Zulässige Umgebungstemperaturen und Monitoring der Temperaturen mit Balluff CA Industriekameras
1. Einleitung
Die technischen Daten von Industriekameras weisen immer auf die zulässige Betriebstemperatur bzw. Umgebungstemperatur hin. Dies ist die Lufttemperatur, die um das Gerät in einem bestimmten Abstand herrscht. Typischerweise ist die untere Grenze des Temperaturbereichs knapp über 0 °C, da Kondenswasserbildung auf und in der Kamera, welche normalerweise nicht wassergeschützt ist, vermieden werden muss. Das obere Limit stellt das Worst Case Limit, um auf der sicheren Seite zu sein, dar. So kann mit einem Thermometer im Raum gemessen werden, ob die Temperatur passt oder nicht. Ganz so einfach ist es nicht – weitere Punkte zum Thema, die berücksichtigt werden können, zeigt dieses Dokument.
2. Umgebungstemperatur vs. Gehäusetemperatur
Die Angaben zur Umgebungstemperatur geben die Kamerahersteller meistens wie folgt an:
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Lagertemperatur -20...60 °C, Relative Luftfeuchtigkeit 20...90%
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Umgebungstemperatur 0...45 °C, Relative Luftfeuchtigkeit 30...80%
Jedoch wird es schwieriger, wenn die Extremen ausgereizt werden. Es muss beachtet werden, dass Kameras sich beispielsweise beim Stromverbrauch unterscheiden. Dies führt zu unterschiedlichen Gehäusetemperaturen. Auch der Aufbau der Kamera selbst kann unterschiedlich sein. Gehäusetemperaturen können durch eine Verbindung zu Wärme ableitenden Metallstrukturen gesenkt werden. Eine andere, effektive Möglichkeit Gehäusetemperaturen zu senken, bietet die Konvektionskühlung durch Luftbewegung, die auch durch Lüfter „erzwungen“ werden kann. Die Gehäusetemperatur gibt an, wie warm es in der Kamera ist. Normalerweise gibt es hier dann zwei kritische Temperaturgrenzen:
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Der Bildsensor und
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der FPGA/der Speicher oder „Glue Logic“.
Industrielle Bildsensoren sind beispielsweise auf 75 °C limitiert (nochmal: Umgebungstemperatur: Sony CMOS) während des Betriebs; Sensoren im Automotive-Bereich können höhere Grenzen haben. FPGA/Speicher & Glue Logic im Industriebereich haben eine Grenze von 85 °C.
Die Balluff GmbH bietet für manche Kameras als Option einen erweiterten Temperaturbereich an, welcher eine größeren Temperaturbereich erlauben und explizit hierfür getestet wurden. Diese Option kann für viele Nutzer ausreichend sein, jedoch ist diese mit einem Aufpreis verbunden.
3. Ablesen von Temperaturen in der Kamera
Falls Sie die Temperaturgrenzen einer Kamera austesten möchten, dann bieten Industriekameras von Balluff zwei integrierte Thermometer, die über GigE Vision Propertys ausgelesen werden können. Einer befindet sich direkt neben dem Bildsensor, der andere ist in der Nähe des FPGAs angebracht. So lange sich die Thermometer innerhalb der zulässigen Grenzen bewegen, kann die Kamera sicher betrieben werden, egal in welcher Umgebung. Die Thermometer können über GigE Vision Propertys herausgelesen werden.
Abbildung 1: Device Temperature Selector
Der folgende Aufbau zeigt eine BVS CA-SF1 und deren Temperatur auf einem Schreibtisch bei 23 °C Raumtemperatur. Die Umgebungstemperatur könnte noch weitere 27 °C steigen, ohne das zusätzliche Kühlung nötig wird (auch die Temperatur am Sensorboard könnte geprüft werden, je nachdem was relevant ist).
Abbildung 2: Oberflächentemperatur
Die Kamera verbraucht ~2,5 W, so kann der thermische Widerstand der Gehäusekamera mit RTh ~10 K/W berechnet werden. Es ist möglich, die Kamera unter 0 °C zu betreiben (bis zu -20 °C), solange Kondenswasser auf und in der Kamera vermieden werden kann. Zwischen der Gehäusetemperatur am Frontflansch (roter Messpunkt) und dem ausgelesenen Wert am Sensor gibt e seine Differenz von ca. 10 °C, wie es hier der Fall mit einer BVS CA-SF2 der Fall ist.
4. Ein Experiment
Wird die Kamera mit einem Wärmespreizer verbunden, kann der thermische Widerstand erheblich gesenkt werden (durch Wärmeleitung und Konvektion): (die Temperatur wurde am gleichen Punkt gemessen).
Abbildung 3: Oberflächentemperatur bei Wärmeableitung
5. Fazit
In den Tests konnte festgestellt werden, dass die obere Grenze der Gehäusetemperatur 65 °C entspricht. Dies kann als Alternative zur Angabe für die zulässigen Umgebungstemperatur herangezogen werden. Board-Level Kameras sind dagegen empfindlicher, da ein Gehäuse zur Wärmeableitung fehlt.
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