在線溫度跟蹤的量熱法測(cè)量裝置

葉建盈，李睿，汪晶慧，楊萬(wàn)宇，嚴(yán)東

(1.福建工程學(xué)院汽車電子與電驅(qū)動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350118;2.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

功率變換器作為高效的電能變換裝置，是現(xiàn)代能源技術(shù)的重要組成部分。隨著功率變換器向高頻、高功率密度趨勢(shì)發(fā)展，磁元件技術(shù)發(fā)展速度成為了制約功率變換器技術(shù)繼續(xù)提高工作頻率和功率密度的瓶頸之一，這使其廣受國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注[1-4]。其中磁元件的損耗在整個(gè)功率變換器中占據(jù)很大的比例，其損耗大小涉及到磁元件和功率變換器的效率和熱設(shè)計(jì)問(wèn)題[5-9]，因此對(duì)磁芯損耗特性進(jìn)行詳細(xì)研究和深入分析有重要意義[10-11]。

交流功率測(cè)量法是測(cè)量功率損耗最便捷快速的測(cè)量方法，但隨著測(cè)量頻率的提高，誤差也會(huì)不斷增大[12-13]。量熱法作為一種傳統(tǒng)的測(cè)量方法[14-16]，通過(guò)將被測(cè)件置于某個(gè)介質(zhì)中上電工作，工作過(guò)程中由于產(chǎn)生熱損耗使得被測(cè)件溫度升高，溫度變化傳導(dǎo)至介質(zhì)，使得介質(zhì)溫度亦升高。根據(jù)損耗與介質(zhì)比熱容、介質(zhì)的溫升值的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量介質(zhì)的溫升值可以得到被測(cè)件的電能損耗，該測(cè)量方法不受測(cè)量頻率的影響，但一旦測(cè)量環(huán)境或被測(cè)件發(fā)生變化，需要重新對(duì)測(cè)量系統(tǒng)整體進(jìn)行定標(biāo)，過(guò)程復(fù)雜繁瑣，消耗大量時(shí)間。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在量熱法的基礎(chǔ)上加以拓展改進(jìn)，提出了多種便捷、準(zhǔn)確的功率損耗測(cè)量方法。文獻(xiàn)[17]研究了量熱法在磁元件損耗測(cè)量中的應(yīng)用，采用分段定標(biāo)的方法獲得被測(cè)件的損耗，該方法存在定標(biāo)過(guò)程和測(cè)量過(guò)程一致性的問(wèn)題。文獻(xiàn)[18-19]研究了比對(duì)量熱法，通過(guò)引入?yún)⒖紵嵩矗垢櫲萜鞯臒峁べ|(zhì)溫升值與測(cè)量容器熱工質(zhì)溫升值相同，從而獲得被測(cè)件的損耗。此方法可以有效解決傳統(tǒng)定標(biāo)量熱法定標(biāo)過(guò)程和測(cè)量過(guò)程不一致的問(wèn)題，但被測(cè)件損耗不同時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)量，尤其是當(dāng)被測(cè)件損耗與參考熱源最大功率相差較大時(shí)，跟蹤過(guò)程甚至?xí)霈F(xiàn)溫度失調(diào)的情況。

為此，本文提出了一種將損耗預(yù)估和溫度跟蹤相結(jié)合的量熱測(cè)量方法，通過(guò)解決量熱法的固有誤差以提高測(cè)量精度，進(jìn)一步對(duì)被測(cè)件損耗進(jìn)行預(yù)估，控制調(diào)整參考電阻的功率，從而實(shí)現(xiàn)量熱法在不同工況、較小損耗被測(cè)件功率的測(cè)量。建立了基于LabVIEW具有人機(jī)交互功能的測(cè)量裝置，通過(guò)設(shè)計(jì)不同損耗的實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)裝置的精度。

1 測(cè)量原理

根據(jù)式(1)，傳統(tǒng)的量熱法是通過(guò)測(cè)量介質(zhì)的溫升獲得被測(cè)件的損耗。

W=C·m·Δθ

(1)

式中:W為容器中介質(zhì)能量變化值；C為介質(zhì)的比熱容；m為介質(zhì)質(zhì)量；Δθ為介質(zhì)在被測(cè)過(guò)程的溫升值。

