CN115389238A - 一种散热器性能测试***及测试方法 - Google Patents

一种散热器性能测试***及测试方法 Download PDF

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CN115389238A CN202211004224.0A CN202211004224A CN115389238A CN 115389238 A CN115389238 A CN 115389238A CN 202211004224 A CN202211004224 A CN 202211004224A CN 115389238 A CN115389238 A CN 115389238A
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周华军
黄哲圣
唐刚生
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Abstract

本发明公开了一种散热器性能测试***,其属于散热器测试技术的领域,其包括:交流电源、调压器、变压加热器、待测散热器以及测试采集***;所述交流电源输入电压至所述调压器,且,所述测试采集***包括:微控制器、电能采集芯片、第一温度采集芯片、第二温度采集芯片、时钟模块、储存模块以及显示模块。本发明还公开了一种应用上述散热器性能测试***的方法,通过上述的散热器性能测试***及测试方法,本发明解决了现有技术中散热器性能测试机所存在的准确性不足的技术问题。

Description

一种散热器性能测试***及测试方法
技术领域
本发明涉及散热器性能测试技术的领域,特别是涉及一种散热器性能测试***及测试方法。
背景技术
随着工业技术的发展以及大功率电子器件的大量应用,使电子电气设备工作时发热量也越来越高,因此,对设备散发出的热量进行控制是工业设计的重要环节。众所周知,影响电子电气设备运行可靠性的重要因素便是温度。在电子电气设备正常工作温度范围中,随着温度的上升其可靠性下降。因此,电子元件的散热冷却技术一直是电子设备制造和应用研究中的重要环节。据相关统计可知,在电子电气设备运行故障中,50%以上是由于工作温度过高而造成的。同时,现有技术也指出了电子元器件的温度若超过正常工作温度,每当温度升高2℃其稳定性能将降低10%。基于此,中国专利CN2938084Y公开了一种散热器性能测试机,其包括多个用来装设散热器的测试座、多个加压装置、一测试设备及一软件测试***;测试座中央设有一个加热块,该加热块中央设有一个用于测量加热块温度的温度测量元件;该加压装置是用于将散热器对应压接到发热块上,每个散热器的进风处还设有一个用于测量空气温度的温度测量元件;该测试设备是一多通道的温度采集仪,其用于采集各个温度测量元件测得的数据,并将测得的数据送入软件测试***进行处理,在测试运行一段时间后,该软件测试***先计算出加热块温度与对应空气温度的差值,再将得出的差值与一设定值进行比较,从而对散热器的散热性能作出判断。该种散热器性能测试机可以通过测量散热器的温度等数值进而完成对散热器产品性能的评估测定,以解决如何对散热器性能进行客观评估的技术问题。
然而,上述所公开的一种散热器性能测试机还存在准确性不足的技术问题。具体的,上述所公开的散热器性能测试机的工作原理为:将被测器件单独放在一个通过电加热方式工作的模拟发热块上,如方形铜块上进行加热;然后,再使用扣具加以固定后,再连接温度测量仪以对被测物体壁面温度进行测量;最后,根据测量所得温升和模拟发热块发热功率等数据由牛顿冷却公式计算得出换热系数以评估散热性能。但是,模拟发热块与被测器件的热传导效率不可能为百分之百,模拟发热块所产生的部分热量还可能与空气对流或辐射方式散失掉。因此,在上述的散热器性能测试机的应用中,用其发热量来代替被测器件散热量进行公式计算会降低换热系数的准确性。同时,此类测试方式并不适用于铜材类的散热器,因为,模拟发热元件的运用将直接堵住铜制散热器主体结构的网孔隙,会严重影响其实际的散热效果。所以,该种散热器性能测试机的应用具有一定的局限性。对于铜制散热器,尤其是铜网类的散热器而言,其特征是与空气进行自然对流换热,不需使用机械式的强制对流进行换热。因此,该类散热器的性能测算目标是自然对流情况下铜网散热器的对流换热系数h,其数值上的大小可以客观反映其实际散热能力的强弱。
