BRPI0924176A2 - precision temperature control system for printed circuit elements or fluids - Google Patents

Abstract

SISTEMA DE CONTROLE DE TEMPERATURA DE PRECISãO DE ELEMENTOS DE CIRCUITOS IMPRESSOS OU DE FLUIDOS. Para manter fluidos ou placas de circuito impresso( 15) em uma temperatura determinada. Este sistema pode impedir que a precisão ou comportamento de determinados instrumentos e/ou componentes sejam afetados devido à deriva térmica, tendo em vista que sua função é manter a temperatura destes componentes constantes de acordo com a temperatura requerida dentro de um recipiente, independente da temperatura ambiente. O sinal enviado pelos sensores( 1) é comparado com a temperatura requerida no ambiente de amostra e é transmitido para o elemento de transdução eletrónico e processamento de sinais(4) que, através de técnicas de controle do estado da arte, fornecem ou retira energia do elemento de aquecimento ou arrefecimento(5) para manter uma determinada amostra na temperatura requerida. O ambiente de amostra(6) é mantido na temperatura pretendida através de uma caixa metálica(7).TEMPERATURE CONTROL SYSTEM FOR PRECISION OF PRINTED CIRCUIT ELEMENTS OR FLUIDS. To maintain fluids or printed circuit boards (15) at a specified temperature. This system can prevent the accuracy or behavior of certain instruments and / or components from being affected due to thermal drift, considering that its function is to keep the temperature of these components constant according to the required temperature inside a container, regardless of the temperature environment. The signal sent by the sensors (1) is compared with the temperature required in the sample environment and is transmitted to the electronic transduction and signal processing element (4) that, using state of the art control techniques, provide or remove energy heating or cooling element (5) to maintain a certain sample at the required temperature. The sample environment (6) is maintained at the desired temperature through a metal box (7).

Description

SISTEMA DE CONTROLE DE TEMPERATURA DE PRECISÃO DE ELEMENTOS DE CIRCUITOS IMPRESSOS OU DE FLUÍDOSPRECISION TEMPERATURE CONTROL SYSTEM FOR PRINTED CIRCUIT ELEMENTS OR FLUID

A presente patente de invenção trata de um sistema de instrumentação e controle eletrônico para manter amostras cie fluido ou peças sólidas em uma temperatura bem determinada. Este sistema pode impedir que a precisão ou comportamento de determinados instrumentos e/ou componentes sejam afetados devido à deriva térmica, tendo em vista que sua função é manter uma determinada temperatura constante dentro de um recipiente, independente da temperatura ambiente.The present invention relates to an electronic instrumentation and control system for keeping fluid samples or solid parts at a well-determined temperature. This system can prevent the accuracy or behavior of certain instruments and / or components from being affected due to thermal drift, since its function is to maintain a certain constant temperature within a container, regardless of ambient temperature.

Os instrumentos, equipamentos e componentes eletrônicos em gera! apresentam uma mudança de comportamento quando submetidos a diferentes temperaturas, fazendo, em alguns casos, com que o seu desempenho caia substancialmente. Em circuitos eletrônicos especiais quando se precisa de alta estabilidade e precisão, como em oscilaclores eletrônicos especiais, é imprescindível o controle de temperatura destes dispositivos, de modo que esta não dependa das mudanças climáticas do ambiente exterior.The instruments, equipment and electronic components in general! show a change in behavior when subjected to different temperatures, in some cases causing their performance to fall substantially. In special electronic circuits when high stability and precision are required, such as special electronic oscillators, temperature control of these devices is essential, so that it does not depend on the climate changes of the outdoor environment.

No estado da técnica o modo mais comum para controle de temperatura em cavidades é através da utilização de dissipadores de potência como o transistor de potência. Quando estes dispositivos são utilizados, os componentes para os quais a temperatura deve ser mantida constante são encapsulados e um transistor de potência associado a um sensor de temperatura pode atuar diminuindo ou aumentando a sua potência de dissipação para diminuir ou aumentar a temperatura no interior da cápsula, respectivamente. Para que o dispositivo submetido a este tipo de controle possa efetivamente manter a temperatura é necessário que a temperatura ambiente nunca ultrapasse a temperatura em seu interior, tendo em vista que o mesmo não é capaz de resfriar e sim de aumentar a temperatura dissipando potência. Por isso estes equipamentos ou instrumentos ou componentes eletrônicos são mantidos a altas temperaturas (acima de 70°C) em seu interior, o que requere componentes especiais para garantir a robustez do sistema e um grande tempo de vida.In the prior art the most common mode for cavity temperature control is by using power sinks as the power transistor. When these devices are used, the components for which the temperature must be kept constant are encapsulated and a power transistor associated with a temperature sensor may act by decreasing or increasing its dissipation power to decrease or increase the temperature inside the capsule. respectively. For the device subjected to this type of control to effectively maintain the temperature it is necessary that the ambient temperature never exceeds the temperature inside, since it is not able to cool but to increase the temperature dissipating power. This is why these equipments or instruments or electronic components are kept at high temperatures (above 70 ° C) inside, which requires special components to ensure the robustness of the system and a long lifetime.

