoj

Maksimalni pritisk Nadmorska višina

Palci živega

srebra

mm živega

srebra

mBar Čevlji Metri

A 17,3 439 465,3 15.000 4572

B 8,88 226 301,3 30.000 9144

C 3,44 87 116 50.000 15240

D 1,31 33 44 70.000 21336

E 0,315 8 10,67 100.000 30450

F 0,043 1,09 1,45 150.000 45720

G 89,436 10x

62,4 10x

63, 2 10x 656.000 200000


Predstavlja preizkus kakovosti in zanesljivosti preizkušene naprave čez daljše časovno

obdobje. Življenjski preizkus, kot mu pravijo, se izvaja pri delovanju naprave določeno

število ur (Tabela 2.5), kot je predstavljeno v tabeli. Število ur se izvaja glede na namen

uporabe.

Razredi:

razred B predstavlja visoko učinkovito vojaško opremo in

razred S predstavlja vesoljske aplikacije.

Poskusni pogoji A-E predstavljajo naprave, ki imajo

povratno vezavo,

vzporedno vezavo,

oscilatorje.


TABELA 2.5 ČASOVNA OBDOBJA PREIZKUSOV [11]

Minimalna

temperatura

Minimalen čas v urah Preizkusni

pogoj Razred S Razred B

100 / 7500 Hibridna vezja





125 1000 1000 A-E

130 900 704 A-E

135 800 496 A-E

140 700 352 A-E

145 600 256 A-E

150 500 184 A-E


Preizkusna metoda 1010 se nanaša na temperaturno ciklanje. V preizkusu moramo narediti

vsaj 10 ciklov od najvišje do najnižje temperature in ob vsaki minimalni in maksimalni

temperaturi moramo vzdrževati temperaturo vsaj 10 minut (Tabela 2.6).

TABELA 2.6 TEMPERATURE ZA PREIZKUSNE POGOJE [11]

Temperaturni pogoj [temperatura °C/toleranca °C]

Korak Čas

[min]

A B C D E F

Minimalna

temperatura

10 -55 / +0

-10

-55 / +0

-10

-65 / +0

-10

-65 / +0

-10

-65 / +0

-10

-65 / +0

-10

Maksimalna

temperatura

10 85 / +10

-0

125 / +15

-0

150 / +15

-0

200 / +15

-0

300 / +15

-0

175 / +15

-0


3 Aplikacija za upravljanje komore z zajemom podatkov

Aplikacija za upravljanje komore z zajemom podatkov omogoča preizkušanje elektronskih

komponent v vakuumu pod različnimi uporabniškimi pogoji. Napisana je v programskem

okolju Microsoft Visual Studio C#. Uporabljen jezik v aplikaciji je angleščina.

3.1 Regulacija

Regulacija znotraj knjižnice VCMClass zajema temperaturno in vakuumsko krmiljenje.

Krmiljenje je avtomatizirano v programski niti znotraj delavca v ozadju (angl.

backgroundworker). Delavec v ozadju skrbi, da komora vedno sledi tistemu

temperaturnemu in vakuumskem pogoju, ki ga je dodelila aplikacija na višjem nivoju iz

uporabniško določene naloge. Regulacija se znotraj programske niti izvaja tako, da se ena

iteracija programske niti delavca v ozadju izvede ob prejemu paketa PACKET.Report.

PACKET.Report vsebuje podatke o vrednosti parametrov komore. V vsaki iteraciji

programske niti razred VCMClass obvesti višji nivo aplikacije o trenutni vrednosti

temperature in vrednosti vakuuma.

3.2 Temperaturna regulacija

Pogoj, da se temperaturna regulacija sploh lahko izvaja, je uspešno vzpostavljena povezava

z vakuumsko komoro ter delovanje temperaturnih senzorjev na mizici. Za pravilno

delovanje temperaturne regulacije morajo delovati vsi temperaturni senzorji, saj

temperaturo komore izračunamo na podlagi povprečne vrednosti vseh štirih senzorjev. Če

kateri izmed temperaturnih senzorjev ne deluje, je izračun temperature komore manj

natančen.

Temperaturna regulacija ima šest stanj:

TempRegState.CoolOn, predstavlja vklop hladilnega sistema,

TempRegState.HeatOn, predstavlja vklop obeh grelnikov,

TempRegState.Holding,predstavlja stanje čakanja v določenem pogoju, kjer

komora vzdržuje pogoje,


TempRegState.Error, predstavlja stanje napake v komori,

TempRegState.DoNothing, predstavlja stanje, kjer komora ne dela ničesar, le

vzdržuje povezavo s komoro,

TempRegState.Stop, predstavlja ustavitev vseh procesov v komori.

Vsako stanje se določi na podlagi temperaturne vrednosti iz višjega nivoja aplikacije.

3.3 Vzdrževanje temperature

Vakuumska komora se različno hladi in segreva. Ta razlika ne predstavlja večje težave,

dokler temperature ni potrebno vzdrževati na določeni vrednosti znotraj določenega

območja. Pri ohlajevanju ne moremo spreminjati hitrosti hlajenja. Ob kateri temperaturi

ustaviti hlajenje, kadar želimo doseči določeno temperaturo, smo tako določili

eksperimentalno. Segrevanje se izvaja preko dveh grelcev, ki jima lahko s pomočjo PWM

modulacije nastavljamo grelno vrednost med 0 in 255. Do histerezne vrednosti grelca

grejeta s polno močjo, ko pa je le-ta dosežena, se začne znotraj histereze, do želene

temperaturne vrednosti izračunavati zmanjševanje PWM vrednosti gretja. S tem

postopkom lahko, kar se da natančno vzdržujemo temperaturo na določeni vrednosti

poljubno, uporabniško določen čas.

3.4 Vakuumska regulacija

Za pridobivanje stanja vakuuma uporabljamo tri vakuumske črpalke:

rotacijsko vakuumsko črpalko,

difuzijsko vakuumsko črpalko,

turbomolekularno vakuumsko črpalko.

Vsaka izmed naštetih črpalk se vključi ob določeni vrednosti vakuuma. Rotacijska črpalka

se vključi prva ob atmosferskem tlaku. Naslednja se vključi turbomolekularna črpalka in

kot zadnja še difuzijska.


Vakuumska regulacija ima pet stanj:

VacuumState.On, predstavlja izčrpavanje zraka z vakuumskimi črpalkami,

VacuumState.Off, predstavlja izklop vakuumskih črpalk,

VacuumState.OnAndNotfy, predstavlja izčrpavanje zraka iz vakuumskih črpalk in

obvesti višji nivo aplikacije o vrednosti le, ko je vakuum dosežen,

VacuumState.Error, predstavlja stanje napake na vakuumskih črpalkah,

VacuumState.DoNothing, predstavlja stanje, kjer komora ne dela ničesar, le

vzdržuje povezavo s komoro.

3.5 Programsko varovanje vakuumske komore

V aplikacijo je vgrajeno programsko varovanje, ki ščiti glavne komponente komore pred

okvarami. Vsaka izmed treh vakuumskih črpalk, ima vgrajen temperaturni senzor.

Rotacijska črpalka se lahko zagreje do 80 °C, turbomolekularna in difuzijska črpalka pa do

40 °C. Hladilni sistem ima maksimalno vrednost pri 80 °C. Če je vrednost kateregakoli

izmed teh senzorjev presežena, se proces izvajanja meritve ustavi. Prav tako, se proces

meritve ustavi, če izpadejo vsi štirje senzorji za merjenje temperature na merilni mizici.

