一種可控恒壓強(qiáng)條件下真空玻璃傳熱系數(shù)測(cè)量?jī)x研制

張 磊, 寧 鐸, 劉 偉, 金 巖

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

眾所周知，世界能源緊缺，節(jié)能減排已成為世界各國(guó)未來(lái)研究與發(fā)展的主題.真空玻璃[1,2]作為優(yōu)良的隔熱保溫材料受到了廣泛地關(guān)注，而對(duì)于真空玻璃隔熱性能的主要參數(shù)——傳熱系數(shù)K的測(cè)量也就成為了研究焦點(diǎn)[3].

對(duì)于測(cè)量真空玻璃的傳熱系數(shù)K，國(guó)標(biāo)JC/T1079-2008[4]中規(guī)定的真空玻璃的傳熱系數(shù)的檢測(cè)方法，理論上雖然能夠很好地實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)量，但在實(shí)際測(cè)量中卻并沒(méi)有明確規(guī)定冷、熱板與被測(cè)真空玻璃表面的壓強(qiáng)接觸是否在某一恒定壓強(qiáng)下進(jìn)行測(cè)量.實(shí)際上該壓強(qiáng)對(duì)于冷熱板中的測(cè)量頭與被測(cè)樣板真空玻璃兩面的接觸程度、測(cè)量板本身的形變以及接觸處表面的空氣殘留量等都有很大影響，并直接影響了測(cè)量結(jié)果，使得同一塊真空玻璃傳熱系數(shù)K在不同壓強(qiáng)下的測(cè)量結(jié)果會(huì)不同.

因此，急切需要測(cè)量中提供一定的壓強(qiáng)參數(shù)作為橫向比較的參照，本文中儀器研制的目的就是提供一套限定范圍內(nèi)指定恒定壓強(qiáng)條件下真空玻璃傳熱系數(shù)的測(cè)量?jī)x.

在研制過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)真空玻璃分別與冷板和熱板接觸面之間的壓強(qiáng)對(duì)于真空玻璃傳熱系數(shù)的測(cè)量結(jié)果有較大的影響，主要影響因素分析如下：

(1)溫度傳感器采集數(shù)據(jù)值與真空玻璃接觸表面的緊密度有關(guān).接觸越緊密，采集的就越接近真空玻璃表面的溫度真值，從而采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)也較為準(zhǔn)確.

(2)測(cè)量板與真空玻璃和標(biāo)準(zhǔn)板間的殘余氣體量也是影響因素之一.在測(cè)量過(guò)程中，真空玻璃表面與測(cè)量頭表面接觸時(shí)殘余空氣的多少會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，在相同溫度等條件下，壓強(qiáng)越大，兩表面接觸越緊密，測(cè)量值越接近準(zhǔn)確值.

以上因素綜合起來(lái)，會(huì)造成同一塊真空玻璃在不同的壓強(qiáng)條件下，得到不同的測(cè)量結(jié)果.所以，必須保證不壓壞待測(cè)真空玻璃的前提(由于真空玻璃型號(hào)不同，耐壓強(qiáng)值也不同，壓強(qiáng)條件要求也不同.實(shí)際為了利于控制，必須限定范圍的最大值需小于該耐壓強(qiáng)值)，這就要求在限定的壓強(qiáng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)指定的壓強(qiáng)條件，并且由于在測(cè)量過(guò)程中有冷熱板的加熱和制冷要求，會(huì)造成真空玻璃等的熱漲和冷縮現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致其壓強(qiáng)有所變化，故采用負(fù)反饋的閉環(huán)回路來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量過(guò)程中的恒壓強(qiáng)條件.

1 可控恒壓強(qiáng)原理

根據(jù)國(guó)標(biāo)JC/T1079-2008，真空玻璃熱導(dǎo)的測(cè)量采用熱流法原理[5]，忽略了殘余氣體的熱導(dǎo)，直接測(cè)量真空玻璃中心部位的熱導(dǎo)值，然后用理論研究的公式計(jì)算出真空玻璃傳熱系數(shù)K.

