真空玻璃傳熱系數(shù)測量儀的研制

張 琪 寧 鐸 張 磊 李逸博

(陜西科技大學(xué)陽光電子研究所, 陜西 西安 710021 )

真空玻璃傳熱系數(shù)測量儀的研制

張 琪 寧 鐸 張 磊 李逸博

(陜西科技大學(xué)陽光電子研究所, 陜西 西安 710021 )

隨著國家節(jié)能減排政策的實施和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，真空玻璃作為建筑物窗戶理想的采光保溫材料，其工業(yè)化生產(chǎn)以及大規(guī)模推廣應(yīng)用已迫在眉睫，但是在國內(nèi)還未報道過投入使用的真空玻璃傳熱系數(shù)的在線檢測設(shè)備。受生產(chǎn)廠家委托，根據(jù)真空玻璃國家標(biāo)準(zhǔn)JC/T 1079-2008，研制了一套在恒壓力測量條件下的真空玻璃傳熱系數(shù)在線測量儀。該測量儀操作簡潔，測量精度高，滿足了國家標(biāo)準(zhǔn)以及企業(yè)的使用要求。

真空玻璃 傳熱系數(shù) 在線檢測 恒溫控制 自然配重

0 引言

根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查分析，建筑能耗占據(jù)了將近我國國家能源消耗的30%，而建筑能耗是由墻體的密度以及玻璃門窗等材質(zhì)的選取不同造成的。真空玻璃[1-2]相比于中空玻璃，它的保溫隔熱隔音性能非常好，還能夠在冬天夏天防結(jié)霧結(jié)霜，已經(jīng)成為建筑門窗行業(yè)的理想選擇，而真空玻璃的隔熱保溫性能是用傳熱系數(shù)K值來表征，現(xiàn)階段國內(nèi)主要停留在理論研究，缺乏能夠直接測量真空玻璃傳熱系數(shù)的儀器。

為了滿足市場需求，根據(jù)真空玻璃國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)[3]，研制了一套能夠在線檢測真空玻璃傳熱系數(shù)的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作簡潔，測量精度高。

1 真空玻璃測量原理

真空玻璃的熱量傳遞主要是通過真空玻璃內(nèi)部支撐物、殘余氣以及輻射這三種方式。標(biāo)準(zhǔn)的真空玻璃[4]內(nèi)部壓強(qiáng)小于0.1 Pa，殘余氣體傳熱一般可忽略不計。

根據(jù)真空玻璃的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它的內(nèi)部熱導(dǎo)的計算公式可以表示為：

C真空=C輻射+C支撐物

(1)

根據(jù)傳熱系數(shù)的構(gòu)成，可得真空玻璃傳熱系數(shù)K值的計算公式：

(2)

(3)

式中：C真空為真空玻璃熱導(dǎo)；R真空為真空玻璃熱阻；C內(nèi)為真空玻璃內(nèi)部氣體與玻璃表面熱量的交換，也稱內(nèi)表面換熱系數(shù)；R內(nèi)為內(nèi)表面換熱阻；R外為外表面換熱阻；C外為外表面換熱系數(shù)；K為真空玻璃傳熱系數(shù)。

根據(jù)我國規(guī)定：

R內(nèi)+R外=0.158 4

(4)

因此只要能測出真空玻璃的R真空，就可以算出真空玻璃的傳熱系數(shù)。具體的傳熱系數(shù)測量原理如圖1所示。

圖1 測量儀測量原理

根據(jù)測量儀的原理圖設(shè)計，實際測量過程中傳熱系數(shù)與冷板、熱板、標(biāo)準(zhǔn)板、待測真空玻璃板之間的緊密結(jié)合程度密切相關(guān)。由于國標(biāo)規(guī)定的測量都是基于理想條件下提出的，比如真空玻璃表面與測量板平面的無縫結(jié)合，但是此條件在現(xiàn)實中是很難達(dá)到的。在研制的過程中，通過不斷實踐總結(jié)經(jīng)驗，最終發(fā)現(xiàn)應(yīng)在冷板的上方施加一個恒定的壓力，這樣可以使得各個平面板緊密貼合，使得測量條件滿足國標(biāo)規(guī)定。在測量的過程中，各個玻璃板之間的壓力前后不一樣，那么最終的測量結(jié)果必然是不同的。對于恒壓力這個問題的研究，并不是國標(biāo)規(guī)定的缺失，而是現(xiàn)實測量條件在一定程度上無法滿足基于理想條件的測量，只能補(bǔ)充測量條件，盡可能使得最終所得的測量數(shù)據(jù)有所依據(jù)。

