CN1869853A - 单板表面温度和相对湿度的同步控制方法和控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单板表面温度的控制方法和控制系统，用以解决现有单板运行在恶劣环境中时，金属部分容易被腐蚀的问题。所述方法包括检测并记录单板的表面温度和运行空间的环境温度；确定表面温度与环境温度之间的温度差值；根据所述温度差值调整所述单板的散热动力，使该温度差值保持在设定的下限值T_min和上限值T_max之间，以保证所述单板表面的相对湿度低于所述单板运行空间的环境湿度。所述系统包括提供散热动力的散热设备和控制该设备运行状态的控制芯片，检测单板的表面温度的第一温度传感器、检测单板运行的环境温度的第二温度传感器，控制芯片根据表面温度高出环境温度的温度差值调整散热设备的散热动力。

Description

单板表面温度和相对湿度的同步控制方法和控制系统

技术领域

本发明涉及电子或通信领域中的控制技术，特别公开一种对温度和相对湿度进行控制的技术。

背景技术

只要有需要通信的地方，就需要有通信产品，通信产品中通常包括实现各种功能的单板，单板是由印制板、元器件、结构件等构成，在通电的情况下实现一定功能，因此在这些结构中不可避免的使用很多导电金属。为了保证单板可靠工作，一般都需要强迫风冷方式满足器件结温允许的要求。如果单板表面温度比通信产品外界环境温度差值较小，或者温度还较低，就有可能造成单板表面相对湿度较大，甚至凝露，引起单板线路腐蚀等失效，影响通信的可靠性，并带来巨大的经济损失。

然而通信产品的运行环境包括各种各样的地理环境，特别是如红海、亚丁湾沿海等环境恶劣的地区，在这些环境恶劣地区，空气湿度比较大，如果单板表面层的温度比通信产品外界环境的温度差值较小，就可能会产生凝露，使单板表面湿度过高，对金属件造成腐蚀，引起单板功能失常，导致通信故障。

现有技术一对于位于较恶劣环境地区的通信产品采取的防腐蚀措施一般是将单板与外界环境隔离，即把单板或者模块密封。这种技术可以隔离单板表面与外界环境的空气，尽可能保证单板表面湿度不受外界环境空气的影响。但是密封直接影响到单板的散热，如白天温度较高时，单板的温度可能过大，会引起单板功能失常，另外，由于采取密封技术，这种技术成本也较高。

现有技术二通过改变冷却设备控制机柜设备内部的空气温度，适当提高机柜设备内部的温度，保证设备内部的温升(与外界环境的温度差)较高，来控制机柜设备内部的相对湿度。例如：专利号为97197704.6的中国专利，但是该技术方案中用于调整空气温度的参考温度是固定的，没有根据实际环境的变化进行适应性调整，因此没有从根本上提高单板本身对多变环境湿度的适应能力，并且该方案在实施时，提高了整个机柜设备内的空气温度，则降低了单板表面和设备内部的散热温差，直接导致单板本身散热能力的降低。

发明内容

本发明公开一种单板表面温度的同步控制方法和控制系统，用以解决现有单板运行在恶劣环境中时，金属部分容易被腐蚀的问题。

一种单板表面温度和相对湿度的控制方法，包括如下步骤：

检测并记录所述单板的表面温度和运行空间的环境温度；

确定所述表面温度与环境温度之间的温度差值；

根据所述温度差值调整所述单板的散热动力，使该温度差值保持在设定的下限值T_min和上限值T_max之间，以保证所述单板表面的相对湿度低于所述单板运行空间的环境湿度。

所述表面温度是指所述单板表面的最低温度。

所述表面温度是指在所述单板表面包括最低温度区的区域中测量的多个温度的平均值；和/或所述单板运行空间的环境温度是在所述单板运行空间中测量的多个温度的平均值。

所述调整散热动力的方法是指下列之一：

当所述温度差值低于T_min时，降低或关闭所述散热动力；

当所述温度差值高于T_max时，提高所述散热动力；

当所述温度差值在高于或等于T_min并小于或等于T_max之间时，保持所述散热动力。

所述方法还包括当所述温度差值低于T_min时，将所述单板加热到表面温度等于或大于T_min的步骤。

所述散热动力是指：通过散热风扇提供的风力，并通过调整该风扇的转速来调整该风力；和/或通过热交换器设备提供的冷却力，并通过调整该热交换器设备的热交换率来调整该冷却力。