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中介質(zhì)的比熱容會(huì)受測(cè)量環(huán)境與介質(zhì)污染等問(wèn)題的影響，無(wú)法作為一個(gè)定值進(jìn)行確定。因此，本文對(duì)量熱法進(jìn)行了改進(jìn)，圖1為具有損耗預(yù)估和溫度跟蹤功能的量熱測(cè)量法的測(cè)量原理圖，通過(guò)測(cè)量跟蹤容器中參考電阻的直流功率以獲得被測(cè)件的損耗。圖中測(cè)量裝置采用了兩個(gè)形狀、容積和密封性完全一致的容器，稱之為測(cè)量容器和跟蹤容器，容器中放置相同的元器件，包含被測(cè)件、參考電阻、溫度傳感器、旋轉(zhuǎn)磁子和連接導(dǎo)線，并注入等質(zhì)量的二甲基硅油。

圖1 被測(cè)件損耗的測(cè)量原理圖Fig.1 Measurement schematics of DUT’s losses

將勵(lì)磁源施加在被測(cè)件兩端，測(cè)量容器中的介質(zhì)溫度隨被測(cè)件產(chǎn)生的熱量在液體中擴(kuò)散逐漸升高，同時(shí)，給予跟蹤容器中參考電阻施加直流電壓激勵(lì)，其液體介質(zhì)溫度也隨之升高。在被測(cè)件和參考電阻工作時(shí)間內(nèi)，被測(cè)件的損耗引起被測(cè)容器中介質(zhì)的溫升為Δθ1，參考電阻的損耗引起跟蹤容器中的溫升為Δθ2，根據(jù)式(1)，被測(cè)件損耗在測(cè)量容器中的新增熱量為W1，參考電阻損耗在跟蹤容器中的新增熱量為W2。由于兩容器及里面的元器件都一樣，兩容器的介質(zhì)比熱容C和介質(zhì)質(zhì)量m相等。因此，通過(guò)通斷參考電阻的供電，控制跟蹤容器中介質(zhì)的溫度θ2，以跟蹤被測(cè)容器中介質(zhì)的溫度θ1，使得測(cè)量容器和跟蹤容器中介質(zhì)的溫升Δθ1等于Δθ2，則被測(cè)件損耗在測(cè)量容器中的新增熱量W1，等于參考電阻損耗在跟蹤容器中的新增熱量W2，說(shuō)明了參考電阻產(chǎn)生的熱量與被測(cè)件產(chǎn)生的熱量相同，該熱量可以通過(guò)參考電阻的功率乘以時(shí)間獲得，則根據(jù)式(2)利用參考電阻產(chǎn)生的熱量與被測(cè)件的工作時(shí)間可以得到被測(cè)件的損耗，其中t1on為測(cè)量過(guò)程繼電器總的導(dǎo)通時(shí)間，t2on為被測(cè)件總工作時(shí)間。因此，該測(cè)量方法通過(guò)測(cè)量參考電阻的直流功率以獲得被測(cè)件損耗，無(wú)需測(cè)量被測(cè)件中的電參數(shù)，使得該測(cè)量方法可以用于測(cè)量高頻下被測(cè)件的損耗，且可以實(shí)現(xiàn)任意頻率下磁芯損耗的測(cè)量

(2)

式中：P1為被測(cè)件損耗；P2為參考電阻的功率。在測(cè)量損耗的過(guò)程中，參考電阻的控制策略是測(cè)量方法中最關(guān)鍵的研究?jī)?nèi)容。理論上采用滯環(huán)控制最理想，即跟蹤容器內(nèi)的溫度圍繞著測(cè)量容器內(nèi)的溫度曲線上下限進(jìn)行控制。然而容器內(nèi)溫度傳感器測(cè)得的溫度從元件加熱釋放熱量再傳導(dǎo)到介質(zhì)中需要一定時(shí)間，以及溫度傳感器和采集卡讀取到數(shù)據(jù)同樣需要一定的延時(shí)，使得滯環(huán)控制在比對(duì)量熱法中會(huì)出現(xiàn)過(guò)溫失調(diào)的情況，導(dǎo)致該方法在實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)。為此，本文采用了如圖2所示的溫度跟蹤控制策略。

圖2 溫度跟蹤過(guò)程控制圖Fig.2 Temperature tracking process control diagram

圖中ti(i=1,2,3,4,…)為參考電阻的導(dǎo)通時(shí)間，對(duì)參考電阻的控制采用兩個(gè)階段：第1階段為參考電阻保持長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間為t1。為減少測(cè)量時(shí)間，t1的值被設(shè)定為被測(cè)件與參考電阻兩者開(kāi)始導(dǎo)通的時(shí)間間隔，且在t1內(nèi)，一旦跟蹤容器介質(zhì)溫升超過(guò)測(cè)量容器溫升的1/2便立即關(guān)斷參考電阻，進(jìn)入第2階段；第2階段使用固定頻率和占空比的PWM波控制參考電阻，直至兩個(gè)容器中的溫升Δθ1與Δθ2相同，斷開(kāi)參考電阻結(jié)束測(cè)量，根據(jù)式(3)得到被測(cè)件的損耗。

