張 勇，肖 城，孫萬里，顧 凱，何 焱

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；

2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；

3.四川省水文水資源勘測局，四川 成都 610036）

一種適應(yīng)熱帶高溫地區(qū)的遙測野外機(jī)箱的改良設(shè)計(jì)

張 勇1，2，肖 城1，2，孫萬里1，2，顧 凱1，2，何 焱3

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；

2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；

3.四川省水文水資源勘測局，四川 成都 610036）

熱帶地區(qū)氣溫高、太陽輻射強(qiáng)，使得野外遙測設(shè)備機(jī)箱內(nèi)部溫度升高，較高的環(huán)境溫度對遙測站設(shè)備的可靠性及功能和壽命都會產(chǎn)生不利影響。在常規(guī)遙測機(jī)箱的基礎(chǔ)上改良設(shè)計(jì)帶隔熱層和通風(fēng)窗的機(jī)箱，利用自然通風(fēng)散熱，不僅有效阻擋太陽光的直射，還可增加機(jī)箱內(nèi)的空氣流動，降低野外機(jī)箱內(nèi)部溫度，機(jī)箱內(nèi)遙測設(shè)備工作在較好的工作環(huán)境中。應(yīng)用實(shí)踐表明改良設(shè)計(jì)的機(jī)箱完全可以降低機(jī)箱內(nèi)溫度，可以在高溫地區(qū)使用。

熱帶；高溫地區(qū)；遙測設(shè)備；野外機(jī)箱；隔熱層；溫度降低

熱帶地區(qū)氣溫高，在熱帶地區(qū)建設(shè)水文自動測報(bào)系統(tǒng)，野外自動遙測站工作環(huán)境十分惡劣。隨著遙測終端機(jī)的集成度及設(shè)備組裝密度的逐漸提高，設(shè)備體積日益減小，致使電路板單位表面熱流密度增大。隨著溫度的增加，元器件的失效率將呈指數(shù)增長，降低了設(shè)備的可靠性。為保證熱帶高溫地區(qū)的野外遙測終端的正常使用，在原先遙測機(jī)箱的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了適應(yīng)高溫地區(qū)濕熱環(huán)境的遙測野外機(jī)箱，可以有效降低機(jī)箱內(nèi)部溫度，保證機(jī)箱內(nèi)各種設(shè)備工作的穩(wěn)定性和可靠性。

1 野外機(jī)箱的設(shè)計(jì)背景

1.1 熱帶氣候環(huán)境

熱帶高溫地區(qū)最顯著的特點(diǎn)是全年氣溫較高，四季界限不明顯。在這一區(qū)域內(nèi)，由于地表及降水的不同，熱帶氣候又反映出不同的特點(diǎn)。熱帶地區(qū)，氣溫很高，夏季日照下平均氣溫在 35℃ 以上，極端氣溫甚至超過 44℃。

根據(jù)水文自動測報(bào)系統(tǒng)觀測規(guī)范要求，建設(shè)的遙測站附近必須無遮擋，在強(qiáng)烈的太陽輻射和較高氣溫的共同作用下，通過遙測站設(shè)備常規(guī)機(jī)箱外殼和開敞的百葉窗口，大量的熱量傳進(jìn)機(jī)箱內(nèi)，使得無防護(hù)的機(jī)箱內(nèi)溫度最高超過 50℃。

1.2 高溫帶來的問題

戶外環(huán)境下，濕熱的條件對電子設(shè)備的可靠性及設(shè)備的功能和壽命都產(chǎn)生很大影響。高溫高濕對大氣污染物起著催化作用；高濕會提高化學(xué)顆粒的活性，水汽吸附于物體表面，還會通過擴(kuò)散、滲透等方式進(jìn)入電路板材料內(nèi)部；高溫則會加快鹽霧和砂塵引起的腐蝕；同時(shí)溫度和濕度又是霉菌生成的關(guān)鍵因素。

在遙測站常會出現(xiàn)如下問題：

1）常規(guī)遙測終端機(jī)使用環(huán)境條件為 -10～+ 45℃[1]，遙測站設(shè)備的工作溫度為 -10～+45℃[2]。在陽光的照射下，遙測站野外機(jī)箱表面溫度非常高，野外機(jī)箱內(nèi)部溫度將會超過 50℃，長時(shí)間的高溫環(huán)境會使得機(jī)箱內(nèi)的數(shù)據(jù)采集終端機(jī)、通訊模塊、蓄電池、太陽能充電控制器等設(shè)備工作不穩(wěn)定，甚至停止工作。

2）高的濕度易導(dǎo)致設(shè)備元器件的短路，從而造成設(shè)備損壞，影響整個(gè)遙測系統(tǒng)考核運(yùn)行效果，甚至使得系統(tǒng)不能按時(shí)驗(yàn)收。