為達(dá)到冷熱板、同心緩沖隔離環(huán)與待測(cè)真空玻璃表面緊密的貼合，實(shí)現(xiàn)接觸面壓強(qiáng)的可控，可通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速細(xì)分驅(qū)動(dòng)、可控恒壓強(qiáng)控制電路等綜合方式的結(jié)合.其主要的核心任務(wù)是步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制和細(xì)分驅(qū)動(dòng)，這是因?yàn)榇郎y(cè)真空玻璃材料的特殊要求，壓強(qiáng)控制必須要變化速度慢，單步變化量要小，并且盡可能在限定范圍內(nèi)沒(méi)有超調(diào)量，才能實(shí)現(xiàn)壓強(qiáng)參數(shù)精密控制.

但是實(shí)際上在上述的上下壓板以及連接機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件等都具有鋼性特點(diǎn)，且因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)變換量是固定步長(zhǎng)的整數(shù)倍數(shù)，故僅采用步進(jìn)電機(jī)慢速微調(diào)是很難實(shí)現(xiàn)限定范圍內(nèi)指定的壓強(qiáng)條件.在限定范圍內(nèi)壓強(qiáng)最大值附近的調(diào)控過(guò)程中，會(huì)發(fā)生因?yàn)閷?shí)際上機(jī)械機(jī)構(gòu)偏差等不可控制因素影響，使得在冷熱板與真空玻璃已經(jīng)接觸時(shí)，步進(jìn)電機(jī)變化量往往還有剩余非整數(shù)倍步長(zhǎng)量，步進(jìn)電機(jī)若要完成最后完整的步長(zhǎng)變化，就會(huì)迫使剛性真空玻璃產(chǎn)生形變，易發(fā)生由于壓力過(guò)大造成真空玻璃破碎或者驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)受力過(guò)大而損壞的情況.

所以，從機(jī)械設(shè)計(jì)方面考慮，在熱板的下方均勻?qū)ΨQ放置四個(gè)彈性系數(shù)K較大的相同彈簧，受到壓力后產(chǎn)生相應(yīng)收縮形變來(lái)抵消剩余的步長(zhǎng)量，可起到保護(hù)真空玻璃的作用，從而完成壓強(qiáng)的調(diào)控.

選擇步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，主要因?yàn)樗軐?shí)現(xiàn)精確位移、精確定位、且無(wú)累積誤差.但開環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行速度范圍寬、負(fù)載大小變化頻繁的場(chǎng)合，很容易失步，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)趨于失控，并且因?yàn)榇郎y(cè)真空玻璃材料的要求，所以必須在控制系統(tǒng)中加入反饋環(huán)節(jié)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng).如圖1所示.

圖1 步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制

為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的高精度控制，理論上利用一種SPWM控制算法[6]，即采用等面積雙極性調(diào)制的控制，對(duì)三相步進(jìn)電機(jī)定子繞組電流進(jìn)行正弦細(xì)分，選擇合適的區(qū)段數(shù)和每個(gè)區(qū)段的等寬脈沖個(gè)數(shù)，達(dá)到步進(jìn)電機(jī)步距角的等步距、高精度細(xì)分.

該控制算法為將繞阻電流中的一相正弦周期等分成若干區(qū)段，但由于繞阻電流三相正弦波的兩兩之間的相位差為120°，所以這些分成區(qū)段總數(shù)應(yīng)是6的倍數(shù).設(shè)每一區(qū)段總數(shù)為S，這時(shí)每個(gè)區(qū)段可以用若干等寬脈沖N等效，而此時(shí)的脈沖寬度tk計(jì)算方法如下：

(1)

(2)

(3)

式中，T為功率開關(guān)器件的開關(guān)周期；Ud為逆變器輸入的直流電壓強(qiáng)值；S為區(qū)段的總數(shù)；ωt1和ωt2為每一段的起始時(shí)間及終了時(shí)間；Um為合成正弦幅值；M為調(diào)制系數(shù).

