用于测试和测量仪器的热控制系统的制作方法

专利名称：用于测试和测量仪器的热控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于电子设备的冷却系统，尤其涉及一种用于电子测试设备的可变风扇速度控制系统。
风扇通常用于给电子单元的内部，比如台式计算机，提供足够的冷却空气供应，以防止该单元过热。多少空气足以依赖于多个因素，这包括内部部件产生的热量、仪器运行时所处位置的环境温度，和该单元运行时所处的海拔高度。很明显，制造商不能控制该单元将来运行时所处位置的条件。因此，如果为此目的采用固定速度的风扇，那么必须为恶劣条件进行设计。遗憾的是，选用处理恶劣条件的固定速度的风扇必须使大量的空气运动，因此易于产生噪音。在办公环境内，不希望在计算机或其他仪器内有有噪音的风扇。
人们已经认识到那些在恶劣条件下运行设备的用户仅是用户总数的很小的百分比。在大多数情况下，可变速度的风扇可替代固定速度的风扇，且可变速度的风扇可以更低的、更安静的速度运行。
美国专利US5659290(Kundert),1987年4月21日授权，公开了一种在排出气流中有一传感器的可变速风扇。Kundert的风扇以大约半速的固定速度运行，直到达到给定的温度，此后可变地通过风扇控制气流。虽然这种方案在某种程度上对内部温度起作用，但它假定半速是有效地冷却该仪器所必须的最小风扇运行速度。也就是，如果实际上需要的风扇速度小于半速时，Kundert的风扇将运转的过快(且因此有更大噪音)。而且，Kundert不是直接监视环境空气温度。
在美国专利US5287244(Hileman等人)，1994年2月15日授权，公开了另一种可变速风扇系统。Hileman等人响应环境空气温度传感器的输入而调整风扇速度。Hileman等人描述了一种以开环方式运行的系统。也就是，如果仪器外部的环境空气温度增加，那么风扇速度增加，以使更多的冷却空气通过各部件。虽然在总的噪音减少上来说这也是对固定速度的风扇系统的一种改进，但根据该专利公开的设备显示出其自身的问题，因为它不感应内部温度。
因为Hileman等人的设备仅通过对环境温度变化的反应而运行，所以可能产生问题，如果例如用户将一本书紧邻该仪器放置，那么将不注意地部分阻挡空气入口。这样将减少气流，导致内部温度上升。因为环境温度不变，所以风扇速度将不增加，从而导致设备过热。
另一方面，内部温度的降低(可能由于特定的部件减小了功耗)将需要较小的气流(随着风扇噪音也相应减小)。Hileman等人的设备将不能对这种情况作出反应，而将以比所需更大的风扇速度和噪音级别运行。
和台式计算机设备相比，在测试和测量仪器中有更苛刻的需求以保持温度恒定。应当注意的是，没有控制，部件的温度将随着环境空气温度的上升以基本上线性的方式上升。采用冷却气流控制，部件温度可以在环境温度的范围内基本上保持恒定(直至达到风扇速度的极限)。人们希望特定的关键部件的温度保持恒定，因为这些部件的温度波动可能导致信号测量过程中产生错误(即，不利地影响该仪器的校准)。上述专利都不能提供在测试和测量仪器所需要的程度上保持恒定温度，同时还减小风扇噪音问题的解决方案。
还存在另一种由现代工业产品设计所强加的需求，就是希望在多条生产线上采用相同的仪器平台(即，外壳和底盘部件)。这种需要主要由减少该仪器平台注塑件的工具成本的需要来驱动。因此，例如，逻辑分析仪可以采用也用于制造示波器的大多数仪器平台部件，包括冷却系统。遗憾的是，逻辑分析仪的冷却需求与示波器的冷却需求有很大不同。而且，每一种冷却需求随在基本仪器上添加的选项不同而变化。所需要的是一种可用于上述两种应用的冷却系统。这样的系统将需要对每一应用提供足够的冷却气流，而在任一应用中没有提供过多的气流，且在每一应用中需要以降低的噪音级别运行。
一种用于测试和测量仪器的冷却系统，其包括一可变速风扇，可用于有不同构造的不同仪器，该系统采用了多个设于仪器壳体内预定位置的传感器，且对每一特定仪器的每一特定构造的预定参数的软件编程。至少传感器之一测量以基本上恒定的速度消耗功率的部件的温度，而至少一个传感器测量环境空气温度，且不包括用于提供所测热量的热源。


图1是根据本发明的测试和测量仪器内部的顶视示意图；图2是根据本发明的一热控制系统的示意图；图3是理解本发明所用的流程图4是理解本发明所用的流程图；图5是理解本发明所用的流程图；和图6是图2的热控制系统的高层次功能框图。
如上所述，在为多条生产线设计的公共平台上试图控制冷却风扇速度的问题是每一应用显示出其自身的产热特性。如上所述，仅仅测量环境温度，或测量排出的空气温度不是最佳方案。
参照图1，一种用于公共平台100的冷却系统，该平台用来容纳不同的仪器并一起运行，该系统包括至少一个可控变速风扇110a，且可包括其他的风扇110b、110c。公共平台100包括一电路板130，一供电单元120和一风扇控制单元150，其中电路板确定了一特定的仪器比如逻辑分析仪或示波器。一组热节点140a、140b、140c和140d布置在平台100的壳体内的预定位置上。热节点140e感应环境空气温度。应当注意的是节点140e位于空气入口附近且在进入的空气流中，从而可尽可能接近地感应环境空气温度。风扇110a、110b和110c通过平台110的壳体的通风口吸入空气，并使空气通过电路板130，在电路板处运动的空气将过多的热量带走。然后变热的空气通过风扇出口排出。
可以想到，选择给定仪器的特定部件，测量由该部件发出的热量，将提供有用的热测量。遗憾的是，许多部件以瞬态热模式运行，因此成为不稳定的反馈信号源。
本申请通过提供独立的热节点140a、140b、140c和140d而提供了一个稳定的反馈信号源，克服了这种障碍。每一热感应节点电路140a、140b、140c和140d包含一电阻(即热源)和一温度传感器，该电阻与仪器电路隔离。重要而需注意的是，环境温度感应节点140e不包括其自身的热源。如果环境温度传感器140e包括其自身的热源，那么在冷启动过程中(即在热源变热之前)它将仅提供真实的环境温度读数。通过在环境空气温度传感器140e不包括热源，且将环境空气温度传感器140e布置在空气入口附近，在仪器的热启动过程中可以获得真正的环境温度读数，而不必等到仪器冷却。
参照图2，示出两个热感应节点200和200’。感应节点200和感应节点200’之间的差别是在热节点200’中缺少发热元件(热源)。在这点上，热感应节点200’相当于图1中的环境温度热感应节点140e，没有热源，因为它用来感应环境空气温度。为简单起见，将仅描述热感应节点200。热感应节点200显示出一热边界210，该边界将节点与在同一物理电路板上的其他部件隔离。热边界210可通过仔细地将热感应节点远离消耗相对较高功耗的仪器部件布置，且通过将总线(可能沿其导热)远离感应节点布线而实现。
热感应节点200包括一电阻热源220和一热传感器230。热节点200也可安装在其自身的电路板上，或者如上所述，热隔离地安装在有仪器电路的公共电路板上。在两种情况下，它必须位于有冲击气流的区域。
可取的是，电阻220连接于一稳压源，在给定的条件下产生恒定的热量。也就是，通过给电阻220施加稳定的电压，产生一个恒定的或“稳态”功率输出。这导致电阻220变热并在给定的环境空气温度和密度下保持恒定的温度。传感器230感应电阻220的或其附近的温度。传感器230可以是，例如得克萨斯州达拉斯的达拉斯半导体公司(Dallas Semiconductor Corporation,Dallas Texas)制造的DS1621。传感器230连接于一个A/D转换单元240，用来将传感器输出信号转换成数字数据，并将数字数据经通讯总线比如一条I2C总线连接于风扇控制单元150的控制器250。控制器250(可以是一微处理器)评价传感器信息，并确定控制温度所需的正确信号。控制信号施加到一个D/A转换器260上，以产生一适于驱动风扇控制信号放大器270的模拟电压或电流，该放大器将控制信号放大并将其加到变速风扇(或多个风扇)280上。
用于封闭系统内部件的稳态能量传递的基本公式在公式1中示出。
Q=m*cp*(T-T∞)公式1其中，Q=功率输出(在这种情况下是电阻220的)m=质量空气流速cp=比热T=部件温度T∞=环境温度因此，T=T∞+Q/(m*cp)公式2
在此认识到如果环境空气温度上升，那么电阻220的温度也上升。因此，通过选择给定的温度为“设定点”，控制系统可以通过调整风扇的空气速度(即气流)而补偿环境空气温度的波动，以保持热感应节点200的设定温度。同样，如果在运行过程中仪器的气流入口产生妨碍(例如，如果另一件设备，或一本书被放在过于靠近气流入口处，因此导致部分阻塞)，那么给定风扇电压的质量气流将减少。这种情况将导致热感应节点200处的温度增加，接着将导致控制系统通过增加风扇速度进行补偿。
应当注意的是空气的质量流速与空气的密度成比例。因此，空气的密度改变，比如在海拔高度变化的过程中遇到的那些情况，可以作为干扰来对待，且通过采用反馈风扇控制来补偿。
重要而需注意的是，平台级冷却策略基于热控制反馈信号源与任何特定的仪器分离的事实。在整个平台应用中部件和工艺是一致的，但对于每一特定的产品可调。
在运行中，系统以三个不同的模式或阶段执行。阶段1是系统启动阶段。参照图3的流程图，在阶段1，风扇110a、110b、110c被控制以固定的风扇速度运行，以防止在仪器的初始化过程中过热。在步骤300仪器一加电就开始了阶段1。在步骤310，立即给风扇发送一个特定的电压，以确保在仪器“引导”其软件时提供冷却空气。电压可以是风扇运行范围内的任何值，但最好根据公共平台上的特定仪器的热特性知识预定。阶段1的优先运行是防止在系统的启动过程中过热。
阶段2是冷却系统的初始化阶段，在图4的流程图中示出。在阶段2，设定风扇速度，并测量以发现稳态点。这是一个开环控制阶段，其中环境空气条件是抽样的，且因此设定风扇速度。在该阶段，环境温度在步骤400通过仪器安装传感器进行测量。空气密度也可通过传感器测量或假定为定值。例如，恶劣情况下的空气密度可假定为仪器能够正常运行的最高海拔的空气密度。然后，在步骤410，在给定的仪器和基于环境条件的构造下选择风扇速度。这可通过采用“查取”表或采用风扇控制电压的代表公式来完成，其中风扇控制电压是环境条件的函数。可取的是，采用上面给定的公式，且将结果存储在一张表中。在步骤420读取部件温度Tc。在步骤430作出决定是否已经达到稳态(在公差内)。也就是，一旦阶段2确定了风扇速度，那么系统等待(从选择框430沿NO的路径返回)，直到在前进到阶段3之前到达稳态热运行条件。在确定关键的部件何时变热并达到恒定温度的过程中，采用一针对关键部件的传感器。这通过检查关键部件的温度(Tc)斜率算术地等于(或非常接近等于)零来完成。实际上，小于一特定值的Tc的斜率将表示该关键部件已经达到稳态。一旦达到稳态，那么就采取YES路径而至步骤440，在此Tc存储为“设定点”(Tsp)且控制系统进行到步骤3。应当指出的阶段2的优先运行是减少风扇噪音。
阶段3是闭环控制模式的运行时期。在阶段3响应热控制传感器的反馈而风扇速度连续地调整，以保持恒定的温度。参照图5，阶段3在步骤500进入，在此采用Tc的读数。然后路线前进到步骤510，在此获得设定温度和热感应节点的温度之间差值。然后路线前进到步骤520，以确定是否差值“e”大于预定公差520。如果不，那么路线沿NO路径返回而进行另一次测量。如果温度差大于公差，那么通过在步骤530调节风扇电压而调节风扇速度。阶段3的优先运行是保持部件的温度接近变热后紧接时刻的部件温度，而不管环境条件的变化。
参照图6，设定点温度Tsp在电路元件600中与代表部件温度Tc的反馈信号比较。比较的结果是正确极性的控制信号，以校正从设定点温度沿两方向的温度偏离。控制信号加到风扇控制单元610上，以调整施加到风扇上的电压，从而调整风扇速度，且因此控制通过仪器平台的气流。仪器620承受由于干扰比如环境温度的波动、空气密度的波动和仪器部件的功耗而造成的温度变化。这些干扰将出现在代表图6的系统输出处(即在热感应节点处)感应的部件温度的信号中，并经反馈单元630传输，从而与系统输入处的设定温度比较。因此，在阶段3运行过程中，系统以闭环的方式运行。
上述系统是热控制结构的简单形式，一般称为单输入-单输出(SISO)。在此认识到为了实现该系统，可以使用一至任何合理数目的热感应节点。温度补偿可经许多控制器策略而完成，比如比例积分微分(PID)或比例微分控制(PD)，这在本领域是公知的，或者如上所述采用存储在查取表中的控制值。
重要的是，确定每一仪器类型和构造的热特性的参数是可软件编程的。此外，每一传感器节点信号所给的权值也是可软件编程的。本发明的可编程性提供了将该冷却系统用于多个应用中的能力，而且不必重新设计该冷却系统。
在此认识到风扇控制器可以是专用的硬件控制器或者专用的微处理器。作为选择，风扇控制器功能基至可以通过主仪器微处理器执行。
重要而需注意的是，传感器节点的热源不必是一固定的电阻，而可以是仪器的正常部件，只要该仪器部件以基本上恒定的温度产生热量(即，以基本上恒定的速度消耗功率)。也应指出的是环境温度传感器根本不包括热源部件。
在有多个风扇的系统的情况下，风扇可以响应相同的控制信号，或者可独立地响应不同热传感器节点(即，不同热传感器电路)的输出信号而运行。
权利要求
1．一种热控制系统，其包含一包括产生热的部件的仪器；一用于给所述仪器供应冷却气流的变速风扇；第一热感应电路，用于感应环境温度并产生一个环境温度代表信号；第二热感应电路，用于感应设置在所述仪器内的特定部件的温度，并产生一个反馈信号，所述特定部件以基本上恒定的速度消耗功率；以及一控制器，用于控制所述变速风扇的速度，所述控制器接收所述环境温度代表信号，用于在所述仪器加热到稳态的期间控制所述风扇，所述控制器接收所述反馈信号，决定何时已达到稳态并响应所述决定，存储设定点温度的代表值，此后所述控制器响应所述设定温度的所述代表值和所述反馈信号而运行。
2．如权利要求1所述的热控制系统，其特征在于，所述特定部件是一连接于所述仪器的电源的、以基本上恒定的速度消耗功率的电阻器。
3．如权利要求2所述的热控制系统，其特征在于，当仪器最初开启时，所述控制器以第一种模式运行所述系统一预定的时间，在所述第一模式中所述风扇以恒速运行；在所述仪器的加热期间，所述控制器以第二种模式运行所述系统，当所述特定部件到达表示所述稳态条件的基本上恒定的温度时，所述第二种模式终止，所述控制器将所述恒定温度的代表信号作为所述的设定点温度存储；以及所述控制器以第三种模式运行所述系统，其中，所述系统响应所述设定温度的代表值和所述反馈信号。
4．如权利要求3所述的热控制系统，其特征在于，所述热感应电路包括一感应单元和一模数转换器，且所述热感应电路经通讯总线与所述控制器连通。
5．如权利要求1所述的热控制系统，其特征在于，所述特定部件是所述仪器的以基本上恒定的速度消耗功率的一部件。
6．如权利要求5所述的热控制系统，其特征在于，当仪器最初开启时，所述控制器以第一种模式运行所述系统一预定的时间，在所述第一模式中所述风扇以恒速运行；在所述仪器的加热期间，所述控制器以第二种模式运行所述系统，当所述特定部件到达表示所述稳态条件的基本上恒定的温度时，所述第二种模式终止，所述控制器将所述恒定温度的代表信号作为所述设定点温度存储；以及所述控制器以第三种模式运行所述系统，其中所述系统响应所述设定点温度的代表值和所述反馈信号。
7．如权利要求6所述的热控制系统，其特征在于，所述热感应电路包括一感应单元和一模数转换器，且所述热感应电路经通讯总线与所述控制器连通。
8．一种热控制系统，其包含一壳体，用于容纳确定多个仪器之一的电路，每一所述仪器显示出独特的热特性；一电路板，所述电路安装于该电路板上；一变速风扇，用于提供气流来冷却所述电路；第一热传感器节点，用于感应温度并形成响应所述温度的第一温度代表信号，所述第一热传感器节点包括一热源和一温度传感器，热源用于以基本上恒定的速度产生热，而温度传感器安装在所述热源附近；第二热传感器节点，用于感应环境温度，并产生一个响应环境温度的环境热量代表信号，所述第二热感应节点没有用来产生要感应的热量的部件；一风扇控制器，用于使所述风扇响应代表各个所述仪器的热特性的预定存储数据，响应所述环境温度信号以及响应所述第一温度代表信号，以多种速度之一运行。
9．如权利要求8所述的热控制系统，其特征在于，所述热感应电路包括一感应单元和一模数转换器，且所述热感应电路经通讯总线与所述控制器连通。
10．如权利要求9所述的热控制系统，其特征在于，所述热源是所述仪器的一个以基本上恒定的速度产生热的部件。
11．如权利要求9所述的热控制系统，其特征在于，所述热源是连接于所述仪器的电源的以基本上恒定的速度消耗功率的电阻。
全文摘要
一种用于测试和测量仪器的冷却系统,其包括一可变速风扇,可用于有不同构造的不同仪器,该系统采用了多个位于仪器壳体内预定位置的传感器,且对每一特定仪器的每一特定构造的预定参数软件编程。至少传感器之一测量以基本上恒定的速度消耗功率的部件的温度,而至少一个传感器测量环境空气温度,且不包括用于提供所测热量的热源。
文档编号G06F1/20GK1304067SQ0013526
公开日2001年7月18日 申请日期2000年12月11日 优先权日1999年12月9日
发明者B·G·鲁瑟尔, R·R·克雷策尔, C·R·科勒曼, T·S·赫特克 申请人:特克特朗尼克公司