3.6 Zajem podatkov z napravo NI-DAQ

Pri preizkušanju elektronskih naprav v vakuumski komori nas zraven fizičnih vplivov na

napravo pod temperaturnimi in vakuumskimi spremembami zanimajo tudi vplivi na

električne lastnosti. Zato smo izbrali napravo National Instruments NI-DAQ 6363, ki lahko

beleži podatke na vhodih in hkrati tudi pošilja podatke na izhod.


3.6.1 Lastnosti naprave NI-DAQ 6343 in shema

Spodaj je prikazana shema naprave NI-DAQ 6343 (Slika 3.1). Naprava se povezuje preko

vodila USB do računalnika ter preko vhodno/izhodnih povezav do naprave, ki se

preizkuša. Imena signalov za povezavo so prikazana v tabeli (Tabela 3.1). Dejanska slika

priključnih konektorjev naprave za zajemanje pa je prikazana na sliki (Slika 3.2).

SLIKA 3.1 ZGRADBA NI-DAQ 6343 [9]

Lastnosti naprave:

32 analognih vhodov s 500 kS/s vzorčne frekvence in 16 bitno ločljivostjo,

4 analogne izhode z 900 kS/s vzorčne frekvence in 16 bitno ločljivostjo,

48 vhodno/izhodnih linij,

4 števce.

kS/s – k predstavlja predpono za kilo, S/s predstavlja vzorce na sekundo

TABELA 3.1 SPECIFIKACIJE VHODOV IN IZHODOV NAPRAVE NI-DAQ [9]

Ime signala Referenca Smer Opis

AI GND / / Ozemljitev analognega vhoda

AI<0..31> Različni AI

GND

Vhod Analogni vhodi kanalov od 0 do 31

AO<0..3> AO GND Izhod Analogni izhodi kanalov od 0 do 3

AO GND / / Ozemljitev analognega izhoda

D GND / / Ozemljitev digitalnih linij

P0<0..31> D GND Vhod ali

izhod

Digitalni vhodi ali izhodi kanalov, ki

spadajo pod Port0


SLIKA 3.2 VHODNO/IZHODNE POVEZAVE NAPRAVE NI-DAQ [9]


3.6.2 Analogni vhodi

SLIKA 3.3 SHEMA ANALOGNIH VHODOV NAPRAVE NI-DAQ [9]

Opis sheme analognih vhodov: (Slika 3.3)

V/I Priključek je vhodno izhodna povezava – povezava, kamor povežemo napravo,

ki jo želimo preizkušati preko analognih vhodov.

MUX – Vsak vhodno/izhodni multiplekser ima ADC. Multiplekserji v trenutku

povezujejo en analogni kanal AI do ADC preko NI-PGIA.

Instrumentacijski ojačevalnik (NI-PGIA) – ojačevalnik, ki lahko analogne vhodne

signale ojača ali oslabi tako, da zajamemo signal, ki ima maksimalno ločljivost.

Analogno-digitalni pretvornik (ADC) – ADC digitalizira vhodne analogne signale

tako, da analogno napetost pretvori v digitalno število.

AI FIFO – predstavlja pomnilnik, ki hrani podatke. Daje in jemlje podatke iz

pomnilnika po sistemu »prvi signal, ki pride v pomnilnik, prvi zapusti pomnilnik«.

Naprava omogoča eno ali več hkratnih analogno/digitalnih pretvorb, fiksnega ali

neskončnega števila vzorcev. Za to je potreben pomnilnik, ki skrbi, da se podatki ne

izgubijo.


3.6.3 Območje delovanja analognega vhoda

Vhodno območje vpliva na ločljivost analognega vhoda (Enačba 3.1) [9]. V uporabljeni

napravi je ADC pretvornik 16 biten, kar pomeni, da ADC pretvornik pretvori analogno

vrednost v eno izmed digitalnih vrednosti med 0 in 65536 (216). Te vrednosti so

razporejene čez celotno območje analognega vhoda. Če je vhodno območje med -10 V in

10 V pomeni, da vsaka digitalna vrednost 16 bitnega ADC predstavlja:

3.6.4 Nastavitve analognega vhoda

Obstajajo tri različne nastavitve analognih vhodov:

Diferenčna nastavitev (DIFF) – za merjenje razlike med dvema AI kanaloma,

Referenčna eno-končna nastavitev (RSE) – za merjenje razlike med AI kanalom in

AI GND,

Ne-referenčna eno-končna nastavitev (NRSE) - za merjenje relativne napetosti AI

kanala in AI SENSE ali AI SENSE2.

3.6.5 Časovne nastavitve analognih vhodov

Vsi kanali analognih vhodov uporabljajo »AI Sample Clock« za vzorčenje aktivnih

analognih kanalov. »AI Sample Clock« predstavlja vzorčno uro analognega vhoda. Ker

ima vsak kanal en ADC, »AI Sample Clock« kontrolira vzorčno periodo vseh kanalov

znotraj naloge. Naprava vzorči signale analognih vhodov v nalogi enkrat za vsak »AI

Sample Clock«. Zajem podatkov je sestavljen iz enega ali več vzorcev. Uporabljamo

lokalno uro naprave ali pa imamo uro iz zunanjega vira. Vzorči se lahko na pozitivno ali

negativno fronto ure. Privzeta ura naprave za »AI Sample Clock« je 100 MHz [9].

16

10 ( 10 )305

2

V VV

(3.1)


3.6.6 Analogni izhodi

Naprava za zajemanje NI-DAQ ima 4 analogne izhode (Slika 3.4), ki so vodeni preko

skupne ure in so sposobni generirati poljubne signale.

SLIKA 3.4 SHEMA ANALOGNIH IZHODOV NAPRAVE NI-DAQ [9]

DAC – štirje digitalno-analogni pretvorniki pretvorijo digitalne vrednosti v analogne

napetosti,

AO FIFO - predstavlja pomnilnik, ki hrani podatke. Daje in jemlje podatke iz

pomnilnika po sistemu »prvi naložen vzorec v pomnilnik za vse želene analogne

izhodne kanale, prvi zapusti pomnilnik«,

AO Vzorčna ura - prebere vzorec iz pomnilnika AO FIFO in ga pošlje na izhodne

kanale,

AO Referenčna izbira – omogoča spremembo napetostnega območja izhodnih

kanalov, izhodnemu signalu je potrebno določiti frekvenco signala, število vzorcev

glede na pomnilnik, število ciklov signala glede na pomnilnik, amplitudo ter odmik.


3.6.7 Digitalni vhodi in izhodi

SLIKA 3.5 SHEMA DIGITALNIH VHODOV IN IZHODOV [9]

Naprava ima digitalne linije razdeljene med tri vrata:

Port0 ima 32 vhodno/izhodnih linij,

Port1 ima 8 vhodno/izhodnih linij,

Port2 ima 8 vhodno/izhodnih linij.

Vsaka linija se lahko uporablja kot vhodna ali izhodna linija. Ali bo linija definirana kot

vhod oziroma izhod, se določi v uporabniških parametrih. Vrednosti, ki jih lahko beremo,

oziroma pišemo po digitalnih linijah, so 1 ali 0. Signali se shranjujejo na izhodnih in

vhodnih linijah preko pomnilnika. Pomnilnik je tako kot na analognih kanalih tipa FIFO

(Slika 3.5). Na izhodnih linijah lahko zapisujemo do 2047 vzorcev naenkrat, beremo pa

lahko do 255 vzorcev naenkrat.


Zaznavanje vrednosti na digitalnih vhodih je omejena z določenimi napetostmi, ki so

podani v tabeli (Tabela 3.2).

