CN102749151A - 用于确定周围温度的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于根据在外壳(14)内被确定的温度指示外壳(14)的周围温度(Ta)的装置。温度可以从处于外壳(14)内的两个或者更多位置中的每一个的两个或者更多传感器(12、13、18)得到。外壳(14)可以在内部包括诸如电子器件的装置(27)，所述装置的功率消耗可以被确定。包括在外壳(14)内的两个位置上的、处于各个电子器件功率消耗水平下的温度(T1、T2)的数据可以被输入2D曲线图中。2D曲线图的近似可以通过要被求解以得到周围温度(Ta)的近似方程来实现。2D曲线图的数据加上外壳(14)中第三位置的温度(T3)以及气流水平可以被输入3D曲线图中。3D曲线图的近似可以通过要被求解以得到周围温度(Ta)的近似方程来实现。

Description

用于确定周围温度的系统
本申请是申请日为2010年8月3日，申请号为200880126355.8的名称为“用于确定周围温度的系统”的发明专利申请的分案申请。
背景技术
本发明涉及温度感测并且具体涉及间接的温度测定。
发明内容
本发明是用于指示在包含器件的外壳附近的周围温度的装置，该指示根据外壳内被确定的温度。
附图说明
图1是具有可能消耗功率的设备并且具有用于从外壳中的两个位置提供温度的温度传感器的外壳的示图；
图2是与来自外壳中的传感器的数据拟合的直线的示图，该直线被绘制在两坐标的坐标图上，用于根据拟合的方程确定周围温度；
图3a是外壳中的第一近处(vicinity)的温度与功率的关系曲线的坐标图；
图3b是外壳中的第二近处的温度与功率的关系曲线的坐标图；
图3c是这样的坐标图，其源自将图3a和3b的坐标图合并成外壳的第一近处的第一温度与第二近处的温度的关系曲线之一；
图4是设备的外壳的示图，外壳具有用于从外壳中的三个位置提供温度的传感器；
图4a是处理器的示图，该处理器具有有关外壳的、来自各个传感器的输入；
图5是对于外壳内的设备中的各种气流以及功率消耗水平，来自外壳中的三个位置的传感器的数据的表；
图6是具有图5的数据的曲线图的三坐标的坐标图，该曲线图与方程平面拟合；
图7是冷温度(cool temperature)与热温度(warm temperature)的关系曲线的二坐标的坐标图；以及
图8是具有另一组数据的曲线图的三坐标的坐标图，该曲线图与方程平面拟合。
具体说明
在恒温器应用中需要准确的周围温度感测。从电子器件或者设备的外壳内使用热敏电阻、半导体温度传感器、热电偶或者任何其它形式的温度传感器感测温度可能产生比围绕(surrounding)设备或者器件的外壳的周围空气温度更高的温度。在本文中所使用的术语“周围”是指在外壳附近(proximate to)、外部以及围绕外壳的体积(volume)。周围温度与被感测的温度之间的差可能变化并且受下列因素影响：需要用于为器件供电的电能的量、通风、温度传感器离器件的热部件多远或者多近、围绕外壳和/或器件的气流、器件材料及它们的热传导性等。如果在外壳内部所产生的热量低并且恒定，则恒定的温度补偿可能是足够的。但是当在壳体或者外壳内部所产生的热量高并且可变，则计算周围温度可能变得非常有挑战性。
本发明可以被用于允许器件或者处理器通过感测外壳内两个或者更多不同的温度点来计算周围温度。被用于计算周围温度的算法可以独立于器件的功率消耗。
两个或者更多温度传感器可以被放置在器件的外壳内的不同位置。理论上，在给定负载下具有处于稳定状态的不同温度的任意两个位置都应当可行。在实践中，一个温度传感器“Thot”可以靠近发热的部件被放置。另一温度传感器“Tcool”可以被放置在所述器件内的最冷的位置附近。在非常稳定的周围条件下，可以在不同的设备或者器件功率负载条件下对温度进行采样。被采样的温度可以被用于依据功率来产生方程(经由曲线拟合)。该方程可以被看作二维以及三维关系(relationship)的近似，所述关系可以是坐标图、曲线图、表达式(representation)和/或诸如此类。
