CN104198527B - 车厢传热系数测试系统以及车厢内温度控制系统 - Google Patents

Abstract

一种车厢传热系数测试系统以及车厢内温度控制系统，该车厢传热系数测试系统包括主控计算机、可编程逻辑控制器、循环风扇、加热器、温度控制器、数据采集模块、功率调节器、数据采集仪、温度传感器、控制温度传感器。本发明采用步入式高低温湿热试验室，保证了车厢外部温度采样的精确性；通过循环风扇，保证了车厢内温度的均匀性，从而提高车厢内温度采样的精确性；采用加热器进行加热，能够满足各体积车厢加热要求；温度控制器根据接收的信号自动精确调节功率调节器的输出电流和电压，进而自动控制加热器加热到设定温度，温度调节精确度高，稳定性好；主控计算机根据接收的数据自行进行传热系数计算，测试结果精确度高。

Description

车厢传热系数测试系统以及车厢内温度控制系统

技术领域

本发明涉及传热系数测试技术领域，特别是涉及一种车厢传热系数测试系统、用于传热系数测试的车厢内温度控制系统。

背景技术

传热系数K值，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度(K，℃)，1h(小时)内通过1平方米面积传递的热量，单位是瓦/(平方米·度)(W/㎡·K，此处K可用℃代替)。

在产品设计和生产定型阶段，除了要进行通信控制系统、供电等配套系统、汽车的各项性能试验外，还需对车厢的各项功能、指标进行鉴定测试。传热系数是车厢的保温性能必须检测的项目之一。

如图1所示，现有传热系数测试系统包括用于调节车厢内温度的温度自动调节系统、用于采集车厢内外温度和功率的温度采集器、用于信息处理的微机数据处理系统，其中温度自动调节系统包括温度传感器、调功器、温控通断器。

测试时温控通断器接收车厢内的温度传感器信号，与设定的温度值进行比较，然后进行PID(ProportionIntegrationDifferentiation，比例积分微分)控制规律运算，将PID控制规律信号发送到调功器，以形成触发电路加载到调功器可控硅上，从而调节车厢内的温度，使其达到设定值。然后温度采集器采集车厢内、外各采样点的温度，同时接收来自温控通断器的功率信号，将采集的温度和接收的功率信号通过RS232(RecommendedStandard)数据线输出到微机数据处理系统，微机数据处理系统进行数据处理，确定车厢的传热系数。除了设置标准的RS232通信接口外，温度采集器还设置了温度显示面板、微型打印机，微机数据处理系统还设有CRT(CathodeRayTube，阴极射线管)显示器，小键盘等。

但是上述测试方法在进行温度自动调节前，需先采用手动调节使车厢内温度加热到设定值附近，然后再切换到自动调节状态，实际测试中还是需要人工手动调节，虽然调节的温度能稳定在设定温度值的附近，但误差范围较大，误差达到±2℃。并且该方法通过温控通断器来控制温度，温控通断器通断过程需要1～2秒的间隔时间，温度的波动比较大。所以通过该方法测试的传热系数精确度低，稳定性差，无法为产品定型、出厂合格检验提供正式、可溯源的检测依据。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种车厢传热系数测试系统以及车厢内温度控制系统，使测量的传热系数精确度比较高，满足产品定型等各项需求。

一种车厢传热系数测试系统，包括主控计算机、可编程逻辑控制器、循环风扇、加热器、温度控制器、数据采集模块、功率调节器、数据采集仪、温度传感器、控制温度传感器；

主控计算机将放置有待测车厢的步入式高低温湿热试验室的温度调节至预设温度，并通过可编程逻辑控制器开启放置于待测车厢内的循环风扇和加热器；温度控制器接收主控计算机发送的温度设定值的信号，以及数据采集模块发送的待测车厢内的控制温度传感器的采样信号、功率调节器的电压和电流，通过温度设定值的信号和采样信号调节功率调节器的电压和电流，控制加热器加热至温度设定值；

温度控制器将数据采集模块发送的功率调节器的电压和电流传输至主控计算机；数据采集仪接收待测车厢内的温度传感器和待测车厢外的温度传感器采集的温度数据，将所述温度数据传输给主控计算机；主控计算机根据待测车厢的内外表面积、所述功率调节器的电压和电流以及所述温度数据，确定所述待测车厢的传热系数。

本发明车厢传热系数测试系统，与现有技术相互比较，具备以下优点：

1、本发明步入式高低温湿热试验室用于车厢外部温度测试，通过主控计算机控制可以提供-60℃至+90℃的恒温环境，满足各类车厢的传热系数测试，并且试验室温度分布均匀，提高了车厢外部温度采样的精确性；

2、本发明通过循环风扇能将车厢内的风循环起来，平衡车厢内各点的温度，保持车厢内温度的均匀性，从而提高车厢内温度采样的精确性；采用加热器进行加热，能够满足各体积车厢加热要求；

3、本发明温度控制器根据接收的信号自动精确调节功率调节器的输出电流和电压，进而自动控制加热器加热到设定温度，温度调节精确度高，稳定性好；

4、本发明试验室和车厢内的温度稳定后，将功率调节器的电流电压数据、数据采集仪自动采集的温度数据发送给主控计算机自动进行传热系数计算，测试结果精确度高，同时测试工程无需人工操作，大大提高了测试效率。

一种用于传热系数测试的车厢内温度控制系统，包括主控计算机、温度控制器、功率调节器、电压互感器、电流互感器、数据采集模块、控制温度传感器、可编程逻辑控制器、循环风扇、加热器；

主控计算机通过可编程逻辑控制器控制循环风扇和加热器的开关；所述电压互感器将采集的功率调节器的电压、所述电流互感器将采集的功率调节器的电流传输给数据采集模块，控制温度传感器将采集的车厢内的温度传输给数据采集模块；温度控制器接收主控计算机发送的温度设定值，以及数据采集模块发送的功率调节器的电压和电流、车厢内的温度，根据温度设定值和车厢内的温度调节功率调节器的电压和电流，控制加热器加热至温度设定值。

本发明用于传热系数测试的车厢内温度控制系统，与现有技术相互比较，具备以下优点：

1、通过循环风扇能将车厢内的风循环起来，平衡车厢内各点的温度，保持车厢内温度的均匀性，从而提高车厢内温度采样的精确性；采用加热器进行加热，能够满足各体积车厢加热要求；

2、温度控制器根据接收的信号自动精确调节功率调节器的输出电流和电压，进而自动控制加热器加热到设定温度，温度调节精确度高，稳定性好。

附图说明

图1为现有技术车厢传热系数测试系统的结构示意图；

图2为本发明车厢传热系数测试系统实施例的示意图；

图3为本发明车厢内温度控制系统实施例的示意图。

具体实施方式

为了更清晰地理解本发明车厢传热系数测试系统的具体实施方式，下面结合附图详细说明。

如图2所示，一种车厢传热系数测试系统，包括主控计算机101、可编程逻辑控制器104、循环风扇105、加热器106、温度控制器107、数据采集模块108、功率调节器109、数据采集仪110、温度传感器111、控制温度传感器112；

主控计算机101将放置有待测车厢103的步入式高低温湿热试验室102的温度调节至预设温度，并通过可编程逻辑控制器104开启放置于待测车厢103内的循环风扇105和加热器106；温度控制器107接收主控计算机101发送的温度设定值的信号，以及数据采集模块108发送的待测车厢103内的控制温度传感器112的采样信号、功率调节器109的电压和电流，通过温度设定值的信号和采样信号调节功率调节器109的电压和电流，控制加热器106加热至温度设定值；

温度控制器107将数据采集模块108发送的功率调节器的电压和电流传输至主控计算机101；数据采集仪110接收待测车厢103内的温度传感器111和待测车厢103外的温度传感器111采集的温度数据，将所述温度数据传输给主控计算机101；主控计算机101根据待测车厢103的内外表面积、所述功率调节器109的电压和电流以及所述温度数据，确定所述待测车厢103的传热系数。

如图2所示，本发明系统还包括分别与所述功率调节器109相连的电压互感器113和电流互感器114，电压互感器113将检测的功率调节器109的电压、电流互感器114将检测的功率调节器109的电流传输给数据采集模块108。

步入式高低温湿热试验室102用于车厢外部温度测试，通过主控计算机101控制可以提供-60℃至+90℃的恒温环境，满足各类车厢的传热系数测试，并且试验室温度分布均匀，提高了车厢外部温度采样的精确性，其中将步入式高低温湿热试验室102加热并保持在预设温度采用现有控制方法即可以实现。为了满足绝大多数轮式、履带式等车型整车级别的车厢测试要求，可以采用长12米，高4.5米，宽5米(大门宽4.5米)，体积270立方米，底盘承重30吨的步入式高低温湿热试验室。