3）長時(shí)間的高溫高濕環(huán)境會使機(jī)箱內(nèi)的電子設(shè)備工作壽命降低，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用增加。

2 野外機(jī)箱的改良設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

野外機(jī)箱的改良設(shè)計(jì)原理是利用隔熱層有效阻擋太陽光的直射，利用自然通風(fēng)散熱，增加機(jī)箱內(nèi)的空氣流動，使得野外機(jī)箱內(nèi)部溫度降低。

本設(shè)計(jì)采用自然散熱方式，在左右兩側(cè)設(shè)有外側(cè)隔熱板，外側(cè)隔熱板和內(nèi)側(cè)壁面之間留有空間可以通風(fēng)散熱；在機(jī)箱內(nèi)側(cè)壁面設(shè)有出風(fēng)口，另一側(cè)設(shè)有進(jìn)風(fēng)口；在機(jī)柜頂部采用雙層隔熱設(shè)計(jì)，這樣可以有效阻止太陽直射，使自然散熱能力有效提升，有效解決高溫問題，同時(shí)可以滿足通信設(shè)備對防水、防塵、防鹽霧的需求，有效控制機(jī)柜內(nèi)部的相對濕度。機(jī)箱頂部、內(nèi)部通風(fēng)散熱示意圖分別如圖1 和 2 所示。

圖2 機(jī)箱內(nèi)部通風(fēng)散熱示意圖

2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

野外設(shè)備機(jī)箱要堅(jiān)固和防銹；外型設(shè)計(jì)美觀、大方，外形比例應(yīng)協(xié)調(diào)；表面有一定的圓度、平行度、平面度，表面粗糙度要較低；機(jī)柜門采用適合野外的內(nèi)嵌式防盜鎖扣；箱體內(nèi)部布置做到整潔、緊湊。

2.2.1 機(jī)箱尺寸確定

設(shè)計(jì)的野外機(jī)箱箱體尺寸為 500 mm×240 mm ×540 mm，完全滿足野外遙測站點(diǎn)設(shè)備和模塊（遙測終端機(jī)、蓄電池、太陽能充電控制器、通訊模塊等）的安放。

2.2.2 材料選擇

不銹鋼材料不易產(chǎn)生腐蝕、點(diǎn)蝕、銹蝕或磨損，304 不銹鋼材料的金屬制品耐高溫，加工性能好，所以箱體、支架等部件采用 304 不銹鋼材料，厚度為 2 mm，這樣設(shè)備機(jī)箱既有足夠的堅(jiān)固性和輕便性，又具有良好的防水、防塵、防振性能。

2.2.3 頂部設(shè)計(jì)

機(jī)箱增加一層隔熱板，必須單獨(dú)放置在機(jī)箱頂部，隔熱板高度為 5 cm，四周全部開孔通風(fēng)。在機(jī)箱頂部設(shè)計(jì)隔熱層，這樣可形成空氣流通的間層，利用間層通風(fēng)，排走一部分熱量，使機(jī)箱頂部形成二次排熱，以降低傳至機(jī)箱頂內(nèi)表面的溫度。經(jīng)測試表明，其降溫效果有顯著的提高。

2.2.4 通風(fēng)窗設(shè)計(jì)

為了散熱，必須要在機(jī)箱的左右兩側(cè)合適的位置增加通風(fēng)窗。根據(jù)測定，當(dāng)窗戶開口寬度為 1/3～2/3 時(shí)，開口大小為總面積的 15%～25% 時(shí)，通風(fēng)效果最佳。經(jīng)過計(jì)算確定側(cè)面開孔寬度為 80 mm，高度為 100 mm。通風(fēng)窗考慮防蟲問題，里面應(yīng)增加鐵絲網(wǎng)防護(hù)。

2.2.5 側(cè)面設(shè)計(jì)

機(jī)箱的左右兩側(cè)也是受到太陽輻射比較強(qiáng)烈的地方，所以在機(jī)箱左右兩側(cè)面增加隔熱擋板。為了有效通風(fēng)散熱，隔熱板與機(jī)箱間距設(shè)計(jì)為 50 mm。

因野外遙測站點(diǎn)的太陽能板都是朝南安裝的，所以機(jī)箱箱門一般設(shè)計(jì)為朝北打開，因此機(jī)箱門一側(cè)就不需要考慮安裝隔熱板了。

2.2.6 背面設(shè)計(jì)

機(jī)箱的背面設(shè)計(jì)放置太陽能板，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，太陽能板具有隔熱板功能。

2.2.7 底部設(shè)計(jì)

在高溫環(huán)境下，地面溫度會很高，所以機(jī)箱底部不能直接放置在地面上。為此在機(jī)箱底部增加 4 個(gè)支撐部件，高度達(dá)到 100 mm，這樣機(jī)箱底部也達(dá)到通風(fēng)散熱的目的。