Os termopares têm várias aplicações incomuns. como em aplicações com alta rapidez de resposta em estudos de transiente ou ern temperaturas muito altas. Os instrumentos ou sistemas de instrumentação para termopar têm a necessidade de manter uma temperatura de referência constante. Uma técnica comum é utilizar um sensor adiciosiai para esta compensação da temperatura de referência como termisíores ou termômetros de platina. Esta técnica nem sempre garante uma boa precisão.Thermocouples have several unusual applications. as in fast response applications in transient studies or at very high temperatures. Thermocouple instruments or instrumentation systems need to maintain a constant reference temperature. A common technique is to use an additional sensor for this reference temperature compensation such as thermisors or platinum thermometers. This technique does not always guarantee good accuracy.

Os controles de temperaturas de líquidos são muito aplicados ern calibradores de termômetros. Nestes sistemas, um banho termostático mantém uma temperatura pretendida através de um líquido circulante.Liquid temperature controls are widely applied in thermometer calibrators. In these systems, a thermostatic bath maintains a desired temperature through a circulating liquid.

A presente patente de invenção dispensa a utilização de dissipadores de potência para manter a temperatura interna de instrumentos de precisão, garantindo estabilidade da temperatura mesmo sob temperatura ambiente, permitindo a utilização de componentes facilmente encontrados, garantindo grande precisão, robustez a um custo bem inferior do que os sistemas que utilizam dissipadores de potência.The present invention dispenses with the use of power sinks to maintain the internal temperature of precision instruments, ensuring temperature stability even under ambient temperature, allowing the use of easily found components, ensuring high precision, robustness at a much lower cost than than systems that use power sinks.

O sistema de controle se aplica na obtenção de uma temperatura determinada tanto para fluidos ou sólidos como amostras, em situações estáticas ou em escoamento.The control system is applicable for obtaining a set temperature for either fluids or solids as samples, in static or flowing situations.

Unia das aplicações deste sistema é o controle em instrumentos que precisam realizar medidas com precisão e rapidez com termopar, dispensando a compensação direta por sensores adicionais para manter a temperatura de referência em termopares e podem substituir sistemas que utilizam banhos termostáticos, aumentando a precisão e simplicidade do instrumento, equipamento ou componente eletrônico em questão. O sistema de controle de temperatura de precisão de elementos de circuitos impressos ou de fluídos pode ser aplicado na medida de temperatura através de termopar, onde é mantida simultaneamente a temperatura interna da placa de circuito impresso, que contém o circuito eletrônico de transdução (sólido) e de processamento de sinais, e a temperatura de referência do termopar. O sistema também é capaz de controlar a temperatura de diferentes circuitos impressos ou a temperatura interna de uma amostra fluída (líquido ou gasoso).One of the applications of this system is the control of instruments that need to measure accurately and quickly with thermocouple, dispensing direct compensation for additional sensors to maintain the reference temperature in thermocouples and can replace systems using thermostatic baths, increasing accuracy and simplicity. instrument, equipment or electronic component concerned. The precision temperature control system of printed circuit elements or fluid may be applied to the temperature measurement through thermocouple, where the internal temperature of the printed circuit board containing the transduction electronic circuit (solid) is maintained simultaneously. and signal processing, and the thermocouple reference temperature. The system is also capable of controlling the temperature of different printed circuits or the internal temperature of a fluid sample (liquid or gaseous).

A invenção poderá ser mais bem visualizada em sua realização preferida de forma meramente ilustrativa e sem nenhum caráter restritivo, nos desenhos que acompanham e integram este relaiório onde:The invention may be better visualized in its preferred embodiment by way of illustration only and without any restrictive character in the accompanying drawings in which:

A figura 1 ilustra em um diagrama de blocos os elementos de um sistema geral de controle temperatura proposto.Figure 1 illustrates in a block diagram the elements of a proposed general temperature control system.

