CN106556479B - 一种热耗测量装置及其热耗测量方法 - Google Patents

一种热耗测量装置及其热耗测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种热耗测量装置及其热耗测量方法，包括舱体、流量测量、温度测量、流体供给设备、流量控制阀。被测对象安装于该热耗测量装置舱体内，舱体内部接口提供被测对象的机械安装接口和电气安装接口，通过流体供给设备给舱体内提供充入某一恒定流量的流体。被测对象通电稳定工作一段时间后，热耗测量装置流体出口温度达到稳定。被测对象散发的热量绝大多数由流体带走，计算流体带走的流量就可以得到被测对象的热耗。本发明的热耗测量装置及其热耗测量方法与现有技术相比，能够准确地测定元器件、电路板、产品的热耗，并能进行热耗误差计算与修正。

Description

一种热耗测量装置及其热耗测量方法
技术领域
本发明属于测量领域，涉及一种热耗测量装置及其热耗测量方法。
背景技术
元器件、电路板及产品的热耗是产品热设计和环控设计的重要设计输入，热耗的大小直接影响到元器件、电路板及产品的温度，过高和过低的温度都可能影响元器件、电路板及产品的工作性能及寿命。因此，热设计时必须有一个准确的热耗输入，最好能够准确地测定热耗。
目前大多采用测量电功率的方法来测量或估计热耗，认为元器件、电路板、产品的热耗等于其消耗的电功率或者等于电功率乘以一个系数。电流具有多种效应，包括热效应、磁效应、机电转换等效应。只有当电能全部转换为热能时，电功率才等于热耗。将电功率乘以系数作为热耗则系数的选择存在不确定性，需要通过经验等方式确定。因此，采用测量电功率的方法来测量或估计热耗存在较大的误差，尤其对于电流热效应较低时。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种热耗测量装置及其热耗测量方法，精确地测定元器件、电路板及产品的热耗。
技术方案
一种热耗测量装置，其特征在于包括舱体、流量测量、温度测量、流体供给设备和流量控制阀；舱体1-1的一端为舱体流体通道流体进口1-5，另一端为舱体流体通道流体出口1-6，舱体侧壁设有舱体可打开部分1-2，舱体内设有舱体内部接口1-3，与内部接口1-3相对应的部位设有舱体外部接口1-4；在流体进口1-5通过管路和连接流体供给设备1-7，在管路中设有流量传感器1-8，流体进口1-5内设有进口温度传感器1-9，在流体出口1-6设有出口温度传感器1-10；所有连接部位设有密封结构。
一种利用所述热耗测量装置的热耗测量方法，其特征在于：被测对象1-11安装于该热耗测量装置舱体1-1内，舱体内部接口1-3提供被测对象的机械安装接口和电气安装接口，通过流体供给设备1-7给舱体内提供充入某一恒定流量的流体；被测对象通电稳定工作一段时间后，热耗测量装置流体出口温度达到稳定。被测对象散发的热量绝大多数由流体带走，计算流体带走的流量就可以得到被测对象的热耗；具体热耗测量步骤如下：
步骤1：将被测对象1-11安装于前述热耗测量装置舱体内部接口1-3上，对被测对象通电，使其正常工作；
步骤2：流量控制阀1-12控制工作流体供给设备1-7通入舱体的流体流量；
步骤3：监控流体通道进口温度、出口温度、流体流量。保持流体流量不变，当进口温度和出口温度为稳定状态，计算被测对象的热耗：
其中，为质量流量，cp为流体定压比热容，ΔT为温升，Tout为流体通道出口温度，Tin为流体通道入口温度，ρ为流体的密度，为体积流量，v为流速，a为流速传感器所在位置截面积；
步骤4：计算传感器精度带来的误差和热耗测量装置舱体散发热量带来的测量误差：
1、传感器精度带来的测量误差为：
其中，k1a为考虑测量值偏小的最大误差，k1b为考虑测量值偏大的最大误差，为温度测量误差相对值，δT为温度测量误差绝对值，为质量流量测量误差相对值，为质量流量测量误差绝对值，为体积流量测量误差相对值，为体积流量测量误差绝对值，为速度测量误差相对值，δv为速度测量误差绝对值，为面积误差相对值，δA为面积误差绝对值；