2.2.8 外表處理

由于不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為 16 W/（m?K），屬于熱量的良導(dǎo)體，所以必須在機(jī)箱外表面進(jìn)行噴漆處理，這樣可以減少太陽輻射造成的集熱。

野外機(jī)箱設(shè)計(jì)圖如圖3 所示（圖中尺寸單位為mm）。

圖3 野外機(jī)箱設(shè)計(jì)圖

3 野外機(jī)箱的應(yīng)用實(shí)例

改良設(shè)計(jì)的野外遙測機(jī)箱在印度奧里薩邦地區(qū)得到了實(shí)際應(yīng)用的檢驗(yàn)。印度奧里薩邦地區(qū)是全球最熱的地區(qū)之一，由于整個(gè)邦坐落于熱帶地區(qū)，氣候炎熱，特別是在 4，5 月期間，平均日最高氣溫超過 40℃，該地區(qū)是檢驗(yàn)這種野外設(shè)備機(jī)箱隔熱效果的理想場所。

3.1 機(jī)箱安裝

奧里薩邦所有的河流流域安裝了 64 個(gè)自動遙測雨量站、20 個(gè)水庫河道水位遙測站及 23 個(gè)自動氣象站（監(jiān)測雨量、濕度、溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、太陽輻射、大氣壓等）。這 107 個(gè)野外遙測站點(diǎn)全部采用改良設(shè)計(jì)的野外機(jī)箱，遙測站野外機(jī)箱基本上都是內(nèi)部安裝遙測終端機(jī)、GPRS 通訊模塊、太陽能充電控制器、蓄電池等設(shè)備；機(jī)箱頂部安裝了雨量計(jì)；機(jī)箱朝南面安裝了太陽能電池板。

3.2 機(jī)箱降溫效果

經(jīng)過在奧里薩邦 5 月上旬至 6 月上旬的連續(xù)1 個(gè)月高溫（氣象臺預(yù)報(bào)最高氣溫平均為 42℃）的考驗(yàn)，各遙測站的所有設(shè)備工作正常，中心站數(shù)據(jù)接收也正常。

為了驗(yàn)證野外機(jī)箱的實(shí)際降溫效果，選取了2014 年 5 月 21 日白天日照強(qiáng)烈時(shí)間段（8:00—17:00），人工進(jìn)行機(jī)箱內(nèi)外溫度的比測，比測得到的機(jī)箱內(nèi)外溫度如表1 所示。

表1 機(jī)箱內(nèi)外溫度表 ℃

表1 實(shí)測數(shù)據(jù)表明：機(jī)箱內(nèi)的溫度比室外大約降低了 16.93%，符合水文遙測設(shè)備工作的溫度條件。

4 結(jié)語

經(jīng)過改良設(shè)計(jì)的遙測野外機(jī)箱通過工程的實(shí)際應(yīng)用，能明顯檢測到在高溫環(huán)境下，機(jī)箱內(nèi)部的溫度依舊保持在設(shè)備理想的工作范圍內(nèi)。

經(jīng)過工藝改良設(shè)計(jì)的機(jī)箱只是比普通機(jī)箱增加了隔熱層和通風(fēng)窗，就能使得機(jī)箱內(nèi)部溫度保持在較理想的狀態(tài)。這種野外機(jī)箱具有設(shè)計(jì)工藝簡單、生產(chǎn)成本低、降溫效果明顯的優(yōu)點(diǎn)，完全可以在高溫地區(qū)推廣使用。

[1] 水利部機(jī)械局.SL/T 180-1996 水文自動測報(bào)系統(tǒng)設(shè)備遙測終端機(jī)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，1996: 2.

[2] 中華人民共和國水利部.SL 61-2003 水文自動測報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范 [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003: 9.

Improved Design on Remote Sensing Cabinet Adapting to Tropical Hot Area

ZHANG Yong1,2, XIAO Cheng1,2, SUN Wanli1,2, GU Kai1,2，HE Miao3

(1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
2.Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
3.Bureau of Sichuan Hydrology and Water Resources Survey, Chengdu 610036, China)

High temperature and strong solar radiation in tropical area always lead to temperature increase within the cabinet, which could exert adverse effects on stability, functions and service life of equipment inside.Added heat insulation layer and ventilation window can reduce strong sunlight, increase heat divergence and airflow within the cabinet in such a way to decrease the temperature within the cabinet.In addition, this newly designed cabinet is proved to be able to bring down temperature inside and can be widely used in hot areas.

tropical district; hot area; telemetry equipment; cabinet; heat insulation layer; temperature reduction

TP873

A

1674-9405(2014)04-0044-04

2014-06-06

水利部科技推廣計(jì)劃項(xiàng)目（TG1313）資助

張 勇（1979－），男，江蘇啟東人，工程師，主要從事水情自動測報(bào)系統(tǒng)研究工作。