A figura 2 mostra a vista interna da caixa metálica(7) em que estão as peças mecânicas e elétricas e os elementos externos para contato de ligação com os termopares, para a aplicação em um instrumento que mede a temperatura através de termopares;Figure 2 shows the internal view of the metal housing (7) which contains the mechanical and electrical parts and the external elements for contact with the thermocouple connection, for application in an instrument that measures the temperature through thermocouples;

a figura 3 ilustra a vista superior da caixa metáiica(7) lacrada e a parte externa;Figure 3 illustrates the top view of the sealed metal box (7) and the outside;

a figura 4 apresenta uma vista de corte permitindo uma visualização dos componentes internos para o sistema aplicado a controle de temperatura de circuitos impressos;Figure 4 shows a sectional view allowing a view of the internal components for the printed circuit temperature control system;

a figura 5 apresenta as peças as peças constituintes dos componentes internos em uma montagem preferida;Figure 5 shows the parts, the constituent parts of the internal components in a preferred assembly;

a figura 6 ilustra uma vista de corte de uma estrutura cilíndrica utilizada para o controle de temperatura de uma amostra fluída; Conforme pode ser visto nos desenhos anexos o sinal enviado pelos sensores(l) é submetido a um comparador(2) que confronta estes valores com o valor do sinal da temperatura requerida(3) e transmite o sinal resultante desta comparação para um elemento de transdução eletrônica e processamento de sinais(4) que através de um algoritmo de controle simples ou mais complexo (nebuloso ou proporcional integral e derivativo) fornece energia ou retira energia do elemento de aquecimento ou arrefecimenco(5) para manter a amostra na temperatura requerida. O ambiente da amostra(6) é mantido em urna temperatura pretendida através da caixa metálica(7). O elemento de integração entre a caixa rnetálica(7) ε o ambiente da amosira(ó) é determinado através de geometrias específicas das mesmas para permitir esta transferência de calor em um tempo adequado.Figure 6 illustrates a sectional view of a cylindrical structure used for temperature control of a fluid sample; As can be seen from the accompanying drawings, the signal sent by the sensors (1) is submitted to a comparator (2) which compares these values with the required temperature signal value (3) and transmits the resulting signal from this comparison to a transducer element. electronics and signal processing (4) which through a simple or more complex control algorithm (fuzzy or proportional integral and derivative) provides power or draws energy from the heating or cooling element (5) to maintain the sample at the required temperature. The sample environment (6) is maintained at a desired temperature through the metal housing (7). The integration element between the metal box (7) and the environment of the blackberry (ω) is determined by their specific geometries to allow this heat transfer in a suitable time.

O Lermopar é formado de dois metais ou ligas AeB para medir temperatura. Os fios de termopares A(8) e B(9) são levados do ambiente externo(lO), à temperatura ambiente, para o ambiente de temperatura controlada. Os contatos formados pelos pares (11) e (12) são os pontos cie conexões para os termopares de metal A e B. Os conjuntos cie pares de filetes de cobres colados com os fios dos metais A(13) e colados com os fios dos metais B(14) dos termopares se situam na placa do circuito impresso(i5) interno a caixa rnetáiica(7) de temperatura controlada. O circuito impresso(15) representa uma ou mais placas de circuito onde estão contemplados o circuito de transdução eletrônica e processamento de sinais(4) ε demais componentes de interesse.Lermopar is formed of two metals or AeB alloys for measuring temperature. Thermocouple wires A (8) and B (9) are carried from the external environment (10) at ambient temperature to the temperature controlled environment. The contacts formed by the pairs (11) and (12) are the connection points for the metal thermocouples A and B. The sets of copper fillet pairs bonded with the metal wires A (13) and glued with the wires of the The thermocouple metals B (14) are located on the printed circuit board (I5) inside the temperature controlled housing (7). The printed circuit (15) represents one or more circuit boards where the electronic transduction and signal processing circuit (4) and other components of interest are contemplated.