发明内容
基于此,有必要针对现有技术中散热器性能测试机所存在的准确性不足的技术问题,提供一种散热器性能测试***及测试方法。
一种散热器性能测试***,其包括:交流电源、调压器、变压加热器、待测散热器以及测试采集***;所述交流电源输入电压至所述调压器;所述调压器将输入的电压按其预设的范围进行调节;所述变压加热器将经过调压后的电压输送至所述待测散热器以使其被加热升温;所述测试采集***与所述待测散热器之间设置有电压检测装置、温度检测装置以及电流检测装置,且,所述测试采集***包括:微控制器、电能采集芯片、第一温度采集芯片、第二温度采集芯片、时钟模块、储存模块以及显示模块;所述微控制器通过控制所述电能采集芯片进而控制所述电压检测装置以及所述电流检测装置以对所述待测散热器的电流数据以及电压数据进行采集、所述为控制器通过控制所述第一温度采集芯片以及所述第二温度采集芯片进而控制所述温度检测装置以对所述待测散热器的温度数据进行采集;同时,电流、电压以及温度数据被所述微控制器传送至所述储存模块以及所述显示模块;所述显示数据用于显示信息;所述时钟模块为所述测试采集***提供时间信息。
进一步的,所述测试采集***设有看门狗电路,所述看门狗电路用于监控所述微控制器是否正常工作,并在所述微控制器处于非正常工作时对其重启。
进一步的,所述电能采集芯片具有电压电流采样电路,所述电压电流采样电路以互感器接入的方式使用电压互感器获得电压信号以及使用电流互感器获得电流信号。
进一步的,所述电压电流采样电路中使用1.2kΩ电阻及10nF电容构成抗混叠滤波器以对采集到的输入电压或电流信号进行去耦滤波处理。
进一步的,所述第一温度采集芯片以及所述第二温度采集芯片的内部分别对应设有第一热电偶放大器以及第二热电偶放大器;同时,所述第一温度采集芯片以及所述第二温度采集芯片的内部分别配套设置冷端补偿器以及模数转换器,其两者的通信接口均为SPI串行通信总线。
进一步的,所述第一温度采集芯片或所述第二温度采集芯片具有电压放大器、电压跟随器、冷端补偿二极管、参考电压电路、数字控制器、模数转换器以及SPI串行通信接口;所述第一热电偶或所述第二热点的两个端点连接至所述第一温度采集芯片或所述第二采集芯片电路模块的输入端T+及T-,由所述电压放大器对热电势信号进行放大;然后,通过电压跟随器进行电压跟随以实现对电压的缓冲;接着,跟随输出的信号被输入至所述模数转换器的输入端;由所述模数转换器将温度电压信号转换为数字码值,然后,有SPI串行通信接口进行传递。
进一步的,当需要对所述第一热电偶或所述第二热电偶的冷端进行温度补偿时,由所述冷端补偿二极管实现,所述第一温度采集芯片或所述第二温度采集芯片周围的温度与零度的差值为冷端。
此外,一种应用前述的散热器性能测试***的测试方法,其方法流程为:散热器性能测试***通电后通过调压器与变压加热器对电信号的调节,将处于自然对流状态的待测散热器输入低电压大电流形成的能量;当温度检测装置检测到待测散热器达到热平衡时,测试采集***将该平衡温度T储存至储存模块;同时,使电压检测装置检测并记录待测散热器的加热电压U以及使电流检测装置检测并记录待测散热器的加热电流I;再令测试采集***计算出加热功率P=U*I;再将平衡温度T减去室温T0;得到散热器的温升ΔT=T-T0;再由测试采集***测量出待测散热器的表面积S,然后,由前述式二可以计算出待测散热器的换热系数h=P/(ΔT*S)。
进一步的,平衡温度T取第一K型热电偶与第二K型热电偶所检测的温度数值的平均值。