方程可以包括以下方程。Tcool = Tambient + f(x) > Tcool = 被确定的冷温度。x = 在所述器件中被耗散的功率。f(x) = 对于冷温度传感器，热量相对于功率的上升。Thot = Tambient + f(x) > Thot = 被确定的热温度。x = 在器件中被耗散的功率。f(x) = 对于热温度传感器，热量相对于功率的上升。根据两个方程的方程组，x和Tambient是未知的。一旦这些方程被求解，Tambient = f(Tcool, Thot)。并且由于Tcool和Thot是被确定的值，周围温度可以根据它们被计算。f(x)可以被近似(即拟合)成线性函数，但是其也可以是非线性的以得到提高的精度；然而，在后一种情况下实现f(x)将更加复杂。
本方法不建议下列方式：经由一个传感器(诸如热敏电阻)感测周围温度，接着经由另一个传感器感测热温度并且计算误差来补偿被感测的周围温度。周围温度可以根据器件或者设备的外壳内的两个不同温度来计算，并且因此周围温度变为两个温度的函数或者在不止两个传感器被使用的情况下变为额外的温度的函数，其中额外的温度和最初的两个温度一起被平均成外壳内的两个或者三个温度。
本方法不需要用于特殊情况的特殊算法；即使在器件内没有热量产生其也可以很好地起作用。被寻找的温度不一定是随时间变化的；周围温度可以是不同温度的函数并且实际上即刻被计算。
本系统可以借助某些设备的外壳中的两个传感器集合中的两个或者更多温度传感器，使用二维(2D)模型来确定周围温度，或者借助外壳中的三个传感器集合中的三个或者多个温度传感器，使用三维(3D)模型来确定周围温度。每个集合可以提供集合中的传感器的平均温度。3D模型也可以被用于容易地检测气流。设备可以是传感器被放置在其中的外壳内的一件电子器件，其因为用电而产生热量。尽管装置可以被去激活，但是在设备的外壳内部检测温度的传感器本身可以指示周围温度。用于根据内部的外壳传感器确定周围温度的方程可以具有下列方程的形式，
Ta = (T1-aT2-b)/(1-a)，
其中Ta是周围温度，在包含设备27的外壳14中T1可以表示较热的温度并且T2可以表示较冷的温度。如图1所示，分别用于T1和T2的传感器12和13可以位于外壳14的两个不同的地方。数据可以被提取并且被绘制在如图2所示的二维坐标图上。与温度数据的曲线图拟合的直线的方程的典型形式可以是
y = ax+b。
根据该坐标图，常数“a”可以是斜率并且常数“b”可以是直线l1与0坐标的偏移。“常数”命名“a”、“b”等等可以大写或者小写。该坐标图可以示出各个周围温度T1与T2的关系曲线。替代地可以有表示T1的两个或者更多传感器位于一近处，并且表示T2的两个或者更多传感器位于另一近处，而不是分别表示T1和T2的单个传感器。两个或者更多传感器的输出平均值可以被取得以得到T1并且其它两个或者更多传感器的平均值可以被取得以得到T2。额外的第三传感器或者第三传感器集合可以被用于与一个或者更多传感器平均以用于得到T3以及用于确定气流方向和/或幅度。为了示意的目的，只有两个传感器12和13可以被用在外壳14中。当外壳14中的设备或者器件27被激励时，可能得到T1>T2>Ta。T1可以被看做Thot并且T2可以被看做Tcold。使用方程，
Ta = (T1-aT2-b)/(1-a)，
在将值提供给常数的情况下，周围温度Ta可以被确定。常数的值可以用来自在所述外壳14有可能要经受的条件下的经验测试、仿真或者计算的数据来确定。数据可以从温度传感器取得并且分别被绘制在图3a和3b中的坐标图15和16以得到T1与功率的关系曲线以及T2与功率的关系曲线。数据可以在外壳14中的设备27的不同功率水平处取得。周围温度可以保持恒定。曲线图可以与直线拟合。坐标图15和16可以被合并成图3c中的坐标图17。坐标图15和16的共有的功率测定或者测量可以略去，从而在坐标图17中产生T1与T2的关系曲线。坐标图17中的实线的斜率值可以被确定并且被用于取代“a”而来自坐标图17的偏移可以被确定、测量或者计算并且被用于取代“b”。图3a-3c所示的一组数据在气流(如果有的话)的方向和幅度对于测量或者测定保持相同或者可忽略的情况下可能是足够的，并且因此作为结果的方程在确定周围温度Ta方面应当是充分的。如果气流被改变，则新的一组数据（类似图3a和3b中的那些）应当被取得用于位于新的气流中的外壳14的设备27。新的气流可以在图3c的坐标图17中产生不同的(虚)线19。
