Er der nu også noget der hedder en milliKelvin ?

Af Poul-Henning Kamp,  onsdag 17. nov 2010 kl. 18:59

Som I efterhånden har luret, roder jeg mig ofte ud i underlige fysisk/elektroniske experimenter fordi jeg ikke ved hvor svære ting faktisk er.

Lige nu har jeg brug for at holde et pår chips på en meget konstant temperatur til et lille forsøg, så der skulle bygges en ad-hoc termostat der kan finde ud af milliKelvin.

Man kan godt købe den slags, også billigt på eBay, men det er ikke noget jeg skal bruge permanent og så meget plads har jeg heller ikke i lab'et.

Jeg fandt nogle billige peltier-elementer på eBay, ca. 20kr stykket og købte 10 stk. Det ankom fra Hong Kong i ti små pakker hver for sig. Postbudet morede sig.

Jeg konstruerede en ovn bestående af en 50x50x20mm støbt alukasse uden låg der vender på hovedet. Peltierelementet ligger på bunden, fastholdt af vægten af en stor køleplade. Udenom alukassen er der 25mm "armaflex" som isolering.





Til styring af ovnen har jeg en NTC modstand i kontakt med alukassens side og til at se om det faktisk nytter noget, en PT100 føler indeni, men ikke i kontakt med alukassen.

Diverse multimetre og andet blev via GPIB brugt som termostat og efter lidt roderi med at skrive & tune en PI styring i python, så resultatet således ud her til morgen:


X-akse: timer, Y-akse(V) °C, Y-akse(H) Watt.

Det er ret tydeligt at NTC'en blev holdt på konstant modstand og at det svarer nogenlunde til en milliKelvin, men et par cm borte var PT100 føleren ikke overbevist og vandrer rask væk 5-10 milliKelvin.

Ikke helt dårligt for et første forsøg.

Jeg har en mistanke om at den store køleplade i virkeligheden skader mere end den gavner: Blot den mindste smule bevægelse i luften vil forandre dens temperatur og da peltierelementet har glimrende varmeledningsevne vil disse forstyrrelser forplante sig til "ovnen."

Næste forsøg involverer en papkasse hen over det hele, til at mindske termikken og derefter en meget mindre køleplade, det er kun 80mW og Peltierelementet virker som varmepumpe, så kølepladen bliver kølet ned.

NTC'en er en lille "dråbe" type, som bare er klemt ned imellem isoleringen og alukassen, den har i virkeligheden ikke særlig god termisk kontakt.

Den klassiske løsning på det problem er en klat kølepasta og da vi alle ved hvordan det sviner har jeg naturligvis unladt her i de indledende faser.

Efter at have læst Intels instruktioner for brug af den slags på deres CPU'er, er det også langt fra indlysende at det ville gøre nogen gavn: Kølepasta virker tilsyneladende kun hvis laget kun lige er tykt nok til at fylde hulrummet imellem komponent og køleplade.

Mit næste forsøg er at montere den indvendig i hjørnet af kassen, så den kommer tættere på peltierelementet og får 3 kontaktpunkter.

De to hvide firkanter I kan se på billedet er termiske mellemlæg af samme årsag, jeg aner heller ikke om de er under tryk nok til at gøre nogen gavn, men med 80mW er det heller ikke så vigtigt.

...så mange interessante fysiske problemer, så kort et liv...

phk



17. nov 2010 kl 21:00

Jan Rasmussen

Men..

Hvor langt over støj-gulvet er du med den måling? og hvordan fandt du ud af hvad det var?

1mK, hvad er måle usikkerheden på det? som udgangspunkt er det jo rart med udstyr der måler 10 x bedre end den værdi man skal måle.


17. nov 2010 kl 21:33

Rasmus Hansen

Re: Men..

Jeg fandt nogle billige peltier-elementer på eBay, ca. 20kr stykket og købte 10 stk. Det ankom fra Hong Kong i ti små pakker hver for sig.

Hvad måtte du så slippe i told og moms, når nu de kommer fra Hong Kong?


17. nov 2010 kl 21:37

avatar

Poul-Henning Kamp

Re: Men..


Hvad måtte du så slippe i told og moms, når nu de kommer fra Hong Kong?

Ikke noget, de er åbenbart under bagatelgrænsen.

Poul-Henning


17. nov 2010 kl 21:55

avatar

Poul-Henning Kamp

Re: Men..


1mK, hvad er måle usikkerheden på det?

Godt spørgsmål.