综上所述,本发明一种散热器性能测试***分别设有交流电源、调压器、变压加热器、待测散热器以及测试采集***;所述交流电源输入电压至所述调压器;所述调压器将输入的电压按其预设的范围进行调节;所述变压加热器将经过调压后的电压输送至所述待测散热器以使其被加热升温;所述测试采集***与所述待测散热器之间设置有电压检测装置、温度检测装置以及电流检测装置,且,所述测试采集***包括:微控制器、电能采集芯片、第一温度采集芯片、第二温度采集芯片、时钟模块、储存模块以及显示模块。一种应用该散热器性能测试***的方法为:***通电后通过调压器与变压加热器对电信号的调节,将处于自然对流状态的待测散热器输入低电压大电流形成的能量。当温度检测装置检测到待测散热器达到热平衡时,测试采集***将此时不再波动的平衡温度T储存至储存模块,此时,可以取第一K型热电偶与第二K型热电偶所检测的温度数值的平均值;同时,使电压检测装置检测并记录待测散热器的加热电压U以及使电流检测装置检测并记录待测散热器的加热电流I;再令测试采集***计算出加热功率P=U*I;再将平衡温度T减去室温T0;得到散热器的温升ΔT=T-T0;再由测试采集***测量出待测散热器的表面积S,然后,由前述式二可以计算出待测散热器的换热系数h=P/(ΔT*S)。由该方法测得的散热器换热系数具有操作简便且稳定性、准确性高的优点。所以,本发明一种散热器性能测试***及测试方法解决了现有技术中散热器性能测试机所存在的准确性不足的技术问题。
附图说明
图1为本发明一种散热器性能测试***的结构框图;
图2为本发明一种散热器性能测试***的测试采集***的结构框图;
图3为本发明一种散热器性能测试***的微控制器的结构框图;
图4为本发明一种散热器性能测试***的电能采集芯片的结构框图;
图5为本发明一种散热器性能测试***的电流电压采样电路的原理图;
图6为本发明一种散热器性能测试***的电能采集芯片的数据处理原理图;
图7为本发明一种散热器性能测试***的电流电压有效值测量原理图;
图8为本发明一种散热器性能测试***的温度采集芯片的电路原理图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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,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装置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”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。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。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是,当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的,并不表示是唯一的实施方式。
请一并参阅图1至图2,本发明一种散热器性能测试***包括:交流电源、调压器、变压加热器、待测散热器以及测试采集***;所述交流电源输入电压至所述调压器;所述调压器将输入的电压按其预设的范围进行调节;所述变压加热器将经过调压后的电压输送至所述待测散热器以使其被加热升温;所述测试采集***与所述待测散热器之间设置有电压检测装置、温度检测装置以及电流检测装置,且,所述测试采集***包括:微控制器、电能采集芯片、第一温度采集芯片、第二温度采集芯片、时钟模块、储存模块以及显示模块;所述微控制器通过控制所述电能采集芯片进而控制所述电压检测装置以及所述电流检测装置以对所述待测散热器的电流数据以及电压数据进行采集、所述为控制器通过控制所述第一温度采集芯片以及所述第二温度采集芯片进而控制所述温度检测装置以对所述待测散热器的温度数据进行采集;同时,电流、电压以及温度数据被所述微控制器传送至所述储存模块以及所述显示模块;所述显示数据用于显示信息;所述时钟模块为所述测试采集***提供时间信息。
具体的,从散热基本原理上分析,传热学认为,物体所产生的热主要通过热传导、热对流或热辐射这三种方式来进行传递。