(3)

式中：P1為被測(cè)件損耗；Uref為施加在參考電阻兩端的直流電壓值；Iref為參考電阻的電流；ti為測(cè)量過(guò)程繼電器第i次的導(dǎo)通時(shí)間。

進(jìn)一步，為了實(shí)現(xiàn)不同損耗的被測(cè)件損耗的自動(dòng)測(cè)量，本文對(duì)測(cè)量過(guò)程數(shù)據(jù)處理中加入了被測(cè)件損耗的預(yù)測(cè)，通過(guò)對(duì)測(cè)量容器中介質(zhì)溫升特征的分析與提取，預(yù)測(cè)被測(cè)件的損耗值，并根據(jù)計(jì)算的預(yù)估損耗調(diào)節(jié)參考電阻兩端電壓，將該預(yù)測(cè)值作為參考電阻施加功率的基準(zhǔn)值，使得裝置在不同損耗情況下都能準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)件的損耗。測(cè)量裝置的測(cè)量流程圖如圖3所示。

2 測(cè)量裝置與上位機(jī)

根據(jù)測(cè)量方法的工作原理與控制策略搭建了測(cè)量裝置，如圖4所示。整體裝置包括雙頭磁力攪拌器、測(cè)量容器、跟蹤容器、直流電源、控制器和上位機(jī)等。

圖3 測(cè)量裝置流程圖Fig.3 Flow chart of measurement system

圖4 量熱法測(cè)量裝置圖Fig.4 Device of calorimetric measurement

測(cè)量容器和跟蹤容器采用隔熱杜瓦瓶，容器中采用黏度為0.05 Pa·s的二甲基硅油作為介質(zhì)，磁力攪拌器通過(guò)磁力隔空使磁子在容器中轉(zhuǎn)動(dòng)，用以加速熱量的擴(kuò)散，容器中溫度采用高精度PT1000熱電阻(±0.5%)作為溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量，采集并記錄兩個(gè)容器內(nèi)的溫度。直流電源給參考電阻供電，參考電阻采用散熱效果較好的黃金鋁殼電阻(10 W,2 Ω,0.05%)?？刂破髦邪藴囟炔杉ā⒗^電器模塊和直流功率采集模塊，每個(gè)模塊通過(guò)RS485與上位機(jī)通訊，采用Modbus-RTU作為通信協(xié)議，將上位機(jī)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)回傳。上位機(jī)工作流程如圖5所示。

測(cè)量裝置中溫度采集卡、功率采集卡對(duì)介質(zhì)的溫度和參考電阻的直流功率進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，將采集到的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)進(jìn)行處理，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果和圖2中控制策略，上位機(jī)發(fā)送控制指令控制繼電器對(duì)被測(cè)件及參考電阻進(jìn)行通斷操作，從而實(shí)現(xiàn)跟蹤容器中介質(zhì)的溫度可以跟蹤被測(cè)件容器中介質(zhì)溫度的目的，從而建立起整套的上位機(jī)測(cè)控裝置。整個(gè)測(cè)量過(guò)程數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和控制均通過(guò)上位機(jī)自行處理，根據(jù)測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)、參考電阻的功率數(shù)據(jù)以及工作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)件損耗的測(cè)量。

圖5 上位機(jī)工作流程圖Fig.5 Working flow chart of upper computer

由于熱量傳導(dǎo)需要一定的時(shí)間，在被測(cè)件工作一段時(shí)間后方可得到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的預(yù)估損耗值，參考電阻導(dǎo)通關(guān)斷循環(huán)的時(shí)間也由介質(zhì)熱量擴(kuò)散速度以及溫度傳感器延遲決定。經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試和調(diào)試，在固定頻率階段，選擇30 s作為一個(gè)周期，導(dǎo)通時(shí)間為10 s。測(cè)量裝置將測(cè)量跟蹤容器中參考電阻的功率作為被測(cè)件的損耗，在上位機(jī)界面顯示測(cè)量的結(jié)果和兩個(gè)容器的溫度跟蹤過(guò)程。

