車(chē)載局域環(huán)境溫控裝置的熱分析及熱測試方法

第34卷第4期儀器儀表學(xué)報Vol 34 No 42013年4月Chinese Journal of Scientific InstrumentApr.2013車(chē)載局域環(huán)境溫控裝置的熱分析及熱測試方法李洪才12,陳非凡,董永貴(1.清華大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗室北京100084;2.第二炮兵工程大學(xué)202教研室西安710025)摘要:針對車(chē)載局域環(huán)境溫控系統的個(gè)性化設計及評估調試問(wèn)題,結合一種基于密閉風(fēng)冷換熱方式的車(chē)載局域溫控裝置的物理結構及內部溫度測點(diǎn)分布,對其傳熱過(guò)程進(jìn)行了分析,并建立了系統的熱阻網(wǎng)絡(luò )分析模型。推導了系統內部溫度節點(diǎn)在穩態(tài)導熱和非穩態(tài)導熱情況下的變化規律。通過(guò)選擇不同的加熱功率及加熱方式對車(chē)載局域溫控裝置進(jìn)行實(shí)驗測試,結合推導出的變化規律對測試數據進(jìn)行擬合處理,獲得了系統溫度節點(diǎn)之間的傳熱系數及熱容參數。所測參數之間的相對誤差約在0.6%~6%,表明所建立的系統數學(xué)模型及測試方法可用于指導車(chē)載儀器溫控系統的設計及快速調試。關(guān)鍵詞:局域環(huán)境溫控系統;車(chē)載儀器;密閉風(fēng)冷;熱分析;熱測試中圖分類(lèi)號;TK311TM924.13文獻標識碼:A國家標準學(xué)科分類(lèi)代碼:460.40Thermal analysis and test methods for local environment temperaturecontrol in-vehicle apparatusLi Hongcai, Chen Feifan, Dong Yonggu(I. State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and instruments, Tsinghua University, Beying 100084, China2. 202 Unit, The Second Artillery Engineering University, Xi'an 710025, China)Abstract: Aiming at the problem of individual design, evaluation and commissioning in local environment temperature con-trol in-vehicle system, and considering the physical structure and temperature sensor distribution of a sealed air coolingconstant temperature control in-vehicle apparatus, the heat transfer property of the apparatus was analyzed and the systemthermal resistance network model was established. The changing laws of the system temperature nodes were derived understeady-state and unsteady-state heat conductions. The local temperature control in-vehicle apparatus was tested when dif-ferent heating powers and heating styles were selected, the test data was fitted according to the derived laws, and the heattransfer coefficients and heat capacity parameters among the system temperature nodes were obtained. The relative errors ofthe measured parameters are about 0. 