真空玻璃傳熱系數測量儀的研制

張 琪 寧 鐸 張 磊 李逸博

(陜西科技大學陽光電子研究所, 陜西 西安 710021 )

真空玻璃傳熱系數測量儀的研制

張 琪 寧 鐸 張 磊 李逸博

(陜西科技大學陽光電子研究所, 陜西 西安 710021 )

隨著國家節能減排政策的實施和科學技術的發展，真空玻璃作為建筑物窗戶理想的采光保溫材料，其工業化生產以及大規模推廣應用已迫在眉睫，但是在國內還未報道過投入使用的真空玻璃傳熱系數的在線檢測設備。受生產廠家委托，根據真空玻璃國家標準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在線測量儀。該測量儀操作簡潔，測量精度高，滿足了國家標準以及企業的使用要求。

真空玻璃 傳熱系數 在線檢測 恒溫控制 自然配重

0 引言

根據數據調查分析，建筑能耗占據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霧結霜，已經成為建筑門窗行業的理想選擇，而真空玻璃的隔熱保溫性能是用傳熱系數K值來表征，現階段國內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的儀器。

為了滿足市場需求，根據真空玻璃國標標準[3]，研制了一套能夠在線檢測真空玻璃傳熱系數的測量系統。該系統操作簡潔，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部支撐物、殘余氣以及輻射這三種方式。標準的真空玻璃[4]內部壓強小于0.1 Pa，殘余氣體傳熱一般可忽略不計。

根據真空玻璃的內部結構，它的內部熱導的計算公式可以表示為：

C真空=C輻射+C支撐物

(1)

根據傳熱系數的構成，可得真空玻璃傳熱系數K值的計算公式：

(2)

(3)

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

根據我國規定：

R內+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。具體的傳熱系數測量原理如圖1所示。

圖1 測量儀測量原理

根據測量儀的原理圖設計，實際測量過程中傳熱系數與冷板、熱板、標準板、待測真空玻璃板之間的緊密結合程度密切相關。由于國標規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合，但是此條件在現實中是很難達到的。在研制的過程中，通過不斷實踐總結經驗，最終發現應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規定。在測量的過程中，各個玻璃板之間的壓力前后不一樣，那么最終的測量結果必然是不同的。對于恒壓力這個問題的研究，并不是國標規定的缺失，而是現實測量條件在一定程度上無法滿足基于理想條件的測量，只能補充測量條件，盡可能使得最終所得的測量數據有所依據。

當研制的真空玻璃傳熱系數測量儀應用于工業生產線的在線檢測時，采用只給固定壓力來測出最后的傳熱系數值，達到生產線的檢測。經過分析計算，在一定恒壓的條件下測量真空玻璃的傳熱系數。對于恒壓實現方法，直接采用恒定壓力條件下進行測量，采用自然配重法進行設計。這種方法不但提供了穩定不變的測量條件，而且通過壓力使得平面板表面緊密貼合，數據采集更為貼近實際值，測量結果也更加準確。它是把冷板上方特定的結構作為自然配重，再通過機械裝置將它固定在冷板上方，測量時緩慢放下至冷板上，以此來實現恒壓測量[5]。

2 整體方案設計

2.1 系統組成

測量儀系統由電路控制系統模塊和機械系統模塊兩部分組成。其中電路控制系統主要是以STM32為核心的控制電路板及其外圍必要的各種驅動電路。電路控制系統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；機械系統模塊下面有制冷機械模塊、加熱機械模塊、恒壓機械模塊。機械部分主要涉及加熱板設計、制冷板設計、恒壓設計以及系統必要的其他機械設計。

2.2 機械系統設計

真空玻璃傳熱系數測量儀的機械結構主要是依據國標JC/T 1079-2008中所規定的測量辦法，并結合實際制作過程中的經驗，主要分為加熱機械模塊設計、制冷模塊設計、恒壓機械模塊設計三部分。測量儀整體結構示意圖及其實物圖如圖2所示。

圖2 測量儀整體結構圖

2.3 電路控制系統

電路控制系統是由電源模塊、液晶顯示、CPU、溫控模塊、采集模塊以及電機水泵模塊組成。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，中央控制電路模塊然后對采集到的數據信息進行存儲、運算，待數據處理完畢后將結果送入控制模塊中，控制相應器件接通還是關斷以及具體開通的時間和關斷的時間，從而達到恒溫控制的目標。電源模塊主要是給控制電路板、加熱裝置、制冷裝置、電機、水泵、風箱等提供穩定的且與之匹配的電源。電路控制系統模塊如圖3所示。

圖3 電路控制系統模塊圖

2.4 主控電路設計

STM32[6-7]系列芯片，處理能力較單片機高，且成本較低，自帶A/D轉換，方便實現對溫度傳感器的信號處理。考慮到實際測量過程控制中，工作溫度應在10～40℃，且要進行恒溫系統控制和恒壓強系統控制兩方面的實現、相關控制程序的處理，期間還有相關的數據處理顯示、協調各個模塊之間的運作等，故選擇性價比較高的STM32系列芯片。真空玻璃傳熱系數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，并設通用系列的增強型，引腳總數選用64腳，閃存存儲器達到128 kB。封裝采用LQFP64，工業級溫度范圍是-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，同時外設資源較為豐富。

