CN114609177A

CN114609177A - 热电发生器在热流参数测量设备中的应用方法

Info

Publication number: CN114609177A
Application number: CN202210010485.7A
Authority: CN
Inventors: 王海来; 宋国勇; 甘家宇; 杨少源; 冯章法
Original assignee: Intelligent Automation Equipment Zhuhai Co Ltd
Current assignee: Intelligent Automation Equipment Zhuhai Co Ltd
Priority date: 2022-01-06
Filing date: 2022-01-06
Publication date: 2022-06-10
Anticipated expiration: 2042-01-06
Also published as: CN114609177B

Abstract

本发明旨在提供一种热电发生器在热流参数测量设备中的应用方法，可以在对穿戴设备进行测量时取得好的测量效果。热流参数测量设备包括工控机、测量模组、倍福控制器以及TMP117控制板；热电发生器在测量设备中的应用方法包括：步骤A：确定热流参数测量设备需要测量的参数：待测产品的等效热阻R_equ、等效热导率K_equ、待测产品的热流量Q_DUT；步骤B：建立待测产品测试时的热流模型及热阻模型，根据热流模型及热阻模型进行计算；步骤C：用所述热电发生器建立热流原理模型，根据热流原理模型进行计算；步骤D：将步骤C中测量的到的数据计算得出S参数，从而计算待测产品的Q_DUT值。本发明可应用于测量检测的技术领域。

Description

热电发生器在热流参数测量设备中的应用方法

技术领域

本发明涉及热学测量的技术领域，特别涉及一种基于热电发生器热流参数测量设备的测量方法。

背景技术

目前穿戴设备中很多都具备测温功能，其中做的非常好的就会同时具备包括周边环境温度测量和人体自身温度测量两个监测功能的存在。这两种不同的温度，是由同一模块（穿戴的电子设备）在测量同时测出，因此穿戴设备要分别精准的测量出两个温度，而这就要求设备内部的两个热传感器相互之间不会受到热导影响，即人体穿戴时候的体温不会传导影响到环境温度传感器，相对环境温度也不会影响到人体温度传感器。因此为保证穿戴设备的测量精度，需要对穿戴设备本身进行检测。

现有的测量技术对人体穿戴设备温度的测量方法非常简单，一般分为两种，两种方法均采用热阻测试仪测量：一种方法是在室外环境下，仅是通过读取设备内部的温度传感器数值，然后将读取数值和室外环境温度作比较，从而进行判断温度传感器是否工作正常，这种方法成本低廉，但测量结果随环境变化，没有可控的目标值，无法测量到与人体接近的温度，存在特征误差；另外一种方法是设置一个与人体温度近似的恒温箱体，DUT（被测产品）放入恒温箱保温后，读取DUT的温度和恒温箱体设置温度作比较，从而进行判断温度传感器是否工作正常，这种方法对于传导材料本身来说，穿戴设备的热阻决定了本身热传导能力，而这种测试方式如果穿戴设备存在两个温度测量，一个是环境温度的测量，一个是人体温度的测量，那这样就会有两个对应的温度传感器，一个是与人体接触的体温传感器，一个是与周围环境接触的温度传感器，而穿戴设备本身的体积厚度在十几毫米左右，那么人体温度监测面和环境面的相互影响程度，就会成为一个需要检测的重要内容，其也是影响测量温度误差的重要因素。

由于一般穿戴设备的叠层比较复杂，叠层内包含塑胶、半导体器件、印刷电路板、各种金属等，所以穿戴设备的热阻形态比单一纯净物体复杂很多。由于固有的叠层多样化因素的存在，仅靠热阻测试仪或温度传感器很难精准的测量出穿戴设备的热阻，从而难以判断穿戴设备的测量性能。本发明提供了一种热电发生器在热流参数测量设备中的应用方法，通过热电发生器在热流参数测量设备中的应用对穿戴设备进行测量，从而取得好的测量效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种热电发生器在热流参数测量设备中的应用方法，可以在对穿戴设备进行测量时取得好的测量效果。