在本文中刚刚提到的二维方法可以被扩展到借助位于外壳14中的第三传感器18的三维方法，如在图4中示意性地示出的那样。图4a示出处理器37，其可以基于来自温度传感器12、18以及13的输出、外壳附近(外部和/或内部)的气流传感器35的输出以及连接到电子器件设备27和/或处理器37的功率输入的功率水平传感器36的输出确定外壳14附近的周围温度。周围温度可以处理器37或者电子器件27的输出38来指示。电子器件27或者处理器37可以被配置用于在本文中所提到的二维方法和/或三维方法。处理器37可以在外壳14内部或者外部。
3D方法可以产生适合各种气流的方程。数据的最终的曲线图可以产生3D表面。这个表面的最简单的形式是3轴坐标系统的平面。基本的方程形式可以是
ax+by+cz+d = 0。
为了提高的精度，更复杂的非线性3D表面方程可以根据数据来产生。T1传感器12、T2传感器13以及T3传感器18的三个温度读数可以被获取以用于各种气流处的每个功率水平，或者反之亦然。周围温度在数据取得期间应当是恒定的。
对于数据取得以及为三维方法的三个方程确定常数的值的示意性的例子，可以注意图5的表。每个传感器以及相应的温度可以表示图6中的3轴或者3D坐标图24的坐标轴。在表21中，对于第一气流以及第一功率水平，来自传感器12、13以及18的温度测定或者测量T1、T2以及T3可以分别是85、78以及84华氏度；对于第一气流以及第二功率水平，测定或者测量可以分别是88、79以及76度；并且对于第一气流以及第三功率水平，测定或者测量可以分别是89、84以及79。在表22中，对于第二气流以及第一功率水平，来自传感器12、13以及18的温度测定或者测量T1、T2以及T3可以分别是80、76以及71度；对于第二气流以及第二功率水平，测定或者测量可以分别是84、78以及75度；并且对于第二气流以及第三功率水平，测定或者测量可以分别是86、81以及77度。在表23中，对于第三气流以及第一功率水平，来自传感器12、13以及18的温度测定或者测量T1、T2以及T3可以分别是91、80以及76度；并且对于第三气流以及第二功率水平，测定或者测量可以分别是93、84以及78度；并且对于第三气流以及第二功率水平，测定或者测量可以分别是95、88以及82度。
由于周围温度(Ta)在数据测定或者经验测量的取得期间可以被看做处于70华氏度，因此数据对于Ta可以被调整，产生用于绘制在如图6所示的3坐标的坐标图24上的数据点。数据点可以是15, 8, 4；18, 9, 6；以及19, 14, 9；分别用于气流1以及功率水平1、2和3。数据点可以是10, 6, 1；14, 8, 5；以及16, 11, 7；分别用于气流2以及功率水平1、2以及3。数据点可以是21, 10, 6；23, 14, 8；以及25, 18, 12；分别用于气流3以及功率水平1、2以及3。从15, 8, 4到25, 18, 12的数据点，如在本文中所指示的那样，可以分别被标记为A、B、C、D、E、F、G、H和I。后一种标记可以被用在坐标图24中。可以平面拟合数据点并且得到平面26以及对应的方程。这些数据点可以下面的方程的形式被插值，
ax+by+cz+d = 0，
以得到用于最终方程的相应的常数的值，从而根据外壳14以及设备27的各种气流以及功率水平处的T1、T2以及T3得到Ta。
对于示意性的例子，相对于2D模型，随后的温度在70华氏度的周围条件下被记录。这些温度处于3种不同负载条件。冷温度是73.95439、74.14308和74.80374华氏度。热温度是81.49281、82.11406以及84.3687。可以从这些温度中减去来自周围的温度并且作图(graph)。来自冷温度的结果是3.95439、4.14308以及4.80374。来自热温度的结果是11.49281、12.11406以及14.3687。这两组温度的结果可以作为被绘制成图7的坐标图31上的坐标点33。可以产生最佳的曲线拟合32。在这种条件下，其恰巧是线性的。
Twarm - Tambient = A*(Tcool - Tambient)+B，