當(dāng)研制的真空玻璃傳熱系數(shù)測量儀應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線的在線檢測時，采用只給固定壓力來測出最后的傳熱系數(shù)值，達(dá)到生產(chǎn)線的檢測。經(jīng)過分析計算，在一定恒壓的條件下測量真空玻璃的傳熱系數(shù)。對于恒壓實現(xiàn)方法，直接采用恒定壓力條件下進(jìn)行測量，采用自然配重法進(jìn)行設(shè)計。這種方法不但提供了穩(wěn)定不變的測量條件，而且通過壓力使得平面板表面緊密貼合，數(shù)據(jù)采集更為貼近實際值，測量結(jié)果也更加準(zhǔn)確。它是把冷板上方特定的結(jié)構(gòu)作為自然配重，再通過機(jī)械裝置將它固定在冷板上方，測量時緩慢放下至冷板上，以此來實現(xiàn)恒壓測量[5]。

2 整體方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

測量儀系統(tǒng)由電路控制系統(tǒng)模塊和機(jī)械系統(tǒng)模塊兩部分組成。其中電路控制系統(tǒng)主要是以STM32為核心的控制電路板及其外圍必要的各種驅(qū)動電路。電路控制系統(tǒng)模塊主要包括中央控制電路模塊、溫度控制電路模塊、溫度采集電路模塊、電源電路模塊；機(jī)械系統(tǒng)模塊下面有制冷機(jī)械模塊、加熱機(jī)械模塊、恒壓機(jī)械模塊。機(jī)械部分主要涉及加熱板設(shè)計、制冷板設(shè)計、恒壓設(shè)計以及系統(tǒng)必要的其他機(jī)械設(shè)計。

2.2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

真空玻璃傳熱系數(shù)測量儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要是依據(jù)國標(biāo)JC/T 1079-2008中所規(guī)定的測量辦法，并結(jié)合實際制作過程中的經(jīng)驗，主要分為加熱機(jī)械模塊設(shè)計、制冷模塊設(shè)計、恒壓機(jī)械模塊設(shè)計三部分。測量儀整體結(jié)構(gòu)示意圖及其實物圖如圖2所示。

圖2 測量儀整體結(jié)構(gòu)圖

2.3 電路控制系統(tǒng)

電路控制系統(tǒng)是由電源模塊、液晶顯示、CPU、溫控模塊、采集模塊以及電機(jī)水泵模塊組成。溫度采集模塊是將冷板、熱板、測量板的實時溫度采集到主控模塊內(nèi)，中央控制電路模塊然后對采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲、運(yùn)算，待數(shù)據(jù)處理完畢后將結(jié)果送入控制模塊中，控制相應(yīng)器件接通還是關(guān)斷以及具體開通的時間和關(guān)斷的時間，從而達(dá)到恒溫控制的目標(biāo)。電源模塊主要是給控制電路板、加熱裝置、制冷裝置、電機(jī)、水泵、風(fēng)箱等提供穩(wěn)定的且與之匹配的電源。電路控制系統(tǒng)模塊如圖3所示。

圖3 電路控制系統(tǒng)模塊圖

2.4 主控電路設(shè)計

STM32[6-7]系列芯片，處理能力較單片機(jī)高，且成本較低，自帶A/D轉(zhuǎn)換，方便實現(xiàn)對溫度傳感器的信號處理。考慮到實際測量過程控制中，工作溫度應(yīng)在10～40℃，且要進(jìn)行恒溫系統(tǒng)控制和恒壓強(qiáng)系統(tǒng)控制兩方面的實現(xiàn)、相關(guān)控制程序的處理，期間還有相關(guān)的數(shù)據(jù)處理顯示、協(xié)調(diào)各個模塊之間的運(yùn)作等，故選擇性價比較高的STM32系列芯片。真空玻璃傳熱系數(shù)測量儀選用的核心芯片為STM32F103RBT6。該芯片是基于ARM的32位處理器，并設(shè)通用系列的增強(qiáng)型，引腳總數(shù)選用64腳，閃存存儲器達(dá)到128 kB。封裝采用LQFP64，工業(yè)級溫度范圍是-40～85oC，需要提供的電壓為2.0～3.6 V，并且存在省電模式，可以降低功率消耗，保證低功耗需求，同時外設(shè)資源較為豐富。

2.5 溫控電路設(shè)計

恒溫控制模塊中，通過芯片中的模糊PID[8-10]程序控制輸出，此時的驅(qū)動信號經(jīng)過由IR2110組成的專業(yè)IGBT驅(qū)動電路，進(jìn)而實現(xiàn)對IGBT的開關(guān)控制，再由數(shù)據(jù)采集模塊將冷板溫度TL和熱板處的溫度TR反饋回控制芯片，與設(shè)定的目標(biāo)溫度經(jīng)行比對，實現(xiàn)對冷、熱溫度的閉環(huán)控制。由于核心芯片的負(fù)載能力有限，所以不能對被控對象進(jìn)行直接驅(qū)動。中間必須通過合適的驅(qū)動電路，將輸出的控制信號放大，進(jìn)而實現(xiàn)弱電對強(qiáng)電的開關(guān)控制。而此時則必須采取必要的保護(hù)措施，對強(qiáng)弱電進(jìn)行隔離，實際電路中采用光耦隔離。具體的溫度控制電路如圖4所示。

圖4 恒溫測量電路

電路圖連接完成后，此時輸出的2 V左右控制信號轉(zhuǎn)換成10 V左右的控制電壓，加在IGBT的GE兩端，利用電路使得IGBT器件工作狀態(tài)處于飽和區(qū)，實現(xiàn)開關(guān)控制中的開，而關(guān)斷控制則相反。同時在控制溫度電路中加入發(fā)光二極管，便于觀察控制系統(tǒng)處于何種工作狀態(tài)。

最后由IR2110器件搭建IGBT驅(qū)動電路：主要將SD端、COM端、VS端和VSS端置地，而VCC端、VB端 、VDD端直接和15 V電源連接，并且分別將冷板控制信號和熱板控制信號輸入HIN端和LIN端，然后從HO端和LO端輸出接于IGBT的柵極，實現(xiàn)對器件IGBT的驅(qū)動。目前IR2110驅(qū)動IGBT的電路已經(jīng)較為成熟。IR2110的性能參數(shù)如下：器件工作電壓10～20 V，邏輯電壓范圍5～15 V;相關(guān)的電源地和功率地之間可以有±5 V偏移;工作頻率可達(dá)500 kHz，并且關(guān)斷延遲也較小(120 ns和94 ns)。

3 工作流程

在整體的工作流程中，系統(tǒng)通電啟動后，將真空玻璃實物放入升起的冷板下面，系統(tǒng)開始對恒壓強(qiáng)和恒溫模塊進(jìn)行各自控制信息的初始化；然后進(jìn)入恒壓強(qiáng)控制模塊的下降控制，在控制過程中不斷檢測恒壓強(qiáng)條件是否滿足，若不滿足恒壓強(qiáng)條件，則繼續(xù)進(jìn)行下降控制，直到滿足條件，恒溫測量開始進(jìn)行。由數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行溫度采集并顯示，判定是否滿足恒溫測量條件，若不滿足恒溫條件，進(jìn)入恒溫控制模塊控制，通過開關(guān)控制加熱板和制冷板，再次檢測并顯示。多次循環(huán)控制后達(dá)到恒溫測量條件，此時采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的K值計算和顯示，完成后滿足一定的測量次數(shù)，結(jié)束測量工作，進(jìn)入脫離恒壓強(qiáng)條件狀態(tài)，采用恒壓強(qiáng)控制模式進(jìn)行上升控制。在升起冷板過程中，進(jìn)行脫離恒壓強(qiáng)條件的判定，若是沒有達(dá)到要求，則繼續(xù)上升控制，直到滿足條件，此時也就可以取出待測真空玻璃，結(jié)束測量。

