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La importancia de Pruebas de Túnel de Viento en el Laboratorio

Pruebas de Túnel de Viento Las tasas de fallo de muchos componentes electrónicos aumentan con la temperatura, es un problema que desafía a los diseñadores ya que el aumento de la densidad de transistores significa que los dispositivos generan más vatios por centímetro cuadrado que nunca. Las técnicas de modelado CFD predicen la eficacia de la disipación de calor al igual que la dispersión de los componentes y la adición de los disipadores de calor y ventiladores, pero la prueba sigue siendo un paso esencial.

Mientras que el banco de prueba puede ser suficiente para algunos componentes y tableros, un enfoque mejor es colocarlos en un túnel de viento [estándares como el Sistema de Construcción de Equipo de Rede (NEBS) requieren pruebas de túnel de viento]. Pruebas de túnel de viento se lo suelen considerar en relación a la aerodinámica, pero también es un importante método de prueba electrónica, sólo en un túnel de viento se puede gestionar el flujo de aire para evaluar los efectos de enfriamiento del ventilador, por ejemplo:

El informe de OMEGA Engineering explora los usos de los túneles de viento en el laboratorio, y se presta especial atención a las pruebas de aparatos electrónicos, pero su papel en la calibración también se cubre. Las secciones abordan:
  • Necesidad de gestión térmica
  • NEBS
  • El uso de un túnel de viento para la verificación y prueba de los modelos
  • El uso de un túnel de viento para la calibración
  • Túneles de viento de Laboratorio

Necesidad de Gestión Térmica

Con la densidad de transistores en aumento, los microprocesadores consumen más energía y emiten más calor, la refrigeración es esencial para un funcionamiento fiable por lo que los disipadores de calor se han vuelto más grandes, los ventiladores de refrigeración más potentes y los tubos de calor más comunes. Sin embargo, los procesadores no son la única fuente de calor, Cada componente electrónico activo genera calor y el diseño moderno de circuitos los coloca en densidades más altas.

La fiabilidad de los componentes electrónicos es inversamente proporcional a la temperatura de funcionamiento, por lo que más calor exige más refrigeración. Para fiabilidad a largo plazo la temperatura de la unión de componentes debe mantenerse bajo 75°C (167°F). Históricamente, los métodos principales para esto han sido convección y aire forzado. En dispositivos en los que la fiabilidad no es una de las principales preocupaciones esto ha sido suficiente, aunque el aumento de la producción de calor lo está cambiando.

Algunas aplicaciones, en particular cuando las garantías y los ciclos de vida son largos, demandan niveles muy altos de fiabilidad: en situaciones donde conseguir el acceso es difícil y caro, o cuando el tiempo de inactividad incurre en costos o pérdidas de ingresos. Uno de estos sectores de actividades es la red telefónica pública conmutada (PSTN). Las organizaciones como Bell, y ahora Telcordia, ponen gran énfasis en el logro de una alta fiabilidad de los componentes electrónicos por períodos de 20 años o más.

NEBS

Procurando que los conmutadores de red trabajen de forma fiable durante largos periodos de tiempo, en los Laboratorios Bell de 1970 se elaboró un conjunto de normas que se conoció como los criterios de NEBS. Aunque hoy en día se conocen más bien como Requisitos Genéricos (GR), estos son los principales estándares que rigen el desempeño de los equipos de telecomunicaciones. La FCC requiere niveles muy altos de tiempo de funcionamiento de la PSTN, que era el conductor detrás del desarrollo de NEBS. Incluso cuando su uso no es obligatorio, como en redes inalámbricas, los operadores de sistemas prefieren utilizarlos, debido a la demostrada fiabilidad tan alta que resulta.

A través de los años, otros países han adoptado normas similares, dentro de la UE, por ejemplo, el equivalente a NEBS es el European Telecommunications Standards Institute (ETSI).

El Uso de un Túnel de Viento Para la Verificación y Prueba de los Modelos

En cualquier proceso de desarrollo es importante identificar los problemas a tiempo, preferiblemente antes de invertir en utensilios y fabricación. Esto reduce el riesgo de fallos en las pruebas que a menudo terminan forzando a un costoso y apresurado rediseño y retraso en el lanzamiento. Con la preocupación por el calor como un factor importante en el diseño de los aparatos electrónicos, se ha convertido en una práctica estándar construir modelos CFD antes de construir componentes físicos y tableros, Esto permite flujos de calor en los diseños competentes y así ayuda a mejorar la fiabilidad.

Sin embargo, independientemente de la cantidad de modelado que se lleve a cabo, la verificación sigue siendo un paso esencial, y aquí es donde el túnel de viento se convierte en una pieza esencial del equipo.

Con un túnel de viento de laboratorio, los componentes y tableros se pueden montar en una corriente de aire y equipar con termopares. El tablero o componente puede ser encendido y sometido a pruebas de generación de calor con temperaturas que son registrados para la comparación de las predicciones del modelo. Alternativamente, la colocación de diseños de prototipos en competencia (como disipadores de calor) lado a lado, permite una comparación directa del rendimiento. En algunos túneles de viento el aire puede ser calentado a una temperatura específica para probar el rendimiento en diversas condiciones ambientales (esto es importante para NEBS, donde se desea un rendimiento fiable de energía de la batería y sin sistemas de refrigeración).