6% to 6%, which indicates that the established mathematical model and test methecan be used to guide the design and fast commissioning of the in-vehicle instrument temperature control systemKeywords: local environment temperature control system; in-vehicle instrument; sealed air cooling; thermal analysis; thermal test的移動(dòng)性能、髙效的功能集成等突出優(yōu)點(diǎn),尤其在執行野1引言外測繪21、食品安全快速檢測以及特種車(chē)輛的自主導航定位等領(lǐng)域的任務(wù)中發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。安裝在車(chē)載移動(dòng)平臺上的測量及檢測系統具有便捷可以很好地彌補實(shí)驗室及檢測中心地域固定的不足,并能夠執行流Ha中國煤化工的應急檢測等任收稿日期:2011406 Received Date:2011406CNMHG896儀器儀表學(xué)報第34卷務(wù)。將科學(xué)測量?jì)x器從傳統的實(shí)驗室轉換到車(chē)載環(huán)境件下,系統根據測點(diǎn)溫度實(shí)現腔內溫度的自動(dòng)調節,保證中,臨場(chǎng)測試環(huán)境中諸如振動(dòng)溫度波動(dòng)及粉塵等因素的整個(gè)系統工作在所需要的溫度范圍內。影響不可忽視。因此,環(huán)境適應能力的評估是這類(lèi)儀器環(huán)境內風(fēng)道入口內風(fēng)扇研究開(kāi)發(fā)過(guò)程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。溫度T溫T散熱器外散熱器內部肋片外風(fēng)道出口溫度是局域環(huán)境控制中最常見(jiàn)、也是最重要的控制部肋片熱傳導參數8”)。幾乎所有測量裝置都存在或多或少的溫度漂移問(wèn)題,與其他環(huán)境影響因素相比,溫度也是最容易在車(chē)外腔體內腔體載環(huán)境中實(shí)現恒定控制的參量。將測量?jì)x器(如車(chē)載慣對流迫性測量元件、車(chē)載激光雷達等)安裝在能夠提供局域恒溫對流對流道出口環(huán)境的裝置中隔離溫度波動(dòng)的影響,從而有效地將其他加熱器加熱器臨場(chǎng)環(huán)境因素的影響與溫度漂移問(wèn)題解耦,解決車(chē)載儀外風(fēng)扇溫度T外風(fēng)道入口器現場(chǎng)測試數據中多因素混合的影響。例如振動(dòng)等特定因素的影響導致難以準確定位等問(wèn)題4:0。對于那些圖1密閉風(fēng)冷局域環(huán)境溫控系統的物理時(shí)難以克服溫度漂移問(wèn)題的測量系統,局域環(huán)境溫控裝結構及熱傳遞示意圖置則可以作為必要的配件,加速儀器車(chē)載化的研究進(jìn)程。Fig. 1 Physical structure and heat transfer schematic由于車(chē)載環(huán)境的特殊性,局域環(huán)境溫控系統一般需diagram of the sealed air cooling local environment要根據目標儀器的特點(diǎn)進(jìn)行定制,并盡可能與測量?jì)x器emperature control system融為一個(gè)有機整體。本文針對上述背景,結合車(chē)載條件下的特殊環(huán)境,設計了一種基于密閉風(fēng)冷的車(chē)載局域環(huán)為了便于實(shí)現系統內部溫度的分布式測量以及數據境溫控裝置。釆用密閉風(fēng)冷的設計可以使整個(gè)裝置結構的傳輸處理,溫度的測量均采用數字式傳感器TMP75更加緊湊,并達到節約能源的目的,而且更利于在車(chē)載環(huán)( Texas Instruments)。圖1中給出了溫度傳感器的安裝境條件下為測量?jì)x器提供長(cháng)期穩定的工作環(huán)境。