非對(duì)稱熱護(hù)式熱板儀的研制與試驗(yàn)

夏 明，詹 卓，陳益松

(東華大學(xué) a.服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院；b.現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051)

根據(jù)ISO 11092—1993以及各國(guó)相似的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)結(jié)果可知，出汗熱板儀是目前廣泛采用的服裝面料熱濕性能測(cè)量?jī)x器。除去附加的吹風(fēng)和出汗系統(tǒng)，熱護(hù)式熱板結(jié)構(gòu)則是最基礎(chǔ)的部分,該結(jié)構(gòu)最初在19世紀(jì)末被提出，20世紀(jì)60年代被采納為美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，最新版本為ASTM D1518-2014，雖然標(biāo)準(zhǔn)版本在不斷改進(jìn)，但標(biāo)準(zhǔn)所描述的熱護(hù)式熱板結(jié)構(gòu)基本沒有變化。該結(jié)構(gòu)的熱板儀可稱為ASTM型熱板儀[1-2](簡(jiǎn)稱熱板儀)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—隔熱板；2—底板溫度傳感器；3—底熱護(hù)板；4—底熱護(hù)板加熱膜；5—面料試樣；6—測(cè)量熱板；7—測(cè)量熱板加熱膜；8—測(cè)量熱板溫度傳感器；9—側(cè)熱護(hù)板溫度傳感器；10—側(cè)熱護(hù)板；11—側(cè)熱護(hù)板加熱膜。圖1 ASTM型熱板儀Fig.1 Guarded hot plate of ASTM-type

ASTM型熱板儀的基本原理為測(cè)量熱板周邊和下表面對(duì)應(yīng)位置分別設(shè)置側(cè)熱護(hù)板和底熱護(hù)板。利用隔熱條將測(cè)量熱板與側(cè)熱護(hù)板隔開，同時(shí)將上下熱板之間的腔室分隔為測(cè)量熱板下的中央腔室和側(cè)熱護(hù)板下的外圍腔室。側(cè)熱護(hù)板和底熱護(hù)板的溫度與測(cè)量熱板的溫度保持一致，則測(cè)量熱板與兩熱護(hù)板之間沒有熱量傳遞，從而保證測(cè)量熱板溫度均勻，且形成一維向上通過(guò)面料層向外空氣層傳遞的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)面料熱阻的測(cè)量。

雖然從結(jié)構(gòu)上而言，ASTM型熱板儀是合理的，但在實(shí)際使用過(guò)程中還是存在數(shù)據(jù)波動(dòng)大、儀器之間差異大等問(wèn)題[2-4]。除去測(cè)量隨機(jī)誤差，熱板儀本身還存在多種導(dǎo)致系統(tǒng)誤差的因素。一是熱護(hù)板與測(cè)量熱板溫度不能絕對(duì)保持一致，這是導(dǎo)致誤差的主要因素。側(cè)熱護(hù)板和測(cè)量熱板之間存在隔熱條，相鄰截面的面積也比較小，即使溫度有點(diǎn)偏差，其熱流傳遞不大。雖然加熱膜均勻分布于熱板內(nèi)表面，但底熱護(hù)板作為單一熱板而言，其溫度場(chǎng)分布必然呈中間高邊沿低的凸形。由于底熱護(hù)板面積是測(cè)量熱板和側(cè)熱護(hù)板面積之和，因此，測(cè)量熱板與底熱護(hù)板溫度控制完全一致是困難的。文獻(xiàn)[5]分析溫度傳感器的安裝位置可能導(dǎo)致測(cè)量熱板和底熱護(hù)板兩相鄰面溫度存在偏差的情況，從而引起測(cè)量誤差。文獻(xiàn)[6]驗(yàn)證當(dāng)測(cè)量熱板與底熱護(hù)板的溫度相差1 ℃時(shí)，熱阻的測(cè)量結(jié)果平均相差9.3%。二是熱護(hù)式熱板儀結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，總發(fā)熱面積大，熱慣量大，控制過(guò)程中易出現(xiàn)假平衡，導(dǎo)致測(cè)量誤差。

