發(fā)熱元器件的溫度場(chǎng)及發(fā)熱功率的測(cè)量方法

技術(shù)縱橫】2005技術(shù)縱橫】2005中國電源散熱器應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展研討會(huì)#發(fā)熱元器件的溫度場(chǎng)及發(fā)熱功率的測(cè)量方法李建民（成都奧能知科技有限公司）高長(zhǎng)青（二炮駐230廠軍代表室）劉波、鐘鋼釘（西南交大）摘要：電子元件、電子系統(tǒng)、機(jī)械器件、機(jī)械系統(tǒng)及機(jī)電一體化元件及系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)都同時(shí)伴有熱量的產(chǎn)生本文介紹了對(duì)這些器件及系統(tǒng)進(jìn)行溫度場(chǎng)及發(fā)熱量測(cè)試的原理及方法，同時(shí)本文介紹了測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)，并利用本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)上述器件或系統(tǒng)的溫度場(chǎng)或發(fā)熱量的測(cè)試?！觥觥雳D、前言電子元件、電子系統(tǒng)、機(jī)械器件、機(jī)械系統(tǒng)及機(jī)電一體化元件及系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)都同時(shí)伴有熱量的產(chǎn)生，對(duì)于溫度場(chǎng)及發(fā)熱量的測(cè)試是實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行熱管理的基礎(chǔ)，同時(shí)也是進(jìn)行熱設(shè)計(jì)、熱分析、熱仿真、熱測(cè)試、熱實(shí)驗(yàn)、熱控制的基礎(chǔ)。二、測(cè)量?jī)?nèi)容及條件1.被測(cè)試物發(fā)熱元器件：在正常工作過程中有熱量產(chǎn)生的器件，寺別是電子器件在工作過程中產(chǎn)生的熱量，包括電子器件或機(jī)械器件；發(fā)熱元器件及系統(tǒng)：含有多個(gè)熱量產(chǎn)生的器件所組成的系統(tǒng)，寺別是電子器件系統(tǒng)，如計(jì)算機(jī)主板、電源設(shè)備等，包括電子器件或機(jī)械器件；2?測(cè)量空間本系統(tǒng)采用360度可旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，可以測(cè)量發(fā)熱器件或發(fā)熱系統(tǒng)在不同的空間角度時(shí)的發(fā)熱量及溫度場(chǎng)的變化。

3?測(cè)溫區(qū)間可完成常溫：0-40度；高溫：40-200度區(qū)間的各種測(cè)試；低溫區(qū)：-50-0度（需另加器件）；4?測(cè)溫點(diǎn)的分布可實(shí)現(xiàn)816、32、64路測(cè)溫點(diǎn)的并行測(cè)試；5.動(dòng)、穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)、發(fā)熱量的測(cè)試。動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)以電源接通開始到穩(wěn)態(tài)為止，以觀察溫度的動(dòng)態(tài)變化為主；穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的測(cè)試，以觀察溫度場(chǎng)的梯度為主。穩(wěn)態(tài)的判別方法以每一點(diǎn)的溫度變化不超過+/-0.1C為準(zhǔn)；三、溫度場(chǎng)測(cè)試原理及方法3.1硬件及軟件測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖戶七101一Pt1O1戶七101一Pt1O1口七101上「「!卡總塊測(cè)試系統(tǒng)石更件結(jié)構(gòu)3.2溫度場(chǎng)測(cè)試原理3.2.1溫度場(chǎng)的測(cè)試系統(tǒng)的組成1）主要由調(diào)溫箱、測(cè)量熱源、熱電阻傳感器（分辨率0.005的Pt100）測(cè)量?jī)x，測(cè)試分析軟件組成。2）測(cè)溫箱用絕熱材料做成，理想的情況下認(rèn)為系統(tǒng)的熱量是封閉的。用于模擬密閉彈體中溫度場(chǎng)的分布。3.2.2溫度場(chǎng)測(cè)試原理1）由電阻溫度傳感器直接將溫度轉(zhuǎn)換為電阻變化，再通過數(shù)據(jù)采集卡的A/D轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所能接受的數(shù)值信號(hào)，最后由所編寫的軟件程序進(jìn)行處理，在前面板顯示相應(yīng)的溫度場(chǎng)，溫度梯度。