論文著(zhù)示意位置,其測量類(lèi)型包括加熱器溫度T,內風(fēng)道出口重對車(chē)載局域環(huán)境溫控系統的傳熱過(guò)程進(jìn)行分析,結合風(fēng)溫T,內風(fēng)道入口風(fēng)溫T,以及外風(fēng)道出口風(fēng)溫T和系統的物理結構及內部溫度測點(diǎn)的分布情況建立了系統外風(fēng)道入口風(fēng)溫T。定義內風(fēng)道出、人口風(fēng)溫的均值為的熱阻網(wǎng)絡(luò )分析模型,并給出了系統溫度節點(diǎn)間相關(guān)傳內風(fēng)道風(fēng)溫T,外風(fēng)道出、入口風(fēng)溫的均值為外風(fēng)道風(fēng)熱參數的熱測試方法。通過(guò)選擇不同的實(shí)驗條件,測得溫T,從而便于后續的傳熱模型建立及討論分析。了系統溫度節點(diǎn)之間的傳熱參數值,同時(shí)也驗證了本文系統通過(guò)控制外風(fēng)扇的轉速來(lái)實(shí)現外風(fēng)道換熱強度大所建立的數學(xué)分析模型及熱測試方法的可行性。小的控制。內風(fēng)扇的功能則是盡可能保證系統內腔體中的溫度分布趨于均勻。系統加熱器采用脈沖寬度調制( pulse2物理結構模型及工作原理width modulation,pWM)進(jìn)行逐級控制,并釆取了限溫保護措施。系統內腔的尺寸(LW×H)約為550mm×50mmx局域環(huán)境溫控系統的結構及其功能應根據測量?jì)x器60mm,穩態(tài)溫控精度為±0.1℃。系統詳細的溫控原理及的需要進(jìn)行定制和設計,并且符合車(chē)載空間條件下的安實(shí)現方法請參閱文獻[1l]中的內容本文則主要側重于系統裝要求。圖1給出了基于密閉風(fēng)冷的車(chē)載局域環(huán)境溫控的熱分析及傳熱參數的熱測試。裝置的物理結構模型及其內部傳熱的示意圖。系統的結構總體上分為內外兩個(gè)相互隔離的腔體內腔體置于外3系統的熱阻網(wǎng)絡(luò )模型及傳熱分析腔體之中,呈“回”字型結構。測量?jì)x器或者待評估儀器固定于系統的內腔中。內腔的密閉結構可以實(shí)現測量?jì)x采用熱阻網(wǎng)絡(luò )分析法21對系統的傳熱過(guò)程進(jìn)行分器與外界環(huán)境的物理隔離,從而有利于排除車(chē)載臨場(chǎng)環(huán)析。根據能量守恒定律,在M的時(shí)間間隔內系統節點(diǎn)間境中不利因素(如粉塵、有害氣體等)的影響。整個(gè)裝置的傳導熱量對流熱量以及該節點(diǎn)的能量(熱量)變化量采用對稱(chēng)的門(mén)式結構及柔性支撐設計,從而便于測量?jì)x之間的關(guān)系為1器的安裝,并有效降低車(chē)載振動(dòng)對測量?jì)x器的影響。系T統的散熱器為雙面肋片散熱結構,材料為6003鋁合金。m"△=∑K(T…-T)+∑bA(T系統內腔的溫度調控則是通過(guò)風(fēng)扇與散熱器之間所建立T,)1中國煤化工起來(lái)的內、外循環(huán)風(fēng)道來(lái)實(shí)現的。側壁底部安裝有薄膜式中:m2為節CNMHG;K為節點(diǎn)i和式電加熱器為系統提供升溫所需的熱源。正常工作條之間的傳熱系數;h為節點(diǎn)i與邊界j之間的換熱系數;第4期李洪才等:車(chē)載局域環(huán)境溫控裝置的熱分析及熱測試方法897A4為換熱面積。如果系統模型中有n個(gè)節點(diǎn),則每個(gè)節點(diǎn)r:=(K1(7-7)-K(7-7)]+r都有類(lèi)似式(1)的方程。圖1中的系統結構可簡(jiǎn)化為圖2所示的熱阻網(wǎng)絡(luò )模型(4)3)外循環(huán)風(fēng)道與外部環(huán)境之間□匚[K,(7-7)-K3(7-7)]+7-F Cn: Cr假定系統內部熱源的熱流量恒定為Φ,將式(3)(5)轉換為相應的微分方程為圖2系統等效的熱阻網(wǎng)絡(luò )模型dThe d-K, (T,Fig. 2 Equivalent thermal resistance networkmodel of the system.=k(x-7.)-k(7-7)(6)圖2中包含6個(gè)溫度節點(diǎn),分別為加熱器溫度T,內cm,=K,(T-T)-K3(T。