在測(cè)量熱阻方法上，熱板儀一直沿用總阻值減去空板空氣層阻值的方法，但實(shí)際面料表面和空板表面的熱輻射是不同的，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。文獻(xiàn)[7]利用該差值計(jì)算了面料的紅外發(fā)射率。文獻(xiàn)[8]提出了疊層回歸測(cè)量法，直接測(cè)量出面料和面料上方空氣層阻值，消除了傳統(tǒng)方法的誤差。文獻(xiàn)[9]提出有風(fēng)狀態(tài)下熱板儀的熱平衡新關(guān)系，且指出風(fēng)道均勻風(fēng)速的設(shè)計(jì)原則，在測(cè)量微環(huán)境上進(jìn)行了改進(jìn)。

本文通過(guò)對(duì)熱板儀基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理的深入分析，提出非對(duì)稱熱護(hù)式熱板儀的設(shè)計(jì)概念，即保留上層的側(cè)熱護(hù)板結(jié)構(gòu)，用已知熱阻值的隔熱泡沫板取代底熱護(hù)板，從而構(gòu)成上下非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，結(jié)合新的算法，在試驗(yàn)中取得了良好的試驗(yàn)結(jié)果 。

1 非對(duì)稱熱護(hù)式熱板儀設(shè)計(jì)

1.1 ASTM型熱板儀改進(jìn)

由文獻(xiàn)[9]可知，在有風(fēng)試驗(yàn)中，空氣由熱板儀一側(cè)平行熱板上表面流向另一側(cè)時(shí)，空氣流和上表面熱板存在熱量交換。因此入口處氣流溫度最低，其與熱板的溫差最大，熱交換也最強(qiáng)烈；在出口處，由于上方氣流逐漸被加熱，與熱板之間的熱流交換則逐漸減弱，因此氣流入口處的側(cè)熱護(hù)板(前)→測(cè)量熱板前端→測(cè)量熱板后端→側(cè)熱護(hù)板(后)的溫度是由低到高逐漸變化的，即側(cè)熱護(hù)板、測(cè)量熱板與底熱護(hù)板之間是存在一定溫差關(guān)系的。若側(cè)熱護(hù)板與底熱護(hù)板因溫度不均存在溫差，兩者間腔室的空氣就會(huì)產(chǎn)生對(duì)流，兩板之間形成熱流傳遞，但該腔室處于測(cè)量熱板四周，對(duì)中間的測(cè)量熱板不產(chǎn)生影響，因此不影響測(cè)量結(jié)果。當(dāng)測(cè)量熱板和底熱護(hù)板存在溫差時(shí)，中央腔室的空氣對(duì)流會(huì)造成測(cè)量熱板與底熱護(hù)板之間存在對(duì)流，因此測(cè)量熱板的熱流不能全部通過(guò)上方的面料向外傳遞，導(dǎo)致儀器系統(tǒng)誤差。

改進(jìn)思路：一是在上、下熱板間的腔室填充泡沫材料以杜絕空氣對(duì)流，同時(shí)泡沫材料較大的熱阻值也能大大降低上、下熱板間因定溫差而產(chǎn)生的熱流傳遞，從而提高熱板儀的測(cè)量準(zhǔn)確性；二是在上方空氣流動(dòng)方向的前隔熱條與后隔熱條兩側(cè)分別加裝溫度傳感器，利用溫控保證隔熱條兩邊等溫，從而消除溫度傳遞。改進(jìn)的ASTM型熱板儀設(shè)計(jì)如圖2所示。

注：1—泡沫隔熱板；2—底板溫度傳感器a；3—底熱護(hù)板；4—底熱護(hù)板加熱膜；5—底板溫度傳感器b；6—面料試樣；7—側(cè)熱護(hù)板溫度傳感器a；8—測(cè)量熱板溫度傳感器a；9—測(cè)量熱板；10—測(cè)量熱板加熱膜；11—測(cè)量熱板溫度傳感器b；12—隔熱條；13—側(cè)熱護(hù)板溫度傳感器b；14—側(cè)熱護(hù)板；15—側(cè)熱護(hù)板加熱膜。圖2 改進(jìn)的ASTM型熱板儀Fig.2 Modified ASTM-type guarded hot plate