所述下限值T_min大于等于8℃并小于等于14℃、上限值T_max大于等于18℃并小于等于24℃。

所述下限值T_min等于10℃、上限值T_max等于20℃。

一种单板表面温度和相对湿度的同步控制系统，包括提供散热动力的散热设备和控制该散热设备运行状态的控制芯片，还包括：设置在所述单板表面的第一温度传感器，检测所述单板的表面温度、并将该表面温度发送给所述控制芯片；设置在所述单板附近、并与该单板保持间距的第二温度传感器，检测所述单板运行的环境温度、并将该环境温度发送给所述控制芯片；所述控制芯片确定所述表面温度高出环境温度的温度差值，并根据所述温度差值调整所述散热设备的散热动力。

所述第一温度传感器和/或第二温度传感器分别并行设置为多个，所述控制芯片分别计算多个所述表面温度和环境温度的平均值，用计算得到的两个平均值确定所述温度差值。

所述控制系统还包括设置在所述单板上的功率器件，通过开关连接该单板的工作电源，所述开关由所述控制芯片根据所述温度差值进行接通或关断。

所述功率器件为至少一个二极管和/或三极管；所述散热设备为散热风扇和/或热交换设备。

所述单板包括涂在全部表面区域或部分表面区域的聚氨酯树脂层或有机硅弹塑性树脂层。

本发明有益效果如下：

由于本发明通过控制单板表面温度与运行环境温度之间的差值，来控制单板表面的相对湿度，一方面，在单板表面温度过高时，提高单板的散热动力，另一方面，在单板表面温度过低时，降低单板的散热动力，并且可以实现为单板加热，这样无论运行环境如何变化，都使单板的表面温度维持在较佳的散热温度附近，不会因环境湿度的改变产生凝露，也不会使单板过热影响可靠性和使用寿命，提高了单板的环境适应性；

由于直接控制单板温度比直接控制湿度更容易实施，因此本发明所述方法和系统操作简单、维护方便，在恶劣环境下，可以有效降低单板的维护成本、提高单板的使用寿命。

附图说明

图1为本发明所述单板表面温度控制方法的流程图；

图2为本发明所述单板表面温度控制系统的电路结构示意图。

具体实施方式

通信设备有时不可避免的放置于较恶劣环境，如外部环境或者简单室内环境等。本发明所述技术方案主要用于这些恶劣的环境中，以防止通信单板被水份腐蚀，具体应用本发明的技术方案时，对于恶劣环境的划分可以通过人们的认知常识或者相关天气数据分析确定，这里给出一种可行的划分方法以供参考：

例如：根据温湿度t、盐雾s、大气污染p三个数据的关联性来决定设备运行环境的恶劣程度，并把运行环境划分为三个等级，即是A、B、C，其中，C类环境为需要利用本发明控制单板表面温度来防止腐蚀，如表1，表1中的具体数值根据各地情况确定。

温湿度根据日平均温度及相对湿度的天数比率划分为四个级别t1、t2、t3、t4；

根据距离海洋远近来定义盐雾等级，并划分为s1、s2、s3、s4；

根据大气的硫化氢、二氧化硫含量等级，划分为p1、p2、p3三大类。

表1：温湿度/盐雾/大气污染与A/B/C环境对应关系表

t	t1			t2			t3			t4
													s	S1	S2	S3	S1	S2	S3	S1	S2	S3	S1	S2	S3
P1	A	A	B	B	B	B	B	C	C	C	C	C
													P2	A	A	B	B	C	C	C	C	C	C	C	C
P3	A	B	C	B	C	C	C	C	C	C	C	C

这样，根据气象数据就可以简单的划分出恶劣环境，作为是否应用本发明的前提条件。例如：从表1中可以得到，如果某地区的温湿度为t2，盐雾等级为s2，而大气污染等级为p2，则此地区的运行环境被定义为C类恶劣环境。