-7)風(fēng)道風(fēng)溫T,散熱器內部肋片溫度T,散熱器外部肋片溫度T外風(fēng)道風(fēng)溫T和環(huán)境溫度T;Q為加熱器產(chǎn)生式中:微分方程組是相互關(guān)聯(lián)的在求解每個(gè)節點(diǎn)的微分的熱量;K1~K,為節點(diǎn)之間的傳熱系數,反映了不同節方程時(shí)可以把其余節點(diǎn)的溫度看作常量,從而可以近似點(diǎn)間的傳熱能力,其值由各節點(diǎn)間的傳導熱阻和對流熱求得對應節點(diǎn)的溫度變化規律分別為:阻所決定。7=7.+(1-9-(7)3.1系統穩態(tài)導熱過(guò)程的傳熱特性KTh K, T圖2中點(diǎn)劃線(xiàn)框內的部分可以看成一個(gè)整體,作為,+KK,+k散熱器的傳熱系數(K),包含了內、外風(fēng)道的對流換熱KT以及散熱器自身的熱傳導3個(gè)環(huán)節。這樣整個(gè)熱阻模型KK2[1-exp(-K+k1/9)中的溫度節點(diǎn)就與系統實(shí)際的溫度測量點(diǎn)相對應。當系比較式(7)-(9)可知,節點(diǎn)溫度的變化規律均符統達到熱平衡狀態(tài)時(shí)各個(gè)部分的熱流量中相等根據圖合一階系統負指數變化規律的特點(diǎn),其指數為系統的時(shí)2中的模型有:間常數,即有K1=中/(T-T。)TL CL/KK,=中/(T。-T)T=c/(K+K,)K,=中/(T-T)Tn=c/(K,+ks)式中:K為加熱器與內風(fēng)道循環(huán)之間的傳熱系數;K,為式中:n、rn和丁。分別為系統的加熱器、內風(fēng)道及外風(fēng)道整個(gè)散熱器的傳熱系數;K為外風(fēng)道循環(huán)至外部環(huán)境之3個(gè)節點(diǎn)的時(shí)間常數。其值取決于系統節點(diǎn)間的傳熱系數間的傳熱系數。它們的值由對流風(fēng)速以及對應節點(diǎn)間的及熱容參數。根據式(10),通過(guò)實(shí)驗測試獲取系統相應物理參數(面積、厚度、熱導率等)所決定,其單位均為節點(diǎn)溫升曲線(xiàn)的時(shí)間常數,結合穩態(tài)導熱測試獲取的系W/℃根據式(2)可知,當系統在恒定的熱功率下加熱統節點(diǎn)之間的傳熱系數值,即可得到系統節點(diǎn)間的熱容至穩態(tài)時(shí),可以通過(guò)測量不同節點(diǎn)之間的溫差來(lái)獲得系參數值,這也是進(jìn)行非穩態(tài)導熱參數測量的理論依據統節點(diǎn)之間的傳熱系數3.2系統非穩態(tài)導熱過(guò)程的傳熱特性測試實(shí)驗及數據分析系統非穩態(tài)導熱過(guò)程是內部節點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的過(guò)程。根據圖2中的熱阻網(wǎng)絡(luò )模型以及式(1),考慮到系傳熱系數和熱容值是反映系統熱物性的基本參數,統內部實(shí)際溫度測點(diǎn)的分布情況,可以列出系統內部主通過(guò)熱測試獲取這些參數有助于深入了解系統的傳熱特要溫度節點(diǎn)之間在時(shí)間間隔△內熱量傳遞的動(dòng)態(tài)模型性,并可作為系統溫控策略的理論依據。下面將根如下:據上節中的理論,具體介紹利用不同的熱測試方法獲取1)加熱器與內循環(huán)風(fēng)道之間系統傳熱模型中溫度節點(diǎn)間的傳熱系數和熱容值的試驗△t1方法并對測斗V凵中國煤化工Q。-K1(T-T)]+7(3)4.1系統穩CNMHG2)內循環(huán)風(fēng)道與外循環(huán)風(fēng)道之間根據系統穩態(tài)導熱過(guò)程的傳熱特性及規律,首先采898儀器儀表學(xué)報第34卷用系統自帶加熱器加熱的方式,分別選擇多組不同的加612℃,未達到加熱器的限制溫度(65℃)。因此整個(gè)熱功率(180W360W和500W)進(jìn)行實(shí)驗對比,直至系加熱過(guò)程的加熱功率是恒定的。統達到熱平衡狀態(tài)。測得系統內部溫度測點(diǎn)的變化趨勢而在圖3(b)和(c)中,由于加熱功率較高,加熱器達分別如圖3中的(a)、(b)、(c)所示。到最高限制溫度之后在63~65℃波動(dòng)。兩圖中豎直虛線(xiàn)左側為加熱器分別按照360W和500W的指示功率進(jìn)行加熱;而虛線(xiàn)右側則是加熱器在限溫工作模式下直至系統達到熱穩態(tài)時(shí)的測試曲線(xiàn),此階段內加熱器平均加熱功率約為210W。表1中整理了系統在上述不同加熱功率條件下達到穩態(tài)時(shí)各溫度節點(diǎn)的測試數據。