TABELA 3.2 MEJNE VREDNOSTI ZAZNAVE

Stopnja Minimalna

vrednost

Maksimalna

vrednost

Vrednost 1

oz. true

2,2 V 5,25 V

Vrednost 0

oz. false

0 V 0,8 V

3.7 Nastavitve programirljivih nalog za NI-DAQ

Koraki za izvajanje zajema podatkov v orodju C#:

napolnimo strukture iz uporabniških parametrov za vsak kanal,

ustvarimo naloge imenovane »Task« in pripadajoče kanale,

začnemo brati in pisati podatke po ustreznih kanalih,

po izteku celotne procedure ustavimo branje in pisanje ter počistimo naloge za

naslednji cikel.

3.8 Uporabniške nastavitve parametrov

Pred zagonom preizkusnega cikla moramo nastaviti preizkusne parametre. V aplikaciji so

preizkusni parametri razdeljeni v dva segmenta.

3.8.1 Nastavitve parametrov za vakuumsko komoro

Ob zagonu aplikacije, se vedno naložijo iz datoteke privzete nastavitve parametrov. Če

želimo uporabiti že shranjene standarde, jih lahko uvozimo iz datoteke, ali pa si po želji

sestavimo svoj standard, po katerem bo vakuumska komora delovala. Datoteke v katere

shranjujemo ali uvažamo v program so tipa »std«. Nastavitve preizkusne procedure se

nastavijo v upravitelju parametrov standardov (Slika 3.6).


SLIKA 3.6 GUI UPRAVITELJ PARAMETROV STANDARDOV

V upravitelju parametrov standardov (Slika 3.6) je potrebno nastaviti naslednje parametre:

maksimalna temperatura, ki je lahko največ 150 °C,

minimalna temperatura, ki je lahko najmanj -40 °C,

število ciklov,

maksimalni čas procedure,

čas, ko vakuumska komora v vsakem ciklu vzdržuje temperaturo na maksimumu,

čas, ko vakuumska komora v vsakem ciklu vzdržuje temperaturo na minimumu,

vklop/izklop vakuuma,

vklop/izklop difuzijske črpalke.

Parametre nastavimo preko upravitelja pred pričetkom preizkusa. Ko jih enkrat nastavimo,

jih med samim preizkusom več ne moremo spreminjati. Nastavljene vrednosti so prikazane

v zavihku »Vacuum chamber standard« (Slika 3.7).


SLIKA 3.7 SLIKA NASTAVITEV PARAMETROV VAKUUMSKE KOMORE

3.8.2 Nastavitve parametrov za napravo za zajemanje

Ko smo nastavili parametre za vakuumsko komoro, je potrebno nastaviti še parametre za

napravo za zajemanje podatkov (Slika 3.8). Nastavitve lahko shranimo v datoteko ter jih

poljubno spreminjamo. V prvem koraku dodamo nalogo, na seznam nalog, ki se morajo

izvesti in določimo parametre za vsako nalogo:

Pogoj, ob katerem se bo določena akcija izvajala. Ti pogoji so: neprenehoma, ob

maksimumih temperature, ob minimumih temperature, ob minimumih in

maksimumih temperature ter med dvema uporabniško določenima temperaturama.

Akcija predstavlja zapisovanje na izhodih naprave za zajem podatkov. Zapisujemo

lahko le napetostne vrednosti signalov. Nastaviti moramo, ali gre za analogni ali

digitalni izhod, ime kanala, po katerem bo zapis potekal ter nastavitve zapisa.

Analogne nastavitve zapisa zajemajo tip signala, ki je lahko enosmerna napetost,

sinus, kosinus ali kvadratna funkcija. Kako se bo na izhodu zapisoval signal pa je

odvisno od ciklov glede na pomnilnik, vzorcev glede na pomnilnik, želene

frekvence, amplitude in odmika. Pri digitalnih nastavitvah nastavimo le ime kanala

ter njegovo vrednost.


Odziv predstavlja branje signalov na vhodih naprave za zajemanje podatkov. Beremo

lahko digitalne ali analogne vrednosti. Pri analognih vrednostih je možno meriti tok

ali napetost in za to potrebujemo še naslednje nastavitve kanala: maksimalna

vrednost kanala, minimalna vrednost kanala, vzorčna frekvenca, število prebranih

vzorcev, terminalna konfiguracija, ki je lahko RSE, NRSE ali DIFF in pa način

zajema vzorcev, ki je lahko neprekinjen »ContinuousSamples« ali enkraten zajem

podatkov »FiniteSamples«. Za tokovno merjenje potrebujemo še vrednost »shunt«

upora.

SLIKA 3.8 GUI VMESNIK ZA PRIKAZ NASTAVITEV OPRAVIL V APLIKACIJI


3.9 Avtomatizirano izvajanje nalog

V začetnem zavihku »Vacuum chamber standard« imamo zraven parametrov za nastavitev

vakuumske komore tudi shemo delovanja (Slika 3.9). Shema delovanja nam prikazuje

delovanje vsake posamezne komponente vgrajene v vakuumsko komoro. Če ima

komponenta rdečo barvo znaka, pomeni, da ne deluje, če je barva zelena, pomeni, da

deluje. Komponente, ki imajo vgrajene temperaturne senzorje, imajo zraven svojega

statusa delovanja tudi temperaturo.

SLIKA 3.9 SPREMLJANJE POGOJEV V VAKUUMSKI KOMORI IN DELOVANJE

Shema delovanja vsebuje tudi temperaturne vrednosti preizkusne posteljice »test bed

temperatures«. Preizkusna posteljica vsebuje 9 vrednosti (Tabela 3.3). Ker ima vakuumska

komora le 4 senzorje, za ostale izračunamo korelacijo med sosednjimi senzorji.


TABELA 3.3 RAZPOREDITEV SENZORJEV IN KORELACIJE

Dejanska vrednost

senzorja zgoraj

levo (ZL)

Korelacijski

izračun vrednosti

ZL in ZD

Dejanska vrednost

senzorja zgoraj

desno (ZD)

Korelacijski

izračun vrednosti

ZL in SL

Korelacijski

izračun vrednosti

ZL, ZD, SL, SD

Korelacijski

izračun vrednosti

ZD in SD

Dejanska vrednost

senzorja spodaj

levo (SL)

Korelacijski

izračun vrednosti

SL in SD

Dejanska vrednost

senzorja spodaj

desno (SD)

Na desni strani aplikacije se nahaja seznam nalog (Slika 3.10). V seznam lahko dodamo

poljubno število nalog. Naloga se izvaja, kadar je izpolnjen temperaturni pogoj vakuumske

komore. Hkrati se izvajajo vse naloge, ki v danem trenutku izpolnjujejo temperaturni pogoj

»1.Condition« (Slika 3.8).


SLIKA 3.10 SLIKA SEZNAMA NALOG

Procedura se izvaja, dokler ni pretekel celotni čas za izvajanje, ki smo ga določili v

parametrih vakuumske komore, ali pa so se izvedli vsi cikli. Napredek izvajanja ciklov

lahko spremljamo v spodnjem desnem kotu aplikacije, kjer se nahaja vrstica napredka

»Progress Bar«.


Vsi prebrani podatki se zapisujejo v datoteke. Spremljamo jih lahko v zavihku

»Monitoring« v obliki grafa (Slika 3.11) za vsak kanal posebej.