2、舱体散热带来的测量误差为：
其中，R为热耗测量装置的热阻；
步骤5：进行舱体散热带来的热耗测量误差进行修正
Qnew＝Qmeasure·(1+k2)
Qnew为对舱体散热修正后的热耗值。
当步骤5完成后，当误差不符合要求时，调整流体流量，再次从步骤2重复测量，直至测量误差满足要求。
通过装置的流体流量、进出口温度差、量程之间满足关系为其中，为质量流量，cp为流体定压比热容，ΔT为装置进出口温度差，Q为装置所能测量的热耗量程范围。
进出口最小截面积与流量和速度满足关系式：其中，a为进出口最小截面积，ρ为流体的密度，v为流速。
所述被测对象是元器件或电路板。
所述步骤2的工作流体为气体或液体，且需要与舱体及被测对象相容。
所述气体为空气、氮气或二氧化碳。
所述液体为水、酒精或煤油。
有益效果
本发明提出的一种热耗测量装置及其热耗测量方法，包括舱体、流量测量、温度测量、流体供给设备、流量控制阀。被测对象1-11安装于该热耗测量装置舱体1-1内，舱体内部接口1-3提供被测对象的机械安装接口和电气安装接口，通过流体供给设备1-7给舱体内提供充入某一恒定流量的流体。被测对象通电稳定工作一段时间后，热耗测量装置流体出口温度达到稳定。被测对象散发的热量绝大多数由流体带走，计算流体带走的流量就可以得到被测对象的热耗。本发明的热耗测量装置及其热耗测量方法与现有技术相比，能够准确地测定元器件、电路板、产品的热耗，并能进行热耗误差计算与修正。
附图说明
图1：本发明热耗测量装置组成示意图
图2：热耗测量装置示例
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
热耗测量装置，包括舱体、流量测量、温度测量、流体供给设备、流量控制阀组成。如附图1所示。1-1为舱体，1-1舱体一端为舱体流体通道流体进口1-5，另一端为舱体流体通道流体出口1-6，舱体侧壁设有舱体可打开部分1-2，舱体内设有舱体内部接口1-3，与内部接口1-3相对应的部位设有舱体外部接口1-4；在流体进口1-5通过管路和连接流体供给设备1-7，在管路中设有流量传感器1-8，流体进口1-5内设有进口温度传感器1-9，在流体出口1-6设有出口温度传感器1-10。
基本工作原理为：被测对象1-11安装于该热耗测量装置舱体1-1内，舱体内部接口1-3提供被测对象的机械安装接口和电气安装接口，通过流体供给设备1-7给舱体内提供充入某一恒定流量的流体。被测对象通电稳定工作一段时间后，热耗测量装置流体出口温度达到稳定。被测对象散发的热量绝大多数由流体带走，计算流体带走的流量就可以得到被测对象的热耗。
本发明的热耗测量装置具体实施例如下：
一个测量量程为1W～10W的热耗测量装置，其几何外形与尺寸如附图2所示。
主要设计参数如下：
(1)该热耗测量装置舱体表面积0.01m2
(2)选择空气作为工作流体
(3)流体进口和出口设计额定温差ΔT＝10K
(5)设计流量范围为0.3579kg/h～3.579kg/h
(6)温度传感器，测量范围-50℃～100℃，测量误差小于δT＝0.1K
(7)流量传感器，量程10kg/h,误差1％。
(8)舱内流体设计最大流速设定为10m/s，设计进口和出口最小截面尺寸为截面为圆形，截面半径3.1mm。
(9)该装置进行真空隔热处理，表面发射率0.1，装置的热阻为160K/W。
本发明的热耗测量方法具体实施例如下：
测量一个发热量大约为3W的电路板，
(1)首先将电路板安装于前述热耗测量装置内，并通电正常工作；
(2)然后设定流体供给设备进入舱体的流量为1.00kg/h并保持不变；
(3)大约1h后，进口温度稳定在25.1℃，出口稳定在34.8℃(4)计算该电路板热耗为：
(5)由传感器精度带来的测量误差为
舱体散热带来的测量误差为
(6)两项误差均小于3％，不必调整流量进行第二次测量。