更具体的,热量从***的一部分传到另一部分或由一个***传到另一***的现象叫做热传导。其作为固体物质中热传递的主要方式。而在气体或液体中,热传导的过程也会伴随着热对流过程。热传导的强度受制于物质本身种类和物体间的温差,温差越大传热越快。其是物质的固有性质。各物质热传导性能有所不同,一般金属均为热的良导体,气体和液体以及玻璃、橡胶、塑料制品等均为热的不良导体。热传导后在物体内部温度分布情况也各不相同,例如铜材的导热系数高,经过热传导过程之后,温度在铜材中分布就非常均匀,相比之下,木材的导热系数低,于是相同的传导距离,木材的温度分布就明显的不均匀。热传导的Fourier基本公式为:Q=KA(ΔT/ΔL),其中,Q为导热量,即物体发生热传导时所产生或传导的热量;A为物体传热表面积、ΔT为物体冷端和热端的温差;ΔL则为两端的距离;K即是其材料的热传导系数。由该公式可知,热传导系数越高、传热表面积越大,物体冷热两端距离越短,则热传导的热量越高,也更容易散走热量。但在实际的铜制散热器的性能测试实践中可知,铜制散热器直接与空气接触会产生热传导,但实际上空气的热传导率太低,其在0℃时为0.0241w/m·K;其在100℃时为0.0317w/m·K,而其在1000℃时则为0.07601w/m·K;其散热强度与后述的对流换热过程相距甚大,因而可以直接忽略铜制或其他类金属散热器的热传导的影响。
更具体的,辐射是指物体本身以电磁波的形式向外传递能量的过程。如果产生电磁波辐射的原因是热量,则称为热辐射。与热传导和对流有所不同,热辐射不需要任何媒介。物体表面上接受到热辐射时,一般还将产生反射、吸收和穿透三种现象。一般黑体辐射满足Stefan-Boltzmann定律;由其可知,热辐射与物体温度的密切联系。但在一般应用环境中,相比于热传导与热对流,热辐射起到的散热作用小,可以忽略不计。固体、液体或某些气体虽能以辐射的方式传递热量,但仅当物体之间温差很大时,辐射才成为主要的传热方式加以考虑。所以,单对金属铜而言:表面经抛光处理的铜在绝对温度373K时其黑度仅约为0.052;而对一块铜板在绝对温度473K~873K间持续长时间加热时,其表面会产生致密的黑色氧化铜薄膜,此时铜板的黑度可达0.57。可见氧化铜薄膜对铜黑度影响巨大。因而,在使用本发明一种散热器性能测试***对铜制或其他金属制成的散热器进行散热性能测试时,可以预先对散热器的表面使用砂纸打磨抛光或酸液清洗去除氧化铜薄膜,从而可以最大限度降低热辐射对散热测试***的影响。
更具体的,固体物质通过与流体,即气体或液体表面的接触,从而使流体将热量从固体表面带走的传热方式称为热对流。由对流换热系数的基本计算公式可知,流体与固体壁面之间对流传热的热流与它们的温度差成正比,如式一:q=h(tw-t0);式二:Q=hS(tw-t0)=qS。在两式中,q为单位面积的固体表面与流体之间在单位时间内交换的热量,称作热流密度,单位为W/m;tw与t0分别为固体表面和流体的温度,单位℃;S为壁面面积,单位m2;Q为面积S上单位时间的传热热量,单位W;h称为表面对流传热系数,即对流换热系数,单位为W/(m2·℃)。由两公式可知,在热对流过程中,热量传递的数量同热对流系数、有效接触面积和温度差成正比关系;对流换热系数越高、有效接触面积越大、温度差越高,所能带走的热量也就越多。具体应用到实际来看,热对流又可分为两种不同的情况,即:自然对流和强制对流。自然对流指的是流体的一种自发性运动。这种热传递发生的原因是流体受热以后,或当存在温度差以后,产生了传热的动力,于是温度高的流体密度较低,质量轻,便会向上浮升。相反地,温度低的流体,密度高,质量重,就会向下沉降。而强制对流则是指流体在外界强制驱动力,如风扇的风力等作用下所做的定向运动。其所受驱动力的方向直接影响着流体运动方向,两者保持一致,因此,这种热对流具有指向性。通常而言,铜制散热器属于对流型散热器,其主要运用了热对流的方式与周围空气进行自然对流换热。其散热量可按照式二来计算。铜制散热器的散热原理可以分为两步:首先,铜材利用良好的热传导性将热量从热源快速地导入其内部并使热量均匀的扩散;然后,在与空气自然对流换热过程中,靠近铜材表面上的空气由于被加热密度减小而上升,产生的浮升力使更多空气由孔隙自由进出铜材而对流换热带走更多热量,而周围未被加热的较冷空气因密度较大而下沉循环带走热量。因此,通常可将散热器置于热源的上方以强化散热器对热源的散热效果。