本发明所采用的技术方案是：本发明的所述热流参数测量设备包括工控机、测量模组、倍福控制器以及TMP117控制板，所述倍福控制器和所述TMP117控制板均与所述工控机通信连接，所述倍福控制器与所述测量模组的温度模块电信号连接，所述测量模组包括测试夹具，所述测试夹具上分别设置有与待测产品顶部和底部配合的第一传导块和第二传导块，所述第一传导块和所述第二传导块内均设置有TMP117传感器，两组所述TMP117传感器均与所述TMP117控制板电信号连接，所述温度模块包括设置在所述第一传导块的上端的薄膜加热器及设置在所述薄膜加热器和所述第一传导块之间的热电发生器，所述薄膜加热器和所述热电发生器均与所述倍福控制器电连接；所述应用方法包括以下步骤：

步骤A：确定热流参数测量设备需要测量的参数：待测产品的等效热阻R_equ、等效热导率K_equ、待测产品的热流量Q_DUT；

步骤B：建立待测产品测试时的热流模型及热阻模型，根据热流模型及热阻模型可得下列表达式：

（表达式1），

（表达式2），

其中，A为待测产品的面积，

为待测产品的A面T_A和B面T_B的温度差，L为待测产品的高度；

步骤C：用所述热电发生器建立热流原理模型，根据热流原理模型，有：

，

（表达式3），其中，Q为热电发生器的电动势，

另外，表达式3中的S比例因子表达式为：

（表达式4），

表达式4中，S参数通过所述热流参数测量设备使用不同导热系数的铝标定块和乙缩醛树脂标定块进行计算提取，其中，R_Al为铝的等效热阻，通过单纯物质厚度L和热导率代入L/（A.K）求得；R_Del为乙缩醛树脂的等效热阻，通过单纯物质厚度L和热导率代入L/（A.K）求得；V_{TEG_Al}为使用铝标定块时A面温度设置在40℃，B面温度设置为30℃时，产生热流电动势的电压值；V_{TEG_Del}为使用乙缩醛树脂标定块时A面温度设置在40℃，B面温度设置为30℃时，产生热流电动势的电压值；

步骤D：将步骤C中测量的到的数据计算得出S参数，从而计算待测产品的Q_DUT值，待测产品的等效热阻为：

（表达式5），待测产品的等效热导率为：

。

进一步，所述测量模组还包括隔热壳体和冷却温控平台，所述冷却温控平台设置在所述隔热壳体内，所述冷却温控平台与所述隔热壳体内壁之间填充有气凝胶，所述冷却温控平台与制冷机连通，所述制冷机的循环铜管与所述冷却温控平台的冷却回路连通，所述循环铜管的回流段设置有与所述倍福控制器电连接的温度传感器。

进一步，所述循环铜管的外周包覆有泡棉。

本发明的有益效果是：通过所述热电发生器在所述热流参数测量设备中的应用，能够使得所述热流参数测量设备使用电压测量的方法直接获得热流参数，测量精度极高，减少了因热损耗等原因产生的测量误差，在对穿戴设备进行测量时能取得很好的测试效果。

