CN114442695B - 一种功率可调的热模拟装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率可调的热模拟装置及方法，将热丝分为主热阻丝和从热阻丝，并对从放热丝的电源采取脉冲宽度调制，可以实现装置中热丝发热功率在一定范围内连续可调；进一步地，对热模拟装置的供电电压及总工作电流进行实时监测，可以计算装置的总功率，配合脉冲宽度调制从放热丝的功率，从而克服放热丝阻值改变引起的实际加载热功率漂移；另外本发明可以在不改变外部供电电压以及热丝结构的情况下，实现一定范围内的热加载功率可调；且通过实时监测装置的总功率，动态调整系统的发热丝工作，补偿由于热丝阻值变化导致的功率漂移，实现稳定的热功率加载。

Description

一种功率可调的热模拟装置及模拟方法

技术领域

本发明涉及热模拟装置技术领域，尤其涉及一种功率可调的热模拟装置及模拟方法。

背景技术

在国防和工业生产领域中，常常需要对试验对象进行热功率加载试验，如对某些电子学系统的热稳定性进行考核试验。一般的热稳定性考核试验采用温度加载箱或环境试验箱进行，温度加载箱或环境试验箱对于电子学系统的加载是基于温度的，难以针对热功率进行；且上述试验过程难以实现负责装配系统中的热功率原位加载。因此，部分热稳定性试验采用热模拟装置，对复杂系统中进行热功率加载。

热模拟装置是一种能够提供稳定热功率加载的电子学系统，其原理是通过发热元件，对复杂系统的特定部分加载一定功率的热负载，以代替系统中原有的发热部分，实现对系统中其它组成部分的热加载模拟，从而考核系统相关组成部分的热稳定性。

常见的热模拟装置可采用电能、化学能或放射性同位素热源。其中放射性同位素热源具有放射性及物化毒性，且价格昂贵，使用场所受限；化学热源的热释放速度、功率难以调控，放热过程常常产生大量气体，且多半以液相存储，难以实现高能量密度存储，其环境适应性也较差。

采用电能实现热加载，其优点在于技术成熟，加热元件采用金属热丝、半导体放热片或红外热管等形式；释放的热功率密度可依据要求调整，且加热部分容易按实际要求随形设计；供能方式可以为外接电源线、内置电池甚至无线供电等多种。

其中，采用外部电源线供电以及热丝放热的热模拟装置，由于不涉及放射性物质或化学品，且成本低、技术成熟度高，非常适合各类电子学系统的热模拟加载。

上述采用外部电源线供电以及热丝放热的热模拟装置，其加载热功率P采用电功率计算公式确定：

P＝V·I (1)

其中V为加载在热丝上的电压，I为热丝上的电流。

由于一般供电电源是调节电压的，则基于线性时不变电阻的电压电流关系，即欧姆定律，可知：

I＝V/R (2)

因此，当外部供电电源的电压以及热丝阻值固定时，热模拟装置的加载热功率P即固定，且为：

P＝V²/R (3)

在实际应用中存在两个显著问题：

一是采用外部供电的热丝式热模拟装置，在设计过程中可以通过调整热阻丝的电阻值R以及外部供电电压V，实现加载的热功率P的可调；但是一旦设计完成，热阻丝电阻R及外部电压V确定后，则实际加载的热功率P难以调整，其值由式(3)确定。

二是热阻丝的阻值R会随温度变化，在非工作状态下，通过万用表测量的阻值，和工作状态发热情况下的阻值存在一定的偏差，导致实际加载的热功率与设计的加载热功率不同。

因此需要研发出一种功率可调的热模拟装置及模拟方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种功率可调的热模拟装置及模拟方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种功率可调的热模拟装置，包括：

用于监测热模拟装置的总耗电电流I总以及工作电压V的电压电流监测模块；外部设备通过电压电流监测模块向热模拟装置内各模块供电；

通信模块；

控制模块；外部设备通过通信模块与控制模块通信连接；

主热阻丝；

电压输出开关模块；控制模块分别与主热阻丝、电压输出开关模块电性连接；

从热阻丝；电压输出开关模块与从热阻丝电性连接。

一种功率可调的热模拟装置的模拟方法，包括：

试验前功率调节：依据试验要求确定热模拟装置的目标加载功率P₀，从发热丝的目标热功率为P₂＝P₀-P₁，其中，P₁为主发热丝的设计功率；计算出电压输出开关模块工作的占空比；目标加载功率P₀在一定范围内可调，调整范围为P₁至P₁+P₂；