进一步的,表征散热器性能的主要参数包括热传导系数、比热容、热阻、表面传热系数以及金属热强度,基于金属制成的散热器产品而言,所述热传导系数、比热容、热阻以及金属热强度与其本身的材料特性关联较大,而表面传热系数即对流换热系数,它体现了流体与物体表面间的换热能力。其表示物体表面与周围流体存在温度差时,单位时间从单位面积通过热对流所散失的热量与温度差的比值,其单位为W/(m2•℃)。可以用前文的式二来计算其值。材料的热传导性能影响是否能将热量传导到散热器表面,而散热器表面积则影响着散热器与介质的对流换热能力。金属导热系数高,不代表其散热一定就好,正如铜在制成相同体积相同样式的散热片时,散热能力还不如铝。但是针对铜制散热器,其延展性比铝和大多数金属要好,也就是说铜可以做的很薄很薄或成片状或成网状,而其金属强度不受影响,厚薄可以用丝作为单位,铝几乎做不到。如果仅是考虑体积相同的前提下,铜是完全可以通过优化造型设计成为多种样式的散热器,从而增大薄片与空气接触面积,当然也可以做成铜片的形式,这样就大大增加了散热面积,与空气自然对流换热的能力极大提升。所以可以确定对流换热系数h毫无疑问是铜制散热器中最关键的散热性能表征参数。在多数场合,现在电子产品朝轻薄微小化方向设计制造。因此,不断压缩传热空间,不仅造成热密度相对提高,连风扇等强制对流机制都很难配置当中。这就需要用户测量得出各种材料的金属散热器在自然对流状态下的散热功率、温升和对流换热系数来评估其散热性能。
进一步的,如前文所述的本发明一种散热器性能测试***中,主要采用了壁面温度测定的方法,其以上述式二的计算公式为基础,再根据自然对流情况下铜制散热器的对流换热系数h,其数值上的大小客观上反映了铜制散热能力的强弱。其具体采取了一种较为简便的避免多因素量纲化分析的优化的电加热式壁面温度测定法来对铜制散热器的散热性能进行测定。同时,考虑到对铜这种电阻率很小的金属进行电加热要达到一定的散热量和温度需要加很大的电流。而对于大电流或特大电流器件,大直流电源设备制造难度较大、代价高,故本发明一种散热器性能测试***采用了交流电加热的方法对铜制散热器进行测试。该***包括:交流电源、调压器、变压加热器以及测试采集***,并在所述测试采集***与所述待测散热器之间分别设置电压检测装置、温度检测装置以及电流检测装置。
具体的,本发明一种散热器性能测试***的工作方法为:***通电后通过调压器与变压加热器对电信号的调节,将处于自然对流状态的待测散热器输入低电压大电流形成的能量。当温度检测装置检测到待测散热器达到热平衡时,测试采集***将此时不再波动的平衡温度T储存至储存模块,此时,可以取第一K型热电偶与第二K型热电偶所检测的温度数值的平均值;同时,使电压检测装置检测并记录待测散热器的加热电压U以及使电流检测装置检测并记录待测散热器的加热电流I;再令测试采集***计算出加热功率P=U*I;再将平衡温度T减去室温T0;得到散热器的温升ΔT=T-T0;再由测试采集***测量出待测散热器的表面积S,然后,由前述式二可以计算出待测散热器的换热系数h=P/(ΔT*S)。具体的,当所述温度检测装置检测到待测散热器达到热平衡时,此时待测散热器的加热功率就等于其散热功率,因而,可以由前文所述的式二来进行待测散热器的换热系数h。
更具体的,所述测试采集***包括:微控制器、电能采集芯片、第一温度采集芯片、第二温度采集芯片、时钟模块、储存模块以及显示模块。所述微控制器可以采用具有强抗干扰能力的基于ARM9内核的IMX283微处理器或同类型的微处理器。其内部的结构如图3所示,该种微控制器集成电源管理单元,可有效简化***电源设计并降低其使用成本,减小***的功耗,使其适用于低成本、低功耗以及高性能的便携设备。进一步的,为了满足查看历史数据、将测试结果依序存入存储器中以及使程序、数据在掉电也能保存的需求。所述测试采集***还包括储存模块,所述储存模块为NAND Flash,可以选用容量为128MB、支持8bit数据宽度、I/O速度最高达50MB/s以及有独立的片选信号等功能的NAND Flash。进一步的,所述微控制器可以选用自身集成LCD控制器以及触摸屏控制器的类型,以使所需的所述显示模块可以显示被测试的数据。进一步的,所述时钟模块主要由时钟电路组成,所述时钟电路是电子***中最基础以及最重要的电路之一,所述微控制器需要在主时钟启动下才能完成指令的执行。所述时钟模块主要由PLL0、PLL1、PLL2以及不同外设的时钟控制模块组成,其通过对外部晶体,例如Crystal Clock XTAL_CLK24M,或内部振荡器,例如RingOscillatorRING_CLK24M所产生的24.000MHz时钟信号编程控制,最终,可以输出不同外设所需要的时钟频率。