车载局域环境温控装置的热分析及热测试方法

第34卷第4期仪器仪表学报Vol 34 No 42013年4月Chinese Journal of Scientific InstrumentApr.2013车载局域环境温控装置的热分析及热测试方法李洪才12,陈非凡,董永贵(1.清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室北京100084;2.第二炮兵工程大学202教研室西安710025)摘要:针对车载局域环境温控系统的个性化设计及评估调试问题,结合一种基于密闭风冷换热方式的车载局域温控装置的物理结构及内部温度测点分布,对其传热过程进行了分析,并建立了系统的热阻网络分析模型。推导了系统内部温度节点在稳态导热和非稳态导热情况下的变化规律。通过选择不同的加热功率及加热方式对车载局域温控装置进行实验测试,结合推导出的变化规律对测试数据进行拟合处理,获得了系统温度节点之间的传热系数及热容参数。所测参数之间的相对误差约在0.6%~6%,表明所建立的系统数学模型及测试方法可用于指导车载仪器温控系统的设计及快速调试。关键词:局域环境温控系统;车载仪器;密闭风冷;热分析;热测试中图分类号;TK311TM924.13文献标识码:A国家标准学科分类代码: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的移动性能、髙效的功能集成等突出优点,尤其在执行野1引言外测绘21、食品安全快速检测以及特种车辆的自主导航定位等领域的任务中发挥着越来越重要的作用。安装在车载移动平台上的测量及检测系统具有便捷可以很好地弥补实验室及检测中心地域固定的不足,并能够执行流Ha中国煤化工的应急检测等任收稿日期:2011406 Received Date:2011406CNMHG896仪器仪表学报第34卷务。将科学测量仪器从传统的实验室转换到车载环境件下,系统根据测点温度实现腔内温度的自动调节,保证中,临场测试环境中诸如振动温度波动及粉尘等因素的整个系统工作在所需要的温度范围内。影响不可忽视。因此,环境适应能力的评估是这类仪器环境内风道入口内风扇研究开发过程中经常遇到的问题。温度T温T散热器外散热器内部肋片外风道出口温度是局域环境控制中最常见、也是最重要的控制部肋片热传导参数8”)。几乎所有测量装置都存在或多或少的温度漂移问题,与其他环境影响因素相比,温度也是最容易在车外腔体内腔体载环境中实现恒定控制的参量。将测量仪器(如车载惯对流迫性测量元件、车载激光雷达等)安装在能够提供局域恒温对流对流道出口环境的装置中隔离温度波动的影响,从而有效地将其他加热器加热器临场环境因素的影响与温度漂移问题解耦,解决车载仪外风扇温度T外风道入口器现场测试数据中多因素混合的影响。例如振动等特定因素的影响导致难以准确定位等问题4:0。对于那些图1密闭风冷局域环境温控系统的物理时难以克服温度漂移问题的测量系统,局域环境温控装结构及热传递示意图置则可以作为必要的配件,加速仪器车载化的研究进程。Fig. 1 Physical structure and heat transfer schematic由于车载环境的特殊性,局域环境温控系统一般需diagram of the sealed air cooling local environment要根据目标仪器的特点进行定制,并尽可能与测量仪器emperature control system融为一个有机整体。本文针对上述背景,结合车载条件下的特殊环境,设计了一种基于密闭风冷的车载局域环为了便于实现系统内部温度的分布式测量以及数据境温控装置。釆用密闭风冷的设计可以使整个装置结构的传输处理,温度的测量均采用数字式传感器TMP75更加紧凑,并达到节约能源的目的,而且更利于在车载环( Texas Instruments)。图1中给出了温度传感器的安装境条件下为测量仪器提供长期稳定的工作环境。论文着示意位置,其测量类型包括加热器温度T,内风道出口重对车载局域环境温控系统的传热过程进行分析,结合风温T,内风道入口风温T,以及外风道出口风温T和系统的物理结构及内部温度测点的分布情况建立了系统外风道入口风温T。定义内风道出、人口风温的均值为的热阻网络分析模型,并给出了系统温度节点间相关传内风道风温T,外风道出、入口风温的均值为外风道风热参数的热测试方法。