此時(shí)在固定的時(shí)序下，三相步進(jìn)電機(jī)通入三相對(duì)稱的接替正弦電流，而在一個(gè)周期內(nèi)的細(xì)分?jǐn)?shù)W計(jì)算公式：

W=S×N

(4)

若步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)為C，三相電機(jī)的最大細(xì)分?jǐn)?shù)Xmax計(jì)算公式為：

Xmax=S×N×C=W×C

(5)

則三相步進(jìn)電機(jī)的最小步距角θmin計(jì)算公式如下：

(6)

理論上選擇不同的S和N值，基本上可以得到允許范圍內(nèi)任意步距角，但實(shí)際上若細(xì)分?jǐn)?shù)過(guò)密，計(jì)算量過(guò)大，需要更高級(jí)的計(jì)算和存儲(chǔ)系統(tǒng)，使得儀器的性價(jià)比急劇下降.

選擇S和N值原則：S必須是6的偶數(shù)倍以保證獲得的SPWM波正負(fù)半周對(duì)稱，N的脈沖寬度不應(yīng)過(guò)細(xì)，使得細(xì)分?jǐn)?shù)過(guò)高不利于實(shí)際控制實(shí)現(xiàn).

由于采用8位單片機(jī)控制芯片，理論上S的最大值可以取到252，而N的最大值可以取到255，此時(shí)采用齒數(shù)C為50，代入上式(6)，可以得到θmin=0.000 112°，精度非常高，非常適合控制玻璃這種易碎品的加壓強(qiáng)控制.但實(shí)際儀器設(shè)計(jì)中尚用不到這么高的精度，并且由于機(jī)械設(shè)計(jì)以及傳動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)電路效果等綜合因素的各種影響，實(shí)際系統(tǒng)達(dá)到的效果較低，但足以達(dá)到儀器要求的0.001°左右.

2 真空玻璃傳熱系數(shù)測(cè)量?jī)x的整體設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)包括冷熱板恒溫控制模塊、可控恒壓強(qiáng)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等.各個(gè)模塊之間關(guān)系如圖2所示.

圖2 控制系統(tǒng)模塊圖

(1)冷熱板恒溫控制模塊：冷板和熱板分別控制在國(guó)標(biāo)要求范圍內(nèi)的10 ℃和40 ℃，冷板、熱板和測(cè)量頭的溫度穩(wěn)定在±0.01 ℃內(nèi).

如圖3所示儀器中主要采用專業(yè)驅(qū)動(dòng)芯片IR2110驅(qū)動(dòng)IGBT，實(shí)現(xiàn)溫度控制模塊的開關(guān)功能，控制信號(hào)與控制電路用光耦隔離.實(shí)際上只選用了IR2110半橋的作用.利用兩個(gè)單獨(dú)的PID溫度控制程序，冷板用半導(dǎo)體制冷，采用水循環(huán)風(fēng)扇散熱式，從而實(shí)現(xiàn)恒溫控制，達(dá)到測(cè)量要求.

圖3 冷/熱板的控制電路框圖

(2)可控恒壓強(qiáng)模塊：將冷熱板和真空玻璃之間的壓強(qiáng)調(diào)整到限定范圍內(nèi)的設(shè)定壓強(qiáng).可控恒壓強(qiáng)控制系統(tǒng)控制原理圖如圖4所示.