Claims (8)

1.一种利用热耗测量装置的热耗测量方法，其特征在于包括舱体、流量传感器、温度传感器、流体供给设备和流量控制阀；舱体(1-1)的一端为舱体流体通道流体进口(1-5)，另一端为舱体流体通道流体出口(1-6)，舱体侧壁设有舱体可打开部分(1-2)，舱体内设有舱体内部接口(1-3)，与内部接口(1-3)相对应的部位设有舱体外部接口(1-4)；在流体进口(1-5)通过管路连接流体供给设备(1-7)，在管路中设有流量传感器(1-8)，流体进口(1-5)内设有进口温度传感器(1-9)，在流体出口(1-6)设有出口温度传感器(1-10)；所有连接部位设有密封结构；被测对象(1-11)安装于该热耗测量装置舱体(1-1)内，舱体内部接口(1-3)提供被测对象的机械安装接口和电气安装接口，通过流体供给设备(1-7)给舱体内充入某一恒定流量的流体；被测对象通电稳定工作一段时间后，热耗测量装置流体出口温度达到稳定；被测对象散发的热量绝大多数由流体带走，计算流体带走的热量就可以得到被测对象的热耗；具体热耗测量步骤如下：
步骤1：将被测对象(1-11)安装于前述热耗测量装置舱体内部接口(1-3)上，对被测对象通电，使其正常工作；
步骤2：流量控制阀(1-12)控制流体供给设备(1-7)通入舱体的流体流量；
步骤3：监控流体通道进口温度、出口温度、流体流量；保持流体流量不变，当进口温度和出口温度为稳定状态，计算被测对象的热耗：
其中，为质量流量，cp为流体定压比热容，ΔT为温升，Tout为流体通道出口温度，Tin为流体通道入口温度，ρ为流体的密度，为体积流量，v为流速，a为流速传感器所在位置截面积；
步骤4：计算传感器精度带来的误差和热耗测量装置舱体散发热量带来的测量误差：
1、传感器精度带来的测量误差为：
其中，k1a为考虑测量值偏小的最大误差，k1b为考虑测量值偏大的最大误差，为温度测量误差相对值，δT为温度测量误差绝对值，为质量流量测量误差相对值，为质量流量测量误差绝对值，为体积流量测量误差相对值，为体积流量测量误差绝对值，为速度测量误差相对值，δv为速度测量误差绝对值，为面积误差相对值，δA为面积误差绝对值；
2、舱体散热带来的测量误差为：
其中，R为热耗测量装置的热阻；
步骤5：进行舱体散热带来的热耗测量误差修正
Qnew＝Qmeasure·(1+k2)
Qnew为对舱体散热修正后的热耗值。
2.根据权利要求1所述热耗测量方法，其特征在于：当步骤5完成后，当误差不符合要求时，调整流体流量，再次从步骤2重复测量，直至测量误差满足要求。
3.根据权利要求1所述热耗测量方法，其特征在于：通过装置的流体流量、进出口温度差、量程之间满足关系为其中，为质量流量，cp为流体定压比热容，ΔT为装置进出口温度差，Q为装置所能测量的热耗量程范围。
4.根据权利要求1所述热耗测量方法，其特征在于：进出口最小截面积与流量和速度满足关系式：其中，a为进出口最小截面积，ρ为流体的密度，v为流速。
5.根据权利要求1所述热耗测量方法，其特征在于：所述被测对象是元器件。
6.根据权利要求1所述热耗测量方法，其特征在于：所述步骤2的工作流体为气体或液体，且需要与舱体及被测对象相容。
7.根据权利要求6所述热耗测量方法，其特征在于：所述气体为空气、氮气或二氧化碳。
8.根据权利要求6所述热耗测量方法，其特征在于：所述液体为水、酒精或煤油。
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