可编程逻辑控制器104可以为小型口袋式可编程逻辑控制器FP0-C14R等，其具有多个继电器输入和输出点，可通过RS232通讯接口与主控计算机101进行通讯，用于接收主控计算机101的启动或停止命令，对循环风扇105和加热器106的开关进行控制。同时可编程逻辑控制器104还可以对系统状态进行检测，例如可以检测待测车厢103内的温度是否超过预设警戒值，加热器106的电流是否超过预设电流值等，以保护系统的正常运行。

循环风扇105可以将车厢内的风循环起来，平衡车厢内各点的温度，保持车厢内温度的均匀性，从而提高车厢内温度采样的精确性。采用加热器106进行加热，能够满足各体积车厢加热要求。循环风扇105可以放置于加热器106后方或其它可以吹到加热器106的地方，较好保证车厢内温度的均匀性。循环风扇105和加热器106可以配备主机和辅机，当待测车厢103尺寸较小时，可以只采用主机进行传热系数测定，待测车厢103尺寸较大时，采用主机和辅机进行传热系数测定，其中主机和可编程逻辑控制器等连接，辅机连接在主机上。加热器106还可以设置有手动、自动控制模式，在手动模式下，可强制设定加热器输出功率，以适应一些特定测试场合的需要。

温度控制器107可以采用JCL-33A温度控制器等，结构小巧，具备PID控制、PID参数自整定、RS485通讯、模拟量调解输出等多种功能，非常适合使用在控制精度和控温稳定性要求较高、系统总体尺寸、重量受限的场合。温度控制器107通过RS485通讯接口与主控计算机101进行通讯，接收主控计算机101发送的车厢内温度设置值信号，并可以将温度达到设定值时测试的功率调节器109的电压和电流数据发送给主控计算机101进行传热系数计算。温度控制器107根据接收的温度设定值信号，控制温度传感器112测试的车厢内的温度，功率调节器109的电压和电流数据，经过PID运算，可以实现功率调节器109电压和电流的自动调节，从而控制加热器106的输出功率，使加热器106加热并稳定在温度设定值，实现车厢内温度的闭环控制。

数据采集模块108可以采用8通道数据采集模块ADAM4118等，其分辨率为16位，支持电流、电压、热电偶等多种输入检测。电压互感器113和电流互感器114将采集的功率调节器109的电压和电流转换为弱电信号，传输给数据采集模块108，控制温度传感器112将采集的车厢内的温度传输给数据采集模块108。数据采集模块108将接收的数据传输给温度控制器107进行温度调整。

功率调节器109可以采用三相功率调节器，其输出电流可在0～100％的范围内无极线性调节，精度高，稳定性好。数据采集仪110可以采用通道多、可靠性高、精度高的数据采集仪，例如美国安捷伦公司的34970A主机，可通过RS232通信接口与主控计算机101进行通信，将采集的车厢内外的温度传输给主控计算机101进行传热系数计算。34970A是一款高性能数据采集仪，配备20通道热电偶数据采集模块，最大可扩展到60个双端通道，每秒最大可扫描250通道，每个温度通道均具备标定、报警等功能，其内部存储空间最大可存储50000条带时间标记的数据。

温度传感器111温度传感器可以采用T型热电偶温度传感器，布置在车厢六个面的内外各400mm(毫米)处。控制温度传感器112与温度传感器111可以相同，只是为了区分采集的温度数据传输给的设备不同。可以采用12根T型热电偶温度传感器进行传热系数性能测试，用7根，其余5根备用。

主控计算机101具有系统控制、数据采集、数据分析、数据计算、数据存储、数据回放等功能。主控计算机101通过现有方法可以设定和采样步入式高低温湿热试验室102温度，控制试验室相关设备的运行，检测试验室运行状态等。主控计算机101与温度控制器107、可编程逻辑控制器104通讯，设定与采样车厢内控制温度，并接收温度稳定时温度控制器107发送的功率调节器109的电压和电流数据，控制循环风扇105和加热器106运行，检测系统故障状态并报警等。主控计算机101与数据采集仪110进行通讯，用于接收数据采集仪110采集的车厢内外的温度。然后主控计算机101将接收的数据按照统一时间坐标进行存储，生成数据文件，便于数据查看，并根据接收的数据和车厢内外表面积等自动计算出车厢传热系数。主控计算机101还在待测车厢的传热系数确定后，通过可编程逻辑控制器104关闭循环风扇105和加热器106。其中车厢传热系数计算公式如下：