通过选择不同的实验条件,测得温T,从而便于后续的传热模型建立及讨论分析。了系统温度节点之间的传热参数值,同时也验证了本文系统通过控制外风扇的转速来实现外风道换热强度大所建立的数学分析模型及热测试方法的可行性。小的控制。内风扇的功能则是尽可能保证系统内腔体中的温度分布趋于均匀。系统加热器采用脉冲宽度调制( pulse2物理结构模型及工作原理width modulation,pWM)进行逐级控制,并釆取了限温保护措施。系统内腔的尺寸(LW×H)约为550mm×50mmx局域环境温控系统的结构及其功能应根据测量仪器60mm,稳态温控精度为±0.1℃。系统详细的温控原理及的需要进行定制和设计,并且符合车载空间条件下的安实现方法请参阅文献[1l]中的内容本文则主要侧重于系统装要求。图1给出了基于密闭风冷的车载局域环境温控的热分析及传热参数的热测试。装置的物理结构模型及其内部传热的示意图。系统的结构总体上分为内外两个相互隔离的腔体内腔体置于外3系统的热阻网络模型及传热分析腔体之中,呈“回”字型结构。测量仪器或者待评估仪器固定于系统的内腔中。内腔的密闭结构可以实现测量仪采用热阻网络分析法21对系统的传热过程进行分器与外界环境的物理隔离,从而有利于排除车载临场环析。根据能量守恒定律,在M的时间间隔内系统节点间境中不利因素(如粉尘、有害气体等)的影响。整个装置的传导热量对流热量以及该节点的能量(热量)变化量采用对称的门式结构及柔性支撑设计,从而便于测量仪之间的关系为1器的安装,并有效降低车载振动对测量仪器的影响。系T统的散热器为双面肋片散热结构,材料为6003铝合金。m"△=∑K(T…-T)+∑bA(T系统内腔的温度调控则是通过风扇与散热器之间所建立T,)1中国煤化工起来的内、外循环风道来实现的。侧壁底部安装有薄膜式中:m2为节CNMHG;K为节点i和式电加热器为系统提供升温所需的热源。正常工作条之间的传热系数;h为节点i与边界j之间的换热系数;第4期李洪才等:车载局域环境温控装置的热分析及热测试方法897A4为换热面积。如果系统模型中有n个节点,则每个节点r:=(K1(7-7)-K(7-7)]+r都有类似式(1)的方程。图1中的系统结构可简化为图2所示的热阻网络模型(4)3)外循环风道与外部环境之间□匚[K,(7-7)-K3(7-7)]+7-F Cn: Cr假定系统内部热源的热流量恒定为Φ,将式(3)(5)转换为相应的微分方程为图2系统等效的热阻网络模型dThe d-K, (T,Fig. 2 Equivalent thermal resistance networkmodel of the system.=k(x-7.)-k(7-7)(6)图2中包含6个温度节点,分别为加热器温度T,内cm,=K,(T-T)-K3(T。-7)风道风温T,散热器内部肋片温度T,散热器外部肋片温度T外风道风温T和环境温度T;Q为加热器产生式中:微分方程组是相互关联的在求解每个节点的微分的热量;K1~K,为节点之间的传热系数,反映了不同节方程时可以把其余节点的温度看作常量,从而可以近似点间的传热能力,其值由各节点间的传导热阻和对流热求得对应节点的温度变化规律分别为:阻所决定。7=7.+(1-9-(7)3.1系统稳态导热过程的传热特性KTh K, T图2中点划线框内的部分可以看成一个整体,作为,+KK,+k散热器的传热系数(K),包含了内、外风道的对流换热KT以及散热器自身的热传导3个环节。这样整个热阻模型KK2[1-exp(-K+k1/9)中的温度节点就与系统实际的温度测量点相对应。当系比较式(7)-(9)可知,节点温度的变化规律均符统达到热平衡状态时各个部分的热流量中相等根据图合一阶系统负指数变化规律的特点,其指数为系统的时2中的模型有:间常数,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为加热器与内风道循环之间的传热系数;K,为式中:n、rn和丁。分别为系统的加热器、内风道及外风道整个散热器的传热系数;K为外风道循环至外部环境之3个节点的时间常数。其值取决于系统节点间的传热系数间的传热系数。它们的值由对流风速以及对应节点间的及热容参数。