El Uso de un Túnel de Viento Para la Calibración

Mini túnel de viento económico para laboratorio
Mini túnel de viento económico para laboratorio
Los túneles de viento de laboratorio tienen usos más allá de la verificación de modelado CFD. Pueden ser utilizados para calibrar sensores de aire y temperatura, y también para la calibración del anemómetro. Estos pueden ser de tipo paletas, alambre caliente o anemómetros de tubo de Pitot.

Otro uso de calibración para los túneles de viento de laboratorio es la generación de curvas de P-Q para los ventiladores, Las curvas P-Q caracterizan el rendimiento del ventilador, así que son un criterio importante de selección.

Los túneles de viento para la calibración del anemómetro son grandes tubos con aire en movimiento en el interior. Tienen un ventilador que mueve el aire. El ventilador debe tener paletas de enderezamiento para suavizar el flujo de aire. El instrumento bajo prueba se coloca en el medio del túnel y es fijado de modo que no se mueva.

Hay varios requisitos para la calibración de anemómetros que deben ser tomados en cuenta:
  • Todos los transductores y equipos de medida deberán tener calibraciones identificables. Los certificados de calibración e informes contendrán toda la información relevante.
  • Antes de cada calibración, la configuración debe ser verificada por medio de la calibración comparativa de un anemómetro de referencia.
  • La capacidad de repetición de la calibración debe ser verificada.
  • Una valoración de la incertidumbre de medida se llevará a cabo en conformidad con las directrices.
También existen requisitos especiales para el túnel de viento. La presencia del anemómetro no debe afectar sustancialmente el campo de flujo en el túnel de viento. El flujo a través de la zona cubierta por el anemómetro debe ser uniforme. Los factores de corrección se utilizan normalmente para anemómetros que distorsionan significativamente o bloquean la vía de flujo, con el fin de asegurar la repetición de la instalación. Se llevarán a cabo cinco calibraciones de un anemómetro de referencia, la diferencia máxima entre estas calibraciones debe ser menor de 0,5% a 10 m/s de velocidad del viento. Los arreglos de montaje pueden tener efectos dramáticos sobre la sensibilidad del instrumento, sobre todo si la relación del diámetro del tubo al diámetro del rotor es alta.

Es importante asegurarse de que el anemómetro no está influenciado por la presencia de cualquier equipo de medición de la velocidad del viento.

Los Túneles de Viento de Laboratorio en el Mercado Hoy

 Túnel de viento para la evaluación térmica
Túnel de Viento para la Evaluación Térmica
Túnel de Viento de Lazo Cerrado
Túnel de Viento de Lazo Cerrado
 
Túnel de Viento de Lazo Abierto
Túnel de Viento de Lazo Abierto
 
Túnel de Viento de Calidad de Investigación
Túnel de Viento de Calidad de Investigación
 
Una gama completa de túneles de viento de laboratorio están en el mercado hoy en día. Van desde el compacto y económico hasta los que tienen calidad de investigación. Todos incorporan características para reducir al mínimo la turbulencia del aire, tales como estructuras de panal, y están diseñados para alta precisión y repetición.

Hay un túnel de viento para la evaluación térmica de las placas de circuitos, disipadores de calor, componentes y calibración de sensores de velocidad del aire. Tiene una cámara de ensayo de policarbonato transparente que mide 43 por 8.25 cm de sección transversal y es alimentado por cuatro ventiladores de entrega de hasta 5 m/s (1000 pies / min). El software está disponible para control del flujo de aire exacto por computador utilizando el cable USB incluido.

Ideal para pruebas NEBS, los túneles de viento recirculan el aire en lugar de expulsarlos del entorno. Este diseño es ventajoso para pruebas de módulos y componentes en el aire caliente, ya que se eleva la temperatura de forma rápida y proporciona una buena estabilidad térmica. La sección de prueba de policarbonato mide 41.8 por 22.5 por 8.9 cm. Velocidades del aire de hasta 7 m/s (1200 ft/min) se pueden programar a través del controlador y el aire se puede calentar a 85°C con una precisión de ± 1°C.

El túnel de viento de circuito abierto más grande tiene una sección de prueba de Plexiglas que mide 60.9 por 40.6 por 8.2 cm, por lo que es lo suficientemente grande como para tomar dos disipadores de calor lado a lado. Los ventiladores están montados sobre la bandeja para que puedan ser cambiados para proporcionar flujos de aire de hasta 10 m/s (2000 pies/min). El diseño también se puede utilizar para generar curvas de P-Q, así como para pruebas de componentes y PCB.

Una unidad es un poco más grande es un túnel de viento totalmente controlable para prueba térmica y de flujo de aire de múltiples PCB. Puede alojar hasta seis PCB a la vez, permitiendo pruebas de distribución del flujo térmico y caracterización de la caída de presión. La sección de prueba de plexiglás mide 60.9 x 46.9 x 7.6 cm. El aire fluye a 10 m/s (2.000 pies/min). Los ventiladores se montan en la bandeja de manera que se pueden cambiar para proporcionar el flujo de aire requerido.

Pruebas de Túnel de Viento Para Fiabilidad

El uso principal del túnel de viento de laboratorio es caracterizar y verificar el modelado del comportamiento térmico de los componentes electrónicos y los PCB. Esto es muy importante para asegurar las bajas temperaturas necesarias para un funcionamiento fiable y es especialmente importante para hardwares sujetos a la NEBS o normas similares.

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