Umiddelbart siger den rå standard afvigelse for de sidste 100 målinger 0.71 mK for termistoren og 0.63 mK for PT100 elementet. Det er naturligvis lidt misvisende når der kører en feedback sløjfe udenom.

En 'modified Allan Variance' giver 0.46mK for periode 1 og antyder et støjgulv på 0.14µK over 1000 samples, hvilket jeg skal have regnet på ved lejlighed.

Tidskonstanten i systemet er temmelig lang og da temperatursvingningerne forventes at være meget små har jeg ingen planer om at tage et differential led med i styringen, så jeg tror umiddelbart jeg har rigelig støjmargin.

Poul-Henning



17. nov 2010 kl 22:19

Jan Rasmussen

Re: Men..


Umiddelbart siger den rå standard afvigelse for de sidste 100 målinger 0.71 mK for termistoren og 0.63 mK for PT100 elementet. Det er naturligvis lidt misvisende når der kører en feedback sløjfe udenom.

En meget hurtig tur med Wikipedia-ekspressen siger mig at en PT100 føler er (bør være..) 107.79 Ohm ved 20°C og 109.73 Ohm ved 25°C.

Hvis vi er grov og antager modstanden ændre sig lineært mellem 20 og 25°C, giver det 1.94 Ohm / °K eller 1.94mOhm / °mK.

Hvor nøjagtig er din modstandsmåling af PT100 ?

Jeg kan godt se ideen i både din PTC og din NTC er nogenlunde enige, og målet jo nok er at holde en stabil temperatur frem for en bestemt temperatur.

Jeg frygter blot der opstår en falsk tryghed i, at den faktiske temperatur ændre sig fordi du regulere med varme/kulde baseret på målinger der står og svinger lidt, så for at måle en meget konstant modstand ( og derved "temperatur" ) regulere du temperaturen for at holde modstanden stabil.


En 'modified Allan Variance' giver 0.46mK for periode 1 og antyder et støjgulv på 0.14µK over 1000 samples, hvilket jeg skal have regnet på ved lejlighed.

Førnævnte ekspres-tur gjorde mig kun kun mere konfus af at læse kort om denne Allan, Jeg trækker min spørgen til støj-gulv tilbage, det kan man vel egentlig ikke tale om støj-gulv som sådan, uden det er med i udsikkerhedsberegningen af ens måling.

/Jan


17. nov 2010 kl 22:49

Preben Rose

Re: Men..

Du kunne måske have skrevet lidt om hvilken temperatur, du har brug for - normalt (hvis det kun er for at holde en konstant temperatur) bruger man en temperatur noget højere end omgivelserne, da der ellers nemt opstår en termisk oscillation.
Det er lettere bare at varme end at køle og varme.
(Da du har Peltier elementer kunne du også vælge kun at køle)

Vær opmærksom på at tilledningerne til ntc modstanden leder varmen/kulden væk fra modstanden, hvorfor modstanden ikke har samme temperatur som emnet, og slet ikke hvis ikke der er god mekanisk kontakt (pasta). Dette problem er selvfølgelig mindre, hvis også der er 21 grader hvor du arbejder med opstillingen.

Eventuelt kan et stykke af tilledningerne rulles op inde i ovnen eller klimaskærmen (papkassen).

Lokalt vil du have alle mulige andre temperaturer end det du måler, hvorfor ventilation i ovnen er et must. Endnu bedre et oliebad med pumpe, hvis du
bare vil i nærheden af "milliKelvin".
Måske er du tilfreds med, at ovntemperaturen er nogenlunde konstant!?

I øjeblikket er det kun temperaturen i NTC-modstanden, der er nogenlunde konstant ;o)

God fornøjelse!



17. nov 2010 kl 22:50

avatar

Poul-Henning Kamp

Re: Men..


Hvis vi er grov og antager modstanden ændre sig lineært mellem 20 og 25°C, giver det 1.94 Ohm / °K eller 1.94mOhm / °mK.

Du glemte at dividere med de fem grader, det er endnu værre: 388µOhm/mK


Hvor nøjagtig er din modstandsmåling af PT100 ?

PT100 føleren er der egentlig kun for at checke at kompensationskurven for NTC'en er nogenlunde rigtig og den er helt klart helt ude i spidsen af det sidste bit i HP34401A'en.

Det var først da jeg var gået i seng og lå og lavede hovedregning at det gik op for mig at jeg skulle bytte så HP3458A'en kom på PT100 sensoren, mens den langt mindre kritiske NTC kom på HP34401A'en.

Men selv på HP3458A'en er der stadig det meste af en mK støj på PT100 signalet, vi er nede hvor ledningernes temperatur er relevant, selv ved fire-leder måling.