根据式(10),通过实验测试获取系统相应物理参数(面积、厚度、热导率等)所决定,其单位均为节点温升曲线的时间常数,结合稳态导热测试获取的系W/℃根据式(2)可知,当系统在恒定的热功率下加热统节点之间的传热系数值,即可得到系统节点间的热容至稳态时,可以通过测量不同节点之间的温差来获得系参数值,这也是进行非稳态导热参数测量的理论依据统节点之间的传热系数3.2系统非稳态导热过程的传热特性测试实验及数据分析系统非稳态导热过程是内部节点温度随时间变化的过程。根据图2中的热阻网络模型以及式(1),考虑到系传热系数和热容值是反映系统热物性的基本参数,统内部实际温度测点的分布情况,可以列出系统内部主通过热测试获取这些参数有助于深入了解系统的传热特要温度节点之间在时间间隔△内热量传递的动态模型性,并可作为系统温控策略的理论依据。下面将根如下:据上节中的理论,具体介绍利用不同的热测试方法获取1)加热器与内循环风道之间系统传热模型中温度节点间的传热系数和热容值的试验△t1方法并对测斗V凵中国煤化工Q。-K1(T-T)]+7(3)4.1系统稳CNMHG2)内循环风道与外循环风道之间根据系统稳态导热过程的传热特性及规律,首先采898仪器仪表学报第34卷用系统自带加热器加热的方式,分别选择多组不同的加612℃,未达到加热器的限制温度(65℃)。因此整个热功率(180W360W和500W)进行实验对比,直至系加热过程的加热功率是恒定的。统达到热平衡状态。测得系统内部温度测点的变化趋势而在图3(b)和(c)中,由于加热功率较高,加热器达分别如图3中的(a)、(b)、(c)所示。到最高限制温度之后在63~65℃波动。两图中竖直虚线左侧为加热器分别按照360W和500W的指示功率进行加热;而虚线右侧则是加热器在限温工作模式下直至系统达到热稳态时的测试曲线,此阶段内加热器平均加热功率约为210W。表1中整理了系统在上述不同加热功率条件下达到稳态时各温度节点的测试数据。表1不同加热功率下节点的稳态温度Table 1 Steady-state temperatures of the systemnodes for different heating powers参数180W加热360W加热500W加热单位05000100001500020000250003000035000稳态热流量φ180(a)加热器180w加热环境温度T。22.6(a)180W heating加热器温度T64.1内风道温度T49.551.351.1外风道温度T。41.342.260根据第3.1节中系统稳态导热时的传热特性及式(2),结合表1中统计的各温度节点的稳态温度值,即可得到系统各节点之间的传热系数值,具体结果如表2中所示。表2系统温度节点间传热系数值及相对误差Table 2 Heat transfer coefficients and relative errors030006000900012000150001800021000among the system temperature nodes(b)加热器360W加热180 W(b)360W heating最大均加热均值阳热值误差K16.8016.1516.114.52%K8222.5822.452.23%6011.2210.9310.756.02-----------“比较表2中采用不同加热功率所得到的系统主要节点之间的传热系数值,可以发现它们都较为接近。取各组的平均值作为各节点之间的传热系数值,计算每组传热系数与均值之间的最大误差,其范围约在2%-6%。这一结果表明,采用这种稳态测试实验方法得到的传热3000600090001200015000180002100024000系数与加热功率无关。在实际的系统稳态参数测试中,(c)加热器500w加热选择某一合适的加热功率进行测试,即可以方便地得到系统各温度节点间的传热系数值。图3系统采用自带加热器在不同加热4.2系统非稳态参数的测试功率下的稳态导热测试在系统的非稳态导热测试过程中,一般应保证内部Fig 3 Steady-state thermal test at different heating powers热源的发热功率不变。而上节中系统采用180W的加热with the system built-in heaters功率进行加热也满足非稳态测试的要求。图4中给出了从图3(a)中的实验结果可以看出,当加热器采用经过处理后的V凵中国煤化工的温度测试数180W的功率加热时,加热器达到的最高温度约为据。