根据温度和湿度之间的关系，一般只要保证单板表面温度高出外界环境温度一定的温度范围内，就可以使单板的表面湿度维持在允许的范围内，提高运行在各C类环境中单板的适应性，温度范围的下限值一般为8℃≤T_min≤14℃、上限值一般为18℃≤T_max≤24℃，通常可以取T_min＝10℃、T_max＝20℃较为适宜，如外界日环境温度平均为25℃，则单板表面温度必须在35℃以上，就可以保证单板环境适应性。但是，单板运行的温度不能过高，过高的表面温度直接影响单板的可靠性和寿命，因此很有必要将单板表面温度与环境温度的差值限定在一个上限值T_max以下，一般不超出20℃，这样即保证了单板表面不因过低的温度产生凝露，又不影响单板正常运行所允许的温度条件。对于运行于C类环境的设备，使用本发明所述方法控制单板表面的温度，保证单板表面比外界环境温度高出值(也称为温升，即是单板表面比外界环境温度差)维持在设定的温度范围内，即10℃～20℃的范围就可以提高单板环境适应性，防止单板功能因金属腐蚀而失效。

具体的方法流程如图1所示：

s1、检测并记录所述单板的表面温度T₁；

本步骤通过在单板表面上设置外部温度传感器，可以很快读出外部环境温度T₁，一般根据经验将传感器设置在单板整个表面温度最低的区域(如靠近风口板边)来测量单板表面的最低温度。

s2、检测并记录所述单板的的环境温度T₂；

本步骤在单板运行环境中设置另一个温度传感器，可以获知单板的运行环境的温度T₂。

上述两个步骤中，为了更加精确控制，测量单板表面温度的温度传感器和测量环境温度的温度传感器可以分别并行设置为多个，利用多个测量值的平均值来控制提高了控制的精确性，同时也提高了整个系统的可靠性，如果由其中的一个温度传感器出现故障失效时，不会直接导致控制系统的失灵。

S3、确定所述表面温度高出环境温度的温度差值ΔT＝T₁-T₂；

S4、比较ΔT与T_min、即10℃的大小；

依据本实施例，如果ΔT＜10℃，执行步骤S5；否则执行步骤S6。

S5、为防止单板表面产生凝露，则需要降低设备的散热动力，即降低风扇速度或者停止风扇运行，或者降低热交换设备的热交换率或关闭热交换设备，这样做的目的在于使单板缓慢升温。

S6、比较ΔT与T_max、即20℃的大小；

依据本实施例，如果ΔT＞20℃时，执行步骤S7；否则执行步骤S8。

S7、为保证单板的正常运行，则提高所述单板散热风扇的转速，或者提高热交换设备的热交换率，这样做的目的在于使单板加快散热速度进行降温。

S8、如果10℃≤ΔT≤20℃时，保持所述单板散热风扇的转速或热交换设备的热交换率，使单板在正常的温度和湿度条件下稳定运行。

执行完步骤S8后，自动返回步骤S1进行循环控制，本发明所述的方法可以实时检测温度变化进行调整，也可以按照设定的固定周期间隔的周期性检测温度并进行调整。

较小设备中，单板的散热动力一般由风扇提供，风扇数量和安装位置根据设备情况选择，并且如果是大型设备，或者运行在高温地区的设备，单一的风扇散热可能无法满足需要，因此需要专门的热交换设备提供冷却。

极端情况下，即使关闭所有的散热动力仍无法保证单板的温度高出运行环境温度10℃时，还可以在单板温度较低的局部区域进行加热使单板升温防止凝露，加热的方法是启动预先设置在单板温度较低区域的无功能功率器件，例如三极管、二极管等功率器件，并当温度上升到一定值后再关闭加热的功率器件，这样还可以在单板启动时使温度较快的上升到所需的温差范围。

本发明所述控制方法通过图2所示的控制系统完成，图2为一个采用风扇散热的小型设备的散热控制系统，该散热控制系统包括：

控制芯片，用于控制散热风扇的转速；

第一温度传感器，设置在单板表面，用于检测单板的表面温度并通过控制芯片的通信接口发送给控制芯片；

第二温度传感器，设置在所述单板附近、并与该单板保持一定的间距，用于检测单板运行的环境温度并通过控制芯片的通信接口发送给控制芯片；

控制芯片内置CPU，预先设置单板温度的监控点T_min和T_max，一般取10℃和20℃，根据第一温度传感器和第二温度传感器的检测结果计算表面温度高于环境温度的温度差值ΔT，并且将ΔT和T_min、T_max进行比较，然后根据比较的结果调节风扇的工作电压以控制风速转速。