3 誤差分析

由測(cè)量原理可知，文中提出的測(cè)量裝置的測(cè)量精度受以下因素的影響：(1)溫度傳感器讀取溫度過(guò)程存在延時(shí)；(2)熱量在介質(zhì)中的擴(kuò)散時(shí)間及杜瓦瓶中存在溫度不均的情況；(3)兩容器工作環(huán)境不一致；(4)跟蹤容器的溫度高于測(cè)量容器時(shí)，測(cè)量過(guò)程過(guò)溫失調(diào)。

本測(cè)量裝置溫度傳感器采用PT1000熱電阻，測(cè)量誤差為±0.5%，精度高于PT100熱電阻，但PT1000熱電阻的溫度變化相較于PT100熱電阻存在更高的延時(shí)性，這也導(dǎo)致在測(cè)量過(guò)程中若溫度上升過(guò)快，容易發(fā)生實(shí)際溫度已遠(yuǎn)超過(guò)上位機(jī)接收溫度的情況，從而使得跟蹤容器溫度過(guò)高導(dǎo)致失調(diào)，后續(xù)難以通過(guò)控制參考電阻達(dá)到兩者穩(wěn)定同溫的目的。

為此，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度傳感器的延時(shí)，并在控制策略中將其影響消除。將溫度傳感器和一根精度為0.1 ℃的標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)放入容器中相近的位置并開(kāi)啟磁力攪拌器，觀察水銀溫度計(jì)和PT1000熱電阻兩者在溫度上升0.1 ℃時(shí)的時(shí)間差，經(jīng)過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)后，得到PT1000熱電阻的延時(shí)在12～15 s。針對(duì)此延時(shí)問(wèn)題，通過(guò)第2階段PWM控制策略中的時(shí)間間隔給予消除，即只要在第2階段參考電阻停止加熱的時(shí)間大于15 s，即可消除該延時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

對(duì)測(cè)量裝置的保溫性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在一定室溫下，對(duì)測(cè)量裝置介質(zhì)溫度在20～50 ℃范圍進(jìn)行測(cè)量，溫度穩(wěn)定后的8 min內(nèi)的溫度變化≤0.1 ℃。因此，測(cè)量過(guò)程控制策略第2階段的間斷加熱過(guò)程在8 min之內(nèi)，測(cè)量精度受容器保溫性能的影響可以忽略不計(jì)。

為了加快容器中熱量的擴(kuò)散速度，對(duì)不同黏度的二甲基硅油進(jìn)行測(cè)試。將容器分為上中下3個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域分別放置1個(gè)溫度傳感器，觀察溫度的擴(kuò)散速度，記錄下3個(gè)溫度傳感器溫度一致時(shí)所需要時(shí)間。實(shí)驗(yàn)證明，使用黏度較低的二甲基硅油時(shí)，容器在加熱過(guò)程中溫度的擴(kuò)散速度較快，3個(gè)溫度傳感器溫度一致所花費(fèi)的時(shí)間較短。因此，在本測(cè)量裝置中，選擇黏度為0.05 Pa·s的二甲基硅油作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，3個(gè)傳感器溫度一致時(shí)間為30 s。