圖4 可控恒壓強(qiáng)控制系統(tǒng)原理圖

圖5 恒壓強(qiáng)控制電路框圖

如圖5所示，該模塊運(yùn)用手動(dòng)鍵盤設(shè)定壓強(qiáng)參數(shù)，再利用模糊PID控制實(shí)現(xiàn)調(diào)速[7].單片機(jī)通過(guò)一定算法將8位數(shù)字量經(jīng)過(guò)SLE4520轉(zhuǎn)換為SPWM脈寬調(diào)制信號(hào)，通過(guò)光耦加載到智能模塊PS21255,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定的細(xì)分步數(shù)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)直線的升降運(yùn)動(dòng).同時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊采集所產(chǎn)生的壓強(qiáng)數(shù)，與設(shè)定壓強(qiáng)數(shù)進(jìn)行比較，形成閉環(huán)的恒壓強(qiáng)控制，實(shí)際上是動(dòng)態(tài)平衡，整個(gè)測(cè)量過(guò)程中可達(dá)到設(shè)定的壓強(qiáng)值.

(3)數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集模塊分兩部分.一部分用于采集溫度參數(shù)，另一部分用于采集壓強(qiáng)參數(shù).

采集溫度參數(shù)時(shí)，運(yùn)用TRR11系列溫度變送器模塊(其配套pt1000熱電阻型溫度傳感器)進(jìn)行溫度的信號(hào)采集，該模塊采用貼片工藝組裝，精度0.2%,溫度范圍-25～+85 ℃，性能可靠穩(wěn)定.當(dāng)冷熱板溫度達(dá)到目標(biāo)溫度，且壓強(qiáng)條件達(dá)到設(shè)定的要求后，主控芯片進(jìn)入測(cè)量頭的溫度采集，并記錄存儲(chǔ)于外部存儲(chǔ)器中，等待壓強(qiáng)參數(shù)采集完畢后，對(duì)應(yīng)起來(lái)一并送入處理模塊處理.

采集壓強(qiáng)參數(shù)時(shí)，由于在高溫和低溫環(huán)境情況下進(jìn)行壓強(qiáng)參數(shù)的采集，必須選擇合適的壓強(qiáng)傳感器，避免受到高低溫度的影響,且精度要求高有助于壓強(qiáng)參數(shù)的高精度控制.因此，選擇高分辨率的傳感器PA(A)33X采集壓強(qiáng)參數(shù)，需要將其設(shè)定壓強(qiáng)參數(shù)(單位為Pa)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊，轉(zhuǎn)換為工業(yè)控制壓強(qiáng)參數(shù)(單位為bar)，其壓強(qiáng)范圍為0～0.8 bar，工作溫度范圍為-10～+80 ℃，準(zhǔn)確度0.1%FS,滿足測(cè)量要求.

當(dāng)壓強(qiáng)值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，即實(shí)際壓強(qiáng)值與目標(biāo)壓強(qiáng)值偏差±0.01 bar，實(shí)時(shí)多次采集壓強(qiáng)信號(hào)，并經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換為通用壓強(qiáng)信號(hào)，存儲(chǔ)于外部存儲(chǔ)器中，隨時(shí)經(jīng)信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇煽睾銐簭?qiáng)模塊實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，等待壓強(qiáng)穩(wěn)定后將此時(shí)采集到的通用壓強(qiáng)參數(shù)和對(duì)應(yīng)的溫度參數(shù)傳送給數(shù)據(jù)處理模塊.

(4)數(shù)據(jù)處理模塊：當(dāng)從數(shù)據(jù)采集模塊獲得所需要的信息數(shù)據(jù)后，由數(shù)據(jù)處理模塊將獲得的數(shù)據(jù)根據(jù)國(guó)標(biāo)中已有的理論公式進(jìn)行處理，并提供顯示.

3 模糊PID恒壓強(qiáng)控制的仿真

通過(guò)Simulink在Matlab建立仿真模型[3]，如圖6所示.

圖6 模糊PID的仿真模型

仿真中建立的相關(guān)框圖如圖7和圖8所示.

圖7 模糊PID結(jié)構(gòu)下的子框圖

圖8 模糊邏輯控制器的子框圖

相關(guān)的模糊控制規(guī)則如表1所示.

