مراقبة درجة الحرارة متعددة القنوات لمناضد الاختبار ومعدات المختبر

• تقيس مراقبة الحرارة متعددة القنوات عدة نقاط أو عدة أجسام اختبار في الوقت نفسه، بحيث يمكن مقارنة درجات الحرارة تحت حالة حمل واحدة.
• يقيس كل مجس فلوري نقطي موضعاً مادياً محدداً واحداً. وتتطلب مراقبة عدة نقاط معاً عدة مجسات وعدداً مساوياً من القنوات النشطة.
• يفيد الاستشعار بالألياف البصرية عندما تكون أجسام الاختبار عند جهود كهربائية مختلفة أو داخل بيئات كهرومغناطيسية قوية.
• يناسب اقتناء البيانات المتزامن مقارنة المواقع أكثر من القراءات اليدوية المتتابعة المأخوذة في أوقات مختلفة.
• يتحدد عدد القنوات بعدد النقاط المطلوب اقتناء بياناتها معاً، بينما تحدد مواضع المجسات ومسارات الألياف وواجهة البيانات بقية البنية.

لماذا تحتاج مناضد الاختبار إلى قياس حرارة متزامن متعدد القنوات؟

غالباً ما تقيس مناضد الاختبار أكثر من درجة حرارة لأن المهندسين يحتاجون إلى مقارنة عدة مواضع تحت ظروف التشغيل نفسها. وقد تنتمي هذه المواضع إلى جسم اختبار واحد، مثل وصلة وملف وسطح تثبيت، أو إلى عدة أجسام تعمل جنباً إلى جنب. وعندما يلزم مقارنة درجات الحرارة خلال خطوة حمل أو دورة اختبار واحدة، يصبح الاقتناء المتزامن أنفع من سلسلة قراءات يدوية.

يجيب القياس الموضعي المتتابع والاقتناء المتزامن متعدد القنوات عن أسئلة مختلفة. فالفحص الموضعي سريع ومفيد للمسح الأولي أو لتحديد مواضع الفحص. لكن إذا قُرئت النقطة A أولاً ثم النقطة D بعد دقيقة أو دقيقتين، فقد يتغير الحمل والتبريد والحالة الحرارية بينهما. عندئذ يجمع الفرق بين القراءتين بين سلوك جسم الاختبار وتوقيت المشغّل. ويزيل تسجيل جميع النقاط معاً هذا الالتباس. وتبرز أهميته في دورات الاختبار المتكررة، وتغيرات الحمل، ومقارنة ظروف التشغيل، وعند تقييم ارتفاع حرارة غير طبيعي مقابل المواضع المجاورة.

لمراقبة الحرارة متعددة القنوات حد واضح: فهي تبلغ عن درجة الحرارة حيث رُكّب المجس، ولا تكتشف البقع الساخنة المجهولة تلقائياً. وتُختار مواضع المجسات وفق خطة الاختبار، أو الخبرة الحرارية بجسم الاختبار، أو مسح تمهيدي بطريقة أخرى. لذلك تعتمد جودة المراقبة على قرارات تُتخذ قبل توصيل القناة الأولى.

اختيار نقاط القياس وتقنية المستشعر

بعد التأكد من الحاجة إلى القياس المتزامن، لا يكون السؤال التالي عن عدد القنوات المتاحة، بل عن المواضع المادية التي تحقق غرض الاختبار. وتشمل الخيارات المعتادة سطح وحدة القدرة، ووصلة قضيب توصيل أو طرف كهربائي، وملف محول أو محرك، ولوحة تبريد، وتجهيزة تثبيت ساخنة، والعينة نفسها، ومكوناً معزولاً، أو نقطة تلامس محددة في نظام RF. يجب أن تتبع النقاط سؤال الاختبار؛ فمقارنة ارتفاع الحرارة بين عينتين تحتاج إلى مواضع متناظرة، بينما قد يتطلب التحقق من تجهيزة التثبيت وضع المجسات عند دخول الحرارة إلى المجموعة وخروجها منها.