Heldigvis er PT100 der bare for at give den absolute temperatur, det er NTC'en der styres efter og den flytter sig næsten en halv ohm per mK (37e-6 af værdien), så den er meget mindre hysterisk.


Førnævnte ekspres-tur gjorde mig kun kun mere konfus af at læse kort om denne Allan, [...]

Jeg burde skrive et blogindlæg om Allan Variansen, der er alt for mange der ikke kender til den, eller tror den kun handler om frekvensmåling.

Groft sagt, meget groft sagt, så er allan variansen standardafvigelsen plottet imod afstanden imellem dine målinger.

Med andre ord: den normale standardafvigelse svarer til allan variansen med afstanden 1.

Derefter udregner du standardafvigelsen for hvert andet sample (=adev(2)), hvert tredje (=adev(3)), fjerde (=adev(4)), osv.

Når du plotter adev(x) dobbelt-logaritmisk, får du adgang til en uhyggelig masse information om karakteren af dine støjprocesser, perioderne i din støj osv.

Men som sagt, den er ukendt i vide kredse og den kræver at man tænker sig lidt om, for at fortolke resultaterne.

Poul-Henning


17. nov 2010 kl 23:03

avatar

Poul-Henning Kamp

Re: Men..


Det er lettere bare at varme end at køle og varme.
(Da du har Peltier elementer kunne du også vælge kun at køle)

Helt klart, ikke mindst fordi der er forskel på hvor meget varme der transporteres i de to retninger.

Jeg valgte mest peltier for sjov skyld, men også fordi det kunne være interessant at kunne køre ved forskellige temperaturer og se hvad der giver det bedste resultat.

og slet ikke hvis ikke der er god mekanisk kontakt (pasta).

Hjælper pasta faktisk ? Jeg er meget i tvivl om der er nogen gavnlig effekt for andet end tynde lag ?

(Well, duh: Det kan jeg jo prøve at måle, kan jeg ikke ?? :-)


Måske er du tilfreds med, at ovntemperaturen er nogenlunde konstant!?

I første omgang vil en blot nogenlunde konstant temperatur være et stort fremskridt. Jeg ved faktisk ikke hvor bagatelgrænsen går for de termiske følsomheder i det jeg skal have målt på, men det håber jeg at min lille ovn hjælper mig med at få klarlagt.

Der er også hele spørgsmålet om den temiske kontakt imellem de to chips der skal stabiliseres og selve ovenen.

Jeg kan garantere dig for at jeg ikke er villig til at fylde olie i :-)

Poul-Henning


17. nov 2010 kl 23:34

avatar

Esben Madsen

Re: Men..

Hjælper pasta faktisk ? Jeg er meget i tvivl om der er nogen gavnlig effekt for andet end tynde lag ?

Pastaen er som regel en dårligere termisk leder end de materialer man klatter det på, men ret meget bedre end luft... det er derfor man skal buge et tyndt lag til at udfylde de små lufthuller der opstår fordi de enkelte elementer trods alt ikke har en perfekt matchende overflade... bruger man for meget, så risikerer man at forringe varmeledningen i stedet...


17. nov 2010 kl 23:36

Michael Eriksen

Pt1000

Bare en generel kommentar til temperaturmåling: NTC er generelt noget hø, Pt100 er til at stole på men Pt1000 er bedre. Uanset om det er Pt100 eller Pt1000 skal man bruge "four wire" forbindelser, hvis man vil noget seriøst. Det er måske mere end du har behov for, men det er let og du har sikkert grejet.


17. nov 2010 kl 23:50

avatar

Poul-Henning Kamp

Re: Pt1000

Bare en generel kommentar til temperaturmåling: NTC er generelt noget hø, Pt100 er til at stole på men Pt1000 er bedre.

Enig, men hvis den absolutte temperatur ikke er vigtig, er det en fordel med det meget tydelige signal NTC'en giver, typisk 5%/K, i forhold til platinsensorenes kun 0.35%/K.

Og ja, 4-tråds ("kelvin" :-) forbindelse er et must. Jeg bruger et stykke skærmet stereolydkabel hvor centerleder og skærm er loddet sammen på PT100 sensorens ben, så "force" signalet skærmer "sense" signalet.

Poul-Henning


18. nov 2010 kl 01:39

Preben Rose

Re: Men..

Hjælper pasta faktisk ?

Muligvis ikke - udover at det sviner, har det også den uheldige egenskab, at det forøger massen af målesonden (langsommere respons) og overfladen (større varme-/kuldetab til omgivelserne).

