Technischer Hintergrund
In bildverarbeitenden Applikationen sind vor allem eine reproduzierbare Bildqualität und hohe Wiederholgenauigkeit erfolgsentscheidend. Deswegen legt Baumer digitale Industriekameras und Vision Sensoren für den stabilen und zuverlässigen 24/7-Betrieb aus.
Das Erreichen der spezifizierten Qualität, die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und damit der einwandfreie Betrieb der Anlage sind an verschiedenste Bedingungen geknüpft. Aus der Vielzahl von Betriebsparametern, die in der Technischen Dokumentation eines Inspektionsgerätes verzeichnet sind, sticht jedoch eine Angabe heraus: der Betriebstemperaturbereich.
Wider Erwarten bezieht sich dieser Parameter nicht auf die Temperatur des Raumes, in dem Anlage und Maschinenführer arbeiten, sondern er bezieht sich auf einen Messpunkt am Gehäuse der Kamera. Warum ist das so?
Temperaturangaben in der Technischen Dokumentation
Lagertemperatur
Bei der Lagerung – nicht nur von elektronischen Geräten – ist davon auszugehen, dass die Temperatur im Inneren des Gerätes der Raumtemperatur entspricht. Über die Spezifikation der einzelnen verwendeten Bauteile ist es also möglich, Rückschlüsse auf die maximal zulässige Raumtemperatur zu ziehen.
Betriebstemperatur
Beim Betrieb einer Bildverarbeitungskomponente verhält es sich aber, wie bei jedem elektronischen Gerät, anders. Hier gibt es eine Vielzahl von Parametern und Konstellationen im Inneren und in der Umgebung des Gerätes, die Rückschlüsse von der Raumtemperatur auf die Bauteil(kern)temperatur extrem erschweren.
Zu den internen Einflussgrössen zählen die Leistungsaufnahme, die thermische Anbindung und in deren Zusammenspiel die Kerntemperatur der elektronischen Bauteile. Je nach Betriebsart und Belastung schwankt die Leistungsaufnahme von Sensor, FPGA, Interface-Chipsatz usw., was zu unterschiedlichen Kerntemperaturen dieser Komponenten führt.
Für den einwandfreien Betrieb ist die Einhaltung der maximalen thermischen Belastung der elektronischen Bauteile von enormer Bedeutung. Daher werden während der Entwicklung zahlreiche Temperaturtests durchgeführt, mit deren Hilfe Rückschlüsse von der Gehäusetemperatur, also der Temperatur am definierten Messpunkt, auf die Kerntemperatur der verwendeten Bauteile gezogen werden können.
Der Temperaturgradient zwischen Gehäuseaussenseite und dem -inneren mit thermisch kritischen Bauelementen ist also bekannt – zumindest für den Fall, dass das Gerät ohne jegliche thermische Anbindung oder temperaturverändernde Massnahmen, also unter «worst case» Bedingungen, betrieben wird.
Wie bereits erwähnt und in Abbildung 1 dargestellt, lassen sich Rückschlüsse weder zwischen Geräteaussenseite / Temperatur am definierten Messpunkt und Raumtemperatur noch zwischen Bauelemente(kern)temperatur und Raumtemperatur ziehen.
Das liegt an einer Vielzahl von Unbekannten im Zusammenhang mit der direkten Umgebung von Kamera oder Vision Sensor:
- Wie gross ist die thermische Masse, an die das Gerät montiert ist?
o Welche Wärmekapazität hat die Anlage?
o Innerhalb welcher Zeit ist die Anlage thermisch eingeschwungen?
- Wie ist das Gerät montiert?
o Welche Geometrie hat die Halterung?
o Aus welchem Material besteht die Halterung?
- Wie wird die Anlage / das Gerät von Luft umströmt?
Entwärmung von Kameras und Vision Sensoren
Die im Gerät entstehende Wärme breitet sich nach allen Seiten hin aus. An Flächen, die in Kontakt zu anderen Komponenten der Anlage stehen, findet Wärmeleitung statt. An den übrigen Flächen wird die Wärme mittels Strahlung und Konvektion von der Kamera abgeführt (siehe Abbildung).
So wird ein Teil der entstehenden Wärme vom Objektiv aufgenommen, ein weiterer von der Verkabelung des Geräts. Der Grossteil wird aber über die Kamerahalterung in die Anlage abgeführt.
Thermische Anbindung
Bei den erwähnten Temperaturtests zur Ermittlung von Grenztemperaturen während der Entwicklung, werden die Geräte ohne jegliche thermische Anbindung betrieben. Dies stellt ein absolutes «worst case» Szenario dar und bildet in keiner Weise die Montage bzw. den Betrieb in der Praxis ab.
Die Abbildung stellt schematisch die Montage einer Kamera dar. Dabei ist die Kamera (1) samt Optik (4) mittels einer Halterung (2) auf der metallischen Oberfläche der Anlage (3) befestigt.
Da der Grossteil der entstehenden Wärme über den Gerätehalter abgeführt wird, stellt dieser das Herzstück der thermischen Anbindung dar.
Empfehlungen zum Design der Halterung
Materialauswahl
Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit eignet sich besonders für die Halterung einer Kamera / eines Vision Sensors. Materialien mit geringerer Wärmeleitfähigkeit blockieren die Wärmeleitung und damit die Entwärmung des Geräts.
Hinweis
Bitte wählen Sie für die Halterung ein Material mit möglichst hoher Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium, Kupfer oder Messing. Verwenden Sie keine Isolatoren!
Geometrie
Neben dem verwendeten Material hat auch die Geometrie des Halters einen erheblichen Einfluss auf den Wärmetransport. Neben der Wärmeleitfähigkeit wirken sich die Auflageflächen zwischen Kamera und Halterung und zwischen Halterung und Anlage sowie die Materialstärke / Länge / Auflagefläche der Halterung direkt auf den thermischen Widerstand und damit die Entwärmung des Gerätes aus.
Materialstärke
Anbindung an gut wärmeleitende Oberflächen
Bitte achten Sie beim Design der Kamerahalterung darauf, dass die Materialstärke und damit die Strecke zwischen Kamera und Anlage so kurz wie möglich ist.
Anlagen und Maschinen mit isolierenden Oberflächen (z.B. Kunststoff)
In dieser Konstellation dient die Halterung als Wärmespeicher, der
- eine bestimmte Wärmemenge aufnehmen und
- diese über seine – im Vergleich zur Kamera allein – grössere Oberfläche abstrahlen kann.
Hier empfiehlt sich der Einsatz zusätzlicher Kühlkörper und aktiver Kühlelemente wie Lüfter.
Länge
Anbindung an gut wärmeleitende Oberflächen
Bitte achten Sie beim Design der Kamerahalterung darauf, dass die Bauteillänge und damit die Strecke zwischen Kamera und Anlage so kurz wie möglich ist.
Anbindung an schlecht wärmeleitende Oberflächen (z.B. Kunststoff)
In dieser Konstellation kann die Halterung zu einer besseren Entwärmung beitragen indem sie
- für eine gewisse Zeit eine bestimmte Wärmemenge aufnehmen und
- die Wärme über ihre zusätzliche grössere Oberfläche abgeben kann.
Hier empfiehlt sich auch der Einsatz zusätzlicher Kühlkörper und aktiver Kühlelemente wie Lüfter.
Auflagefläche
Bitte beachten Sie beim Design der Kamerahalterung auf ausreichend grosse Auflageflächen zwischen Kamera, Halterung und Anlage. Die Kamera sollte vollflächig mit einer der 4 Seitenflächen aufliegen.
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