Ligação térmica de câmaras industriais e sensores VeriSens Vision [AN201806]

Em aplicações de processamento de imagem, uma qualidade de imagem reproduzível e elevada repetibilidade são particularmente cruciais para o sucesso. É por isso que a Baumer concebe câmaras industriais digitais e sensores Vision para uma operação estável e fiável 24 horas por dia, 7 dias por semana.

A obtenção da qualidade especificada, a reprodutibilidade dos resultados e, assim, o perfeito funcionamento do sistema estão associados a uma ampla variedade de condições. Da variedade de parâmetros operacionais que são registados na documentação técnica de um dispositivo de inspeção destaca-se, contudo, uma coisa: o intervalo de temperatura de operação.

Ao contrário do esperado, este parâmetro não se refere à temperatura da sala em que o sistema e o operador da máquina trabalham, mas sim a um ponto de medição na caixa da câmara. Porquê?

Temperatura de armazenamento

Ao armazenar – não apenas dispositivos eletrónicos – pode-se presumir que a temperatura dentro do dispositivo corresponde à temperatura ambiente. Usando a especificação dos componentes individuais utilizados, é possível tirar conclusões sobre a temperatura ambiente máxima permitida.

Temperatura operacional

Ao operar um componente de processamento de imagem, no entanto, como acontece com qualquer dispositivo eletrónico, ele comporta-se de maneira diferente. Há um grande número de parâmetros e constelações dentro e ao redor do dispositivo que tornam extremamente difícil tirar conclusões da temperatura ambiente para a temperatura do componente (núcleo).

As variáveis ​​de influência interna incluem o consumo de energia, a ligação térmica e, na sua interação, a temperatura de núcleo dos componentes eletrónicos. O consumo de energia do sensor, FPGA, chipset de interface, etc. flutua dependendo do modo de operação e da carga, o que leva a diferentes temperaturas de núcleo destes componentes.

O cumprimento da carga térmica máxima nos componentes eletrónicos é de enorme importância para o funcionamento adequado. Portanto, são realizados inúmeros testes de temperatura durante o desenvolvimento, com a ajuda dos quais podem ser tiradas conclusões a partir da temperatura da caixa, isto é, a temperatura no ponto de medição definido, sobre a temperatura de núcleo dos componentes usados.

O gradiente de temperatura entre o exterior e o interior da caixa com componentes termicamente críticos é conhecido – pelo menos no caso de o dispositivo ser operado sem qualquer ligação térmica ou medidas de mudança de temperatura, ou seja, nas piores condições.

Conforme já mencionado e mostrado na Figura 1, nenhuma conclusão pode ser tirada entre o exterior do dispositivo/temperatura no ponto de medição definido e a temperatura ambiente, nem entre a temperatura do componente (núcleo) e a temperatura ambiente.

Isso deve-se a um grande número de incógnitas em relação ao ambiente direto da câmara ou sensor Vision:

• Qual é a massa térmica na qual o dispositivo é montado?

o    Qual é a capacidade térmica do sistema?

o    Há quanto tempo o sistema se estabilizou termicamente?

• Como o dispositivo está instalado?

o    Qual é a geometria do suporte?

o    De que material o suporte é feito?

• Como é que o ar flui ao redor do sistema/dispositivo?

O calor gerado no dispositivo espalha-se para todos os lados. A condução de calor ocorre em superfícies que estão em contacto com outros componentes do sistema. Nas demais superfícies, o calor é dissipado da câmara através de radiação e convecção (ver ilustração).

Parte do calor gerado é absorvido pela lente e parte do calor é absorvido pela cablagem do dispositivo. No entanto, a maioria é descarregada no sistema por meio do suporte da câmara.

Nos testes de temperatura mencionados para determinar as temperaturas limite durante o desenvolvimento, os dispositivos são operados sem qualquer ligação térmica. Isto representa um cenário de “pior caso” absoluto e de forma alguma descreve a montagem ou operação na prática.

A figura representa esquematicamente a montagem de uma câmara. A câmara (1) com o sistema ótico (4) é fixada com um suporte (2) na superfície metálica do sistema (3) .

Como a maior parte do calor gerado é dissipado pelo suporte do dispositivo, este representa o coração da ligação térmica.

Seleção de material

Material com alta condutividade térmica é particularmente adequado para segurar uma câmara/um sensor Vision. Materiais com menor condutividade térmica bloqueiam a condução de calor e, portanto, o arrefecimento do dispositivo.

Nota

Escolha para o suporte um material com a maior condutividade térmica possível, como alumínio, cobre ou latão. Não utilize isoladores!

Geometria

Além do material utilizado, a geometria do suporte também tem influência significativa na transferência de calor. Além da condutividade térmica, as superfícies de contacto entre a câmara e o suporte e entre o suporte e o sistema, bem como a espessura/comprimento/superfície de contacto do material do suporte, têm um efeito direto na resistência térmica e, portanto, no arrefecimento do dispositivo.

Espessura do material

Ligação a superfícies que conduzem bem o calor

No design do suporte da câmara, certifique-se de que a espessura do material e, portanto, a distância entre a câmara e o sistema seja a menor possível.

Sistemas e máquinas com superfícies isoladoras (por exemplo, plástico)

Nesta constelação, o suporte funciona como um acumulador de calor, que

• pode absorver uma certa quantidade de calor e
• irradiá-lo através da sua superfície maior – em comparação apenas com a câmara.

Aqui recomenda-se utilizar dissipadores de calor adicionais e elementos de refrigeração ativos, como ventiladores.

Comprimento

Ligação a superfícies que conduzem bem o calor

No design do suporte da câmara, certifique-se de que o comprimento do componente e, portanto, a distância entre a câmara e o sistema seja a menor possível.

Ligação a superfícies que conduzem mal o calor (por exemplo, plástico)

Nesta constelação, o suporte pode contribuir para um melhor arrefecimento,

• absorvendo uma certa quantidade de calor por um certo tempo e
• liberando o calor através da sua superfície adicional maior.

Aqui recomenda-se também utilizar dissipadores de calor adicionais e elementos de refrigeração ativos, como ventiladores.
 

Superfície de suporte

No design do suporte da câmara, certifique-se de que haja superfícies de contacto suficientemente grandes entre a câmara, o suporte e o sistema. A câmara deve ficar assentar em toda a superfície de uma das 4 superfícies laterais.

• Monitorização da temperatura da câmara na aplicação para um funcionamento estável 24 horas por dia [AN201901]

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