其中,内部实时时钟所需的时钟信号CLK_RTC32K可以由外部32.768kHz或32.0kHz的晶振电路产生,也可以通过编程对主时钟进行分频得到。其可设制日期、时、分信息;准确提供预设年份内的日期,且具有时间定时自动更新功能。此外,对于嵌入式产品,由于电磁干扰严重及环境变化,例如温度、湿度等,设备可能出现死机或程序跑飞等现象。这些设备不可能随时有工作人员监控,因此,一旦发生问题,设备需要自行重启。而用来监控设备是否正常及不正常时重启设备的电路被称为看门狗电路。为提高***可靠性,本散热器性能测试***也可以设置有看门狗电路模块。考虑到所述微控制器低电平复位信号至少需要维持100ms,为使微控制器能正常复位,可以采用集成复位芯片来产生复位信号。
进一步的,所述电能采集芯片可以选用高精度专用电能采集芯片,如ATT7022B或同类型的芯片。如图4所示的一种电能采集芯片的实施例中,其芯片内部具有6通道二阶Σ-Δ结构高速模数转换器,片内自带参考电压,不需要外部设计参考电压。另外,其集成功率、电流有效值、电压有效值以及功率因素测量模块,可以充分满足铜制散热器性能测试***对各交流电参数测试的需求。其还具有软件校表功能,其内部有两种方式实现校表。通过有功或无功电能脉冲输出CF1、CF2,由此提供瞬时有功或无功功率信息,因此,用户可以直接将其接至标准的测量表上完成校表。支持基波有功功率和无功功率的计量。基波有功电能脉冲输出CF3和基波无功电能的脉冲输出CF4可以用来校正基波功率误差;提供两种视在电能输出方式:RMS视在方式和PQS视在方式,CF3和CF4也可以作为视在电能的脉冲输出来校正电能误差。对于与微控制器或处理器的通信可以通过片内集成的SPI串行接口实现,以及计量参数的测量和表校准都是通过SPI总线完成。另外,该种电能采集芯片的片内还集成了电压监测模块电路,可以保证***加点或断电是正常工作。此外,所述电能采集芯片与所述微控制器的连接由六条信号线完成,其中包括SPI串行总线的四条信号线,即片选信号CS、时钟信号SCLK、数据输入信号DIN以及数据输出信号DOUT,然后,另外两条信号线则为握手信号线SIG以及复位信号线RST。在所述散热器性能测试***上电后,为了保证能使所述电能采集芯片的正常工作,通常需要通过所述微控制器来控制所述电能采集芯片完成复位操作。采集的数据经所述电能采集芯片运算处理后,由所述微控制器通过SPI访问所述电能采集芯片即可得到各类电参数,将相应的信息存入所述存储模块,并将这些信息实时地显示在所述显示模块上。
进一步的,请继续参阅图5,图5为本发明一种散热器性能测试***所采用的电压电流采样电路的电路原理图。具体的,所述电能采集芯片还具有电压电流采样电路,在所述电压电流采样电路中,所述测试采集***采用互感器接入的方式,以通过所述电压互感器获得电压信号,同时,使用所述电流互感器以获得电流信号。一方面,互感器具有保护和抗干扰效果,其可以有效地与一次侧隔离,对设备起到保护作用;另一方面,互感器将输入电压、电流信号直接变换为适合ADC进行采样的小电压、小电流信号,十分方便。由于所述电能采集芯片的电压采集通道在互感器的次级电压在0.5V左右时,其具有精度高及线性度相对比较好的优点,所以可以较优地选择1比1的微型电压互感器。所述电压电流采样电路中使用1.2kΩ电阻及10nF电容构成抗混叠滤波器,对采集到的输入信号进行去耦滤波。所述电能采集芯片所设有的电流测量通道在采集0.1V左右的电压时,其精度和线性度比较优秀,因此,优选用5A/5mA规格的电流互感器。当输入电流为额定电流的时候,其输出的电流信号可以通过并联一个20Ω的电阻,目的在于获得0.1V的电压信号。所述电能采集芯片所输出的2.4V参考电压连接至信号为REFOUT的网络,该电压的主要作用为直流偏置作用。
