Background tecnico
Per garantire il corretto funzionamento delle applicazioni di elaborazione delle immagini risultano soprattutto fondamentali una qualità riproducibile e un elevata ripetibilità. Per questo Baumer concepisce telecamere industriali e sensori di visione digitali per un funzionamento stabile ed affidabile 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
Il raggiungimento della qualità specificata, la riproducibilità dei risultati e il conseguente corretto funzionamento dell’impianto sono correlati alle condizioni più disparate. Degli svariati parametri di esercizio riportati nella documentazione tecnica di un dispositivo di controllo, uno spicca in modo particolare: il range di temperatura di esercizio.
Contrariamente a ogni aspettativa, questo parametro non si riferisce alla temperatura dell’ambiente in cui funziona l’impianto e lavora l’operatore della macchina bensì si riferisce a un punto di misurazione sull’alloggiamento della telecamera. Come mai?
Indicazioni della temperatura nella documentazione tecnica
Temperatura di stoccaggio
Nello stoccaggio, non solo di dispositivi elettronici, si prevede che la temperatura all’interno del dispositivo corrisponda alla temperatura ambiente. Le specifiche dei singoli componenti utilizzati consentono di dedurre la temperatura ambiente massima consentita.
Temperatura di esercizio
Durante l’esercizio di un componente per l’elaborazione dell’immagine, le cose però sono diverse come per ogni dispositivo elettronico. In questo caso, esistono svariati parametri e configurazioni all’interno del dispositivo e nell’ambiente circostante tali da complicare estremamente la possibilità di dedurre la temperatura (interna) del componente da quella ambiente.
Tra le grandezze di influsso interne rientrano la potenza assorbita, il collegamento termico e, nella loro interazione, la temperatura interna dei componenti elettronici. La potenza assorbita di sensore, FPGA, serie di chip dell’interfaccia ecc. varia in base alla modalità operativa e alla sollecitazione provocando così diverse temperature all’interno di tali componenti.
Al fine di garantire il corretto funzionamento è assolutamente necessario rispettare la sollecitazione termica massima dei componenti elettronici. Quindi, durante lo sviluppo, vengono eseguiti numerosi test di temperatura con cui è possibile dedurre dalla temperatura dell’alloggiamento, anche dalla temperatura sul punto di misurazione definito, la temperatura interna dei componenti utilizzati.
Il gradiente di temperatura tra l’interno e l’esterno dell’alloggiamento con elementi costruttivi termicamente critici è anche noto – almeno per il caso in cui il dispositivo venga azionato senza alcun collegamento termico o misure a variazione termica, anche in condizioni “worst case”.
Come già citato ed illustrato nella Figura 1, non è possibile fare deduzioni tra lato esterno dell’alloggiamento/temperatura sul punto di misurazione definito e temperatura ambiente né tra temperatura (interna) degli elementi costruttivi e temperatura ambiente.
Ciò dipende da svariati fattori sconosciuti correlati all’ambiente direttamente circostante della telecamera o del sensore di visione:
- Quanto è grande la massa termica su cui è montato il dispositivo?
o Quale capacità termica ha l’impianto?
o Entro quale tempo l’impianto oscilla termicamente?
- Com’è montato il dispositivo?
o Quale geometria ha il supporto?
o In quale materiale è realizzato il supporto?
- Come viene ventilato l’impianto/il dispositivo?
Raffreddamento di telecamere e sensori di visione
Il calore che si sviluppa all’interno del calore si espande verso tutti i lati. La conduzione termica si verifica sulle superfici che sono a contatto con gli altri componenti dell’impianto. Sulle altre superfici, il calore viene sottratto mediante radiazione e convezione dalla telecamera (vedi figura).
Così una parte del calore sviluppatosi viene acquisito dalla lente, un’altra dal cablaggio del dispositivo. La maggior parte viene sottratta all’impianto tramite il supporto della telecamera.
Collegamento termico
Nei test di temperatura citati per il rilevamento delle temperature limite durante lo sviluppo, i dispositivi vengono azionati senza alcun collegamento termico. Ciò rappresenta un assoluto scenario “worst case” non costituendo in alcun modo il montaggio o l’esercizio nella pratica.
La figura rappresenta schematicamente il montaggio di una telecamera. La telecamera (1) e il sistema ottico (4) sono fissati tramite un supporto (2) alla superficie metallica dell’impianto (3).
Poiché la maggior parte del calore sviluppatosi viene sottratto tramite il supporto del dispositivo, questo rappresenta il componente principale del collegamento termico.
Suggerimenti per la progettazione del supporto
Selezione del materiale
Un materiale con elevata conducibilità termica è particolarmente indicato per il supporto di una telecamera/un sensore di visione. I materiali con ridotta conducibilità termica bloccano la conduzione termica e quindi il raffreddamento del dispositivo.
Nota
Per il supporto selezionare un materiale possibilmente con elevata conducibilità termica, quale alluminio, rame oppure ottone. Non utilizzare isolatori!
Geometria
Oltre al materiale utilizzato, anche la geometria del supporto influisce sensibilmente sulla trasmissione del calore. Oltre alla conducibilità termica, anche le superfici di appoggio tra telecamera e supporto e tra supporto e impianto e ancora lo spessore del materiale, la lunghezza, la superficie di appoggio del supporto influiscono direttamente sulla resistenza termica e quindi sul raffreddamento del dispositivo.
Spessore del materiale
Collegamento su superfici a buona conduzione termica
Durante la progettazione del supporto della telecamera verificare che lo spessore del materiale e quindi il tratto tra telecamera ed impianto sia il più corto possibile.
Impianti e macchine con superfici isolanti (es. plastica)
In questa configurazione il supporto svolge la funzione di accumulatore termico in grado
- di assorbire una determinata quantità di calore e
- di irradiarla tramite la sua superficie più grande rispetto alla sola telecamera.
Qui si raccomanda l’utilizzo di ulteriori dissipatori di calore e di raffreddatori attivi quali ventilatori.
Lunghezza
Collegamento su superfici a buona conduzione termica
Durante la progettazione del supporto della telecamera verificare che la lunghezza del componente e quindi il tratto tra telecamera ed impianto sia il più corto possibile.
Collegamento su superfici a cattiva conduzione termica (ad es. plastica)
In questa configurazione il supporto può contribuire a un miglior raffreddamento
- assorbendo una determinata quantità di calore per un certo intervallo di tempo e
- sprigionando il calore tramite la sua superficie più grande supplementare.
Qui si raccomanda anche l’utilizzo di ulteriori dissipatori di calore e di raffreddatori attivi quali ventilatori.
Superficie di appoggio
Durante la progettazione del supporto della telecamera verificare che le superfici di appoggio tra telecamera, supporto ed impianto siano sufficientemente grandi. La telecamera deve appoggiare completamente con una delle 4 superfici laterali.
Temi applicati
Supporto
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