2.5 溫控電路設計

恒溫控制模塊中，通過芯片中的模糊PID[8-10]程序控制輸出，此時的驅動信號經過由IR2110組成的專業IGBT驅動電路，進而實現對IGBT的開關控制，再由數據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，與設定的目標溫度經行比對，實現對冷、熱溫度的閉環控制。由于核心芯片的負載能力有限，所以不能對被控對象進行直接驅動。中間必須通過合適的驅動電路，將輸出的控制信號放大，進而實現弱電對強電的開關控制。而此時則必須采取必要的保護措施，對強弱電進行隔離，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器件工作狀態處于飽和區，實現開關控制中的開，而關斷控制則相反。同時在控制溫度電路中加入發光二極管，便于觀察控制系統處于何種工作狀態。

最后由IR2110器件搭建IGBT驅動電路：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，實現對器件IGBT的驅動。目前IR2110驅動IGBT的電路已經較為成熟。IR2110的性能參數如下：器件工作電壓10～20 V，邏輯電壓范圍5～15 V;相關的電源地和功率地之間可以有±5 V偏移;工作頻率可達500 kHz，并且關斷延遲也較小(120 ns和94 ns)。

3 工作流程

在整體的工作流程中，系統通電啟動后，將真空玻璃實物放入升起的冷板下面，系統開始對恒壓強和恒溫模塊進行各自控制信息的初始化；然后進入恒壓強控制模塊的下降控制，在控制過程中不斷檢測恒壓強條件是否滿足，若不滿足恒壓強條件，則繼續進行下降控制，直到滿足條件，恒溫測量開始進行。由數據采集模塊進行溫度采集并顯示，判定是否滿足恒溫測量條件，若不滿足恒溫條件，進入恒溫控制模塊控制，通過開關控制加熱板和制冷板，再次檢測并顯示。多次循環控制后達到恒溫測量條件，此時采集數據，并進行相應的K值計算和顯示，完成后滿足一定的測量次數，結束測量工作，進入脫離恒壓強條件狀態，采用恒壓強控制模式進行上升控制。在升起冷板過程中，進行脫離恒壓強條件的判定，若是沒有達到要求，則繼續上升控制，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控制來實現對開關電路的開關控制，進而控制冷板制冷，熱板加熱，達到目標溫度，實現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,這些特性造成常規的PID控制方式難以實現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良的魯棒性能，具有一般PID控制所具有的好的動態跟蹤品質。其系統的響應也較快，整個控制過程中上升時間較短，有較小的超調，系統控制的穩態精度較高。

4 數據處理

整個測量儀器安裝后，僅用鍵盤和液晶顯示來實現模糊控制新的調試，過程非常繁瑣。為了方便調試工作，設計一個簡單的上位機操作系統，操作員可以通過上位機進行簡單的PID參數調適，完成在線設置PID參數，將其賦值給模糊控制器作為初值，最終獲取所需要的數據和參數。為了簡化步驟，可先通過常規PID調出大概的PID參數，然后將其賦值給模糊控制器初值來實現模糊PID控制。

在國標規定的實驗環境下，采用自制已知熱導系數1 Wm-2k-1的標準板，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行重復性測量，且自然配重實現的恒壓力為1.29 bar(1 bar=0.1MPa)。經過大量數據測量，測試數據如表1所示。

表1 真空玻璃傳熱系數測量數據

5 結束語

本文響應國家節能減排、低碳環保的號召，將真空玻璃應用于建筑門窗行業。依據真空玻璃的國家標準，開發出一套真空玻璃傳熱系數測量系統，能夠應用于工業化大生產中，實現在線檢測。這套測量系統操作簡潔，采集數據快并且測量精度高。它是通過PID 控制系統使得冷板和熱板達到一定的范圍，實時采集待測真空玻璃冷板以及熱板的溫度數據，進行數據處理。通過反復對測量頭進行測量來降低誤差，并對其進行修正運算，最后測得真空玻璃傳熱系數的準確數值。

[1] 唐健正.真空玻璃產業化現狀及發展前景[J].玻璃,2008(8):26-36.

[2] 譚小燕.真空玻璃在節能住宅的應用前景[J].門窗,2009(12):23-26.

[3] 中華人民共和國國家發展和改革委員會.JC/T1079-2008.真空玻璃[S].2008.

[4] Fang Y P, Trevor J. Hyde N H.Predicted thermal performance of triple vacuum glazing[J].Solar Energy,2010: 2132-2139.

[5] 張磊,寧鐸,劉偉.一種可控恒壓力條件下真空玻璃傳熱系數測量儀研制[J].陜西科技大學學報,2013,31(2):136-141.

[6] 武惠挺.基于STM32的罐式硫化機自動控制系統的研究與設計[D].包頭:內蒙古科技大學,2011.

[7] 潘凌峰.基于STM32的恒溫混水閥控制器的設計與實現[D].杭州:杭州電子科技大學,2011.

[8] 康潔.基于智能PID整定的溫度控制系統設計[J].科學之友,2010(6):1-3.

[9] 操建華.自適應模糊PID在溫度控制中的應用[J].現代電子技術,2010(5):110-114.

[10]謝錕.基于PID算法的電爐溫度閉環控制策略的研究與設計[J].青海大學學報,2012,30(3):6-10.

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，現為陜西科技大學控制理論與控制工程專業在讀碩士研究生；主要從事智能測控儀器開發方面的研究。

TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509022

修改稿收到日期：2015-07-20。