測(cè)量裝置須保證跟蹤容器中的環(huán)境與測(cè)量容器中的一致，這意味著兩個(gè)容器中的設(shè)備、設(shè)備擺放的位置以及液體介質(zhì)體積均需要一致。實(shí)驗(yàn)前對(duì)測(cè)量環(huán)境進(jìn)行一次測(cè)試，在兩個(gè)容器中對(duì)同樣的元件施加相同的激勵(lì)，觀察兩容器中介質(zhì)溫度變化過(guò)程溫度曲線是否平行，若溫度曲線斜率不一致，通過(guò)調(diào)整熱源與傳感器的距離，直至溫度曲線呈平行上升狀態(tài)，即能克服該測(cè)量方法因?qū)嶒?yàn)容器中環(huán)境不同造成的影響。所研究的測(cè)量方法是通過(guò)控制參考電阻通路中的繼電器，使得跟蹤容器中介質(zhì)溫度可以跟蹤被測(cè)件容器中介質(zhì)的溫度，溫度始終處于上升階段直至平衡，然而，被測(cè)件停止工作后，一旦參考電阻加熱時(shí)間控制不好，會(huì)使得跟蹤容器中的溫度大于測(cè)量容器內(nèi)的溫度，即發(fā)生了溫度過(guò)高失調(diào)的情況，則跟蹤失敗，實(shí)驗(yàn)無(wú)法獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。為此，本文采用了兩個(gè)階段的控制策略，且第2階段導(dǎo)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間充分考慮溫度傳感器延遲和熱量擴(kuò)散兩者的影響，設(shè)定合理的開(kāi)關(guān)時(shí)間，使跟蹤容器中的溫升值與測(cè)量容器中的溫升值達(dá)到一致時(shí)，此時(shí)溫度便不再上升，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)束,從而避免了溫度跟蹤失調(diào)的情況。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)建立的測(cè)量裝置進(jìn)行其測(cè)量精度的驗(yàn)證。本文采用黃金鋁殼電阻(10 W,2 Ω,0.05%)作為被測(cè)件和參考電阻進(jìn)行驗(yàn)證，模擬被測(cè)件在10 W及以下的損耗情況，被測(cè)件的勵(lì)磁采用直流電源以便驗(yàn)證本文開(kāi)發(fā)的量熱法實(shí)驗(yàn)裝置的精度。為了驗(yàn)證量熱測(cè)量方法和裝置中新加入的損耗預(yù)測(cè)算法的有效性，以及考慮被測(cè)件在不同損耗范圍的精確度問(wèn)題，本文采用了3個(gè)實(shí)驗(yàn)方案:(1)1～10 W損耗的被測(cè)件，其工作時(shí)間t2on為5 min，控制方法中無(wú)損耗預(yù)測(cè)算法；(2)1～10 W損耗的被測(cè)件，其工作時(shí)間t2on為5 min，控制方法中采用了損耗預(yù)測(cè)算法；(3) 0.5 ～5 W損耗的被測(cè)件，其工作時(shí)間t2on為10 min，控制方法中采用了損耗預(yù)測(cè)算法。圖6為測(cè)量過(guò)程中的上位機(jī)界面，界面中體現(xiàn)了跟蹤容器中介質(zhì)溫度跟蹤測(cè)量容器中介質(zhì)溫度的情況，以及具體的測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖6 上位機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量Fig.6 Experimental measurement by upper computer

首先，對(duì)測(cè)量方法和裝置中不使用損耗預(yù)測(cè)算法情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中被測(cè)件的工作時(shí)間t2on為5 min，表1為無(wú)損耗預(yù)測(cè)時(shí)不同損耗的測(cè)量結(jié)果，表中Uref和Iref分別為參考電阻電壓和電流，Uc和Ic分別為被測(cè)件直流電壓和電流，t為從被測(cè)件損耗開(kāi)始測(cè)量到參考電阻跟蹤結(jié)束的實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，Pct為根據(jù)式(4)得到被測(cè)件損耗，t2on為被測(cè)件導(dǎo)通時(shí)間，Pc由Uc和Ic計(jì)算獲得的被測(cè)件直流功率，t1on為參考電阻總的工作時(shí)間，“—”表示實(shí)驗(yàn)過(guò)程參考電阻容器中介質(zhì)溫度無(wú)法跟蹤被測(cè)件容器中介質(zhì)的溫度，溫度跟蹤失敗，無(wú)法準(zhǔn)確獲得被測(cè)件的損耗。沒(méi)有對(duì)被測(cè)件損耗進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，參考電阻只能以固定功率進(jìn)行加熱跟蹤，且采用兩個(gè)階段的控制策略，實(shí)驗(yàn)中參考電阻施加恒定的3.47 V直流電壓激勵(lì)，即參考電阻在實(shí)驗(yàn)中以5.09 W功率進(jìn)行跟蹤測(cè)試。

從表1中可以看出，參考電阻功率遠(yuǎn)大于被測(cè)件功率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生跟蹤容器中介質(zhì)溫升速度遠(yuǎn)大于測(cè)量容器中介質(zhì)溫升速度的情況，由于溫度傳感器獲得的溫度與被測(cè)件和參考電阻實(shí)際溫度存在一定的延時(shí)，此時(shí)容易發(fā)生測(cè)量裝置失調(diào)現(xiàn)象，或者由于兩者溫升趨勢(shì)差異較大導(dǎo)致無(wú)法控制兩者的溫升Δθ1等于Δθ2溫度一致，導(dǎo)致測(cè)量誤差E較大的問(wèn)題。若參考電阻功率遠(yuǎn)小于被測(cè)件的損耗，參考電阻的工作時(shí)間需要更長(zhǎng)的時(shí)間，才能使得跟蹤容器介質(zhì)溫度可以準(zhǔn)確地跟蹤被測(cè)件容器介質(zhì)的溫度，該段時(shí)間會(huì)超過(guò)容器穩(wěn)定溫度時(shí)間8 min的上限值，從而使得測(cè)量誤差E增大。因此，無(wú)損耗預(yù)測(cè)算法時(shí)，跟蹤量熱測(cè)量法難以自動(dòng)測(cè)量寬損耗范圍的被測(cè)件的損耗。