En god fysisk kontakt til emnet, der skal måles på, er naturligvis nødvendig for stor nøjagtighed.
Egenopvarmning af sonden kan have indflydelse på målingen og temperaturen i målepunktet, ligesom tidligere skrevet tilledningerne.

Kraftig ventilation (i ovnen) afhjælper til dels en del af ovenstående problemer. Føleren behøver ikke at have kontakt (med andet end luften).

(Det er stadig, for mig, en anelse uklart, hvad det præcis er, du vil opnå.)



18. nov 2010 kl 09:19

Ole Lauridsen

Re: Men..



Hvad måtte du så slippe i told og moms, når nu de kommer fra Hong Kong?


Ikke noget, de er åbenbart under bagatelgrænsen.



Poul-Henning

Og ellers skal de nok komme det, hvis jeg kender hongkongerne bare nogenlunde...

Har lige modtaget et kamerabatteri til ca. 900 kr. Her havde en medarbejder i Hong Kong (helt af sig selv) omhyggeligt udfyldt en deklaration, hvoraf det fremgår, at indholdet er en privat gave til en værdi af 3 dollar - faktisk har de et stempel til at skrive "US 3 $", så mon ikke det er standardværdien hos dem.

Husk dog, at Skat tager stikprøver - også af små forsendelser.


18. nov 2010 kl 09:57

Hans Schou

Re: Men.. (moms og toldbehandling)


Hvad måtte du så slippe i told og moms, når nu de kommer fra Hong Kong?

Ikke noget, de er åbenbart under bagatelgrænsen.

Poul-Henning

For køb under kr. 80,- alt inkl. skal der ikke betales moms og punktafgift.

Hvis en pakke koster kr. 81,- skal der tillægges kr. 110 til Postdanmark for toldbehandling. Så havde peltier'erne været i én pakke til kr 200, så skulle der betales 110 ekstra. Det er altså en økonomisk fordel med flere pakker, og bestemt ikke noget at grine af.

Læs PDFen her:
http://www.skat.dk/display.asp...ld=1

Eller Momsloven §36 stk 1 pkt 3
https://www.retsinformation.dk...N504
hvor der også er nævnt undtagelser om tobak etc.


18. nov 2010 kl 10:12

Bjarke Dalslet

Varmeledning

Kontaktfladen mellem peltierelementet og kølepladen er afgørende, dels for effektiviteten af peltierelementet og dels for støjen.

Det gør underværker at spænde peltierelementet fast til din køleplade med en god kraft - det udligner hovedparten af de små skævheder og ujævneheder der er i køleplade og peltierelement.

Varmepasta er rigtig godt hvis der er ridser (og det er der!) i køleplade og peltierelement.

Som du selv er inde på så kan du isolere dit system incl. køleplade hvis du vil undgå fluktuationer. Det nedsætter dog temperaturintervallet som din ovn/fryser kan operere i (med mindre du sætter opstillingen ind i en bageovn/fryser)... Det er også her at peltier er smart da du godt kan skabe en steady-state temperaturforskel i et termisk lukket system. Vær dog opmærksom på at du kan ende med ret lange tidskonstanter for dit system hvis du isolerer kølepladen med. Et alternativt er at sætte en blæser på kølepladen, da den så bliver mindre følsom for små bevægelser i luften.


18. nov 2010 kl 11:32

Klaus Brebøl

Konstant temp på chippen

Jeg ved ikke om det er til nytte i den aktuelle sag, men jeg mindes et kredsløb hvor man for at forbedre stabiliteten af en spændingsreference brugte en lineær spændingsstabilisator (LM 723 ?). Serietransistoren blev brugt som varmeelement, en diodeovergang som temperatursensor, hvorefter hele chippens temperatur incl. spændingsreferencen var rimelig stabil.


18. nov 2010 kl 13:58

Frithiof Andreas Jensen

Re: Men..

Jeg kan garantere dig for at jeg ikke er villig til at fylde olie i :-)

Så Alkohol da: Man dækker elektronikken med alkohol (eller Freon) og pumper luften ud af kassen så man på den måde laver en slags "heatpibe", der omgiver elektronikken helt.

Du kan eventuelt bore en lille "brønd" til thermistoren, fylde den lidt med "heat-sink gunk" og stikke thermistoren derned. Det begrænser svineriet noget.


Ny i debatten? Opret en brugerkonto

  • Seneste nyt
  • Mest læste
  • Debatterede
 

Nyhedsbrev

Tilmeld dig vores nyhedsbrev.