Podatki, ki jih naprava za zajemanje po vodilu pošilja do aplikacije, se beležijo v

pomnilnik, saj lahko naprava za zajemanje na podlagi nastavitev parametrov

»SamplesToRead« (Število vzorcev za branje) in »SampleClock« (Vzorčna ura) vrača

veliko število podatkov. Graf se zaradi beleženja podatkov v pomnilnik ne izrisuje povsem

v realnem času, ampak z manjšim časovnim zamikom.

Skalo izrisovanja grafa si uporabnik lahko poljubno nastavi glede na želeno amplitudo ali

čas, ki ga želi spremljati. Do nastavitev skale grafa dostopamo z desnim miškinim klikom

kjerkoli v področju grafa.

SLIKA 3.11 GRAF ZAJEMA PODATKOV NA IZBRANEM KANALU


3.10 Beleženje merjenih podatkov

V datoteko se zapisujejo merjene vrednosti za vsak kanal posebej v obliki, ki je podana v

tabeli (Tabela 3.4).

TABELA 3.4 OBLIKE ZAPISOV PODATKOV

Vrednost

meritve

Čas zapisa Temperatura Vrednost

vakuuma

Analogna

merjena

napetost

Vrednost

napetosti v

voltih

Čas zapisa v

obliki hh:mm:ss

Temperatura v

stopinjah

Celzija na 4

decimalke

natančno

Vrednost

vakuuma v

mBar-ih na 3

decimalke

natančno

Analogno

merjen tok

Vrednost toka v

amperih

Digitalna

vrednost

0 ali 1

3.11 Struktura paketov za serijsko komunikacijo

Prvo polje paketa vsebuje informacijo o tipu paketa. Definirano je kot naštevalni tip (angl.

Enumeration – enum). Paketi, ki jih aplikacija prepozna so: REPORT = 1, ACK = 2, CTRL

= 3, WDOG = 4, TIME = 5.

Tipi paketov:

1. Paket REPORT

Je paket z imenom poročilo, ki ga vakuumska komora pošilja računalniku in

vsebuje podatke o stanju komponent v komori. Dolžina paketa je polje 29-ih bitov,

ki vsebujejo naslednje informacije:


TABELA 3.5 ZGRADBA PAKETA REPORT

Ime parametra Namen Dolžina

parametra

1. paramsDateTime Čas prejetega paketa, hh, mm, ss 3 biti

2. Temp_Vacuum_Pump.Status Status temperaturnega senzorja

vakuumske črpalke, 1-on, 0-off

1 bit

3. Temp_Turbo_Pump.Status Status temperaturnega senzorja

turbomolekularne črpalke, 1-on, 0-off

1 bit

4. Temp_Valve.Status Status temperaturnega senzorja

hladilnega sistema, 1-on, 0-off

1 bit

5. Temp_Diff_Pump.Status Status temperaturnega senzorja

difuzijske črpalke, 1-on, 0-off

1 bit

6. Temp_BL.Status Status senzorja spodaj levo, 1-on, 0-

off

1 bit

7. Temp_TL.Status Status senzorja zgoraj levo, 1-on, 0-off 1 bit

8. Temp_BR.Status Status senzorja spodaj desno 1-on, 0-

off

1 bit

9. Temp_TR.Status Status senzorja zgoraj desno 1-on, 0-

off

1 bit

10. Temp_Vacuum_Pump.Value Vrednost temperaturnega senzorja

vakuumske črpalke

2 bita

11. Temp_Turbo_Pump.Value Vrednost temperaturnega senzorja

turbomolekularne črpalke

2 bita

12. Temp_Valve.Value Vrednost temperaturnega senzorja

hladilnega sistema

2 bita

13. Temp_Diff_Pump.Value Vrednost temperaturnega senzorja

difuzijske črpalke

2 bita

14. Temp_BL.Value Vrednost senzorja spodaj levo 2 bita

15. Temp_TL.Value Vrednost senzorja zgoraj levo 2 bita

16. Temp_BR.Value Vrednost senzorja spodaj desno 2 bita


17. Temp_TR.Value Vrednost senzorja zgoraj desno 2 bita

18. Vacum_Pressure.Status Status senzorja za pritisk v komori, 1-

on, 0 – off

1 bit

19. Valve_out.Status Status hladilnega sistema, 1-on, 0-off 1 bit

20. Rotary_Pump_out.Status Status rotacijske črpalke 1-on, 0-off 1 bit

21. Turbo_Pump_out.Status Status turbomolekularne črpalke, 1-on,

0-off

1 bit

22. Diff_Pump_out.Status Status difuzijske črpalke, 1-on, 0-off 1 bit

23. Heater_1_out.Value Vrednost grelca številka 1, njegova

vrednost je med 0 in 255

1 bit

24. Heater_2_out.Value Vrednost grelca številka 1, njegova

vrednost je med 0 in 255

1 bit

25. Vacum_Pressure.Value Vrednost vakuuma v komori 4 biti

26. turbo_rpm.Value Vrednost vrtljajev turbomolekularne

črpalke, izraženo v obratih na minuto

1 biti

2. Paket ACK

Je potrditveni paket, ki ga vakuumska komora pošilja računalniku. Pošlje ga le

takrat, kadar smo komori poslali paket iz aplikacije in ga mora komora potrditi, da

je paket uspešno prejela.

3. Paket CTRL

Je kontrolni paket, s katerim posredujemo parametre iz strani aplikacije h komori.


TABELA 3.6 ZGRADBA PAKETA CTRL


parametra

1. ActuatorValuePWM1 Vrednost grelca 1, vrednost je med 0

in 255

1 bit

2. ActuatorValuePWM1 Vrednost grelca 2, vrednost je med 0

in 255

1 bit

3. ActuatorStateCooling Status hladilnega sistema, 1-on, 0-off 1 bit

4. ActuatorStateVacuumPump Status vakuumske črpalke, 1-on, 0-off 1 bit

5. ActuatorStateTurboPump Status turbomolekularne črpalke, 1-

on, 0-off

1 bit

6. ActuatorStateDiffPump Status difuzijske črpalke, 1-on, 0 off 1 bit

4. Paket WDOG

Je paket »watchdog« oziroma obrambni mehanizem, ki ga pošilja aplikacija

vakuumski komori. Paket WDOG varuje sistem s časovnikom. Če aplikacija

določen interval ne pošlje paketa WDOG, vakuumska komora prekine izvajanje

gretja, hlajenja in izsesavanja zraka, saj sklepa, da je prišlo do motenj v delovanju

aplikacije.

TABELA 3.7 ZGRADBA PAKETA WDOG


parametra

1. / Pošlje se heksadecimalna vrednost

0x04, kar pomeni decimalno vrednost

4, kar je ime paketa WDOG

1 bit

5. Paket TIME

Je paket, ki vsebuje podatke o času in ga aplikacija pošlje vakuumski komori.

Dolžina paketa je 4 bite. Prvi bit je ime paketa. Pošlje se le ob vzpostavitvi serijske

povezave med računalnikom in vakuumsko komoro. Namen tega paketa je, da si

komora nastavi trenutni čas.


TABELA 3.8 ZGRADBA PAKETA TIME


parametra

1. DateTime.Now.Hour Podatek o uri aplikacije 1 bit

2. DateTime.Now.Minute Podatek o minutah aplikacije 1 bit

3. DateTime.Now.Second Podatek o sekundah aplikacije 1 bit

3.12 Temperaturni senzor površine

Aplikaciji je dodan tudi modul za spektralno merjenje temperature na površini mizice v

komori (Slika 3.12). Merimo lahko:

celotno površino mizice,

izbrano površino mizice,

poljubno točko na površini mizice.

SLIKA 3.12 MODUL APLIKACIJE ZA SPEKTRALNO MERJENJE TEMPERATURE


3.13 Programsko okolje Visual Studio

Za razvoj aplikacije smo uporabili razvojno okolje proizvajalca Microsoft in sicer Visual

Studio 2008 C#. Visual Studio je integrirano razvojno okolje, ki se uporablja za razvoj

konzolnih aplikacij, grafičnih uporabniških aplikacij (GUI), Windows form, spletnih strani,

spletnih aplikacij in spletnih servisov.

Podpira različne programske jezike. Vgrajeni so jeziki C/C++, VB.NET in C# [5].

3.14 Programski jezik C#

C Sharp je programski jezik, ki je postopkoven, funkcionalen, generičen in objektno

naravnan, kar pomeni, da je razredno orientiran. Razvit je bil s strani podjetja Microsoft.

C# je integriran v programsko okolje Visual Studio, ker je preprost, moderen in je

namenjen splošni uporabi programskega jezika [6].

3.15 Future Technology Devices International – FTDI

Komunikacija med računalnikom, na katerem je nameščena aplikacija, in komoro poteka

preko vmesnika FTDI. FTDI [16] je kratica za podjetje Future Technology Devices

International, ki je specializirano za univerzalna serijska vodila (USB).

Povezava med napravama se vzpostavi tako, da preko USB priključka na računalnik

povežemo FTDI čip, ob pogoju, da je na operacijskem sistemu nameščen ustrezen gonilnik

za FTDI vmesnik. FTDI naredi virtualna COM vrata, ki deluje na enak princip kot klasičen

COM priključek. Le-ta deluje preko serijske povezave. Serijska komunikacija [7] je

komunikacija med dvema napravama, kjer se informacije prenašajo bit po bit.


4 Meritve in rezultati

Delovanje aplikacije smo prikazali na primeru temperaturno spremenljivega upora –

termistorja. Izmeriti je bilo potrebno padec napetosti na uporu in tok skozi upor. Z

izmerjenima podatkoma smo lahko izračunali upornost termistorja ob določeni

temperaturi. Podatke smo primerjali s kataloškimi podatki proizvajalca termistorja. Vse

podatke smo prikazali v tabelah.

Termistor smo povezali z napravo za zajemanje. Merili smo padec napetosti na termistorju

pri temperaturno spremenljivih pogojih in tok skozi termistor. Napetostni izhod naprave za

zajemanje smo nastavili na enosmerno napetost DC. Vrednost napetostnega kanala je

znašala 5 V. Kot vhodna kanala na napravi za zajem podatkov smo nastavili kanal AI0, ki

je služil za merjenje napetosti in kanal AI1, ki je služil kot kanal za merjenje električnega

toka skozi termistor. Vakuumsko komoro smo nastavili na temperaturno območje med

temperaturama -30 °C in 80 °C. Naredili smo 2 cikla od maksimalne do minimalne

temperature pri vakuumu.

4.1 Preizkusna komponenta

Preizkusna komponenta je termistor (Slika 4.1) NTC SMD B57891M0103. Njegova

upornost pri sobni temperaturi 25 °C je 10.000 Ohmov. Njegova RT/R25 karakteristika, kar

pomeni razmerje upornosti med želeno temperaturo in temperaturo 25 °C, je 4901 (Slika

4.2).


SLIKA 4.1 DEJANSKA SLIKA TERMISTORJA

Sliko smo zajeli s kamero na endoskopu in jo shranili na računalnik s pomočjo programa

VLC. Termistor smo obtežili s kovinsko ploščico, da je imela boljši stik s površino mizice.

Z boljšim stikom termistorja s površino mizice smo zagotovili, da je bil prenos toplote med

mizico in termistorjem boljši. Termistor smo postavili na sredino mizice.


SLIKA 4.2 RT KARAKTERISTIKA PREIZKUSNEGA TERMISTORJA [15]


4.2 Vezava preizkusne komponente

Po usmeritvi termistorja v vakuumsko komoro, smo naredili povezavo z napravo za

zajemanje na način, kot kaže shema (Slika 4.3) in enačba (4.1). V točki V' smo merili tok I

in napetost V. Točko V' smo povezali na vhod naprave za zajemanje kanala AI0, za

merjenje napetosti in na kanal AI1, za merjenje toka, ki teče skozi termistor R1.

SLIKA 4.3 VEZAVA PREIZKUSNEGA TERMISTORJA

1

2 2

' RV UVI

R R

, 2

'V VR

I

(4.1)

1

2

10 - pri 25°C

1

R k

R k

Primer:

Temperatura je bila 15 minut na 80 °C pri histerezi 0,25 °C. Termistor R1 znaša 10 kOhm

pri temperaturi 25 °C. Upor R2 pa 1 kOhm. Vhodna napetost vezja oz. izhod naprave za

zajem DAQ je znašala 5 V. Na podlagi 281 meritev, ki so bile zabeležene v času petnajstih

minut, je povprečna vrednost napetosti v točki V' pri 80 °C znašala 2,814 V. Kolikšna je

vrednost termistorja pri 80 °C in kolikšno je razmerje RT/R25?


25

' 5 2,8140,002186

1

' 5 (5 2,814 )1287,28

0,002186

1287,280,1287

10

T

T

V V VI A

R k

V V V V VR

I A

R

R k

(4.2)

Pri tem izračunu (4.2) smo vzeli vrednost, ki ni povprečna vrednost več meritev, ampak

vrednost, ki se je ob meritvah najbolj približala vrednosti v proizvajalčevi tabeli. Razlika je

v tem primeru zelo majhna. Izračun je pokazal vrednost RT/R25 = 0,1287. Vrednost

proizvajalca je 0,12901. Razlika je samo 0,00031. Relativna napaka znaša le 0,24 %. V

točki »3.5 Primerjava med izmerjenimi vrednostmi in vrednostmi proizvajalca« bodo

predstavljeni podatki, ki temeljijo na povprečnih vrednostih več meritev, zato bo

odstopanje večje.


4.3 Meritve preizkusne komponente

Meritve, katere smo zabeležili v datoteko, smo uvozili v programsko orodje Microsoft

Office Excel. Glede na temperaturo smo v grafu narisali napetostno in tokovno odvisnost.

4.3.1 Merjenje napetosti

Na termistorju je bila napetost pri 80 °C približno 2,8 V, pri -30 °C pa nekoliko manj kot 5

V, saj se pri nizkih temperaturah na uporu troši zelo malo moči. Temperaturo smo 15

minut držali na 80 °C in -30 °C. Ker preizkusna komponenta potrebuje dalj časa, da se

segreje na enako temperaturo kot mizica, zaradi prenosa toplote, je tudi napetost v

petnajstih minutah nekoliko padla pri najvišji temperaturi oziroma narasla pri najnižji

temperaturi. Graf (Slika 4.4) prikazuje spreminjanje napetosti v odvisnosti od časa med

temperaturama 80 °C in -30 °C.

SLIKA 4.4 GRAF SPREMINJANJA NAPETOSTI V ODVISNOSTI OD TEMPERATURE

4.3.2 Merjenje električnega toka

Tok in napetost sta po Ohmovem zakonu linearno povezana z enačbo *U R I , zato je na

grafu, kjer je prikazana tokovna odvisnost, tok najvišji, kjer je bila napetost najnižja. Tudi

pri toku se je zgodilo enako kot pri napetosti. Poraba toka je v petnajst minutnem držanju

temperature na bodisi 80 °C bodisi -30 °C nekoliko narasla oziroma padla.