表1不同加熱功率下節點(diǎn)的穩態(tài)溫度Table 1 Steady-state temperatures of the systemnodes for different heating powers參數180W加熱360W加熱500W加熱單位05000100001500020000250003000035000穩態(tài)熱流量φ180(a)加熱器180w加熱環(huán)境溫度T。22.6(a)180W heating加熱器溫度T64.1內風(fēng)道溫度T49.551.351.1外風(fēng)道溫度T。41.342.260根據第3.1節中系統穩態(tài)導熱時(shí)的傳熱特性及式(2),結合表1中統計的各溫度節點(diǎn)的穩態(tài)溫度值,即可得到系統各節點(diǎn)之間的傳熱系數值,具體結果如表2中所示。表2系統溫度節點(diǎn)間傳熱系數值及相對誤差Table 2 Heat transfer coefficients and relative errors030006000900012000150001800021000among the system temperature nodes(b)加熱器360W加熱180 W(b)360W heating最大均加熱均值陽(yáng)熱值誤差K16.8016.1516.114.52%K8222.5822.452.23%6011.2210.9310.756.02-----------“比較表2中采用不同加熱功率所得到的系統主要節點(diǎn)之間的傳熱系數值,可以發(fā)現它們都較為接近。取各組的平均值作為各節點(diǎn)之間的傳熱系數值,計算每組傳熱系數與均值之間的最大誤差,其范圍約在2%-6%。這一結果表明,采用這種穩態(tài)測試實(shí)驗方法得到的傳熱3000600090001200015000180002100024000系數與加熱功率無(wú)關(guān)。在實(shí)際的系統穩態(tài)參數測試中,(c)加熱器500w加熱選擇某一合適的加熱功率進(jìn)行測試,即可以方便地得到系統各溫度節點(diǎn)間的傳熱系數值。圖3系統采用自帶加熱器在不同加熱4.2系統非穩態(tài)參數的測試功率下的穩態(tài)導熱測試在系統的非穩態(tài)導熱測試過(guò)程中,一般應保證內部Fig 3 Steady-state thermal test at different heating powers熱源的發(fā)熱功率不變。而上節中系統采用180W的加熱with the system built-in heaters功率進(jìn)行加熱也滿(mǎn)足非穩態(tài)測試的要求。圖4中給出了從圖3(a)中的實(shí)驗結果可以看出,當加熱器采用經(jīng)過(guò)處理后的V凵中國煤化工的溫度測試數180W的功率加熱時(shí),加熱器達到的最高溫度約為據。利用式(7CNMHG應溫度節點(diǎn)的測試數據進(jìn)行擬合,得到的擬合曲線(xiàn)為:第4期李洪才等:車(chē)載局域環(huán)境溫控裝置的熱分析及熱測試方法899T=20.9+39.31(1-e4)T。=19.61+24.42(1-e0)(12)T=22.58+27.37(1t/8088(11)T。=17.74+20.71(1-e11T=19.51+22.25(1-e)由式(12)可以得到系統內、外風(fēng)道的時(shí)間常數分別從式(11)中可以得到系統加熱器及內外風(fēng)道溫度為rm=8039,T=8621。由于系統采用白熾燈和自帶上升曲線(xiàn)的時(shí)間常數值分別為:r=4754,r。=8088和加熱器時(shí)的外部散熱環(huán)境相同,因此第4.1節中測得的rυ=8908。于是根據式(10)即可計算得到系統加熱器傳熱系數K1、K,及K3的值仍然適用。根據式(10)計算此的熱容值c=76.59kJ/℃;內風(fēng)道的熱容值cn=時(shí)系統相應節點(diǎn)的熱容參數值為:內風(fēng)道的熱容值ca311.87kJ/℃;外風(fēng)道的熱容值cn=295.75kJ/℃。309.98kJ/℃;外風(fēng)道的熱容值cn=286.22kJ/℃。將以上采用兩種不同加熱方式下得到的系統節點(diǎn)間60505的熱容值進(jìn)行整理,結果如表3所示。