1.2 非對(duì)稱熱板儀的設(shè)計(jì)原理

ASTM型熱板儀從結(jié)構(gòu)上可看作是上下對(duì)稱的，通過(guò)增加底熱護(hù)板來(lái)抑制測(cè)量熱板的熱量向下傳遞。在圖2改進(jìn)的ASTM型熱板儀基礎(chǔ)上取消底熱護(hù)板，保留上部熱護(hù)結(jié)構(gòu)，將泡沫隔熱板底面直接暴露在環(huán)境空氣中。由于溫差，泡沫板會(huì)將測(cè)量熱板的部分熱流向下傳遞，即測(cè)量熱板的熱流不能全部向上通過(guò)面料。但根據(jù)傳熱原理，只要泡沫板的熱阻值一定且上、下表面溫度可測(cè)量，通過(guò)泡沫板的熱流則為可測(cè)值。將測(cè)量熱板的總熱流減去通過(guò)泡沫板的熱流值，得到向上通過(guò)面料的有效熱流。此設(shè)計(jì)為非對(duì)稱熱板儀，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。考慮到泡沫板下的散熱問(wèn)題，熱板儀底部應(yīng)離開臺(tái)面一定距離h并保持空氣流通。

注：1—隔熱泡沫板；2—面料試樣；3—側(cè)熱護(hù)板溫度傳感器a；4—測(cè)量熱板溫度傳感器a；5—測(cè)量熱板；6—測(cè)量熱板加熱膜；7—測(cè)量熱板溫度傳感器b；8—隔熱條；9—側(cè)熱護(hù)板溫度傳感器b；10—側(cè)熱護(hù)板；11—側(cè)熱護(hù)板加熱膜。圖3 非對(duì)稱熱板儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural sketch of asymmetric guarded hot plate

泡沫板的熱阻為已知參數(shù)，則測(cè)量熱板向下通過(guò)泡沫板的熱功率(Hb)計(jì)算，如式(1)所示。

(1)

式中：Rb為泡沫板的熱阻值(含外表面空氣層)；A為測(cè)量熱板的表面積；Ts為測(cè)量熱板的溫度；Ta為環(huán)境溫度。

空板試驗(yàn)可由式(2)計(jì)算得到空氣層熱阻Rt0：

(2)

面料熱阻Rf如式(3)所示。

(3)

式中：Ht為面料測(cè)量時(shí)測(cè)量熱板的發(fā)熱功率；Ht0為空板試驗(yàn)時(shí)測(cè)量熱板所散耗的功率。

2 非對(duì)稱熱板儀的試制

2.1 本體

熱板儀的測(cè)量熱板和側(cè)熱護(hù)板均采用304不銹鋼板，厚度為1.2 mm。測(cè)量熱板和熱護(hù)板內(nèi)表面貼有均勻布線的加熱膜，布線需為溫度傳感器的安裝留出位置。

選用泡沫板為建筑行業(yè)上常用的聚苯乙烯泡沫板，其厚度為2.41 cm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.03 W/(m·K) (導(dǎo)熱系數(shù)合格值為≤0.03 W/(m·K))，轉(zhuǎn)換為熱阻值為0.803 m2·K/W。經(jīng)606E熱板儀3次實(shí)測(cè)，該泡沫板的熱阻平均值為0.817 m2·K/W，即以該值作為后續(xù)計(jì)算依據(jù)。

非對(duì)稱熱板儀的實(shí)物如圖4所示。

圖4 非對(duì)稱熱板儀實(shí)物Fig.4 The asymmetric guarded hot plate

2.2 溫控系統(tǒng)研制

控制系統(tǒng)采用美國(guó)NI公司的LabVIEW模塊化編程軟件和相應(yīng)的硬件構(gòu)成。多路溫度檢測(cè)系統(tǒng)可以直接利用LabVIEW的程序框架構(gòu)建[10]，溫度傳感器采用體積小巧且穩(wěn)定可靠的Pt 100熱敏電阻，誤差為-0.1～0.1 ℃。