表1 無(wú)損耗預(yù)測(cè)算法的損耗測(cè)量(t2on=5 min)Tab.1 Accuracy verification of DUT conduction without pre-estimation

為此，本文在采用兩個(gè)階段控制策略的基礎(chǔ)上，引入了被測(cè)件損耗的預(yù)測(cè)算法，使得裝置可以根據(jù)被測(cè)件的損耗大小調(diào)節(jié)參考電阻的功率。表2為具有損耗預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，被測(cè)件工作時(shí)間為5 min，實(shí)驗(yàn)的最大誤差Emax為2.20%。

與上文無(wú)損耗預(yù)測(cè)算法的實(shí)驗(yàn)相比，在增加損耗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)后，失調(diào)現(xiàn)象消失，實(shí)驗(yàn)時(shí)間大幅度縮短，且測(cè)量裝置的精度也提高了。

表2 具有損耗預(yù)測(cè)的損耗測(cè)量(t2on=5 min)Tab.2 Accuracy verification of the measuring system with pre-estimation

圖7為不同損耗P下有無(wú)損耗預(yù)測(cè)算法的誤差E情況?？芍蓄A(yù)測(cè)功能的測(cè)量裝置精度與穩(wěn)定性皆有大幅提升，同時(shí)，分階段的PWM控制策略與損耗預(yù)測(cè)相結(jié)合，能夠使得該測(cè)量裝置在測(cè)量小損耗時(shí)不會(huì)發(fā)生過(guò)溫失調(diào)的情況，且能夠?qū)⒄`差始終控制在可接受的范圍內(nèi)。

進(jìn)一步，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)更小損耗被測(cè)件的測(cè)量。進(jìn)行了被測(cè)件工作時(shí)間為10 min的實(shí)驗(yàn)，表3為測(cè)量過(guò)程具有損耗預(yù)測(cè)功能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，測(cè)試的最小功率為0.5 W，最大功率為5 W。圖8為測(cè)量裝置測(cè)量不同損耗范圍的誤差值。根據(jù)表3和圖8可知，當(dāng)被測(cè)件導(dǎo)通時(shí)間為10 min時(shí)，實(shí)驗(yàn)中最大的絕對(duì)誤差值為62.0 mW，誤差E為2.49%，因此，測(cè)量小損耗時(shí)，本裝置的測(cè)量精度也足夠高。

表3 具有損耗預(yù)測(cè)的損耗測(cè)量(t2on=10 min)Tab.3 10-minute accuracy verification of the measuring system

P/W圖7 不同損耗下測(cè)量裝置的誤差情況Fig.7 Error of measurement device at different losses

P/W圖8 小損耗測(cè)量裝置的誤差情況Fig.8 Error of measurement device at smaller losses

5 結(jié)論

本文研究了一種改進(jìn)的量熱測(cè)量方法和測(cè)量裝置，能夠精確測(cè)量0.5～10 W的被測(cè)件損耗，尤其適用于高頻磁元件損耗的測(cè)量。本文采用LabVIEW建立了具有人機(jī)交互功能的自動(dòng)測(cè)量裝置，并通過(guò)溫度跟蹤的方法獲得被測(cè)件的損耗；提出了被測(cè)件損耗預(yù)估的方法和兩個(gè)不同階段的控制策略，使得裝置能夠根據(jù)被測(cè)件損耗的大小調(diào)整參考電阻的跟蹤功率，相較于其他的量熱測(cè)量法，解決了不同被測(cè)件損耗與參考電阻功率不匹配導(dǎo)致跟蹤失調(diào)的問(wèn)題，加快了量熱測(cè)量裝置的測(cè)量速度，測(cè)量精度亦得以提高。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)量裝置的功能和精度，確保了此裝置測(cè)量的準(zhǔn)確性。

后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)估損耗的評(píng)估方法，或?qū)⒈粶y(cè)件勵(lì)磁參數(shù)與合適的損耗模型引入測(cè)量裝置中，使其盡可能成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在無(wú)需對(duì)測(cè)量容器進(jìn)行定標(biāo)的情況下完成在不同勵(lì)磁工況下對(duì)被測(cè)件的預(yù)估，從而加快測(cè)量過(guò)程。