表3不同實(shí)驗所得系統節點(diǎn)熱容值比較Table 3 Comparison of the system node heat capacityvalues obtained in different experiments參數加熱器白熾燈最大均均值加熱加熱值誤差單位內風(fēng)道熱容c31.97309.98310.9306%如J/℃加熱器熱容cb76.kJ/℃外風(fēng)道風(fēng)溫擬合外風(fēng)道熱容c295.75286.22290.993.3%k/℃05000100001500020000250003000035000圖4系統自帶加熱器180W加熱時(shí)節點(diǎn)對比表中的數據可知,兩種不同加熱方式下獲取的溫度實(shí)驗數據及擬合曲線(xiàn)系統節點(diǎn)間的熱容值非常接近。所得兩組數據與其平均Fig4 Experimental data and fitting curves of the temperature值之間的最大相對誤差分別約為0.6%和3.3%。由于nodes under180 W heating power with the system built-in heaters采用白熾燈加熱時(shí)的主要傳熱方式為對流換熱和熱輻射,這與系統采用自帶加熱器時(shí)的對流換熱方式有所不為了對比不同熱源的非穩態(tài)測試效果選擇額定功同。此外,白熾燈的加熱位置與加熱器的位置也有差異。率為20W的白熾燈放置在圖1所示裝置的底部中心位而上述測試結果表明,熱測試過(guò)程中的熱源類(lèi)型及其安置作為加熱熱源。實(shí)驗中測量其實(shí)際功率約為187W裝位置對測試結果影響有限。因此,在溫控裝置的研制由于此時(shí)加熱器不工作,圖5中給出了在此條件下測得過(guò)程中,可以用模擬熱源實(shí)現方便快捷的非穩態(tài)參數的系統內、外風(fēng)道平均風(fēng)溫的變化趨勢測試。5結論針對一種基于車(chē)載的密閉風(fēng)冷局域環(huán)境溫控裝置,建立了其等效的理論分析模型。結合系統穩態(tài)及非穩態(tài)條件下溫度節點(diǎn)的傳熱規律,對系統進(jìn)行了有針對性的測試實(shí)驗,所得結果表明8腿1)通過(guò)選擇不同加熱功率的穩態(tài)導熱測試,測得系統主要溫度節點(diǎn)間的傳熱系數K1、K,、K5的值分別為500010000150002000025003000016.1lW/℃、22.45W/℃和10.75W/℃,且測量值的均圖5白熾燈加熱時(shí)的內、外風(fēng)道實(shí)驗數據及擬合曲線(xiàn)值誤差約在2%-6%Fig. 5 The inner and outer air duct experimental data and fitting2)通過(guò)選擇不同類(lèi)型熱源的非穩態(tài)測試,測得系統curves when the system is heated with a lamp內、外風(fēng)道的熱容值cn、cm的值分別為310.93kJ/℃和290.99kJ/℃,兩組數據的均值誤差分別約為0.6%和利用式(8)~(9)對圖5中的測試數據進(jìn)行擬合,得3.3%;中國煤化工到系統內、外風(fēng)道平均風(fēng)溫的擬合曲線(xiàn)為:3)所得系CNMHG明,論文中所建立的系統理論分析模型及熱測試方法可行。尤其在車(chē)載900儀器儀表學(xué)報第34卷局域環(huán)境溫控系統的定制設計、快速調試等方面具有廣3284-3288泛的指導作用。[10]馬宗峰,孫俊杰,楊玉生.基于光纖激光器的相干多普勒激光雷達[J].儀器儀表學(xué)報,2008,29(11):參考文獻2409-2412.[1]沈嚴,李磊,阮友田.車(chē)載激光測繪技術(shù)[J].紅外與激MA Z F, SUN JJ, YANG Y SH. 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His research in- sensor technology, metrology and test technology and intelligentterests include distributed measurement and control technology, instruments technolmeasurement and test technology and local environment control中國煤化工CNMHG