功率輸出部分采用恒電壓下的(pulse width modulation，PWM)脈沖寬度調(diào)制方式：在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)執(zhí)行開關(guān)動(dòng)作，而開和關(guān)的時(shí)間比值為脈沖占空比，即通過(guò)調(diào)整開和關(guān)的時(shí)間(脈沖寬度)來(lái)調(diào)整輸出功率。在一定的電壓和負(fù)載條件下，脈沖占空比越大，則輸出功率越大。當(dāng)開關(guān)頻率達(dá)到一定的密度后，開關(guān)本身對(duì)加熱穩(wěn)定性的影響就忽略不計(jì)，該方式是目前主流的高精度功率輸出控制方式。

PID(proportion-integral-differential)控制器是根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量值與設(shè)定值的差值利用比例(P)、積分(I)、微分(D)的組合算法計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的，是常用的經(jīng)典算法。LabVIEW提供PID選項(xiàng)模塊，但并不提供程序框架模板，即PID模塊如何與PWM功率輸出部分整合是需要進(jìn)行自主設(shè)計(jì)的，這通常也是自制溫控系統(tǒng)的難點(diǎn)。圖5為本文設(shè)計(jì)的PID控制PWM功率輸出的邏輯框圖。

圖5 PID控制PWM功率輸出邏輯框圖Fig.5 Logic block diagram of PWM power output for PID control

PID參數(shù)整定是控制系統(tǒng)合理運(yùn)行的關(guān)鍵，試驗(yàn)多次調(diào)整后將P值設(shè)定為9.0，I值設(shè)定為9.0，D值設(shè)定為0.01，這樣可通過(guò)程序控制加熱板在0.7～1.0 h內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。溫度控制誤差范圍小于-0.25～0.25 ℃，與現(xiàn)行設(shè)備基本一致。

2.3 熱場(chǎng)分析

熱板儀的空板上表面、中間加熱膜及泡沫板下表面三者的紅外溫度場(chǎng)分布分別如圖6所示。

圖6 非對(duì)稱熱板儀各部分溫度場(chǎng)分布Fig.6 Distribution of temperature field in each part of the asymmetric guarded hot plate

由圖6(b)可知，非對(duì)稱熱板儀的加熱膜的溫度場(chǎng)分布很均勻，但當(dāng)熱流傳遞到測(cè)量熱板和熱護(hù)板的上表面(見圖6(a))，溫度的均勻性稍差。由于測(cè)量熱板和熱護(hù)板邊沿的溫度基本一致，即兩者并不會(huì)產(chǎn)生熱量傳遞。測(cè)量熱板的熱量?jī)H向上和向下傳遞，取平均溫度，對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有影響。

泡沫板下表面的熱像圖如圖6(c)所示，即使泡沫板達(dá)到2.4 cm厚度，依然沒有完全排除由隔熱條(低導(dǎo)熱塑膠條)引起的熱場(chǎng)不均勻性，但溫差較小，僅為0.5 ℃左右。在恒溫條件下，雖存在一定的不均勻性，但由于測(cè)量熱板溫度穩(wěn)定，泡沫板下表面的溫度也是穩(wěn)定的，其透過(guò)的熱流量也是穩(wěn)定的，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3 試 驗(yàn)

將標(biāo)準(zhǔn)ASTM型606E熱板儀和非對(duì)稱熱板儀進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，去掉606E熱板儀原有的風(fēng)道系統(tǒng)，改用和非對(duì)稱熱板儀一樣外部空氣條件：(1)開放無(wú)罩式靜態(tài)無(wú)風(fēng)(風(fēng)速<0.15 m/s)；(2)開放式吹風(fēng)方式(風(fēng)速=1.00 m/s)。吹風(fēng)試驗(yàn)示意圖如圖7所示。606E熱板儀的測(cè)量熱板面積為20 cm×20 cm, 加上熱護(hù)板后的總面積為40 cm×40 cm；而非對(duì)稱熱板儀的測(cè)量熱板面積為25 cm×25 cm, 加上熱護(hù)板后總面積為50 cm×50 cm，雖然測(cè)量區(qū)域面積稍有不同，但對(duì)測(cè)量結(jié)果不會(huì)有明顯影響。