利用式(7CNMHG应温度节点的测试数据进行拟合,得到的拟合曲线为:第4期李洪才等:车载局域环境温控装置的热分析及热测试方法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)可以得到系统内、外风道的时间常数分别从式(11)中可以得到系统加热器及内外风道温度为rm=8039,T=8621。由于系统采用白炽灯和自带上升曲线的时间常数值分别为:r=4754,r。=8088和加热器时的外部散热环境相同,因此第4.1节中测得的rυ=8908。于是根据式(10)即可计算得到系统加热器传热系数K1、K,及K3的值仍然适用。根据式(10)计算此的热容值c=76.59kJ/℃;内风道的热容值cn=时系统相应节点的热容参数值为:内风道的热容值ca311.87kJ/℃;外风道的热容值cn=295.75kJ/℃。309.98kJ/℃;外风道的热容值cn=286.22kJ/℃。将以上采用两种不同加热方式下得到的系统节点间60505的热容值进行整理,结果如表3所示。表3不同实验所得系统节点热容值比较Table 3 Comparison of the system node heat capacityvalues obtained in different experiments参数加热器白炽灯最大均均值加热加热值误差单位内风道热容c31.97309.98310.9306%如J/℃加热器热容cb76.kJ/℃外风道风温拟合外风道热容c295.75286.22290.993.3%k/℃05000100001500020000250003000035000图4系统自带加热器180W加热时节点对比表中的数据可知,两种不同加热方式下获取的温度实验数据及拟合曲线系统节点间的热容值非常接近。所得两组数据与其平均Fig4 Experimental data and fitting curves of the temperature值之间的最大相对误差分别约为0.6%和3.3%。由于nodes under180 W heating power with the system built-in heaters采用白炽灯加热时的主要传热方式为对流换热和热辐射,这与系统采用自带加热器时的对流换热方式有所不为了对比不同热源的非稳态测试效果选择额定功同。此外,白炽灯的加热位置与加热器的位置也有差异。率为20W的白炽灯放置在图1所示装置的底部中心位而上述测试结果表明,热测试过程中的热源类型及其安置作为加热热源。实验中测量其实际功率约为187W装位置对测试结果影响有限。因此,在温控装置的研制由于此时加热器不工作,图5中给出了在此条件下测得过程中,可以用模拟热源实现方便快捷的非稳态参数的系统内、外风道平均风温的变化趋势测试。5结论针对一种基于车载的密闭风冷局域环境温控装置,建立了其等效的理论分析模型。结合系统稳态及非稳态条件下温度节点的传热规律,对系统进行了有针对性的测试实验,所得结果表明8腿1)通过选择不同加热功率的稳态导热测试,测得系统主要温度节点间的传热系数K1、K,、K5的值分别为500010000150002000025003000016.1lW/℃、22.45W/℃和10.75W/℃,且测量值的均图5白炽灯加热时的内、外风道实验数据及拟合曲线值误差约在2%-6%Fig. 5 The inner and outer air duct experimental data and fitting2)通过选择不同类型热源的非稳态测试,测得系统curves when the system is heated with a lamp内、外风道的热容值cn、cm的值分别为310.93kJ/℃和290.99kJ/℃,两组数据的均值误差分别约为0.6%和利用式(8)~(9)对图5中的测试数据进行拟合,得3.3%;中国煤化工到系统内、外风道平均风温的拟合曲线为:3)所得系CNMHG明,论文中所建立的系统理论分析模型及热测试方法可行。尤其在车载900仪器仪表学报第34卷局域环境温控系统的定制设计、快速调试等方面具有广3284-3288泛的指导作用。[10]马宗峰,孙俊杰,杨玉生.基于光纤激光器的相干多普勒激光雷达[J].仪器仪表学报,2008,29(11):参考文献2409-2412.[1]沈严,李磊,阮友田.车载激光测绘技术[J].红外与激MA Z F, SUN JJ, YANG Y SH. 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