附图说明

图1是本发明所述热流参数测量设备的系统框图；

图2是本发明所述热电发生器在热流测控中与其他部件的配合示意图；

图3是待测产品测试时的热流模型示意图；

图4是待测产品测试时的热阻模型示意图；

图5是本发明用所述热电发生器建立的热流原理模型示意图；

图6是本发明所述热电发生器热的流量与电压曲线关系图；

图7是本发明的热模型示意图；

图中，DUT为被测产品。

具体实施方式

如图1和图2所示，在本实施例中，本发明的热流参数测量设备包括工控机1、测量模组2、倍福控制器3以及TMP117控制板4，所述倍福控制器3和所述TMP117控制板4均与所述工控机1通信连接，所述倍福控制器3与所述测量模组2的温度模块电信号连接，所述测量模组2包括测试夹具，所述测试夹具上分别设置有与待测产品顶部和底部配合的第一传导块5和第二传导块6，所述第一传导块5和所述第二传导块6内均设置有TMP117传感器7，两组所述TMP117传感器7均与所述TMP117控制板4电信号连接，所述温度模块包括设置在所述第一传导块5的上端的薄膜加热器8及设置在所述薄膜加热器8和所述第一传导块5之间的热电发生器9，所述薄膜加热器8和所述热电发生器9均与所述倍福控制器3电连接；所述测量模组2还包括隔热壳体11和冷却温控平台12，所述冷却温控平台12设置在所述隔热壳体11内，所述冷却温控平台12与所述隔热壳体11内壁之间填充有气凝胶，所述冷却温控平台12与制冷机13连通，所述制冷机13的循环铜管14与所述冷却温控平台12的冷却回路连通，所述循环铜管14的回流段设置有与所述倍福控制器3电连接的温度传感器；所述循环铜管14的外周包覆有泡棉；所述隔热壳体11用于与外界隔绝从而形成内部隔热状态，所述冷却温控平台12位于所述隔热壳体11的内部用于进行温度控制，所述气凝胶将所述隔热壳体11和所述冷却温控平台12隔绝从而使得所述冷却温控平台12能够保持温度不变，所述制冷机13用于制冷并通过所述循环铜管14与所述冷却温控平台12的冷却回路连通从而保证所述冷却温控平台12的温度稳定，所述温度传感器用于对回流的液体进行温度检测，从而判断温度控制是否正常，以便于将信息反馈至所述倍福控制器3，从而保障温度控制工作的进行；所述循环铜管9采用聚乙烯泡绵保温材料包裹，从而避免液体流经通过的过程中造成温度损耗，保证温度恒定；

所述热流参数测量设备的控制原理为：待测产品的接触面分为热面A和冷面B，冷面B的温度模拟的是外部环境温度，热面A模拟的是人体温度，冷面B的第二传导块6温度直接通过冷却温控平台12和循环铜管13连接到制冷机14，制冷机14通过通讯端口连接到上位机1，环境温度设定后（例如环境温度设置在30℃），制冷机14内循环的液体将会流经冷却温控平台12，从而达到B面温度控制在30℃，为保证减少循环过程中间会产生的热损，循环铜管13需要使用泡棉包裹进行保温，并尽量减小管道的长度，并在循环回流管道中嵌入温度传感器用来检测循环液的工作状态；热面A的温升是由薄膜加热器8实现的，EL2535连接薄膜加热器8，通过控制EL2535的输出脉宽电流大小来控制薄膜加热器8的发热量，加热薄膜产生的热量将会传导给第一传导块5，第一传导块内的TMP117传感器7将被加热的温度信号反馈回传，这个反馈温度将会和控制设定的温度进行比较，依据比较结果来实现薄膜加热器8的脉宽电流深度，从而达到A面第一传导块5目标温度的恒温控制，为了使温度控制精准而又不发生震荡，采用PID温控算法来实现加热薄膜工作电流的控制；

所述应用方法包括以下步骤：

步骤B：建立待测产品测试时的热流模型及热阻模型，如图3和图4所示，根据热流模型及热阻模型可得下列表达式：

（表达式1），

（表达式2），

其中，A为待测产品的面积，

为待测产品的A面T_A和B面T_B的温度差，L为待测产品的高度；

步骤C：用所述热电发生器9建立热流原理模型，如图5所示，根据热流原理模型，有：

，

（表达式3），其中，Q为热电发生器的电动势，所述热电发生器9是由热能直接转化为电能的装置，在两种不同导体组成的开路中，如果导体的两个接点存在温度差，这热流回路中将产生电动势Q，如图5所示，所述热电发生器9存在冷面和热面，当热面和冷面之间存在温度差△T时，由热流作用将产生电压V_TEG，热流和电压存在一定的线性关系，如图6所示为不同的待测产品，然而由于各种非线性的存在，所述热流参数测量设备至少需要的参数包括：TA ，TB和VTEG，本实施例中A面设定的温度是40℃，B面设定温度是30℃，△T为10℃，遵循曲线如图6所示,；

