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全面解说电子冷却应用中热测量误差细节分析
时间: 2020-06-18 09:05 浏览次数:
介绍 电子系统性能的提高以及更高的封装密度使温度成为一个关键参数。由于复杂的材料,配置和非等温流动,电子系统中温度,速度和传热的测量具有挑战性。本文将探讨热测量误


介绍
      电子系统性能的提高以及更高的封装密度使温度成为一个关键参数。由于复杂的材料,配置和非等温流动,电子系统中温度,速度和传热的测量具有挑战性。本文将探讨热测量误差。
已经测量了温度,为什么还要加热热量?
      温度测量中的常见假设,尤其是使用热电偶的测量,是传感器和过程温度相同。但是,这种假设通常是错误的!
      热世界中的温度和热通量测量值对应于电气世界中的电压和电流测量值。与电压和电流一样,温度和热通量密切相关。如果两者都被测量,它们之间的关系可用于描述系统。如果只知道一个,则难以表征系统性能。准确的温度测量取决于对传感器内部和周围的传热的理解。同样,准确的热通量测量通常取决于精确的温度测量。
用热电偶测量温度
热电偶是一种常见的温度传感器[ASTM; 莫法特。当用一个人测量表面温度时会发生什么?
      当热电偶接触或附着在表面上时,热量从物体流入热电偶,热流会降低局部温度。时间依赖性抑制受到物体和热电偶的特性,热电偶的方向和设计以及热电偶引线的热损失的影响。热电偶读数取决于受所有这些因素影响的热平衡。
      分析测量的有效方法包括将过程可视化为平衡,(图1)。左侧平衡盘包含许多物理接触参数。对于表面温度测量,一些相关参数包括:表面和热电偶的热导率,热电偶相对于表面的方向,气流速度,热电偶直径和结厚度,以及用于降低热接触电阻的任何材料热电偶和表面之间。右侧的平底锅显示结果 - 测量的温度。天平用于识别导致测量温度与表面温度不同的那些因素。它还有助于最佳和最差情况的可视化:
最坏的情况(最高错误)
      热电偶垂直于表面 - 最小接触面积和更高的热接触电阻引线上的空气流动 - 增加了“翅片效应”热损失
最佳案例(最低错误):
      热电偶平行于表面约20线径 -增加接触面积并隔离热结与散热片效应热损失(大多数商用传感器使用此设计原理)
      上述错误是“耦合或安装错误”。使用完美校准的热电偶和数据采集系统不会消除这些测量误差。校准可以精确测量传感器温度。确定过程温度测量的准确性需要分析特定于应用的耦合误差。

 


图2:热电偶设计
      针对热厚度[Keltner和Beck]或薄壁[Sobolik等]的接触温度测量开发了瞬态响应模型。当壁厚至少是线直径的十倍时,厚壁分析通常是准确的。通过在很长时间内评估这些模型来估计稳态测量误差。对于接触电阻和引线热损失的测量,热电偶温度近似为[Keltner和Beck]:


      其中T 热电偶 =测量温度,T 表面 =表面温度,x =有效测量位置(焊道厚度/线半径),双侧表面Biot模量(传热系数*线半径/线热导率),B =接触面Biot模量(接触传热系数*线半径/表面热导率),和K =热导率比线/表面)。
      “接近最坏情况下的测量”是裸露的0.25 mm外径E型热电偶,安装在350 K的不锈钢或玻璃表面,其中:a)焊道厚度等于焊丝直径,b)0.025 mm层表面/热电偶界面处的导热油脂(k = 0.068 W / m K)或环氧树脂(k = 1.8 W / m K),以及c)300K时气流的辐射和对流引起的热电偶线的侧面热损失和0.1至2米/秒。线性化辐射传热系数h rad约为1.5 W / m 2 K,对流系数h conv为100至300 W / m 2K.对于等式1:K = 1W / mK(不锈钢)和22W / mK(玻璃); 对于1m / s的速度,Bi = 0.0013; 对于不锈钢上的环氧树脂,B = 0.4,对于玻璃,为8.7。
      图3描绘了这个极端例子的测量误差。对于不锈钢表面(热性能类似于热电偶线),1 m / s的误差使用润滑脂为41 K或82%,使用高导电性环氧树脂为10K或20%。玻璃的误差显着增加,玻璃具有较低的导电性,更能代表电子元件。使用环氧树脂粘合剂,测量误差约为29K或58%!这些测量误差的计算证明了检查平衡的重要性。


图3:估计的表面温度测量误差
      等式1表明热电偶线的热损失总是会导致一些误差。比较环氧树脂键的曲线显示出表面导热率的影响。不锈钢的两条曲线显示出接触电阻的影响。如前所述,即使误差范围高达82%,这些耦合误差也不受热电偶或数据系统校准的影响。
测量热通量
      可以并且应该使用相同的过程来评估热通量测量。温度梯度传感器通常用于电子冷却研究[Keltner]。
      对于温度梯度传感器,稳态热通量是从欧姆定律的热版本获得的,它将热通量(热电流)与已知热阻的温差(热电位)联系起来:
      q = k  T /  X.               (2)
      其中q--热通量(W / m 2),k - 电阻层热导率(W / m K), T =温差(K)和 X =电阻层厚度。由于温差通常较小,因此使用热电堆[Ortolano和Hines]或一对电阻温度计[Doorley和Oldfield]来提高灵敏度。热电堆HFT的示意图如图4所示。


图4:热电堆类型的热通量传感器
设计热通量测量应用
      在风洞中进行了一项实验,以获得传热系数。十二个加热的铝块在电路板上以三列四行格式排列。在每个块上,使用顶部表面上的热电堆型传感器测量温度,功耗和热通量。斜体主题突出了设计此类实验应用时应解决的重要问题。
估算温度和热通量。选择具有足够灵敏度和范围的传感器。
根据Eckert和Drake设计的相关性,25 mm方块的局部传热系数为: