临时性机房散热解决方法的简化模拟

陈路安

（四川大学匹兹堡学院，四川 成都 610225）

随着野（室）外工程大量实施，临时性机房不断增多，企业针对临时性机房及数据中心散热系统的需求不断增加。模拟、分析简单的温度控制技术，对于组建简陋的临时性的能解决实际散热问题的系统具有更为重要的现实意义。本文针对绍兴纺织机械集团有限公司临时机房进行了散热场景的简化和模拟，并设计了一个由电阻式温度检测器、红外传感器等部分相结合的系统。经测试，该系统可以通过实时检测被测区域的温度变化来控制冷却所用风扇的输出功率，从而达到控制散热的要求。该系统组成简易，应用性好；又兼具检测被测区域人员存在的功能，可以根据人员的进出调整散热功率，进一步提升了系统的智能性。

1 系统组成及原理

系统以新建车间临时机房为现实场景，散热部分简化为仅靠一个风扇来进行空气流通交换，控制部分和各个传感器主要基于LabVIEW 程序和NI ELVIS III 模型板。整个系统通过获取被测区域温度变化数据和人员进出数据来控制风扇功率。实际散热部分为一个连接电机的风扇，被测区域以及其温度的变化则通过烧杯和其中盛放的一定温度的水来模拟。风扇需要在被测区域温度大于某阈值时被启动；在温度持续上升时，风扇转速需相应增加，直至温度上升到某设定温度时风扇转速达到最大；此外，当检测到有人员接近测试区域时，散热风扇需要全功率工作，以保障该区域的温度降至足以供人使用。

搭载面包板插接器的NI ELVIS III 模型板以及其它常用的用户外围设备如图1 所示。板上后续搭载电阻温度检测器（RTD）、红外光电传感器、三极管等部件。

图1 NI ELVIS III 原型板

首先，温度检测功能由电阻式温度检测器（RTD）实现。RTD 主要利用导体电阻随温度变化而变化的原理。系统采用PT 100 RTD，其稳定性和精确性较好。PT 100 RTD 部件会将阻抗的变化转化为电压变化，系统进一步根据电压变化来获得被测区域温度变化的数据。其次，人员检测功能由红外光电传感器实现。当检测到有物体进入检测区域时，传感器输出电压变化，系统进而可以通过测量电压变化来判断被测区域是否有人员进入。最后，三极管则将弱信号放大成振幅较大的电信号来控制电机的转动。相关部件的线路连接如图2 所示，其中取值一般为R1=510,R2=25KΩ,R3=1KΩ,R4=510Ω。

图2 红外传感器与三极管

2 软件部分原理

该系统的主要程序流程如图3 所示。数据处理主要包括对RTD 读数的处理和对红外光电传感器读数的处理。RTD 的电压读数和被测区域的温度可看作线性关系，故电压读数可被简单地转化为温度读数，而后被进一步转化为PWM 输入信号。红外光电传感器的读数在该系统中被转化为0 和1 的信号，这一转化可以简单地通过设定逻辑结构的触发阈值来实现。两部分信号叠加后输入PWM 模块。PWM 模块会使用高分辨率计数器来调制输出方波的占空比。当输入PWM 的数值小于0 时，占空比为0；当输入数值大于1 时，占空比为1；输入数值由0 增加到1的过程中，占空比也对应增加。PWM 基于该原理实现对电机功率的控制。上述过程对应的LabVIEW 主程序图及现实界面如图4 所示（程序中5 个参数需要经过校准）。

图3 程序流程

图4 LabVIEW 主程序与显示界面

3 系统测试

第一，对RTD 读数进行校准，其目的为得到RTD 电压和被测区温度的线性转化函数。校准具体过程为将RTD 探头浸没在热水中，在冷却过程中记录下若干个离散的电压-温度点，而后将得到的数据进行拟合，并将拟合参数输入程序。例如，某次校准所得的若干离散电压-温度数据点以及拟合的线性方程如图5 所示，拟合曲线方程为T=67.85V-52.41。其中，T 为实际测得温度，V 为RTD 的电压读数。故将拟合参数67.85 和-52.41输入程序，完成RTD 读数的校准。

图5 测得的RTD 电压与温度数据及拟合曲线

第二，设定红外传感器对应程序部分的触发阈值。例如，某次实验观察到无人阻挡时的红外传感器读数在4.6 左右；有人员在检测区域阻挡红外传感器时，读数为1.8 左右，故选定触发阈值为3.0，将其输入程序，完成对红外传感器对应程序触发阈值的设定。

第三，设置PWM 模块的输入。在本次测试中假定在被测区域温度高于33℃时启动风扇；温度持续上升，风扇转速相应增加，直至温度上升到45℃时风扇转速达到最大。故将温度数据再做一次线性转化，使33℃到45℃对应成0 到1。该步骤的转化参数需经过不断微调后输入程序，使风扇得以在33℃时恰好启动。

第四，综合测试该系统，接通NI ELVIS III 模型板电源，运行LabVIEW 程序。初始化完成后，RTD 指示灯亮起，同时LabVIEW 显示界面出现被测区域温度读数。提高被测区域温度，当温度读数达到33℃时，风扇恰好开始转动，转速随温度上升而逐渐提高，温度高于45℃后，风扇转速保持最大。当风扇处于非最大输出状态时，人员靠近被测区域并用身体遮挡红外光电传感器，风扇立即响应，转速提升至最高，同时LabVIEW 显示界面的提示灯亮起。

4 测试分析

经多次测试表明系统正常运行，并满足所有的测试要求。系统温度检测读数误差经过验证小于±4%；风扇的响应较为精确，在规定温度范围内转速控制良好，变化平缓，系统的人员检测功能响应也较快。总体而言，该系统组成原理简易，可以被广泛地应用于其它临时性、湿度要求不高的散热场景，通过改变电机输出倍率或是根据实际需求加装RTD 与红外传感器部件从而满足基本的散热需求。

但在检测时观察到，RTD 部分对于PWM 模块可能存在一定程度的干扰，即会影响风扇转速平缓变化的功能。该问题可以通过把RTD 部分搭载在和其余模块不同的区域解决，比如，测试中将RTD 部分搭载于NI ELVIS III 模型板的B 区，而将其余部件搭载于NI ELVIS III 模型板的A 区。另外，经过多次测试发现，红外传感器的读数在不同测试中存在差异，影响了系统的稳定性。为保证系统有效运行，需在每次运行前对红外传感器部分的触发阈值进行校准。初步猜测该问题的存在可能与测试环境的湿度、温度等条件变化有关，后续的改进实验可以进一步研究分析该问题产生原因，以优化系统整体稳定性。