SLIKA 4.5 GRAF SPREMINJANJA ELEKTRIČNEGA TOKA V ODVISNOSTI OD TEMPERATURE

4.3.3 Spreminjanje upornosti termistorja

Upornost termistorja je predstavljena v grafu v logaritemskem merilu. Najvišja upornost

termistorja je bila pri najnižji temperaturi. Upornost pri temperaturi -30 °C je znašala

približno 150 kΩ. Najnižja upornost je bila pri najvišji temperaturi. Pri temperaturi 80 °C

je znašala približno 1,3 kΩ. Ob gretju od -30 °C do 80 °C, je upornost padala linearno.

V prvem grafu (Slika 4.6) je prikazan cikel, kjer smo ohlajali komoro iz 80 °C na -30 °C.

Upornost ni enako linearna kot v drugem grafu (Slika 4.7), kjer smo komoro segrevali. Do

razlike v obliki krivulje je prišlo, saj hladilni in grelni sistem ne delujeta enako. V poglavju

»Gretje in hlajenje« je predstavljen graf, kateri prikazuje, kako se gretje in hlajenje

razlikujeta.


SLIKA 4.6 GRAF SPREMINJANJA UPORNOSTI PRI OHLAJANJU

SLIKA 4.7 GRAF SPREMINJANJA UPORNOSTI PRI SEGREVANJU


4.3.4 Primerjava med izmerjenimi vrednostmi in vrednostmi

proizvajalca

Proizvajalec v svojem dokumentu ne podaja vrednosti za meritve v vakuumu. Vrednosti

proizvajalca termistorja so bile podane pri atmosferskem tlaku, medtem ko smo naše

meritve podali v vakuumu. Za primerjavo smo vzeli grelni cikel merilnih podatkov, saj se

krivulja grelnega cikla bolj približa linearnosti od cikla, kjer smo komoro ohlajevali.

Če primerjamo obe krivulji, ugotovimo, da se vrednosti krivulj v skrajnih točkah, pri 80 °C

in -30 °C, zelo približata. Pri gretju komore pa se razmik vrednosti faktorja RT/R25 med

krivuljama poveča. Vzrok za to razliko je, ker smo temperaturo na skrajnih mejah držali 15

minut in se je temperatura termistorja zelo približala temperaturi mizice v komori, medtem

ko se pri gretju termistor ni grel popolnoma enako kot mizica v komori. Prenos toplote se

ne zgodi v trenutku, zato bi morali ob vsaki želeni meritvi temperaturo držati določeno

daljše časovno obdobje.

RT/RT25

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-30 -10 10 30 50 70

Temperatura[°C]

RT

/RT

25

Dejanska vrednost RT/RT25 Vrednost iz tabele RT/RT25

SLIKA 4.8 PRIMERJAVA DEJANSKE VREDOSTI Z VREDNOSTJO PROIZVAJALCA RT/R25


Tabela 4.1 in graf (Slika 4.9) prikazujeta primerjavo med povprečnimi izmerjenimi

vrednostmi RT/R25 in vrednostmi, ki jih podaja proizvajalec pri atmosferskem tlaku. V

tabeli 4.1 je prikazana tudi razlika med vrednostma ter relativna napaka.

Relativno napako smo izračunali po enačbi (4.3).

xr

x

(4.3)

r – relativna napaka

Δx - odmik od povprečja

x - povprečna vrednost

SLIKA 4.9 GRAF ODSTOPANJA RT/R25 V ODVISNOSTI OD TEMPERATURE T


TABELA 4.1 PRIMERJAVA DEJANSKIH VREDNOSTI RT/R25 IN PROIZVAJALČEVIH PRI ATMOSFERSKEM TLAKU

Temperatura[°C] RT/R25 [15]

Povprečna RT/RT25

izmerjena

v vakuumu

(na podlagi več

meritev) Odstopanje

Relativna

napaka [%]

-30 16,915 14,60827281 2,306727 13,63716931

-25 12,555 15,58352035 3,02852 24,12202588

-20 9,4143 11,67890737 2,264607 24,05497353

-15 7,1172 9,432009737 2,31481 32,52416312

-10 5,4308 7,365199055 1,934399 35,61904425

-5 4,1505 5,878004831 1,727505 41,62160779

0 3,2014 5,036254127 1,834854 57,31411654

5 2,5011 3,682884804 1,181785 47,2506019

10 1,9691 2,932518884 0,963419 48,92686424

15 1,5618 2,51250372 0,950704 60,87230889

20 1,2474 1,875171518 0,627772 50,32640038

25 1 1,496519219 0,496519 49,65192195

30 0,808 1,202220247 0,39422 48,78963457

35 0,6569 0,968658472 0,311758 47,45904581

40 0,5372 0,788354674 0,251155 46,75254541

45 0,44235 0,636229237 0,193879 43,82937436

50 0,3661 0,519350451 0,15325 41,86027064

55 0,30393 0,32091764 0,016988 39,70250054

60 0,25359 0,348765651 0,095176 37,53131078

65 0,21283 0,28737647 0,074546 35,02629779

70 0,17942 0,238805897 0,059386 33,09881682

75 0,15183 0,198830401 0,047 30,95593828

80 0,12901 0,153860029 0,02485 19,26209504


4.4 Primerjava vrednosti med dvema cikloma

Primerjava vrednosti RT/R25 med dvema povprečnima rezultatoma, kjer je natančnost

največja, pri temperaturi 80 °C je sledeča. Pri obeh ciklih je bila temperatura na 80 °C 15

minut. V prvem ciklu je znašala povprečna vrednost RT/R25 = 0,129604, v drugem pa

0,153860029. Razlika je 0,024256029. To pomeni, da razlika preračunana v upornost

znaša 242 Ohmov med enim in drugim ciklom.

4.5 Natančnost temperaturne histereze

Temperaturna histereza pri maksimalni temperaturi je nastavljena tako, da mora biti

temperatura znotraj območja, ki je četrtino stopinje pod, ali pol stopinje nad, od nastavljene

temperature, preden se vključi grelni oziroma hladilni sistem.

Moč grelcev lahko spreminjamo s pomočjo modulacije PWM. Tako lahko temperaturo

natančneje reguliramo. Regulacija poteka tako, da grelca delujeta s polno močjo, dokler ni

povprečna temperatura mizice v komori stopinjo nižja od želene. V tem primeru je želena

temperatura 80 °C. Pri temperaturi 79 °C preidemo v histerezno območje. V tem območju

se začne izračun vrednosti PWM za oba grelca in se izračunava, dokler ne dosežemo

temperature, ki je četrtino stopinje pod želeno temperaturo. Ko temperatura doseže

vrednost, ki je za četrtino manjša od želene temperature, se grelca izključita, saj se zaradi

počasnega prenosa toplote velike površine mizice v komori, temperatura še nekoliko

dvigne.

Izračun vrednosti PWM, kadar je temperatura manj kot stopinjo od želene vrednosti ali

hkrati nižja od četrtine stopinje od želene vrednosti, poteka s pomočjo funkcije. Funkcija,

ki na vhodu dobi želeno temperaturo in povprečno vrednost temperature mizice v komori,

izračuna razliko med želeno vrednostjo in povprečno temperaturo mizice v komori.

Razliko pomnoži z vrednostjo 240 in pošlje vrednost na izhod. Manjša kot je razlika med

želeno vrednostjo in povprečno vrednostjo mizice v komori, manjši je faktor PWM. Manjši

kot je faktor PWM manj moči porabljata grelca. Vrednost 240 smo določili

eksperimentalno. Pri tej vrednosti smo dobili rezultate, kot so prikazani v grafu.