$Ki=\frac{P_i}{S({\stackrel{\‾}{T}}_{i2}-{\stackrel{\‾}{T}}_{i1})}$

式中P_i表示第i次加热总功耗，单位是W(瓦)；S表示车厢内外表面总面积几何平均值，单位是m²(米²)，S₁表示车厢内表面积，单位是m²，S₂表示车厢外表面积，单位是m²；表示第i次热平衡后车厢内平均温度，单位是℃(度)，表示第i次热平衡后车厢外平均温度，单位是℃；Ki表示第i次测量计算的传热系数，单位是W/(m²·℃)。

为了更好的理解本发明系统的测试方法和达到的效果，下面结合一个具体操作流程进行描述。

将待测车厢放置于步入式高低温湿热试验室内，距控制室观察窗的距离为2米至3米；

将加热器和循环风扇放入车厢内，循环风扇置于加热器后方，为方便操作，可将加热器和循环风扇集成为一个暖风加热装置，可以根据车厢体积大小确定是放入一台暖风加热装置主机，还是同时放入暖风加热装置主机和辅机；

将暖风加热装置主机的电源线插入试验室内的电源插口，2根RS232数据线连接至控制电脑COM2和COM4端口，若需连接暖风加热装置辅机，则将辅机电源线和数据线连接至暖风加热装置主机上，打开暖风加热装置主机的电源空气开关；将数据采集仪34970A的RS232数据线连接至控制电脑COM5端口；

将控制温度传感器的采样探头布置在车厢内正中间，距地1.5米高；将数据采集仪34970A采样探头布置在车厢四个角与中间位置，距地1.5米高；

关闭车厢的门窗，密封车厢，关闭步入式高低温试验室舱门；

开机，设置试验室内温度至24℃，车厢内的温度为44℃，待试验室内温度与车厢内温度都稳定后，每隔15分钟记录一次测试数据，记录9次数据后主控计算机自动计算传热系数结果。

表1为采用本发明系统测试某一车厢传热系数的结果，通过表1可以看出，车厢传热系数重复性误差远远小于5％，测试的精确度较高，满足产品定型等各种要求。

表1测量的车厢传热系数数据及相应的误差

基于同一发明构思，本发明还提供一种用于传热系数测试的车厢内温度控制系统，下面结合附图对本发明车厢内温度控制系统的具体实施方式做详细描述。

如图3所示，一种用于传热系数测试的车厢内温度控制系统包括主控计算机101、温度控制器107、功率调节器109、电压互感器113、电流互感器114、数据采集模块108、控制温度传感器112、可编程逻辑控制器104、循环风扇105、加热器106；

主控计算机101通过可编程逻辑控制器104控制循环风扇105和加热器106的开关；所述电压互感器113将采集的功率调节器109的电压、所述电流互感器114将采集的功率调节器109的电流传输给数据采集模块108，控制温度传感器112将采集的车厢内的温度传输给数据采集模块108；温度控制器107接收主控计算机101发送的温度设定值，以及数据采集模块108发送的功率调节器109的电压和电流、车厢内的温度，根据温度设定值和车厢内的温度调节功率调节器109的电压和电流，控制加热器106加热至温度设定值。

本发明车厢内温度控制系统，通过循环风扇105能将车厢内的风循环起来，平衡车厢内各点的温度，保持车厢内温度的均匀性，从而提高车厢内温度采样的精确性；采用加热器106进行加热，能够满足各体积车厢加热要求；温度控制器107根据接收的信号自动精确调节功率调节器109的输出电流和电压，进而自动控制加热器106加热到设定温度，温度调节精确度高，稳定性好。

可编程逻辑控制器104可以采用可编程逻辑控制器FP0-C14R，可通过RS232通讯接口与主控计算机101进行通讯，用于接收主控计算机101的启动或停止命令，对循环风扇105和加热器106的开关进行控制。同时可编程逻辑控制器104还可以对系统状态进行检测，例如可以检测待测车厢内的温度是否超过预设警戒值，加热器106的电流是否超过预设电流值等，以保护系统的正常运行。

循环风扇105可以放置于加热器106后方或其它可以吹到加热器106的地方，较好保证车厢内温度的均匀性。为方便测试，循环风扇105和加热器106可以集成为一个暖风加热装置。暖风加热装置包括主机和辅机，根据车厢尺寸选择是仅采用暖风加热装置主机，还是同时采用暖风加热装置主机和辅机。主机和可编程逻辑控制器104连接，辅机连接在主机上。加热器106还可以设置有手动、自动模式，在手动模式下，可强制设定加热器输出功率，通过设定的加热器输出功率控制加热器加温至预设温度，以适应一些特定测试场合的需要。