Os circuitos integrados ou componentes do circuito eletrônico são representados por (16). A região da placa do circuito impresso(15) correspondente ao plano de terra( 17) eleve ser o mais ampla possível para contribuir na minimização de ruído e uniformidade de temperatura. A placa do circuito impresso(15) está envolto e faz parte do ambiente em que está com a temperatura controlada, contribuindo desta maneira para compensar seu erro de deriva térmica. A arquitetura e configuração das peças e sua montagem internamente (dentro da caixa rnetáliea(7) de temperatura controlada) é um fator determinante da eficácia do sistema de controle de temperatura proposto.Integrated circuits or electronic circuit components are represented by (16). The region of the printed circuit board (15) corresponding to the ground plane (17) should be as wide as possible to contribute to noise minimization and temperature uniformity. The printed circuit board (15) is enclosed and is part of the environment in which it is temperature controlled, thus contributing to compensate for its thermal drift error. The architecture and configuration of the parts and their assembly internally (inside the temperature controlled housing (7)) is a determining factor in the effectiveness of the proposed temperature control system.

A chapa metálica da base(18) e chapa metálica superior(19) formam a caixa que internamente estarão as peças as quais se desejam controlar a temperatura. O elemento de arrefecimento e/ou aquecimento(5) manterá toda a superfície da placa do circuito impresso(15) em uma mesma temperatura, devido a sua boa condutividade térmica e determinada peia temperatura de referência pretendida.The base metal plate (18) and upper metal plate (19) form the box which internally will be the parts to be controlled for temperature. The cooling and / or heating element (5) will maintain the entire surface of the printed circuit board (15) at the same temperature, due to its good thermal conductivity and determined by the desired reference temperature.

A lâmina de material isolante(20), que pode ser mica, por exemplo, previne que os sinais elétricos da placa do circuito impresso(15) entrem em contato com as chapas da caixa metálica(7). É prevista urna lâmina de material esponjoso(21) para evitar a transferência de calor por convecção entre a placa do circuito impresso(15) e a chapa metálica superior(19). Devido à pequena distância entre a placa do circuito impresso(15) e a chapa metálica superior(19), pode ser considerado que só aconteça condução térmica, podendo não ser necessário a adição do material esponjoso(21).The insulating material blade (20), which may be mica, for example, prevents electrical signals from the printed circuit board (15) from contacting the metal housing plates (7). A spongy material blade (21) is provided to prevent convective heat transfer between the printed circuit board (15) and the upper metal plate (19). Due to the short distance between the printed circuit board (15) and the upper metal plate (19), it can be considered that only thermal conduction takes place and the spongy material (21) may not need to be added.

O controle de temperatura de amostra fluída (gás ε líquido) consiste de um sistema de instrumentação e controle que estabelece e mede o estado termodinâmico da amostra fluída. Dependendo da aplicação ou precisão requerida, pode ser utilizado um ou vários pontos de medidas de temperatura da amostra fluída(22).The fluid sample temperature control (gas ε liquid) consists of an instrumentation and control system that establishes and measures the thermodynamic state of the fluid sample. Depending on the required application or accuracy, one or more temperature measurement points of the fluid sample may be used (22).

A amostra fluida é posicionada dentro de um tubo metálico(23) que envolve um tubo de vidro(24). O circuito impresso(15). que poderá ser posicionado adjacente ao tubo mecálico(23) dentro de uma cavidade(25). rnede as temperaturas em vários pontos(22) e mantém a temperatura do ambiente da amostra fluída(2ó) em uma temperatura determinada através do elemento de arrefecimento e aquecimento(5) em contato com o tubo metálico(23). Se o fluido é estático, uma função matemática do tempo e do diâmetro do tubo permite determinar a temperatura de toda a amostra fluída.The fluid sample is positioned within a metal tube (23) surrounding a glass tube (24). The printed circuit (15). which may be positioned adjacent to the mechanical tube (23) within a cavity (25). It measures temperatures at various points (22) and maintains the ambient temperature of the fluid sample (23) at a temperature determined by the cooling and heating element (5) in contact with the metal tube (23). If the fluid is static, a mathematical function of tube time and diameter allows the temperature of the entire fluid sample to be determined.