试验开始：通过外部设备给热模拟装置供电，供电电压为V；上电后主热丝直接工作；从发热丝以试验前计算的占空比工作，其目标热功率为P₂；

试验中功率补偿：在主发热丝及从发热丝工作一段时间后，控制模块依据电压电流监测模块的数据，计算装置的实际加载功率P；计算得到补偿功率ΔP＝P-P₀；控制模块依据补偿功率ΔP来调整电压输出开关模块的占空比，通过调整从发热丝的热功率，使得其目标热功率变为P′₂，且有P′₂＝P₂-ΔP，则实现对实际加载功率P的补偿，使得实际加载功率P与目标加载功率P₀相等。

本发明的有益效果在于：

本发明将热丝分为主热阻丝和从热阻丝，并对从放热丝的电源采取脉冲宽度调制，可以实现装置中热丝发热功率在一定范围内连续可调；进一步地，对热模拟装置的供电电压及总工作电流进行实时监测，可以计算装置的总功率，配合脉冲宽度调制从放热丝的功率，从而克服放热丝阻值改变引起的实际加载热功率漂移；另外本发明可以在不改变外部供电电压以及热丝结构的情况下，实现一定范围内的热加载功率可调；且通过实时监测装置的总功率，动态调整系统的发热丝工作，补偿由于热丝阻值变化导致的功率漂移，实现稳定的热功率加载。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明中脉冲宽度调制原理图；

图3为本发明中热模拟装置的工作方法示意图。

图中：1、外部设备；2、电压电流监测模块；3、通信模块；4、电压输出开关模块；5、控制模块；6、从热阻丝；7、主热阻丝。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种功率可调的热模拟装置，包括：

用于监测热模拟装置的总耗电电流I总以及工作电压V的电压电流监测模块2；外部设备1通过电压电流监测模块2向热模拟装置内各模块供电；

通信模块3；

控制模块5；外部设备1通过通信模块3与控制模块5通信连接；

主热阻丝7；

电压输出开关模块4；控制模块5分别与主热阻丝7、电压输出开关模块4电性连接；

从热阻丝6；电压输出开关模块4与从热阻丝6电性连接。

在一些实施例中，热模拟装置还包括温度监测模块；用于监测主热阻丝7、从热阻丝6的温度。

其中电压电流监测模块2实时监测除外部设备1以外，其它各模块的总耗电电流I_总以及装置的工作电压V；控制模块5依据外部设备1给出的指令，确定装置的目标加载热功率P₀；控制模块5通过电压电流检测模块，计算出当前热模拟装置的实际加载功率P；主发热丝在装置上电后直接工作，其设计发热功率为P₁；控制模块5通过电压输出开关模块4，控制从热阻丝6按一定的频率以及脉冲宽度，开关工作，使得其功率P₂在一定范围内可调。

主发热丝的电阻为R₁，其加载电压与装置其它模块电压相同为V。则其设计发热功率P₁，且P₁＝V²/R₁。

从发热丝的电阻为R₂，从发热丝的加载电压与装置其它加载电压相同，为V。则电压输出开关模块4闭合时，其热功率最大，为P_2max＝V²/R₂；当电压输出开关模块4断开时，其输出功率最下，为P_2min＝0。通过以一定频率f闭合、开启电压输出开关模块4，并且调整闭合的脉冲宽度(即占空比)，则可实现从发热丝的热加载功率P₂在0至P_2max＝V²/R₂之间可调。其原理如图2所示。

如图3所示，一种功率可调的热模拟装置的模拟方法，包括：

试验前功率调节：依据试验要求确定热模拟装置的目标加载功率P₀，主发热丝的设计功率P₁是装置的固有参数从而得到从发热丝的目标热功率为P₂＝P₀-P₁。基于脉冲宽度调制原理，可以计算出电压输出开关模块4工作的占空比。因此目标加载功率P₀在一定范围内可调，调整范围为P₁至P₁+P₂。