2）預(yù)熱，自動(dòng)校零及偏置補(bǔ)償對(duì)精度的提高。為保證測(cè)量的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，消除時(shí)漂和溫漂，測(cè)量?jī)?nèi)部偏置電壓（及零點(diǎn)）和放大增益，不斷更新內(nèi)部參考節(jié)點(diǎn)，用于計(jì)算輸入信號(hào)的讀數(shù)顯示值。該過程被稱為自動(dòng)校零；3.2.3誤差補(bǔ)償方法由于熱電動(dòng)勢(shì)（VEMF）的存在將明顯影響低阻測(cè)量的準(zhǔn)確性，可使用偏置補(bǔ)償方法測(cè)量電阻。在進(jìn)行偏置補(bǔ)償測(cè)量時(shí)，要進(jìn)行兩次測(cè)量：一是通常的電阻測(cè)量，另一次是用最小的設(shè)定電流進(jìn)行測(cè)量。偏置補(bǔ)償歐姆測(cè)量的讀數(shù)值按如下公式計(jì)算：偏置補(bǔ)償歐姆測(cè)量的讀數(shù)值二DV/DI其中：DV=V2-V1DI=I2-11V1是在電流源正常讀數(shù)時(shí)的測(cè)量值V2是在電流源最小設(shè)定的測(cè)量值這樣可消除由于VEMF的存在而帶來的電阻測(cè)量誤差。四、發(fā)熱量測(cè)試4.1發(fā)熱量測(cè)試系統(tǒng)的組成主要由測(cè)溫箱、散熱器和熱源，空氣流量計(jì)，測(cè)量?jī)x，測(cè)試分析軟件組成。熱源是功率可調(diào)的純電阻。t1溫度的空氣從左邊進(jìn)入，經(jīng)過測(cè)溫箱后，出口溫度為t2。3）測(cè)溫箱用絕熱材料做成，理想的情況下認(rèn)為系統(tǒng)的熱量是封閉的。4）實(shí)際由于散熱，泄露等各種因素，存在能量損失。整個(gè)系統(tǒng)需要校正。4.2發(fā)熱量測(cè)試原理1）當(dāng)我們維持系統(tǒng)足夠的時(shí)間，使系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備溫度達(dá)到穩(wěn)定后，發(fā)熱器件或發(fā)熱系統(tǒng)的溫度不再上升，說明發(fā)熱器件或發(fā)熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量全部被空氣帶走；2）如果空氣流量不變，而空氣進(jìn)排氣溫度又穩(wěn)定，說明發(fā)熱器件或發(fā)熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量實(shí)時(shí)地被空氣帶走了；3）測(cè)量出空氣帶走的熱量，即可測(cè)量出發(fā)熱器件或發(fā)熱系統(tǒng)，而空氣帶走的熱量必然與空氣的溫升成正比，比例系數(shù)即是空氣的質(zhì)量和比熱容的乘積。4）由于傳熱傳質(zhì)的損失，湍流耗散的損失，電路緣途的損失，及磨擦生熱的效應(yīng)等各種因素，簡(jiǎn)單的比例關(guān)系并不存在必是某種函數(shù)關(guān)系，利用軟件的強(qiáng)大擬合功能可通過多階函數(shù)進(jìn)行近似。4.3發(fā)熱量測(cè)試及校正方法1)出入口計(jì)算能量：q二mxcxAt=Vxpxcx(12-11)1)出入口計(jì)算能量：q二airpairairp2）流量Vair的處理考慮到邊界層，元件形狀,重力及熱效應(yīng)而產(chǎn)生的浮力的影響，流場(chǎng)必然的分布不均，加上測(cè)量干擾信號(hào)，波動(dòng)較大。同時(shí)流量等于風(fēng)速乘出口面積，面積固定，風(fēng)速來源于電機(jī)的功率，即與電壓成一定關(guān)系。3）出入口溫度的處理：在出入口的圓環(huán)分別均布三個(gè)溫度傳感器，取平均值做為出入口溫度。4）發(fā)熱器件或發(fā)熱系統(tǒng)的熱量二空氣吸收的熱量二F（q）5）系統(tǒng)的校正：考慮到傳熱傳質(zhì)的損失，風(fēng)扇湍流的形成，及耗散的能量，盡量將測(cè)試熱源換成與之外形相似的純電阻元件，純電阻元件發(fā)熱量為:QU*I6）考慮到傳熱，傳質(zhì)損失，湍流耗散，及電路緣途損失等各種因素造成的能量誤差及波動(dòng)，出入口計(jì)算能量與純電阻元件必然成復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系通過大量的測(cè)量，以出入口計(jì)算能量為橫座標(biāo)，以純電阻元件發(fā)熱量為縱坐標(biāo),得到校正圖,同時(shí)將以上測(cè)量值用軟件中的函數(shù)擬合使適時(shí)測(cè)量成為可能。7）采用分段校正的方法，估計(jì)測(cè)量功率的范圍，在所測(cè)量的范圍，做校正曲線，下圖是一份段校正曲線:詁未