Claims (5)

1. SISTEMA DE CONTROLE DE TEMPERATURA DE PRECISÃO DE ELEMENTOS SÓLIDOS OU FLUÍDOS, projetado para controlar a temperatura no interior de cápsulas onde estão inseridos elementos sólidos., líquidos, ou gasosos no interior de urna caixa metálica(7) de material bom condutor de calor CARACTERIZADO POR conduzir o calor imposto por um elemento de aquecimento ou arrefecimento(5) mantendo a temperatura pretendida através da caixa metálica(7), onde os sinais de temperatura de pontos do interior desta caixa metálica(7) lidos por sensores são transmitidos para o circuito impresso(15). que representa uma ou mais placas de circuito onde estão contemplados o circuito de transdução eletrônica e processamento de sinais(4) e demais componentes de interesse e que utilizando algoritmos de controle fornece ou retira energia do elemento de aquecimento ou arrefecimento(5) para manter o conteúdo no interior da caixa metálica(7) em urna temperatura requerida.1. SOLID OR FLUID ELEMENT PRECISION TEMPERATURE CONTROL SYSTEM, designed to control the temperature inside capsules where solid, liquid, or gaseous elements are inserted into a metal housing (7) of good heat conducting material CHARACTERIZED BY conducting heat imposed by a heating or cooling element (5) by maintaining the desired temperature through the metal housing (7), where the temperature signals from points inside this metal housing (7) read by sensors are transmitted to the printed circuit board (15). which represents one or more circuit boards where the electronic transduction and signal processing circuit (4) and other components of interest are contemplated and which using control algorithms provides or draws energy from the heating or cooling element (5) to maintain the contents inside the metal housing (7) at a required temperature. 2. SISTEMA DE CONTROLE DE TEMPERATURA DE PRECISÃO DE ELEMENTOS SÓLIDOS OU FLUÍDOS, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO PELO fato de que, quando aplicado para controle de temperatura em placas de circuito impresso(lS), na parte inferior da caixa metálica(7) onde está contido a placa de circuito impresso(15) seja utilizado uma lâmina de material isolante prevenindo que os sinais elétricos da placa de circuito impresso(15) entre em contato com as chapa metálica da base(18) e que na parte superior desta placa, uma lâmina de material esponjoso(21) evite que aconteça convecção entre a placa de circuito impresso(15) e a chapa metálica superior (19).2. PRECISION TEMPERATURE CONTROL SYSTEM FOR SOLID OR FLUID ELEMENTS according to claim 1, characterized in that when applied for temperature control on printed circuit boards (lS) at the bottom of the metal housing ( 7) where the printed circuit board (15) is contained, an insulating blade is used to prevent electrical signals from the printed circuit board (15) from contacting the base metal plate (18) and from the top From this plate, a sheet of spongy material (21) prevents convection between the printed circuit board (15) and the upper metal plate (19). 3. SISTEMA DE CONTROLE DE TEMPERATURA DE PRECISÃO DE ELEMENTOS SÓLIDOS OU FLUÍDOS, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO POR manter, simultaneamente, a temperatura interna do circuito impresso(15) e da temperatura de referência de termopares constantes em um valor pré- definido, quando aplicado em instrumentos de medida de temperatura que utilizam este sensor.3. SOLID OR FLUID ELEMENT PRECISION TEMPERATURE CONTROL SYSTEM according to claim 1, characterized in that it simultaneously maintains the internal temperature of the printed circuit (15) and the thermocouple reference temperature constant at a pre-set value. defined when applied to temperature measuring instruments using this sensor. 4.4 SISTEMA DE CONTROLE DE TEMPERATURA DE PRECISÃO DE ELEMENTOS SÓLIDOS OU FLUÍDOS, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO PELO fato de que. quando aplicado para controle de temperatura de fluidos (líquido ou gasoso), a caixa metálica(7) se apresenta em forma de tubo metálico(23) envolvendo um tubo de vidro(24), onde o circuito eletrônico de transdução e processamento de sinais(4) é posicionado adjacente ao tubo rnetálico(23) dentro de uma cavidade(25) medindo as temperaturas em vários pontos(22) e mantendo a temperatura do ambiente da amostra fluída(2ó), em uma temperatura determinada, através do elemento de arrefecimento e aquecimento(5) em contato com o tubo metáIico(23).PRECISION TEMPERATURE CONTROL SYSTEM FOR SOLID OR FLUID ELEMENTS according to claim 1, characterized by the fact that. When applied for fluid temperature control (liquid or gaseous), the metal housing (7) is in the form of a metal tube (23) enclosing a glass tube (24), where the electronic signal transduction and processing circuit ( 4) is positioned adjacent to the metal tube (23) within a cavity (25) by measuring temperatures at various points (22) and maintaining the ambient temperature of the fluid sample (23) at a given temperature through the cooling element. and heating (5) in contact with the metal tube (23).