SLIKA 4.10 GRAF TEMPERATURNE HISTEREZE PRI MAKSIMALNI TEMPERATURI

Hladilni sistem deluje vedno s polno močjo. Kadar je temperatura za pol stopinje večja od

želene vrednosti, se hladilni sistem vključi in, kadar je manjša od pol stopinje od želene

temperature, se izključi. Območje je večje kot pri gretju, saj pri hlajenju nimamo

modulacije, s katero bi lahko regulirali moč hlajenja.

SLIKA 4.11 GRAF TEMPERATURNE HISTEREZE PRI MINIMALNI TEMPERATURI

4.6 Hlajenje in gretje

S preizkusom smo naredili 2 cikla. Iz grafa (Slika 4.12) je razvidno, da se del temperaturne

krivulje, ko je tekel cikel gretja, veliko bolj približa linearnosti, kot del krivulje, kjer je

tekel cikel hlajenja.


-40

-20

0

20

40

60

80

10010:55:53 11:24:41 11:53:29 12:22:17 12:51:05 13:19:53 13:48:41 14:17:29

Te

mp

era

tura

[°C

]

Čas

Temperatura

Linearno naraščanje temperature Linearno padanje temperature

Temperaturna krivulja

SLIKA 4.12 GRAF TEMPERATURNE ODVISNOSTI OD ČASA

Zaradi počasnega prenosa toplote v aluminiju, iz katerega je mizica v vakuumski komori,

se celotna mizica segreva bolj enakomerno, saj je segrevanje počasnejše in preizkušena

komponenta enakomerneje sprejema toploto od mizice. Hlajenje ni tako linearno med

temperaturama -30 °C in 80 °C kot pri segrevanju, zato je razlika med različnimi

temperaturnimi področji mizice večja kot pri segrevanju in se tako pojavi razlika med

meritvami pri isti temperaturi ob grelnem delu cikla in hlajenem delu cikla. Tako, da smo

meritve spremljali ob grelnih ciklih, zaradi večje linearnosti.

4.7 Hitrost naraščanja in padanja temperature

Iz grafa (Slika 4.12) je razvidno, da tudi, če del krivulje, kjer ohlajamo, lineariziramo ter

linearizirano primerjamo z grelnim delom krivulje, spreminjanje temperature s časom ni

pri obeh delih krivulj enako. Zato smo naredili izračun, kako hitro lahko glede na čas,

grelni sistem greje ter kako hitro lahko hladilni sistem hladi.


Izračun padanja in naraščanja temperature (4.4):

( )T

T tt

(4.4)

T(t) – spreminjanje temperature s časom

ΔT – sprememba temperature

Δt – sprememba časa

Cikel hlajenja:

Točka grelnega maksimuma ob času t1 11:03:02 je bila T1 79,7475 °C. Točka

ohlajevalnega minimuma ob času t2 12:03:11 je bila T2 -30,0125 °C.

1 2min

1 2

109,76( ) ( ) 0,03 1,82

3609C C

s

T T CT t abs

t t s

(4.5)

Cikel segrevanja:

Točka ohlajevalnega minimuma ob času t1 12:18:11 je bila T1 -29,3725 °C. Točka

grelnega maksimuma ob času t2 13:12:55 je bila T2 79,8725 °C.

1 2min

1 2

109,245( ) ( ) 0,033 1,996

3284C C

s

T T CT t abs

t t s

(4.6)

Grelni cikel je glede na izračun iz enačb 4.5 in 4.6 krajši, saj segrevamo v povprečju z

1,996 °C/min, hladimo pa z 1,82 °C/min. Razlika sicer ni zelo velika. Znaša 0,176 °C/min,

vendar je pri velikem temperaturnem razponu med minimumom in maksimumom razlika v

času precejšnja.

4.8 Ustvarjanje vakuuma

Vakuum ustvarjamo s pomočjo treh vakuumskih črpalk. Aplikacija deluje tako, da

temperaturne regulacije ne moramo začeti, dokler vakuum ne doseže določene vrednosti.

Vrednost, kjer začnemo temperaturno regulacijo, in s tem z merjenjem podatkov na

napravi za zajemanje, je 0,5 mBar. V preizkusu s termistorjem, ki smo ga opravili, smo

uporabili le rotacijsko in turbomolekularno črpalko. Skupaj sta črpalki ustvarili pritisk

približno 0,03 mBar (Slika 4.13).


SLIKA 4.13 GRAF TLAKA V ODVISNOSTI OD ČASA

Tlak je precej hitro upadal do vrednosti 0,1 mBar. Mejo za zajem podatkov pri 0,5 mBar

smo določili prav zato, da lahko pokažemo vrednost, kjer se tlak v komori umiri, oziroma

postane dokaj konstanten. Iz grafa (4.14), ki je zoženo časovno območje grafa (Slika 4.13)

bomo izračunali povprečno vrednost padanja tlaka med območjema 0,5 mBar in 0,1 mBar

(4.7).

Točka p1 pri tlaku 0,485 je bila ob času 10:55:54. Točka p2 pri tlaku 0,1 je bila ob času

10:57:53.

1 2min

1 2

0,385( ) ( ) 0,00324 0,194

119mBar mBar

s

p p mBarp t abs

t t s

(4.7)


SLIKA 4.14 GRAF TLAKA V ODVISNOSTI OD ČASA

4.9 Temperaturna slika

S pomočjo brezkontaktnega IR merilnika temperature lahko pogledamo spekter

temperature na mizici. Pogledamo lahko temperaturo na celotni površini (Slika 4.16), na

določenem delu površine (Slika 4.15) ali pa samo v določeni točki.


SLIKA 4.15 TEMPERATURNA SLIKA DELA MIZICE V VAKUUMSKI KOMORI POSNETA Z IR MERILNIKOM

SLIKA 4.16 TEMPERATURNA SLIKA CELOTNE MIZICE V VAKUUMSKI KOMORI POSNETA Z IR MERILNIKOM


5 Sklep

Ob izdelavi aplikacije za upravljanje vakuumske komore s samodejnim zajemom merilnih

podatkov smo se soočili z izzivom, kako preizkušati elektronske komponente v

spremenljivih pogojih. Vakuumska komora je namenjena spremljanju obnašanja v

določenih spremenljivih pogojih, vendar ni zgrajena tako, da bi lahko simulirali takšne

pogoje, kot jih določajo standardi, ampak, da se v študentskih projektih pokaže delovanje

novo razvitih naprav v spremenljivih pogojih. Predstavili smo nekaj standardov, katerim

ustrezamo. Veliko standardov se nanaša na specifične komponente, zato smo te izvzeli, saj

jih je preveč.

Kolikor nam je strojna oprema omogočala, samo se v aplikaciji poskušali približati

želenemu cilju. Temperaturno regulacijo smo naredili dovolj natančno, medtem ko na

vakuumsko regulacijo nismo imeli večjega vpliva, saj trenuten sistem ne omogoča

nastavljanja želenega vakuuma. Usklajenost, oziroma sinhronost delovanja vakuumske

komore z zajemom podatkov je zelo natančna, saj merilne podatke vzorčimo zelo pogosto.

Prikaz podatkov pri sprotnem spremljanju grafa znotraj aplikacije je nekoliko zakasnjen ob

večjem številu nalog. Zakasnitev je posledica beleženja podatkov v pomnilniku. V

pomnilnik shranjujemo podatke zaradi sprotnega zapisovanja v datoteke.