进一步的,电流电压信号在通过所述电压电流采样电路后,会在所述电能采集芯片内经过如图6所示的一系列的数据处理变换过程。具体的,在对电压有效值的测量过程中,可以对所述电能采集芯片采集所输出的电压值做开平方、平方以或信号滤波等操作后可以得到电压的有效值。当输入电压的有效值在1mV到500mV范围内的时候,其测量电压有效值的误差小于0.2%。其测量过程如图7所示。同理,在对电流有效值的测量过程中,可以对电能计量芯片采集输出的电流值做开方,平方或信号滤波等操作后得到电流的有效值。当输入电压的有效值在1mV到500mV范围内的时候,其测量电流有效值的误差小于0.2%。此外,在有功功率的测量中,有功功率主要通过对电流或电压进行去除直流成分,然后再将测得的电流和电压进行乘积,加法或滤波运算,才能得到各相的有功功率,电流和电压的采样数据同通常包含高达二十一次谐波成分。
进一步的,在以K型热电偶为温度传感器的温度测量***中,热电偶输出的热电势信号必须通过信号调理电路才能连接至微控制器或模数转换器的输入端。信号调理模块主要有信号衰减放大、冷端补偿等环节,因此,可以在第一温度采集芯片以及第二温度采集芯片的内部分别设有第一热电偶放大器以及第二热电偶放大器;同时配套设置冷端补偿器以及模数转换器,其通信接口为常用的SPI串行通信总线。对比传统的温度测量***,该中方案所需的***电阻电容少,电路简单,可靠性高,抗干扰性能强等优点。大大简化热电偶测量智能装置的软硬件模块的设计的同时也保证了对铜制散热器温度参数测量过程中快速以及准确的需求。所述第一温度采集芯片或所述第二温度采集芯片的内部电路如图8所示,其主要包括:运算放大器A1作为电压放大器、而运算放大器A2作为电压跟随器、冷端补偿二极管、参考电压、数字控制器、12bit模数转换器、SPI串行通信接口。其工作原理为:K型热电偶的两个端点连接至电路模块的输入端T+和T-,经过运算放大器A1对热电势信号进行放大;然后,通过以运算放大器A2组成的电压跟随器进行电压跟随,实现对电压的缓冲,然后,跟随输出的信号被输入至模数转换器的输入端。通过模数转换器将温度电压信号转换为数字码值,通过对该码值的换算可以计算得到实际的温度值。当需要对热电偶的冷端进行温度补偿时,该补偿功能由冷端补偿二极管实现,所述第一温度采集芯片或所述第二温度采集芯片周围的温度与零度的差值为冷端。对于K型热电偶,电压变化率为(41μV/℃),通过ADC的数字转换,最终输出电压可由如下式三来近似热电偶的特性。
式三:U1=(41μV/℃)*(T-T0
在上式三中,U1为热电偶输出电压,其单位为mv;T是测量点温度;T0是周围温度。
进一步的,使用本发明一种散热器性能测试***及其所对应的测试方法作为实验组,以及使用现有技术的测试方法作为对比组,控制两组具有相同的散热面积,如S=120cm,相同的散热功率,并同时控制相同的室温条件下,即22℃,进行实验,得出如下表一的详细散热数据;由实验可知,本发明的实施例与其他方法所测量得到的散热器热对流系数结果比较接近,且,使用本发明的实施例的测量结果更为稳定。
表一:散热器性能测试数据对比
Figure DEST_PATH_IMAGE001
综上所述,本发明一种散热器性能测试***分别设有交流电源、调压器、变压加热器、待测散热器以及测试采集***;所述交流电源输入电压至所述调压器;所述调压器将输入的电压按其预设的范围进行调节;所述变压加热器将经过调压后的电压输送至所述待测散热器以使其被加热升温;所述测试采集***与所述待测散热器之间设置有电压检测装置、温度检测装置以及电流检测装置,且,所述测试采集***包括:微控制器、电能采集芯片、第一温度采集芯片、第二温度采集芯片、时钟模块、储存模块以及显示模块。一种应用该散热器性能测试***的方法为:***通电后通过调压器与变压加热器对电信号的调节,将处于自然对流状态的待测散热器输入低电压大电流形成的能量。当温度检测装置检测到待测散热器达到热平衡时,测试采集***将此时不再波动的平衡温度T储存至储存模块,此时,可以取第一K型热电偶与第二K型热电偶所检测的温度数值的平均值;同时,使电压检测装置检测并记录待测散热器的加热电压U以及使电流检测装置检测并记录待测散热器的加热电流I;再令测试采集***计算出加热功率P=U*I;再将平衡温度T减去室温T0;得到散热器的温升ΔT=T-T0;再由测试采集***测量出待测散热器的表面积S,然后,由前述式二可以计算出待测散热器的换热系数h=P/(ΔT*S)。由该方法测得的散热器换热系数具有操作简便且稳定性、准确性高的优点。所以,本发明一种散热器性能测试***及测试方法解决了现有技术中散热器性能测试机所存在的准确性不足的技术问题。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
