铜排母线温升测试技术研究及不确定评价模型的优化

  1.广州机械科学研究院有限公司；2.中汽检测技术有限公司   2021-07-12 次浏览

引言

温升试验分为接触式与非接触式测量。由于非接触式测量受测量距离、尘埃、水汽等介质影响，测量精度较低，而本文研究对象铜排母线温升测试精度要求较高，故较常使用的测试手段为接触式测量。在汽车检测业内，常常采用热电偶作为测温探头监测零部件发热状态及温度，以其优良经济性获得广泛应用。

本文通过对铜排母线的热电偶法测温升测试原理研究，结合当前常用评价不确定度的数学模型，分析出日常热电偶温升测试评价中容易忽视的不确定度分量并对其进行验证，从而提出优化的不确定度评价模型，使其在新能源汽车热管理系统的研发和架构设计策略中提供更具参考性的数字依据。

1温升试验的测试原理及常用评价模型的建立

1.1热电偶接触式温升测试原理

温升测试基本原理是利用热电偶测量电器附件在接上负载电流时其表面发热情况，以确定其发热情况是否在允许范围内。

具体步骤如下：将待测样品放置在防风罩内的绝缘平面上。在样品测温点上胶粘固定热电偶测温探头，在样品的水平面相隔一定距离处，布置温度传感器用于检测测量样品所处的环境温度。样品接电后，调整电源的电流电压输出，使其符合测试条件的要求，并用万用表监控样品的电气工作条件。接通电源后监控各路温度探头的温度读数；待所有通道的温度读数达到稳定之后，记录各测温点的数值。

1.2传统不确定度评价模型

一般新能源车的铜排母线发热情况测试需要通过实车安装来真实模拟。环境波动作为其中一个重要影响量纳入不确定度分量考虑。但实际检测中，通常是以单个独立的零部件的状态放置在防风设备中开展检测，在防风设备下环境波动和风速对温升结果影响较小，可以忽略不计，所以常用的评定温升试验模型的不确定度来源一般主要来自以下5个方面：

（1）供电电流测量误差；

（2）人工布置测温热电偶对结果的影响；

（3）测量用热电偶精度；

（4）热电信号转换设备的精度；

（5）数值修约引入的不确定度。

供电电流测量误差引起的测量不确定度分量u1。

在温升测试过程中样品的热功率Q与温升T、电功率P线性相关，电功率P与工作电压U和工作电流I符合欧姆定律。电流误差对温升结果的影响模型为：

T+ΔT∝(I+ΔI)2R（1）

式中：T为温升结果；ΔT′为温升结果绝对偏差；I为工作电流；ΔI′为电流绝对偏差。

则温升的相对偏差ΔT′与电流相对偏差ΔI′有以下关系：

ΔT′=（1+ΔI′）2-1（2）

人工布置测温热电偶引入的不确定度u2。

相同操作人员对同一个测量样品进行9次测量，记录测量结果如表1所示，采用极差法求出u2。

其他不确定度分量采用B类评定，所以常用模型的不确定度分量如表2所示。电源精度由计量证书给出，一般电流示值误差为±1%，一级热电偶精度和热电转换设备精度为±1℃，设备读数分辨率为0.1℃，修约误差为0.05℃，以上偏差均为均匀分布，计算出各分量标准

不确定度如表3所示。

2不确定度评价模型分析

从上文传统不确定度评价模型计算结果可以看出，人工布置热电偶测温和热电信号转换设备所引入的测量不确定度对总体不确定度影响最大。但是通过对界面接触传热分析、热电偶、热电信号转换等文献的研究发现，人工布置测温热电偶u2仅用固定方法引入测量重复性A类不确定度评定，热电信号转换设备u4仅引入计量证书的误差结果开展B类不确定度评定，并不能与实际工程应用紧密相符。因此，本文着重从这两个方向探究引入的误差，以期明晰理论模型与实际状况的差异，并针对性地提出检测技术与评价模型的优化方案。

（1）热电偶对测温面的热传导的影响

温升试验中，样品热源可以看成一个恒温的发热体，与表面存在等效热阻，当热电偶被仅仅黏贴在测温表面时，发热体不断地将产生的热量通过内部的等效热阻传递到测温面，测温面通过自然对流和辐射通道向外界散发。此时，热电偶将热电信号传递到热电偶热端当中。理想状态下，热电偶与测温面应是接触紧密，两者之间不存在热阻，所以理论上热电偶的热端温度等于测温面的温度。但是在实际检测中，热电偶与测温表面的有效接触面积很小，由此热电偶与测温表面存在一个不可忽视的接触热阻，在热量向热电偶不断传递的过程中，传热路径会产生一个温度梯度，造成测温结果的偏移。

所以测温面固定方法所引入的误差应考虑热电偶与测温面接触热阻和热电偶与测温面的热传导的影响，但目前热电偶的固定方法引入的测量误差仅采用A类不确定度评估引入的测量误差，显然不够严谨。

本文利用有限元工具分析接触传热模型的传热路径，分析热电偶与测温面接触区的导热对测温结果的误差影响。将表面材质选定为铝材质，在模型中的空气流场、壁面的温度设置为26.85℃，发热体为恒定温度100℃。在极端情况下，热电偶被粘贴固定在测温表面