بعد تحديد النقاط المادية، يمكن اختيار التقنية بحسب الجهد الكهربائي عند كل نقطة، والبيئة الكهرومغناطيسية، وإمكانية الوصول، وطريقة التلامس التي يسمح بها الاختبار. الدقة والمدى الحراري مهمان، لكنهما نادراً ما يحسمان الاختيار وحدهما على منضدة اختبار. وقد تكون مسائل وصول موصل معدني إلى نقطة القياس، وإمكانية رؤيتها، ومسار أسلاك المستشعر داخل التجهيز، أكثر تأثيراً.

عندما لا يكون العزل الكهربائي قيداً، قد تكفي مستشعرات التلامس التقليدية. فالمزدوجات الحرارية وRTD مدمجة ومألوفة وتحظى بدعم واسع من أجهزة DAQ، وتناسب الأشعة تحت الحمراء الأسطح المكشوفة ذات الانبعاثية المعروفة. ويزداد دور الألياف البصرية عندما تقع النقطة عند جهد عالٍ أو عائم، أو داخل مجال كهرومغناطيسي قوي، أو عندما تعقّد الأسلاك الموصلة ترتيب الاختبار. تقيس مستشعرات الحرارة بالألياف البصرية الفلورية درجة الحرارة عند طرف المجس المادي، وينقل الليف الإشارة إلى الجهاز.

تستخدم INNO الاستشعار الفلوري للحرارة بالألياف البصرية. يصل ضوء الإثارة إلى مادة فلورية عند طرف المجس، ويولّد التألق العائد موجة اضمحلال. يستخلص الجهاز العمر الزمني للتألق من هذه الموجة ويحوّله إلى درجة حرارة باستخدام علاقة معايرة؛ لذلك تعتمد القراءة على زمن الاضمحلال لا على شدة الضوء. ويمثل كل مجس نقطة مادية واحدة محددة، وتتطلب النقاط المتزامنة عدة مجسات وقنوات مقابلة. هذا استشعار نقطي، وليس استشعار حرارة موزعاً: لا يقيس الليف على امتداد طوله، ولا يحدد النظام البقع الساخنة المجهولة من تلقاء نفسه.

الاختبارات المعزولة كهربائياً: الجهد العالي وإلكترونيات القدرة وRF

تجهيزات الاختبار ذات الجهد العالي أو العائم، أو التبديل السريع، أو المجالات القوية هي السبب الأساسي للنظر في قياس الحرارة المعزول كهربائياً. ففيها لا تبقى أسلاك المستشعر جزءاً محايداً من القياس. يصبح السلك المعدني المتصل بجسم عند جهد معين والممتد إلى جهاز مرجعه جهد آخر جزءاً من التخطيط الكهربائي، ويجب التعامل معه على هذا الأساس. يستبدل المجس البصري هذا السلك بمسار ضوئي ويوفر مقاومة عالية للتداخل الكهرومغناطيسي، مع بقاء أهمية التركيب والتوجيه.

مناضد اختبار الجهد العالي

قد تعمل أجسام اختبار الجهد العالي عند جهد يجعل الأسلاك الموصلة المباشرة غير ملائمة أو غير مرغوبة. وفي اختبارات العزل والعوازل الكهربائية ومكونات الجهد العالي، ينبغي تقييم طريقة الاستشعار مع التخطيط الكهربائي للاختبار. يستطيع المجس البصري قياس نقطة مادية محددة، مثل طرف أو مكون معزول أو تلامس تجهيزة التثبيت، بينما تبقى إلكترونيات الاقتناء خارج المنطقة المكهربة.

يظل موضع المجس تابعاً للسؤال الحراري، ولا يغير المسار البصري سوى مكان وضع الجهاز. يبدأ قياس حرارة الجهد العالي العملي عادة بتحديد حد المنطقة المكهربة، ثم تخطيط مسار الليف، بما فيه الحواجز والأغلفة وأي ممر عند ذلك الحد. وتأتي مسافات الخلوص والزحف وحدود جهد الاختبار من المعايير المعمول بها وإجراءات السلامة المختبرية؛ ولا يحل الاستشعار البصري محل هذه الإجراءات.

اختبار إلكترونيات القدرة

تجمع مناضد إلكترونيات القدرة بين التبديل السريع والمجالات القوية وأجزاء عائمة عند جهود مختلفة. وتشمل مواضع المجسات المعتادة سطح وحدة القدرة، ووصلة قضيب التوصيل، ولوحة التبريد، وغلاف المكون، أو تجهيزة الاختبار. يبلغ كل مجس عن الحرارة عند موضعه المادي. ودرجة حرارة الوصلة شبه الموصلة كمية مختلفة؛ فلا ينبغي اعتبار مجس السطح مستشعراً لحرارة الوصلة.

توفر المجسات سجلاً حرارياً قابلاً للمقارنة عبر دورات الحمل، مثل استجابة وصلة قضيب التوصيل وسطح الوحدة أحدهما بالنسبة إلى الآخر عند تغير الحمل. قرب عقد التبديل قد تلتقط الأسلاك الموصلة تداخلاً، ولهذا يستحق قياس الحرارة في المجالات الكهرومغناطيسية القوية الاهتمام خلال اختيار المستشعر. وتُبقي المجسات البصرية الموصلات المعدنية بعيداً عن نقطة القياس.

تجهيزات اختبار RF والموجات الدقيقة

قد تجعل تجهيزات RF أو الموجات الدقيقة أسلاك المستشعر الموصلة جزءاً من مشكلة القياس. فقد تتفاعل الأسلاك مع المجال أو تؤثر في التأريض أو تلتقط تداخلاً، وقد يغير المستشعر المعدني الحالة التي يُفترض أن يقيسها. يتجنب المسار البصري وجود موصل معدني عند نقطة التلامس. وتفسر القيود نفسها الحاجة إلى قياس الحرارة في معدات التسخين بالترددات الراديوية والموجات الدقيقة، وإن كان التجهيز المختبري أصغر عادة وأكثر تغيراً. وتظل المستشعرات التقليدية صالحة حيث لا تؤثر أسلاكها في الاختبار.

مثال: منضدة اختبار إلكترونيات قدرة بست نقاط

المثال التالي توضيحي للتكوين، وليس حالة عميل أو متطلباً عاماً. تعمل وحدتا قدرة، DUT 1 وDUT 2، خلال دورة الحمل نفسها على منضدة مشتركة، وتُسجل ثلاث نقاط محددة في كل وحدة معاً.

تعني النقاط الست ستة مجسات وست قنوات نشطة، لكن العدد مجرد بداية. تتعرض الوحدتان لدورة الحمل نفسها، فتُقارن القراءات على قاعدة زمنية واحدة. وتكون الفروق بين المواضع المتناظرة، سطح وحدة مقابل سطح وحدة أو قضيب توصيل مقابل نظيره، أسهل تفسيراً عندما تُسجل معاً بدلاً من تسجيلها تباعاً. وإذا سخنت وصلة بشكل مختلف عن نظيرتها تحت ظروف متطابقة، فهذا يدعو إلى فحص التلامس أو التثبيت، وتساعد قنوات التجهيزة على فصل سلوك الوحدة عن سلوك المنضدة.

يتبع عدد القنوات مباشرة عدد النقاط المتزامنة. وتنطبق هنا مبادئ اختيار قنوات مراقبة الحرارة بالألياف البصرية، بما فيها السعة الاحتياطية وعلاقة مجس واحد لكل قناة، كما تنطبق في التطبيقات الأخرى.

تخطيط مواضع المجسات ومسارات الألياف وتعيين القنوات

تتغير تجهيزات التثبيت بين الاختبارات كثيراً، لذا ينبغي أن يسمح التوجيه باستبدال جسم الاختبار دون إعادة بناء ترتيب الاستشعار كله. يجب التحقق من قطر المجس، وهو عادة 2–3 mm وقابل للتهيئة، مقابل الحيز المتاح في كل موضع. ويجب أن تضمن طريقة التثبيت تلامساً حرارياً موثوقاً مع السطح أو المكون المقاس. فالمجس غير الملائم أو المزاح قليلاً عن النقطة المقصودة سيبلغ عن حرارة تختلف عما تفترضه خطة الاختبار.

ينبغي إبعاد الألياف عن الأجزاء المتحركة. وعند فتح التجهيزة أو دورانها أو انزلاقها، يجب ترك سماحية كافية للمسار لمنع الإجهاد الميكانيكي على الليف، مع الاهتمام بنصف قطر الانحناء والحماية مثل الاهتمام بموضع المجس. وقد يلزم ممر خاص عند عبور حد عزل. طول الليف معلمة توجيه تحددها المسافة بين الجسم والجهاز، ولا علاقة مباشرة له بعدد القنوات. وأسهل وقت لإزالة تعقيد المسارات غير الضروري هو مرحلة التخطيط، قبل تجميع عدة ألياف وترقيمها.

