臨時性機房散熱解決方法的簡化模擬

陳路安

（四川大學匹茲堡學院，四川 成都 610225）

隨著野（室）外工程大量實施，臨時性機房不斷增多，企業針對臨時性機房及數據中心散熱系統的需求不斷增加。模擬、分析簡單的溫度控制技術，對于組建簡陋的臨時性的能解決實際散熱問題的系統具有更為重要的現實意義。本文針對紹興紡織機械集團有限公司臨時機房進行了散熱場景的簡化和模擬，并設計了一個由電阻式溫度檢測器、紅外傳感器等部分相結合的系統。經測試，該系統可以通過實時檢測被測區域的溫度變化來控制冷卻所用風扇的輸出功率，從而達到控制散熱的要求。該系統組成簡易，應用性好；又兼具檢測被測區域人員存在的功能，可以根據人員的進出調整散熱功率，進一步提升了系統的智能性。

1 系統組成及原理

系統以新建車間臨時機房為現實場景，散熱部分簡化為僅靠一個風扇來進行空氣流通交換，控制部分和各個傳感器主要基于LabVIEW 程序和NI ELVIS III 模型板。整個系統通過獲取被測區域溫度變化數據和人員進出數據來控制風扇功率。實際散熱部分為一個連接電機的風扇，被測區域以及其溫度的變化則通過燒杯和其中盛放的一定溫度的水來模擬。風扇需要在被測區域溫度大于某閾值時被啟動；在溫度持續上升時，風扇轉速需相應增加，直至溫度上升到某設定溫度時風扇轉速達到最大；此外，當檢測到有人員接近測試區域時，散熱風扇需要全功率工作，以保障該區域的溫度降至足以供人使用。

搭載面包板插接器的NI ELVIS III 模型板以及其它常用的用戶外圍設備如圖1 所示。板上后續搭載電阻溫度檢測器（RTD）、紅外光電傳感器、三極管等部件。

圖1 NI ELVIS III 原型板

首先，溫度檢測功能由電阻式溫度檢測器（RTD）實現。RTD 主要利用導體電阻隨溫度變化而變化的原理。系統采用PT 100 RTD，其穩定性和精確性較好。PT 100 RTD 部件會將阻抗的變化轉化為電壓變化，系統進一步根據電壓變化來獲得被測區域溫度變化的數據。其次，人員檢測功能由紅外光電傳感器實現。當檢測到有物體進入檢測區域時，傳感器輸出電壓變化，系統進而可以通過測量電壓變化來判斷被測區域是否有人員進入。最后，三極管則將弱信號放大成振幅較大的電信號來控制電機的轉動。相關部件的線路連接如圖2 所示，其中取值一般為R1=510,R2=25KΩ,R3=1KΩ,R4=510Ω。

圖2 紅外傳感器與三極管

2 軟件部分原理

該系統的主要程序流程如圖3 所示。數據處理主要包括對RTD 讀數的處理和對紅外光電傳感器讀數的處理。RTD 的電壓讀數和被測區域的溫度可看作線性關系，故電壓讀數可被簡單地轉化為溫度讀數，而后被進一步轉化為PWM 輸入信號。紅外光電傳感器的讀數在該系統中被轉化為0 和1 的信號，這一轉化可以簡單地通過設定邏輯結構的觸發閾值來實現。兩部分信號疊加后輸入PWM 模塊。PWM 模塊會使用高分辨率計數器來調制輸出方波的占空比。當輸入PWM 的數值小于0 時，占空比為0；當輸入數值大于1 時，占空比為1；輸入數值由0 增加到1的過程中，占空比也對應增加。PWM 基于該原理實現對電機功率的控制。上述過程對應的LabVIEW 主程序圖及現實界面如圖4 所示（程序中5 個參數需要經過校準）。

圖3 程序流程

圖4 LabVIEW 主程序與顯示界面

3 系統測試

第一，對RTD 讀數進行校準，其目的為得到RTD 電壓和被測區溫度的線性轉化函數。校準具體過程為將RTD 探頭浸沒在熱水中，在冷卻過程中記錄下若干個離散的電壓-溫度點，而后將得到的數據進行擬合，并將擬合參數輸入程序。例如，某次校準所得的若干離散電壓-溫度數據點以及擬合的線性方程如圖5 所示，擬合曲線方程為T=67.85V-52.41。其中，T 為實際測得溫度，V 為RTD 的電壓讀數。故將擬合參數67.85 和-52.41輸入程序，完成RTD 讀數的校準。

圖5 測得的RTD 電壓與溫度數據及擬合曲線

第二，設定紅外傳感器對應程序部分的觸發閾值。例如，某次實驗觀察到無人阻擋時的紅外傳感器讀數在4.6 左右；有人員在檢測區域阻擋紅外傳感器時，讀數為1.8 左右，故選定觸發閾值為3.0，將其輸入程序，完成對紅外傳感器對應程序觸發閾值的設定。

第三，設置PWM 模塊的輸入。在本次測試中假定在被測區域溫度高于33℃時啟動風扇；溫度持續上升，風扇轉速相應增加，直至溫度上升到45℃時風扇轉速達到最大。故將溫度數據再做一次線性轉化，使33℃到45℃對應成0 到1。該步驟的轉化參數需經過不斷微調后輸入程序，使風扇得以在33℃時恰好啟動。

第四，綜合測試該系統，接通NI ELVIS III 模型板電源，運行LabVIEW 程序。初始化完成后，RTD 指示燈亮起，同時LabVIEW 顯示界面出現被測區域溫度讀數。提高被測區域溫度，當溫度讀數達到33℃時，風扇恰好開始轉動，轉速隨溫度上升而逐漸提高，溫度高于45℃后，風扇轉速保持最大。當風扇處于非最大輸出狀態時，人員靠近被測區域并用身體遮擋紅外光電傳感器，風扇立即響應，轉速提升至最高，同時LabVIEW 顯示界面的提示燈亮起。

4 測試分析

經多次測試表明系統正常運行，并滿足所有的測試要求。系統溫度檢測讀數誤差經過驗證小于±4%；風扇的響應較為精確，在規定溫度范圍內轉速控制良好，變化平緩，系統的人員檢測功能響應也較快?？傮w而言，該系統組成原理簡易，可以被廣泛地應用于其它臨時性、濕度要求不高的散熱場景，通過改變電機輸出倍率或是根據實際需求加裝RTD 與紅外傳感器部件從而滿足基本的散熱需求。

但在檢測時觀察到，RTD 部分對于PWM 模塊可能存在一定程度的干擾，即會影響風扇轉速平緩變化的功能。該問題可以通過把RTD 部分搭載在和其余模塊不同的區域解決，比如，測試中將RTD 部分搭載于NI ELVIS III 模型板的B 區，而將其余部件搭載于NI ELVIS III 模型板的A 區。另外，經過多次測試發現，紅外傳感器的讀數在不同測試中存在差異，影響了系統的穩定性。為保證系統有效運行，需在每次運行前對紅外傳感器部分的觸發閾值進行校準。初步猜測該問題的存在可能與測試環境的濕度、溫度等條件變化有關，后續的改進實驗可以進一步研究分析該問題產生原因，以優化系統整體穩定性。