其中A = 2.9468并且B= 0。可以观察在图7的坐标图31中拟合的曲线图33和线性曲线32。可以具有Tambient = (Twarm - A*Tcool - B)/(1-A)。在将这个方程用于原始温度之后，计算得到的周围温度分别是70.08218、70.04868以及69.89057。如可以看到的那样，温度看起来是准确的。并且由于上述项已经是极限负载条件，处于中间的不同负载将产生落在相同的曲线上的温度并且因此周围温度可以被复原。当相同的器件被暴露于不同的周围温度时，传感器上的温度上升是恒定的并且周围温度可以被复原。通过在周围温度 = 80度处的例子，可以得到84.03199、83.59956以及84.8985的冷温度以及92.10085、91.00635以及94.71613的热温度。计算得到的温度可以分别是79.88731、79.79496以及79.85554。
就3D模型而言，三个给定的不同的温度传感器将产生3D表面方程，在线性方法的情况下，这将是平面。举例来说，Ax+By+Cz+D = 0。假定该平面与(0,0,0)相交，这意味着如果没有热量在器件内产生，则传感器所感测到的温度=周围温度。
Ax+By+Cz+D = 0，x、y、z分别是T1-Tambient、T2-Tambient和T3-Tambient。
Tambient = (A*T1+B*T2+C*T3)/(A+B+C)，
其中A、B和C是平面常数，并且可以代数方式或者通过使用曲线/表面拟合软件来计算。
在一些情况下，外壳内部的温度可能受外部环境变化的影响并且2D解可能不足以准确地复原周围温度。举例来说，气流方向或者速度可以引起一些变化并且恒定地产生不落在2D维度曲线上的温度。使用第三传感器，温度变化可以用3D方程的表面来建模。图8中的坐标图41示出这种情况的例子。在这个例子中，点42被表面拟合成平面43，而不是如在图7中那样的2D曲线或者线32。
通过处理器（或者诸如此类的）连同所期望或者需要的恰当的软件一起，可以电子化方式实现下列项目：测定、测量、绘制曲线、坐标图、曲线-、线-以及平面拟合、计算、近似、关系、表达式、管理方程并且得到解、得到常数及诸如周围温度的温度的值、进行流动以及功率水平测定或者测量以及用于实现本系统的其它项目等等。
在本说明书中，虽然以另一方式或者时态来陈述，但是一些内容可能具有假定或者预言的性质。
虽然已经相对于至少一个示意性的例子描述了本发明，但是在阅读本说明书的基础上，许多变化及改动对于本领域的技术人员将是显而易见的。因此，意图在于从现有技术的角度尽可能宽地解释随附的权利要求以包括所有这样的变化及改动。

Claims (29)

1. 一种恒温器，其起作用来维持围绕外壳的温度，该恒温器包括：
外壳；
该外壳内的一个或多个热生成部件，其中在该恒温器的操作期间，该一个或多个热生成部件使该外壳内的第一位置比该外壳内的第二位置热；
第一温度传感器，用于对该第一位置中的温度进行采样；
第二温度传感器，用于对该第二位置中的温度进行采样；
处理器，连接到该第一温度传感器和该第二温度传感器，周围温度可以是该处理器至少部分地根据由该第一温度传感器所感测的第一位置中的温度和由该第二温度传感器所感测的第二位置中的温度来计算的函数；以及
该恒温器为应用而使用该外壳外部的周围温度。
2. 权利要求1的恒温器，其中该恒温器至少部分地由电能供电，以及其中该一个或多个热生成部件通过消耗该电能来产生热量。
3. 权利要求2的恒温器，其中对该恒温器进行供电所需要的电能水平随时间而改变。
4. 权利要求3的恒温器，其中由该处理器所确定的该周围温度相对地独立于对该恒温器进行供电所需要的电能水平。
5. 权利要求1的恒温器，其中该处理器至少部分地基于该外壳外部的周围温度、由该第一温度传感器所采样的第一位置中的温度和由该第二温度传感器所采样的第二位置中的温度之间的函数来确定该外壳外部的周围温度。
6. 权利要求5的恒温器，其中该恒温器由随时间改变的电能水平所供电，以及其中由该处理器所确定的周围温度相对地独立于对该恒温器进行供电的电能水平。
7. 权利要求5的恒温器，其中该函数是线性的。
8. 权利要求5的恒温器，其中该函数是非线性的。
9. 权利要求5的恒温器，其中该函数结合了二维模型。
10. 权利要求5的恒温器，其中该函数结合了三维模型或更多维模型。
11. 权利要求1的恒温器，其中该恒温器由随时间改变的电能水平所供电，以及其中在该外壳中的设备的不同功率水平下从温度传感器取得数据，其中该周围温度可被保持恒定以确定用于确定该恒温器的周围温度的方程的常数的值。
