Готовимся погрузится в арктические температуры

Большая термокамера которую я сделал ранее, в принципе почти всем меня устраивает. Но иногда я упираюсь в ее пределы +5°C…+70°C. За окном были морозы под -25°C, а камера даже до нуля не спускается при тестировании… не солидно! По этому на досуге родилась мысль расширить температурный диапазон до -50°C…+80°C. Потому-что не хватает температурной вилки.

Поскольку моя Arroyo 5305 более-менее универсальна и выдает до +-12V +-5A(+-60W), я решил попробовать спустится ближе арктическим температурам, всетаки жарой наша страна не отличается. Для этого надо  сконструировать еще одну термокамеру, но на этот раз уже на базе 4-х стадийного модуля Криотерм TB-4-(127-71-31-17)-1,65.

 Смысл многостадийных модулей в том, что на одном слое пар PN переходов может образоваться диферент около 60-70 градусов максимум, не более того, причем чем деферент больше, тем ниже эффективность модуля. Если добавить еще один слой пар PN переходов, то можно сделать диферент выше, но т.к. КПД  слоя далеко не равно 100%, от он паразитно греет слой под ним. Чтобы понизить паразитный эффект, мощность каждого последующего слоя понижают, уменьшая колличество пар. А после добавления 3-го…4-го слоя прирост разницы температур уже практически не заметен, т.к. все слои только и делают что греют друг-друга. По этому больше слоев никто никогда не делает. Получается что если однослойный пельт может на пике дать разницу до 60-70 градусов, то 4-х слойный может выдать разницу уже до 100-130 градусов.

По прикидкам, при хорошей изоляции и маленьком боксе я рассчитываю выйти на температуры -50°C….+80°C. А его довольно солидный Qmax в 14 ватт должен позволить возможность резкого термоудара с большим дифферентом как на понижение, так и конечно-же на повышение температуры, при невысокой тепловой массе бокса.

Почему выбирается маленький бокс поясню — чем меньше площадь стен изолятора тем меньше потери тепла. Так-же моя текущая термокамера не позволяет организовывать термоудары со скоростями свыше 3.5°C/мин. Это связано с тем, что теплообмен в ней построен по методу тепловой пушки, дабы прогреть как можно равномернее весь объем бокса и потому, что бокс сам по себе очень большой и тепловая масса огромна.

Но во всем этом есть один неприятный момент — ненулевая влажность. Дело в том, что вся влага из окружающего модуль воздуха будет мгновенно конденсироваться и замерзать в структуре модуля, постепенно повреждая его. А в определенных частях модуля возможно образование постоянного пара-водянного цикла, из за чего эффективность охлаждающих свойств модуля неизбежно понизится. Чтобы этого избежать при заказе модуля я заказал герметизацию.

Решено было выбрать эпоксидный герметик, как вариант с минимальной паразитной потерей мощности и максимальной герметизацией. Учитывая планируемые скорости термоциклирования 0.1…0.5°C/мин., этот вариант вполне подходящий.

Прикинув все температурные параметры я остановился на выборе бокса Gainta B037MF.

Если вкачать всю хладо-производительность или нагрев в такую малую тепловую массу, да еще и организовать прямой контакт с элементом Пельтье, то я думаю смогу получить скорость термоудара до 20°C/мин. Благо предельная скорость нарастания регулируется в настройках Арройки, и нежным DUT’ам на подобии металфойла от Vishay ничего не грозит.

В качестве-же теплоотвода, я решил не отходить от традиций, и закупить еще одну водянку ID-Cooling. Как показывает практика, они отлично отводят все 60 Ватт тепла с модулей Пельтье.

Размышляя о остальном обеспечении камеры, меня ждал сюрприз. Для меня вполне очевидно, что NTC-термисторы которые я так полюбил, будут уже фиговенько справляется с задачами на глубоко-минусовых температурах. Пришлось вплотную задуматься о Platinum RTD. Но как оказалось, температуры -50°C и ниже для них классифицируются уже как криогенный класс. Благо для таких температурных задротов как я, Heraeus варит недорогие Pt100 Cryogenic-grade сенсоры.

По сути, для обратной связи более чем достаточно обычного класса В, т.к. температура DUT все равно будет немного отличаться от температуры обратной связи. А вот чтобы датчик обратной связи гарантированно и с запасом вкладывался во весь возможный диапазон температур термокамеры и имел при этом гарантированные характеристики, важно. Температуру-же DUT-а в любом случае надо будет отдельно контролировать с TI TMP117,  который сравним с наивысшим классом AA и работает в диапазоне -55°C…+150°C.

Я обычно креплю сенсоры обратной связи на клей ЭДП внутри боксов, но тут опять меня ждал сюрприз. Выяснилось что этот клей вообще не нормируется для минусовых температур. Немного поискав я понял, что далеко не все эпоксидки нормируются на минусовые температуры, а если и нормируются, то минимум что я нашел, это -50°C. С другими клеями та-же история. По видимому мне надо будет испытать качественную эпоксидку, типа такой, или пересмотреть варианты крепления датчика в боксе.

Расчёт криотермовской софтиной показывает, что я таки должен приблизится к заветной планке -50°C. Сколько получится по факту, неизвестно, покажет только эксперимент. Тут в тему будет вспомнить, что сам модуль тоже заэпоксиден, но его паспорт обещает работу на -50°C crazy

В данном случае, при близком к нулю тепловыделении DUT, надо ориентироваться на температуру Tc, поскольку стенки бокса это и есть радиатор холодной стороны, а софтина не умеет это считать.

Расчеты показывают, что можно попытаться применить и более бюджетный 2-х стадийный модуль. Однако при условии отсутствия ошибок в изоляции и проблем в передаче тепла, 4-х стадийный может опустить температуру даже ниже -50°C, а вот двухстадийка не сможет.

Внимательный читатель обратил внимание на разность мощностей вкачиваемой в пельтьешку W=54.7Вт и отбираемой с холодной стороны Qc=3.1Вт. То есть КПД всего 6% ! Это действительно близко к истине, поскольку чем выше дифферент температур горячей и холодной сторон модуля, тем ниже КПД модуля, даже если он 4-х стадийный. К сожалению для точного расчёта нужно знать очень много неизвестных параметров системы, но оценочно данный софт таки позволяет оценить ситуацию.

Я заметил, что тема минусовых температур в целом не копанная, все что я вижу в интернетах, говорит мне что ниже нуля мало кто спустился на реальных установках с термокамерой. Думаю, что получу по вопросу низких температур интересный скиллс которым поделюсь с Вами попозже. А пока приступаю к закупкам!

Жаль, что технология модулей Пельтье в принципе не способна пробить придел криогенной температуры -153,15°C.

UPD: Обнаружил, что на одни и те-же Platinum RTD Pt100 есть как минимум 4 разных стандарта на коэффициенты уравнения Каллендара Ван Дюзена которое устанавливает соотношение между сопротивлением и температурой:

А «Хераеусы» вообще варят датчики по IEC 60751 / DIN EN 60751 dash

 

Похоже эталон платиновых датчиков попилили на метал и пропили, других логичных объяснений у меня нет. Будте бдительны товарищи, четко узнавайте по какому стандарту сварен ваш датчик! rtfm