温度控制器107可以采用JCL-33A温度控制器等。温度控制器107通过RS485通讯接口与主控计算机101进行通讯，接收主控计算机101发送的车厢内温度设置值信号。温度控制器107根据接收的温度设定值信号，控制温度传感器112测试的车厢内的温度，功率调节器109的电压和电流数据，经过PID运算，可以实现功率调节器109电压和电流的自动调节，从而控制加热器106的输出功率，使加热器106加热并稳定在温度设定值。

数据采集模块108可以采用8通道数据采集模块ADAM4118等。电压互感器113和电流互感器114将采集的功率调节器109的电压和电流转换为弱电信号，传输给数据采集模块108，控制温度传感器112将采集的车厢内的温度传输给数据采集模块108。数据采集模块108将接收的数据传输给温度控制器107进行温度调整。

功率调节器109可以采用三相功率调节器，其输出电流可在0～100％的范围内无极线性调节，精度高，稳定性好。控制温度传感器112可以采用T型热电偶温度传感器等，用于测试车厢内温度。主控计算机101与温度控制器107、可编程逻辑控制器104通讯，设定与采样车厢内控制温度，控制循环风扇105和加热器106运行，检测系统故障状态并报警等。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种车厢传热系数测试系统，其特征在于，包括主控计算机、可编程逻辑控制器、循环风扇、加热器、温度控制器、数据采集模块、功率调节器、数据采集仪、温度传感器、控制温度传感器；

主控计算机将放置有待测车厢的步入式高低温湿热试验室的温度调节至预设温度，并通过可编程逻辑控制器开启放置于待测车厢内的循环风扇和加热器；温度控制器接收主控计算机发送的温度设定值的信号，以及数据采集模块发送的待测车厢内的控制温度传感器的采样信号、功率调节器的电压和电流，通过温度设定值的信号和采样信号调节功率调节器的电压和电流，控制加热器加热至温度设定值；

温度控制器将数据采集模块发送的功率调节器的电压和电流传输至主控计算机；数据采集仪接收待测车厢内的温度传感器和待测车厢外的温度传感器采集的温度数据，将所述温度数据传输给主控计算机；主控计算机根据待测车厢的内外表面积、所述功率调节器的电压和电流以及所述温度数据，确定所述待测车厢的传热系数。

2.根据权利要求1所述的车厢传热系数测试系统，其特征在于，所述可编程逻辑控制器还用于检测待测车厢内的温度是否超过预设警戒值，加热器的电流是否超过预设电流值。

3.根据权利要求1所述的车厢传热系数测试系统，其特征在于，所述功率调节器为三相功率调节器。

4.根据权利要求1所述的车厢传热系数测试系统，其特征在于，还包括分别与所述功率调节器相连的电压互感器和电流互感器，电压互感器将检测的功率调节器的电压、电流互感器将检测的功率调节器的电流传输给数据采集模块。

5.根据权利要求1所述的车厢传热系数测试系统，其特征在于，所述主控计算机将接收的数据按照统一时间坐标进行存储，生成数据文件；在待测车厢的传热系数确定后，通过可编程逻辑控制器关闭循环风扇和加热器。

6.一种用于传热系数测试的车厢内温度控制系统，其特征在于，包括主控计算机、温度控制器、功率调节器、电压互感器、电流互感器、数据采集模块、控制温度传感器、可编程逻辑控制器、循环风扇、加热器；

主控计算机通过可编程逻辑控制器控制循环风扇和加热器的开关；所述电压互感器将采集的功率调节器的电压、所述电流互感器将采集的功率调节器的电流传输给数据采集模块，控制温度传感器将采集的车厢内的温度传输给数据采集模块；温度控制器接收主控计算机发送的温度设定值，以及数据采集模块发送的功率调节器的电压和电流、车厢内的温度，根据温度设定值和车厢内的温度调节功率调节器的电压和电流，控制加热器加热至温度设定值。

7.根据权利要求6所述的用于传热系数测试的车厢内温度控制系统，其特征在于，所述可编程逻辑控制器还用于检测待测车厢内的温度是否超过预设警戒值，加热器的电流是否超过预设电流值。

8.根据权利要求6所述的用于传热系数测试的车厢内温度控制系统，其特征在于，所述功率调节器为三相功率调节器。

9.根据权利要求6所述的用于传热系数测试的车厢内温度控制系统，其特征在于，所述循环风扇和加热器均包括主机和辅机，主机与可编程逻辑控制器连接，辅机与主机连接。

10.根据权利要求6所述的用于传热系数测试的车厢内温度控制系统，其特征在于，所述加热器设置有手动和自动模式，在手动模式下，通过设定的加热器输出功率控制加热器加温至预设温度。