控制系统还包括设置在单板上、不承担无任何电路功能的功率器件，该功率器件通过开关连接该单板的工作电源，开关由控制芯片根据ΔT进行接通或关断，当ΔT＜T_min时接通开关加热单板，加热到一定时间后，当单板的表面温度等于或高于T_min后关断开关停止加热，功率器件可以选择二极管、三极管等功率器件，安装在温度较低的区域，数量根据单板实际运行的环境情况确定。

控制芯片可采用集成温度传感器的AD590、AD592、TMP17、LM135等型号，对控制芯片的具体设置和编程、以及对二极管或三极管的开关控制是本领域技术人员熟知的技术，这里不再赘述。

如前所述，如果是大型设备或高温环境下运行的设备，仅有风扇提供的风力无法满足散热的需要，则增加设置热交换器提高设备的散热能力，控制思路和风扇转速的控制相同，这里不再赘述。

另外，对于同样运行于C类环境的设备中的单板，可以采取在单板表面喷涂一层较厚涂覆材料，利用敷型涂覆形成的隔离保护层防止单板被腐蚀，敷型涂覆材料的具体选择如表2所示：

表2：敷型涂覆材料

类别	类型	型号	组分	化学组成	应用对象	标示方法
							UR	聚氨酯	DL-4A	双组分无溶剂	100％聚氨酯树脂	普通PCB组装板	UR/涂覆材料
SR	有机硅	DC1-2577	单组分少量甲苯	72％有机硅弹塑性树脂	普通PCB组装板、高频PCB组装板	SR/涂覆材料

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1、一种单板表面温度和相对湿度的同步控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

检测并记录所述单板的表面温度和运行空间的环境温度；

确定所述表面温度与环境温度之间的温度差值；

根据所述温度差值调整所述单板的散热动力，使该温度差值保持在设定的下限值T_min和上限值T_max之间，以保证所述单板表面的相对湿度低于所述单板运行空间的环境湿度。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面温度是指所述单板表面的最低温度。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述表面温度是指在所述单板表面包括最低温度区的区域中测量的多个温度的平均值；和/或

所述单板运行空间的环境温度是在所述单板运行空间中测量的多个温度的平均值。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述调整散热动力的方法是指下列之一：

当所述温度差值低于T_min时，降低或关闭所述散热动力；

当所述温度差值高于T_max时，提高所述散热动力；

当所述温度差值在高于或等于T_min并小于或等于T_max之间时，保持所述散热动力。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括当所述温度差值低于T_min时，将所述单板加热到表面温度等于或大于T_min的步骤。

6、如权利要求1～5任意之一所述的方法，其特征在于，所述散热动力是指：

通过散热风扇提供的风力，并通过调整该风扇的转速来调整该风力；和/或

通过热交换器设备提供的冷却力，并通过调整该热交换器设备的热交换率来调整该冷却力。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述下限值T_min大于等于8℃并小于等于14℃、上限值T_max大于等于18℃并小于等于24℃。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述下限值T_min等于10℃、上限值T_max等于20℃。

9、一种单板表面温度和相对湿度的同步控制系统，包括提供散热动力的散热设备和控制该散热设备运行状态的控制芯片，其特征在于，还包括：

设置在所述单板表面的第一温度传感器，检测所述单板的表面温度、并将该表面温度发送给所述控制芯片；

设置在所述单板附近、并与该单板保持间距的第二温度传感器，检测所述单板运行的环境温度、并将该环境温度发送给所述控制芯片；

所述控制芯片确定所述表面温度高出环境温度的温度差值，并根据所述温度差值调整所述散热设备的散热动力。

10、如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述第一温度传感器和/或第二温度传感器分别并行设置为多个，所述控制芯片分别计算多个所述表面温度和环境温度的平均值，用计算得到的两个平均值确定所述温度差值。

11、如权利要求9或10所述的系统，其特征在于，所述控制系统还包括设置在所述单板上的功率器件，通过开关连接该单板的工作电源，所述开关由所述控制芯片根据所述温度差值进行接通或关断。

12、如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述功率器件为至少一个二极管和/或三极管；所述散热设备为散热风扇和/或热交换设备。

13、如权利要求9或10所述的系统，其特征在于，所述单板包括涂在全部表面区域或部分表面区域的聚氨酯树脂层或有机硅弹塑性树脂层。

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