12. 权利要求11的恒温器，其中该处理器至少部分地基于来自温度传感器数据的方程来确定该外壳外部的周围温度，该方程使来自该第一温度传感器的第一位置中的温度数据、来自该第二温度传感器的第二位置中的温度数据、和对诸如该恒温器的该外壳中的设备进行供电的电能水平相联系。
13. 权利要求12的恒温器，其中：
该常数包括第一常数和第二常数；以及
该方程为周围温度等于第一温度减去第一常数倍的第二温度并减去第二常数，所有这些被一减去该第一常数所除。
14. 权利要求1的恒温器，进一步包括：
第三温度传感器，用于对该外壳内的第三位置中的温度进行采样；
该处理器至少部分地基于该第三位置中的温度来确定关于该外壳的气流方向和/或气流幅度的数据；以及
该处理器在确定该外壳外部的周围温度时，使用关于该外壳的气流方向和/或气流幅度的数据。
15. 一种用于控制温度控制设备的恒温器，包括：
外壳；
该外壳内的一个或多个热生成部件，该一个或多个热生成部件使该外壳内的第一位置比该外壳内的第二位置热；
第一温度传感器，用于指示该第一位置的温度；
第二温度传感器，用于指示该第二位置中的温度；
处理器，用于接收该第一位置中的温度和该第二位置中的温度，以及用于至少部分地基于该第一位置中的温度和该第二位置中的温度来确定该外壳外部的周围温度；以及
该处理器通过使用所接收的第一和第二位置中的温度来用算法确定该周围温度。
16. 权利要求15的恒温器，其中该算法使用由该处理器所计算的该周围温度来确定用于控制温度的一个或多个信号。
17. 一种用于确定外壳外部的周围温度的方法，其中该外壳在该外壳内结合了一个或多个热生成部件，该方法包括：
获得该外壳内的第一位置中的温度；
获得该外壳内的第二位置中的温度，其中该第一位置比该第二位置热；以及
至少部分地基于该第一位置中的温度和该第二位置中的温度来确定该外壳外部的周围温度。
18. 权利要求17的方法，进一步包括：
获得该外壳内的第三位置中的温度；以及
至少部分地基于该第一位置中的温度、该第二位置中的温度、和该第三位置中的温度来确定该外壳外部的周围温度。
19. 权利要求17的方法，进一步包括至少部分地基于该外壳外部的周围温度来确定用于控制温度的一个或多个信号。
20. 一种用于通过使用外壳内的两个或更多个温度传感器来确定该外壳外部的周围温度的方法，其中该外壳在该外壳内部结合了一个或多个热生成部件，该方法包括：
通过使用两个或更多个温度传感器来获得该外壳内的两个或更多个位置中的每个位置中的温度，其中该外壳内的热生成部件使该两个或更多个位置中的每个位置处于不同的温度；以及
至少部分地基于该外壳内的两个或更多个位置中的每个位置中的温度来确定该外壳外部的周围温度。
21. 权利要求20的方法，进一步包括至少部分地基于该外壳外部的周围温度来确定用于控制温度的一个或多个控制信号。
22. 权利要求20的方法，进一步包括至少部分地基于该外壳内的两个或更多个位置中的一个或多个位置中的温度来确定关于该外壳的气流方向和/或气流幅度。
23. 权利要求22的方法，进一步包括至少部分地基于关于该外壳的气流方向和/或气流幅度来确定该外壳外部的周围温度。
24. 一种用在恒温器应用中的设备，包括：
第一温度传感器，位于外壳中的第一位置；
第二温度传感器，位于该外壳中的第二位置；
处理器，从该第一温度传感器接收第一温度，以及从该第二温度传感器接收第二温度；以及
其中该处理器至少部分地基于周围温度的模型、该第一温度和该第二温度来确定该外壳外部的周围温度。
25. 权利要求24的设备，其中该模型是二维的。
26. 权利要求24的设备，其提供用于控制温度的一个或多个控制信号，该控制信号至少部分地基于该外壳外部的周围温度。
27. 一种用在恒温器应用中的设备，包括：
第一温度传感器，位于外壳中的第一位置；
第二温度传感器，位于该外壳中的第二位置；
第三温度传感器，位于该外壳中的第三位置；
处理器，从该第一温度传感器接收第一温度、从该第二温度传感器接收第二温度、以及从该第三温度传感器接收第三温度；以及
其中该处理器至少部分地基于周围温度的模型、该第一温度、该第二温度和该第三温度来确定该外壳外部的周围温度。
28. 权利要求27的设备，其中该模型是三维的。
29. 权利要求27的设备，其提供用于控制温度的一个或多个信号，该控制信号至少部分地基于该外壳外部的周围温度。
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