يربط تعيين القنوات بين النقاط المادية والبيانات المسجلة. يتصل P1 بالقناة 1 وP2 بالقناة 2 وP3 بالقناة 3 وهكذا، مع تطابق تسميات المجسات وقنوات الاقتناء. ويجب أن يبقى هذا التعيين ثابتاً وموثقاً خلال الاختبارات المتكررة حتى يمكن دائماً رد البيانات إلى نقطة القياس الصحيحة.

توصيل جهاز المراقبة بنظام الاختبار

بعد تثبيت مواضع المجسات وتعيين القنوات، يصبح جهاز المراقبة جزءاً من بنية اقتناء بيانات الاختبار الأوسع. وتتكون السلسلة النموذجية من:

• مجسات بصرية عند نقاط الاختبار المحددة
• ألياف بصرية موجهة إلى الجهاز
• جهاز مراقبة حرارة متعدد القنوات
• خرج RS485 / Modbus RTU في الأجهزة الداعمة
• نظام DAQ أو PLC أو SCADA أو نظام الاختبار المضيف

يجمع مرسل الحرارة بالألياف البصرية متعدد القنوات قياسات نقطية مستقلة من عدة مجسات ويمرر بيانات الحرارة إلى النظام الأعلى. وهناك يمكن مقارنتها بالتيار أو الجهد أو الحمل أو حالة الاختبار التي يسجلها المضيف. ولا يقتني جهاز الحرارة هذه الإشارات الأخرى بنفسه. تختلف متطلبات الواجهة بين أنظمة مراقبة الحرارة بالألياف البصرية، لذا يجدر مطابقة نوع الخرج وعدد القنوات مع النظام المضيف مبكراً.

تعتمد القيم المعتادة على تكوين المجس ونظام المراقبة، ويختلف عدد القنوات بين الأجهزة.

التوسع إلى 32 قناة

قد تحتاج منضدة صغيرة إلى أربع أو ست نقاط فقط. ومع ازدياد تعقيد التجهيزة، بسبب تعدد أجسام الاختبار أو المواضع على كل جسم أو تكرار مواقع القياس عبر تجهيزة كبيرة، يرتفع عدد القنوات المتزامنة وتصبح بنية اقتناء أكبر مفيدة. فتجهيزة تضم 32 نقطة مادية مستقلة المراقبة، مثلاً، تشير إلى تكوين مراقبة من 32 قناة. وهذا مثال تكوين وليس متطلباً قياسياً.

لمعدات الاختبار التي تحتاج عدداً كبيراً نسبياً من القياسات النقطية المتزامنة، توفر INNO نظام مراقبة حرارة بالألياف البصرية من 32 قناة لمعدات الاختبار. ويجب تأكيد مواصفاته في صفحة المنتج وفق المشروع المعني.

مطابقة نظام المراقبة مع تجهيز الاختبار

تبدأ بنية القياس بالنقاط الفعلية. وقبل اختيار النظام، من المفيد تحديد جسم الاختبار، وعدد النقاط المطلوب اقتناؤها معاً، ومواضع المجسات، والمدى والدقة والاستجابة المطلوبة، ومسار الليف وموقع الجهاز، وبيئة العزل الكهربائي وEMI، والواجهة مع DAQ أو PLC. وينبغي أيضاً التفكير في توسع المنضدة مستقبلاً في المرحلة نفسها.

تتبع تقنية المستشعر بعد ذلك الظروف الكهربائية والبيئية للاختبار. وحيث يلزم العزل ومقاومة التداخل، يكون الاستشعار البصري النقطي مفيداً، ويمكن توسيع التجهيزات الأكبر إلى مراقبة متعددة القنوات، مثل تكوين معدات الاختبار المخصص من 32 قناة. يستطيع فريق INNO الهندسي مراجعة مواضع المجسات ومسارات الألياف ومتطلبات الواجهة لتجهيز اختبار محدد.