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 (9)

1.一种散热器性能测试***,其特征在于,其包括:交流电源、调压器、变压加热器、待测散热器以及测试采集***;所述交流电源输入电压至所述调压器;所述调压器将输入的电压按其预设的范围进行调节;所述变压加热器将经过调压后的电压输送至所述待测散热器以使其被加热升温;所述测试采集***与所述待测散热器之间设置有电压检测装置、温度检测装置以及电流检测装置,且,所述测试采集***包括:微控制器、电能采集芯片、第一温度采集芯片、第二温度采集芯片、时钟模块、储存模块以及显示模块;所述微控制器通过控制所述电能采集芯片进而控制所述电压检测装置以及所述电流检测装置以对所述待测散热器的电流数据以及电压数据进行采集、所述为控制器通过控制所述第一温度采集芯片以及所述第二温度采集芯片进而控制所述温度检测装置以对所述待测散热器的温度数据进行采集;同时,电流、电压以及温度数据被所述微控制器传送至所述储存模块以及所述显示模块;所述显示数据用于显示信息;所述时钟模块为所述测试采集***提供时间信息。
2.根据权利要求1所述的一种散热器性能测试***,其特征在于:所述测试采集***设有看门狗电路,所述看门狗电路用于监控所述微控制器是否正常工作,并在所述微控制器处于非正常工作时对其重启。
3.根据权利要求1所述的一种散热器性能测试***,其特征在于:所述电能采集芯片具有电压电流采样电路,所述电压电流采样电路以互感器接入的方式使用电压互感器获得电压信号以及使用电流互感器获得电流信号。
4.根据权利要求3所述的一种散热器性能测试***,其特征在于:所述电压电流采样电路中使用1.2kΩ电阻及10nF电容构成抗混叠滤波器以对采集到的输入电压或电流信号进行去耦滤波处理。
5.根据权利要求1所述的一种散热器性能测试***,其特征在于:所述第一温度采集芯片以及所述第二温度采集芯片的内部分别对应设有第一热电偶放大器以及第二热电偶放大器;同时,所述第一温度采集芯片以及所述第二温度采集芯片的内部分别配套设置冷端补偿器以及模数转换器,其两者的通信接口均为SPI串行通信总线。
6.根据权利要求5所述的一种散热器性能测试***,其特征在于:所述第一温度采集芯片或所述第二温度采集芯片具有电压放大器、电压跟随器、冷端补偿二极管、参考电压电路、数字控制器、模数转换器以及SPI串行通信接口;所述第一热电偶或所述第二热点的两个端点连接至所述第一温度采集芯片或所述第二采集芯片电路模块的输入端T+及T-,由所述电压放大器对热电势信号进行放大;然后,通过电压跟随器进行电压跟随以实现对电压的缓冲;接着,跟随输出的信号被输入至所述模数转换器的输入端;由所述模数转换器将温度电压信号转换为数字码值,然后,有SPI串行通信接口进行传递。
7.根据权利要求6所述的一种散热器性能测试***,其特征在于:当需要对所述第一热电偶或所述第二热电偶的冷端进行温度补偿时,由所述冷端补偿二极管实现,所述第一温度采集芯片或所述第二温度采集芯片周围的温度与零度的差值为冷端。
8.一种应用如权利要求1-7任一项所述的一种散热器性能测试***的测试方法,其特征在于,其方法流程为:散热器性能测试***通电后通过调压器与变压加热器对电信号的调节,将处于自然对流状态的待测散热器输入低电压大电流形成的能量;当温度检测装置检测到待测散热器达到热平衡时,测试采集***将该平衡温度T储存至储存模块;同时,使电压检测装置检测并记录待测散热器的加热电压U以及使电流检测装置检测并记录待测散热器的加热电流I;再令测试采集***计算出加热功率P=U*I;再将平衡温度T减去室温T0;得到散热器的温升ΔT=T-T0;再由测试采集***测量出待测散热器的表面积S,然后,由前述式二可以计算出待测散热器的换热系数h=P/(ΔT*S)。
9.根据权利要求8所述的一种散热器性能测试方法,其特征在于:平衡温度T取第一K型热电偶与第二K型热电偶所检测的温度数值的平均值。
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