3.1 試驗(yàn)面料

選取有代表性的試驗(yàn)面料共13塊，面料參數(shù)見表1。其中第13號(hào)面料為美國(guó)MTNW公司的試驗(yàn)標(biāo)樣，在1.00 m/s風(fēng)速下的熱阻值為0.02 m2·K/W。

注：1—風(fēng)扇；2—前導(dǎo)流板；3—熱板儀；4—面料；5—后導(dǎo)流板。圖7 吹風(fēng)試驗(yàn)示意圖Fig.7 The sketch of test with wind

表1 試驗(yàn)面料及參數(shù)Table 1 Test fabrics and their paramters

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

兩種熱板儀對(duì)一組面料試樣的熱阻測(cè)試結(jié)果，如表2所示。

表2 兩種熱板儀對(duì)一組面料測(cè)試的結(jié)果Table 2 Test results of a group of fabrics by two guarded hot plates

由表2可知，非對(duì)稱熱板儀在無(wú)風(fēng)(風(fēng)速0.10 m/s)和有風(fēng)(風(fēng)速1.00 m/s)條件下均能很好地完成對(duì)各面料熱阻值的測(cè)量，測(cè)量均值和606E熱板儀相對(duì)偏差在5% 左右，配對(duì)t檢驗(yàn)(p=0.695,即p>0.050)亦表明兩列數(shù)據(jù)沒有明顯差異。13號(hào)面料(標(biāo)樣)在1.00 m/s風(fēng)速下的非對(duì)稱熱板儀的數(shù)據(jù)(0.021 7 m2·K/W)比606E熱板儀的數(shù)據(jù)(0.023 2 m2·K/W)更接近國(guó)際標(biāo)樣的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)(0.020 0 m2·K/W),其3次測(cè)量的數(shù)據(jù)重復(fù)性要優(yōu)于606E熱板儀數(shù)據(jù)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差平均值在有風(fēng)和無(wú)風(fēng)條件下分別為1.53和2.56，而606E熱板儀數(shù)據(jù)分別為3.66和3.09。

4 非對(duì)稱熱板儀的節(jié)能率

由于非對(duì)稱熱板儀在結(jié)構(gòu)上取消了占總散熱面積一半的底熱護(hù)板:在空板試驗(yàn)中，熱板下方的泡沫板+下空氣層的熱阻為熱板上方空氣層熱阻的10%左右，即無(wú)效熱流約占傳統(tǒng)熱板儀底熱板發(fā)熱的10%，因此取消底熱護(hù)板的非對(duì)稱熱板儀的節(jié)能率為45%左右；在面料熱阻試驗(yàn)中，由于面料的保溫作用，傳統(tǒng)熱板儀的底熱護(hù)板的熱能消耗要大于上層發(fā)熱板，因此取消底熱護(hù)板后，節(jié)能率大于50%。由此可知，非對(duì)稱熱板儀的綜合節(jié)能率約50%，且其結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、制造成本更低。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了在空腔內(nèi)充填隔熱泡沫板的改進(jìn)方案，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)了非對(duì)稱熱板儀。使用具有一定熱阻值的隔熱泡沫板置于測(cè)量熱板和側(cè)熱護(hù)板下方替代底熱護(hù)板，在泡沫板兩面溫差一定的情況下，通過(guò)泡沫板的熱流功率是定值，則通過(guò)織物一維向上的有效熱流功率等于測(cè)量熱板的輸入功率減去該定值功率，可實(shí)現(xiàn)面料熱阻的測(cè)量計(jì)算。

利用非對(duì)稱熱板儀和ASTM型606E熱板儀測(cè)試不同面料熱阻并進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果沒有明顯差異，但非對(duì)稱熱板儀的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更好，其結(jié)構(gòu)也更簡(jiǎn)單，成本低，能耗低 。

本研究采用不銹鋼板制作熱板，其溫度均勻性不夠理想。今后可采用紫銅板(導(dǎo)熱系數(shù)為不銹鋼板的20倍)來(lái)改善熱板溫度均勻性，以進(jìn)一步提升測(cè)量精度。