表1 模糊控制規(guī)則

圖9 模糊PID的響應(yīng)曲線

從圖9可知，系統(tǒng)采用模糊PID可以較好地控制超調(diào)量，進(jìn)而較好地控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)恒壓強(qiáng)控制.

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主體程序流程圖如圖10所示.

圖10 真空玻璃傳熱系數(shù)測(cè)量?jī)x的測(cè)量流程圖

在整個(gè)流程圖中，先后對(duì)壓強(qiáng)參數(shù)進(jìn)行了粗調(diào)和細(xì)調(diào).第一次粗調(diào)是冷熱板開始加熱制冷前已經(jīng)完成，而第二次細(xì)調(diào)是由于加熱和制冷模塊的運(yùn)行后，造成熱板膨脹和冷板冷縮，導(dǎo)致在達(dá)到要求的測(cè)量條件前，壓強(qiáng)參數(shù)會(huì)有微小的變化，壓強(qiáng)傳感器采集此時(shí)的壓強(qiáng)參數(shù)，并與設(shè)定的壓強(qiáng)參數(shù)進(jìn)行比較，利用負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)壓強(qiáng)參數(shù)的微調(diào)，進(jìn)而保證在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中壓強(qiáng)的恒定.

5 機(jī)械設(shè)計(jì)

機(jī)械機(jī)構(gòu)的整體示意圖如圖11所示，系統(tǒng)的實(shí)體圖如圖12所示.

圖11 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)整體示意圖

圖12 系統(tǒng)的實(shí)體及冷熱板實(shí)體圖

在本儀器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,采用將4個(gè)滑軌固定在四個(gè)桌腿上的新方法，并且與沒(méi)有上下蓋的箱體套接在一起，實(shí)現(xiàn)箱體可以沿四個(gè)桌腿上下滑動(dòng)，再通過(guò)連接體連接在固定有冷板的移動(dòng)板上，使得移動(dòng)板始終垂直于水平軸線，并且冷板的垂直投影與熱板等重合，進(jìn)而在箱體上下移動(dòng)的過(guò)程中帶動(dòng)移動(dòng)板沿軸線上下移動(dòng).

該儀器的設(shè)計(jì)通過(guò)一個(gè)方向上連接體實(shí)現(xiàn)垂直升降，而其余的三個(gè)方向?yàn)殚_放結(jié)構(gòu)，沒(méi)有限制玻璃的大小，從而沒(méi)有特別要求待測(cè)樣板的大小，便捷地實(shí)現(xiàn)了真空玻璃的成品測(cè)量；如果同時(shí)通過(guò)水平儀和可調(diào)整的桌角調(diào)節(jié)桌面與產(chǎn)品車間出產(chǎn)玻璃的滑軌面一樣水平，即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的在線檢測(cè).

6 測(cè)量結(jié)果

從表2中的測(cè)量結(jié)果可以看出，由于壓強(qiáng)條件的變化，測(cè)量結(jié)果也有所變化.

表2 (2*10-4bar和2*10-3bar)的真空玻璃測(cè)量結(jié)果

7 結(jié)論

該儀器的研制是通過(guò)使用步進(jìn)電機(jī)的高精度，在限定范圍內(nèi)指定恒定壓強(qiáng)條件的情況下，實(shí)現(xiàn)了真空玻璃傳熱系數(shù)K的測(cè)量.這為真空玻璃生產(chǎn)線上的在線測(cè)量提供了可行性，并將其壓強(qiáng)數(shù)據(jù)作為真空玻璃傳熱系數(shù)橫向比較的一個(gè)參照來(lái)進(jìn)行相關(guān)工藝研究創(chuàng)造了條件.由于平板材料的傳熱系數(shù)測(cè)量原理基本類似，所以該儀器對(duì)于測(cè)量其它平板材料的傳熱系數(shù)K也具有一定的指導(dǎo)意義.

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