试验开始：通过外部设备1给热模拟装置供电，供电电压为V。上电后主热丝直接工作，其设计热功率为P₁；从发热丝以及试验前计算的占空比工作，其目标热功率为P₂；系统中通信模块3、控制模块5、电压输出开关模块4及电压电流监测模块2的功率可忽略不计，则装置的总加载热功率为P₀＝P₁+P₂。

试验中功率补偿：由于主发热丝及从发热丝在工作一段时间后，其阻值随温度上升而变化，导致装置的实际加载功率P目标加载功率P₀不相等。此时控制模块5依据电压电流监测模块2的数据，可以计算装置的实际加载功率P。且通过计算，可以得到补偿功率ΔP＝P-P₀。控制模块5依据补偿功率ΔP来调整电压输出开关模块4的占空比，通过调整从发热丝的热功率，使得其目标热功率变为P′₂，且有P′₂＝P₂-ΔP。则实现对实际加载功率P的补偿，使得实际加载功率P与目标加载功率P₀相等。上述工作步骤如图3所示。

在进行热功率加载试验时，本专利所述功率可调的热模拟装置，可以实现加载热功率在一定范围内可调节。另外，通过对装置总功率的监测，本装置可以对由于热丝阻值温度漂移产生的加载误差，进行自适应的补偿。相比于传统的热加载装置，本专利所述功率可调的热模拟装置，具有更加灵活的运用场景以及更加稳定的热加载能力。

功率可调的热模拟装置主要结构特点：

(1)本专利所述的功率可调的热模拟装置，带有主发热丝和从发热丝，其中从发热丝可以采用脉冲宽度调制的方式，调整其热功率。

(2)本专利所述的功率可调的热模拟装置，具有电压电流监测模块2，能够实现对装置热加载功率的实时监测；

(3)本专利所述的功率可调的热模拟装置，其内置的控制模块5，可以依据电压电流监测模块2的数据，计算装置当前的实际加载热功率；

(4)本专利所述的功率可调的热模拟装置，其内置的控制模块5可以依据计算出的实际加载热功率，调整从发热丝工作的占空比，实现装置热加载功率的动态补偿；

(5)本专利所述的功率可调的热模拟装置，采用外置设备供电，并可以依据外部设备1的指令，在一定范围内调节其目标发热功率。

本实施例设计了功率可调的热模拟装置，该热模拟装置的功率调节功能基于外部设备1、通信模块3、控制模块5、电压电流监测模块2、电压输出开关模块4以及主从热阻丝6。基于上述各模块，本专利所述功率可调的热模拟装置可以在试验前设置目标加载功率，并计算从热阻丝6工作的占空比；在试验过程中，依据电压电流监测模块2的监测数据，计算装置的实际加载功率，并进行动态调整。相比于现有的外置电源热丝式热加载装置，本专利所述的功率可调热模拟装置在保证了加载功率一定范围可调的前提下，可动态补偿加载功率，具有更加灵活的运用场景以及更加稳定的热加载能力。

Claims (1)

1.一种功率可调的热模拟装置，其特征在于，包括：

用于监测热模拟装置的总耗电电流I总以及工作电压V的电压电流监测模块；外部设备通过电压电流监测模块向热模拟装置内各模块供电；

通信模块；

控制模块；外部设备通过通信模块与控制模块通信连接；

主热阻丝；

电压输出开关模块；控制模块分别与主热阻丝、电压输出开关模块电性连接；

从热阻丝；电压输出开关模块与从热阻丝电性连接；

热模拟装置的模拟方法，包括：

试验前功率调节：依据试验要求确定热模拟装置的目标加载功率P₀，从发热丝的目标热功率为P₂= P₀- P₁，其中，P₁为主发热丝的设计功率；计算出电压输出开关模块工作的占空比；目标加载功率P₀在一定范围内可调，调整范围为P₁至P₁+ P₂；

试验开始：通过外部设备给热模拟装置供电，供电电压为V；上电后主热丝直接工作；从发热丝以试验前计算的占空比工作，其目标热功率为P₂；

试验中功率补偿：在主发热丝及从发热丝工作一段时间后，控制模块依据电压电流监测模块的数据，计算装置的实际加载功率P；计算得到补偿功率ΔP= P-P₀；控制模块依据补偿功率ΔP来调整电压输出开关模块的占空比，通过调整从发热丝的热功率，使得其目标热功率变为

，且有

，则实现对实际加载功率P的补偿，使得实际加载功率P与目标加载功率P₀相等。

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