Ena izmed večjih težav je bila razlika med ohlajevanjem in gretjem. Sistem za gretje greje

dokaj linearno in se merjena komponenta tudi enakomerneje segreva, medtem ko hladilni

sistem ne hladi enakomerno po celotnem temperaturnem območju. Odločili smo se, da

bomo uporabili meritve ob grelnih ciklih zaradi enakomernosti gretja. Ob primerjavi

vrednosti dveh ciklov smo opazili, da je razlika v upornosti termistorja precej velika. To

pomeni, da rezultati niso povsem ponovljivi.


6 Literatura

[1] M. Solar, Meritve v elektroniki, Založništvo FERI, Maribor, 2001

[2] ed. R. Kirschman, J. Wiley & Sons/IEEE Press, High-Temperature Electronics,

1998/1999

[3] Commitee on Materials for High-Temperature Semiconductor Devices, Materials

for High-Temperature Semiconductor Devices, Washington D.C., 1995

[4] Outgassing, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Outgassing, 2013

[5] Visual Studio 2008, Wikipedia,

http://en.wikipedia.org/wiki/Microsoft_Visual_Studio#Visual_Studio_2008, 2014

[6] C Sharp (programming language), Wikipedia,

http://en.wikipedia.org/wiki/C_Sharp_(programming_language), 2014

[7] Serial port, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Serial_port, 2014

[8] Dallas DS18B20, Datasheet,

http://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Sensors/Temp/DS18B20.pdf, 2014

[9] National Instruments, DAQ X Series User manual, 2009

[10] Pfeiffer Vacuum, Vacuum Technology Know How,

http://www.pfeiffer-vacuum.com/, 2014

[11] Department Of Defense Test Method Standard: Microcircuits, MIL-STD-883H,

2010

http://en.wikipedia.org/wiki/Outgassing

http://en.wikipedia.org/wiki/Microsoft_Visual_Studio#Visual_Studio_2008

http://en.wikipedia.org/wiki/C_Sharp_(programming_language)

http://en.wikipedia.org/wiki/Serial_port

http://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Sensors/Temp/DS18B20.pdf

http://www.pfeiffer-vacuum.com/


[12] European Coorporation for Space Standardization, ECSS-E-10-02A Space

Engeenering: Validation, Noordwijk, 1998

[13] European Coorporation for Space Standardization, ECSS-E-10-03A Space

Engeenering: Testing, Noordwijk, 2002

[14] Thermistor NTC, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Thermistor#NTC, 2014

[15] Epcos, NTC thermistors for temperature measurements, Datasheet, 2013

[16] FTDI, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/FTDI, 2012

[17] PTC, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Thermistor#PTC, 2014

[18] R. Kirschman, Tutorials, http://www.extremetemperatureelectronics.com/, 2012

[19] Vacuum, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum, 2014

http://en.wikipedia.org/wiki/Thermistor#NTC

http://en.wikipedia.org/wiki/FTDI

http://en.wikipedia.org/wiki/Thermistor#PTC

http://www.extremetemperatureelectronics.com/

http://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum


KAZALO SLIK

SLIKA 2.1 VAKUUMSKA KOMORA .......................................................................................................................2

SLIKA 2.2 DALLASOV TEMPERATURNI SENZOR [8] .............................................................................................3

SLIKA 2.3 TEMPERATURNI REGISTER [8] ............................................................................................................3

SLIKA 2.4 NOTRANJOST VAKUUMSKE KOMORE IN IR MERILNIK TEMPERATURE ..............................................4

SLIKA 2.5 MONITOR ENDOSKOPSKE KAMERE ....................................................................................................5

SLIKA 2.6 ENDOSKOPSKA KAMERA .....................................................................................................................5

SLIKA 2.7 PRIMER KONTAKTOV [18] .................................................................................................................12

SLIKA 3.1 ZGRADBA NI-DAQ 6343 [9] ...............................................................................................................23

SLIKA 3.2 VHODNO/IZHODNE POVEZAVE NAPRAVE NI-DAQ [9] ......................................................................24

SLIKA 3.3 SHEMA ANALOGNIH VHODOV NAPRAVE NI-DAQ [9] .......................................................................25

SLIKA 3.4 SHEMA ANALOGNIH IZHODOV NAPRAVE NI-DAQ [9] ......................................................................27

SLIKA 3.5 SHEMA DIGITALNIH VHODOV IN IZHODOV [9] .................................................................................28

SLIKA 3.6 GUI UPRAVITELJ PARAMETROV STANDARDOV ................................................................................30

SLIKA 3.7 SLIKA NASTAVITEV PARAMETROV VAKUUMSKE KOMORE ..............................................................31

SLIKA 3.8 GUI VMESNIK ZA PRIKAZ NASTAVITEV OPRAVIL V APLIKACIJI ..........................................................32

SLIKA 3.9 SPREMLJANJE POGOJEV V VAKUUMSKI KOMORI IN DELOVANJE ....................................................33

SLIKA 3.10 SLIKA SEZNAMA NALOG..................................................................................................................35

SLIKA 3.11 GRAF ZAJEMA PODATKOV NA IZBRANEM KANALU ........................................................................36

SLIKA 3.12 MODUL APLIKACIJE ZA SPEKTRALNO MERJENJE TEMPERATURE ...................................................41

SLIKA 4.1 DEJANSKA SLIKA TERMISTORJA ........................................................................................................44

SLIKA 4.2 RT KARAKTERISTIKA PREIZKUSNEGA TERMISTORJA [15] ..................................................................45

SLIKA 4.3 VEZAVA PREIZKUSNEGA TERMISTORJA ............................................................................................46

SLIKA 4.4 GRAF SPREMINJANJA NAPETOSTI V ODVISNOSTI OD TEMPERATURE .............................................48

SLIKA 4.5 GRAF SPREMINJANJA ELEKTRIČNEGA TOKA V ODVISNOSTI OD TEMPERATURE ..............................49

SLIKA 4.6 GRAF SPREMINJANJA UPORNOSTI PRI OHLAJANJU .........................................................................50

SLIKA 4.7 GRAF SPREMINJANJA UPORNOSTI PRI SEGREVANJU .......................................................................50

SLIKA 4.8 PRIMERJAVA DEJANSKE VREDOSTI Z VREDNOSTJO PROIZVAJALCA RT/R25 ....................................51

SLIKA 4.9 GRAF ODSTOPANJA RT/R25 V ODVISNOSTI OD TEMPERATURE T ....................................................52

SLIKA 4.10 GRAF TEMPERATURNE HISTEREZE PRI MAKSIMALNI TEMPERATURI .............................................55

SLIKA 4.11 GRAF TEMPERATURNE HISTEREZE PRI MINIMALNI TEMPERATURI ...............................................55

SLIKA 4.12 GRAF TEMPERATURNE ODVISNOSTI OD ČASA ...............................................................................56

SLIKA 4.13 GRAF TLAKA V ODVISNOSTI OD ČASA.............................................................................................58

SLIKA 4.14 GRAF TLAKA V ODVISNOSTI OD ČASA.............................................................................................59

SLIKA 4.15 TEMPERATURNA SLIKA DELA MIZICE V VAKUUMSKI KOMORI POSNETA Z IR MERILNIKOM .........60

SLIKA 4.16 TEMPERATURNA SLIKA CELOTNE MIZICE V VAKUUMSKI KOMORI POSNETA Z IR MERILNIKOM ...60




Documents

UPRAVLJANJE VAKUUMSKE KOMORE S SAMODEJNIM …2.1 Zgradba vakuumske komore Vakuumska komora (Slika 2.1) je prostor, iz katerega izčrpamo zrak in ostale pline s pomočjo vakuumskih