軟件流程圖如圖5所示。

恒溫控制采用模糊PID控制來實現(xiàn)對開關(guān)電路的開關(guān)控制，進(jìn)而控制冷板制冷，熱板加熱，達(dá)到目標(biāo)溫度，實現(xiàn)恒溫測量條件的目的。恒溫控制模塊主要分為冷板的恒溫控制和熱板的恒溫控制程序，如圖所示，圖6(a)為熱板控制流程圖，圖6(b)為冷板控制流程圖。

圖6 PID控制溫度流程圖

由于被控對象是溫度，而溫度在變化時是非線性的，同時具有時變性、大滯后性、大慣性等特點(diǎn),這些特性造成常規(guī)的PID控制方式難以實現(xiàn)較為理想的控制效果。在實際的控制場合，采用模糊PID，可以充分利用模糊控制優(yōu)良的魯棒性能，具有一般PID控制所具有的好的動態(tài)跟蹤品質(zhì)。其系統(tǒng)的響應(yīng)也較快，整個控制過程中上升時間較短，有較小的超調(diào)，系統(tǒng)控制的穩(wěn)態(tài)精度較高。

4 數(shù)據(jù)處理

整個測量儀器安裝后，僅用鍵盤和液晶顯示來實現(xiàn)模糊控制新的調(diào)試，過程非常繁瑣。為了方便調(diào)試工作，設(shè)計一個簡單的上位機(jī)操作系統(tǒng)，操作員可以通過上位機(jī)進(jìn)行簡單的PID參數(shù)調(diào)適，完成在線設(shè)置PID參數(shù)，將其賦值給模糊控制器作為初值，最終獲取所需要的數(shù)據(jù)和參數(shù)。為了簡化步驟，可先通過常規(guī)PID調(diào)出大概的PID參數(shù)，然后將其賦值給模糊控制器初值來實現(xiàn)模糊PID控制。

在國標(biāo)規(guī)定的實驗環(huán)境下，采用自制已知熱導(dǎo)系數(shù)1 Wm-2k-1的標(biāo)準(zhǔn)板，并選擇待測真空玻璃，在相同的實驗條件下對同一塊真空玻璃進(jìn)行重復(fù)性測量，且自然配重實現(xiàn)的恒壓力為1.29 bar(1 bar=0.1MPa)。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)測量，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 真空玻璃傳熱系數(shù)測量數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文響應(yīng)國家節(jié)能減排、低碳環(huán)保的號召，將真空玻璃應(yīng)用于建筑門窗行業(yè)。依據(jù)真空玻璃的國家標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)出一套真空玻璃傳熱系數(shù)測量系統(tǒng)，能夠應(yīng)用于工業(yè)化大生產(chǎn)中，實現(xiàn)在線檢測。這套測量系統(tǒng)操作簡潔，采集數(shù)據(jù)快并且測量精度高。它是通過PID 控制系統(tǒng)使得冷板和熱板達(dá)到一定的范圍，實時采集待測真空玻璃冷板以及熱板的溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過反復(fù)對測量頭進(jìn)行測量來降低誤差，并對其進(jìn)行修正運(yùn)算，最后測得真空玻璃傳熱系數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值。

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Research and Development of the Measuring Instrument for Heat Transfer Coefficient of Vacuum Glass

Along with the development of science and technology and the implementation of national policy of energy saving and emission reduction, vacuum glass, as the ideal daylighting and insulation material for windows of buildings, its industrial production and large-scale application have been imminent. However, in our country, no information about online detection device for heat transfer coefficient of vacuum glass being put in use has been reported. Entrusted by the manufacturer, in accordance with JC/T 1079-2008, the national standard of vacuum glass, the online measuring instrument for heat transfer coefficient of vacuum glass under measuring condition of constant pressure is researched and developed. The instrument features simple operation and high measurement accuracy, it conforms the national standard and meets the requirements of enterprises.

Vacuum glass Heat transfer coefficient Online detection Thermostatic control Natural counterweight

張琪(1991-)，男，現(xiàn)為陜西科技大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事智能測控儀器開發(fā)方面的研究。

TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509022

修改稿收到日期：2015-07-20。