且悬浮于导热胶中，测温面与热电偶的传热路径增加了胶粘剂的热阻抗，查表可得胶粘剂导热系数为0.12W/（m·K），T型热电偶中铜材质导热系数为397W/（m·K），解算出热电偶球部中心温度结果如表4所示。铝-接触导热系数0.12平面图如图1所示。

由表可知，当等效接触的导热系数为0.12W/（m·K）时（即热电偶悬于黏胶中），热电偶的热端温度仅有75.150℃，与空白模型的温差高达24.843℃。随着等效接触导热系数的升高（接触越来越好），热电偶热端的温度也越来越高。当等效接触的导热系数为397W/（m·K）时（理想情况，即热电偶接触面完美贴合），热电偶的热端温度为98.612℃，与空白模型的温差为1.381℃。在一般情况下，热电偶热端的合金导热系数约20W/（m·K），则在接触较好的情况下热端温度为93.173℃，与空白模型温差为6.820℃。即在温差为73.15℃时误差为6.82℃，折合相对误差为9.3%。所以热电偶对测温面的热传导的影响不容忽视。

（2）冷端补偿的影响

在常规不确定评价中，热电信号转换设备不确定度评估仅考虑设备的计量精度，依据计量校准证书给出的精度进行B类不确定度评定计算。但此类热电信号转换设备的计量校准规范均以冷端温度为0℃时的转换精度进行标定，因此计量证书上的不确定度指标为该设备冷端温度为0℃的指标。当利用其冷端补偿功能在常温下测量转换热电信号时，所引入的测量误差应在计量证书的误差基础上叠加计算冷端误差。显然现有的评价模型并没有考虑这个误差分量。

本文采用数据记录模块ADAM-4018作为分析对象，对冷端补偿误差开展验证，将ADAM-4018接通电源一段时间内采集的热信号值以每分钟平均绘出谱如图2所示。

采集设备在使用过程中由于存在内部热源（芯片发热等），会在设备中形成温度梯度场。在开始运行的一段时间内，设备内温度场处于建立状态，温度不断变化，此时冷端补偿传感器与接线端子的温度均不稳定，冷端补偿传感器读数与端子实际温度存在误差，引入冷端补偿波动度的不确定度。当运行至稳定时候，达到热平衡状态，冷端补偿传感器读数也趋于稳定，但不同接线端子存在温度梯度，因此不同接线端子间的冷端补偿传感器计数也存在误差，从曲线图可知，所有通道随着接通电源时间增加出现上升后，并在10～15min左右达到最高值，温度点变化在0.1~0.6℃之间。所以冷端补偿误差所引入的不确定度分量是不能忽略的，通道间温度梯度图如图3所示。

3模型优化及新应用模型的评定

本文将应用优化后不确定度模型对现有测试方案的测量不确定度进行评定。其中，电源精度为1%且温升结果约25℃时引入的误差约0.29℃，热电偶精度、热电转换设备精度为1℃，设备的冷端补偿精度大多为1℃，设备读数分辨率为0.1℃（修约误差为0.05℃）。温升测试不确定度模型增加以下分量进行优化。

（1）人工布置热电偶以及不同线径热电偶热传导引入的不确定度分量*u2。该分量中包含了人工布置热电偶的人为引入误差和不同线径热电偶对测温面影响的热传导误差。由于这两个误差均能影响测温面温度的热阻抗模型，且目前并没有适合的数据模型进行表征，因此有必要将两个分量合并使用A类不确定度评定方法进行计算。评定方法如下：按照图4所示搭建一套表面温度恒定的装置，通过控制流过水冷头的水流温度使水冷头工作面上的PVC板温度波动度小于0.1℃。分别取线径为0.127mm、0.254mm和0.508mm的热电偶丝各3根，并在恒温水槽中先标定其热电偶读数误差。每次取一根热电偶用合适方式将其固定在PVC板的中间，待热电偶读数稳定后记录该热电偶的读数，并将其读数按标定结果线性内插修正。将9个测量结果按极差法（n=9，k=2.97）计算该次评定的标准不确定度。

热电偶人工布置*u2引入的误差为A类不确定度[8]开展评定，其结果如表5所示。

因此，*u2=1.14℃。

（2）冷端补偿的不确定度u6由冷端波动度引入的不确定度量采用极差法A类评定和冷端补偿通道间准确度不确定度分量采用B类评定后进行合成而得。

冷端补偿影响引入的不确定度u6由冷端补偿波动度u6-1和冷端补偿通道间准确度u6-2两部分引入的不确定度合成而得，其结果如表6~7所示。

合成冷端补偿引入的不确定度u6：

所以，新应用不确定度模型各分量来源的标准不确定度结果如表8所示。

由上表各不确定度分量可以看出，优化后的人工布置测温热电偶引入不确定度*u2较之前明显增大，冷端补偿引入的不确定度u6与热电偶和热电信号转换设备精度引入的不确定度数值相仿，在温升试验不确定度评价中皆为重要影响的不确定度分量。

4结束语

本文通过深入分析铜排母线温升测试方法及常用的不确定度评价模型，从其中对热电偶接触传热误差和冷端补偿误差两个主要误差来源作出重点分析与探究。对常用温升测试不确定度模型中容易被忽视且影响较大的不确定度分量进行补充优化，为后续优化检测方法、提高检测准确性提供理论依据和评价体系。