另外，表达式3中的S比例因子表达式为：

（表达式4），

通过所述热电发生器测量数据,使用两种标定块（铝标定块和乙缩醛树脂标定块）按照图1中的设置方式进行测试，可以获得如下表1的测量数据：

，具体地，测试步骤是先使用制冷机13建立B面温度为30℃的稳定条件，使用薄膜加热器8和倍福控制器3建立A面35℃的稳定条件，形成AB面温差梯度为5℃后分别对两种标定块进行热流测量，如表1.所示乙缩醛树脂标定块的热流电压为0.0341635 V，铝标定块的热流电压为0.113557 V；第二组数据，使用制冷机13建立B面温度为30℃的稳定条件，使用薄膜加热器8和倍福控制器3建立A面40℃的稳定条件，形成AB面温差梯度为10℃后分别对两种标定块进行热流测量，如表1.所示乙缩醛树脂标定块的热流电压为0.0433565 V，铝标定块的热流电压为0.2358305 V；

（表达式5），待测产品的等效热导率为：

。

此外，步骤C中，S参数通过所述热流参数测量设备使用不同导热系数的铝标定块和乙缩醛树脂标定块进行计算提取，提取步骤包括以下细分步骤：

步骤S1、根据测试时产品连接状态建立热模型，如图7所示，所述热模型包括所述薄膜加热器8的热源Q_in、所述第一传导块5与待测产品的接触热阻R_CA、待测产品的等效热阻R_equ以及所述第二传导块6与待测产品的接触热阻R_CB，其中R_CA、R_equ以及R_CB组成热模型的完整热阻；另外，还包括热泄漏、所述冷却温控平台12的热损耗以及所述热电发生器9的热损耗；

步骤S2、由所述热模型可得待测产品的热流为

-表达式a，

待测产品装夹在所述测试夹具的接触热阻R_C为

-表达式b，

由所述热模型可得接触热阻R_C与待测产品的等效热阻R_equ关系为

，

-表达式c，

其中，Q_heatflux为所述热电发生器9检测的热流量，V_TEG为所述热电发生器9生产的热电动势，待测产品与所述第一传导块5的接触面为A面，待测产品与所述第二传导块6的接触面为B面，T_A为所述第一传导块5与待测产品接触面的温度，T_B为所述第二传导块6与待测产品接触面的温度，通过获取接触热阻R_C和输入电压转换为热流密度的比例系数S的值，实现在测试时进行校准，对待测产品的等效热阻R_equ的值进行补偿，进而获取更准确的测量值；

步骤S3、通过热性能已知的铝标定块和乙缩醛树脂标定块作为标准标定块代入表达式R_C中，可得铝块和乙缩醛树脂的接触热阻R_C的理论公式为

-表达式d；

步骤S4、校准时分别将铝标定块和乙缩醛树脂标定块装载在所述热流参数测量设备中进行检测，此时可得

-表达式e，

-表达式f，

其中V_{TEG_Al}为铝标定块在所述测试夹具中使用所述热电发生器9测量获得的电压值，V_{TEG_Del}为乙缩醛树脂标定块在所述测试夹具中使用所述热电发生器9测量获得的电压值，T_{A_Al}、T_{B_Al}为铝标定块在所述测试夹具中使用通过两组所述TMP117传感器7获得的接触面温度值，T_{A_Del}、T_{B_Del}为乙缩醛树脂标定块在所述测试夹具中使用通过两组所述TMP117传感器7获得的接触面温度值；

步骤S5、通过热阻计算公式可得铝标定块的接触热阻R_{C_Al}和乙缩醛树脂标定块的接触热阻R_{C_Del}分别为

-表达式g，

-表达式h，

其中Q_Al与Q_Del分别为铝标定块和乙缩醛树脂标定块的总的耗散功率，通过Q_Del与Q_Al作差获得接触热损耗；

步骤S6、通过已知的铝标定块和乙缩醛树脂标定块两种标定块的面积和导热系数可求解出对应的热阻R_Al和R_Del，将铝标定块热阻R_Al、乙缩醛树脂标定块热阻R_Del以及由表达式g和h测量计算获得的接触热阻R_{C_Al}和接触热阻R_{C_Del}代入算式

-表达式i，

-表达式j，

，

获得b和c的值，通过a、b、c的代入二次方程公式中求解获得接触热阻Rc，二次方程公式为

-表达式k，

步骤S7、热损耗Q_Loss的计算，装载乙缩醛树脂标定块进行测试，设置所述薄膜加热器9控制所述第一传导块5的温度为40℃，设置所述冷却温控平台12控制所述第二传导块6为30℃，然后通过所述TMP117传感器7测量获取乙缩醛树脂标定块上A面和B面的实际温度T_A、T_B，乙缩醛树脂标定块的热阻R_{Del_CAL}根据规格可求得，通过热阻R_{Del_CAL}代入表达式a计算获得热流通量Q_{Del_CAL}，然后用所述倍福控制器3获取乙缩醛树脂标定块测量热流通量时的PWM电流控流比

及计算出总的耗散功率Q_Del，用总的耗散功率Q_Del减去Q_{Del_CAL}就得到了Q_Loss热损耗的值

-表达式l；

步骤S8、由表达式d可得

-表达式m，

-表达式n，

代入上述步骤获得的Q_Loss、Q_Del以及Q_Al计算获得比例系数S。

本发明最具优势的地方在于使用电压测量的方法直接获得热流参数，测量精度极高，减少了因热损耗等原因产生的测量误差，测量成本低，具有工程实现较易、测量速度快、环境抗干扰能力强的优点。

虽然本发明的实施例是以实际方案来描述的，但是并不构成对本发明含义的限制，对于本领域的技术人员，根据本说明书对其实施方案的修改及与其他方案的组合都是显而易见的。

Claims

1.热电发生器在热流参数测量设备中的应用方法，其特征在于：热流参数测量设备包括工控机（1）、测量模组（2）、倍福控制器（3）以及TMP117控制板（4），所述倍福控制器（3）和所述TMP117控制板（4）均与所述工控机（1）通信连接，所述倍福控制器（3）与所述测量模组（2）的温度模块电信号连接，所述测量模组（2）包括测试夹具，所述测试夹具上分别设置有与待测产品顶部和底部配合的第一传导块（5）和第二传导块（6），所述第一传导块（5）和所述第二传导块（6）内均设置有TMP117传感器（7），两组所述TMP117传感器（7）均与所述TMP117控制板（4）电信号连接，所述温度模块包括设置在所述第一传导块（5）的上端的薄膜加热器（8）及设置在所述薄膜加热器（8）和所述第一传导块（5）之间的热电发生器（9），所述薄膜加热器（8）和所述热电发生器（9）均与所述倍福控制器（3）电连接；所述应用方法包括以下步骤：

（表达式1），

（表达式2），

其中，A为待测产品的面积，

为待测产品的A面T_A和B面T_B的温度差，L为待测产品的高度；

步骤C：用所述热电发生器（9）建立热流原理模型，根据热流原理模型，有：

，

（表达式3），其中，Q为热电发生器的电动势，

另外，表达式3中的S比例因子表达式为：

（表达式4），

（表达式5），待测产品的等效热导率为：

。

2.根据权利要求1所述的热电发生器在热流参数测量设备中的应用方法，其特征在于：所述测量模组（2）还包括隔热壳体（11）和冷却温控平台（12），所述冷却温控平台（12）设置在所述隔热壳体（11）内，所述冷却温控平台（12）与所述隔热壳体（11）内壁之间填充有气凝胶，所述冷却温控平台（12）与制冷机（13）连通，所述制冷机（13）的循环铜管（14）与所述冷却温控平台（12）的冷却回路连通，所述循环铜管（14）的回流段设置有与所述倍福控制器（3）电连接的温度传感器。

3.根据权利要求2所述的热电发生器在热流参数测量设备中的应用方法，其特征在于：所述循环铜管（14）的外周包覆有泡棉。