瀝青混合料導熱系數測試裝置研制

摘要：基于一維穩態傳熱情況下的單平板保護熱板法，自主研發設計了瀝青混合料單防護熱板法導熱系數測試裝置。對測試裝置的熱板、護板、冷板以及保溫結構等進行設計;采用Fuzzy PID與二分法相結合的方法控制加熱功率，以實現熱板溫度的精確控制;基于Lab VIEW設計智能化導熱系數測試軟件，以實現測試過程的自動化。研究結果表明：該測試裝置運行平穩，溫度控制精度高;與DRH-VI型導熱系數測定測試裝置測試結果對比，兩者結果相差0.0285，由于所設計的裝置在試驗過程中存在熱量的散失，故所測出的結果偏小。

關鍵詞：瀝青混合料;單防護熱板法;導熱系數測試裝置;Fuzzy PID

0" "引言

為提高公路養護的質量，降低公路養護的成本，研究人員對瀝青路面的就地熱再生技術的研究越來越深[1]。為進一步了解瀝青路表各層的傳熱過程中溫度變化，需對瀝青混合料導熱系數進行研究。目前，針對瀝青混合物導熱系數的獲取主要有兩類：一類是基于瀝青混合物的組成成分，建立模型，通過公式推導計算導熱系數[2]。另一類是通過試驗測試獲取。試驗法又分為穩態法和非穩態法[3]。

黃慧[4]自行設計了瀝青混合料室內簡易導熱系數測試裝置，并通過穩態導熱冷卻法和半無限大瞬態傳熱法模型進行計算，經過比較兩者結果較為一致。2016年，Terzi? Marijana M[5]等人開發了一套測量固體材料導熱系數的試驗裝置，并通過數值方法建立傳熱三維有限模型，分析試樣內外的溫度和熱流溫度，得到試件為300mm×300mm為最佳設計。2017年，劉穎杰[6]等人開發了一種可以測量高溫時材料的導熱系數的試驗裝置，并通過穩態熱流方法，測試材料在不同溫度及不同內部結構輕質高鋁磚的導熱系數。2017年，Jannot Y[7]等人基于熱板法設計了一套實驗裝置，可以用來測量的樣本大小為100cm×100cm×40cm。2018年，趙曉文等人[8]在現有的絕熱材料導熱系數實驗臺上進行了優化設計，優化后的實驗臺導熱系數測量精度提高了5.5%， 穩定時間縮短50%以上。Yan X[9]研制了一種測試大體積堆積顆粒混合物導熱系數的實驗裝置，試驗結果表明，瀝青混合料和水泥穩定骨料導熱系數在-10～60℃時隨溫度的增長呈線性增長。2020年，王孟陽等人[10]設計了平板式導熱系數測試儀，該測定儀系統運行穩定，抗干擾能力強，數據采集精度高，操作方便。

目前瀝青混合料導熱系數測試裝置的研究中，大多數的導熱系數測試均選擇非穩態法中的熱線法得到，對穩態平板法設計瀝青混合料導熱系數測試裝置的研究甚少，本文通過基于保護熱板法中的單平板法測試原理，對瀝青混和料測試裝置的機械結構和控制系統進行設計，并通過試驗對比的方法驗證了該裝置的可靠性。

2" "測試原理

本文所設計的測試裝置基于一維穩態傳熱情況下的單平板保護熱板法，當測試達到一維穩定狀態時，物質材料中各點溫度不會隨時間發生變化，可近似認為是一維穩態傳熱[11]。在護板保護作用下，熱板邊緣的熱量散失減少，熱板熱量只能從熱板自上向下傳遞到瀝青混和物測試試件上，再從試件傳遞到冷板。為提高試驗結果的準確性，需確保熱板和護板之間的溫度相同，從而使兩者之前不會發生熱傳導，中心加熱板產生的熱量全部被試件經過熱傳遞到底部冷板。將熱板試件及冷板視為一維穩態導熱模型，當溫度達到平衡后，求得試件的導熱系數為：

（1）

式中：A表示主加熱板的面積，單位為m2;δ表示測試試件的厚度，單位為m;T1表示熱板的溫度，單位為℃;T2表示冷板的溫度，單位為℃。

3" "裝置設計

瀝青混合料導熱系數測試裝置包括機械結構和控制系統，其總體設計流程如圖1所示。

3.1" "機械結構設計

瀝青混合料導熱系數測試裝置的機械結構如圖2所示，主要包括熱板、護板、冷板和保溫結構的設計。熱板用于為試驗過程中試件提供熱量;護板用于保證試驗過程中熱板的熱流不發生側向偏移;冷板用來控制被測試件的冷面溫度;保溫結構用于減少熱量散失，提高試驗準確性。

3.1.1" "熱板和護板設計

熱板和護板組成裝置的加熱單元，為試件提供熱面溫度。在測試過程中，試件上、下表面存在溫度差，兩者會發生熱傳導。當測試系統的溫度處于穩定的狀態下，即在熱板和冷板之間形成一維穩態熱流。

考慮到試件的大小一般為300mm×300mm，因此采用8塊護板和1塊熱板組成加熱板單元。熱板和護板內部嵌有回字形的電阻絲，從而保證護板和熱板的均勻性。熱板和護板通過螺栓固定在絕熱材料板。在瀝青混和物的導熱系數測試過程中，需對熱板穩定穩定狀態下的單位時間熱流量進行測定，選擇GPD-4303S可編程直流電源來實現溫度控制和功率測量。護板只需對溫度進行控制，不需要測定其加熱功率，從實用等方面考慮，選擇明緯NES-350-36型直流開關電源對其進行供電。

為了進一步驗證熱板和護板加熱的均勻性，通過在線紅外熱成像儀對護板和熱板進行加熱，進行實時監測，發現在同一時間下，8塊護板和1塊熱板的溫度基本相同，進一步說明護板和熱板設計的準確性。

3.1.2" "冷板設計

在冷板的內部設有回字形凹槽，為使冷板和熱板之間形成一維穩態傳熱，一般通過給冷板內部凹槽通入恒溫冷卻水，使冷板和熱板之間形成溫度差。為保證冷板表面溫度的均勻性及提高對流換熱能力，由銅制作均熱板，由內部有回形凹槽鋁合金板制作冷板，并在兩側都設置帶螺紋接頭，以對冷板進行通水和出水。對冷板通的水為從恒溫水槽中出來的水，恒溫水槽主要由進水閥、排水閥、溫度控制系統、壓縮機、攪拌器及保溫裝置組成。

3.1.3" 保溫結構設計

試驗過程中熱量散失過多會導致測試的時間增加，使得系統無法達到穩態的狀態，且影響測試結果的準確性。為了避免此現象發生，采用硅酸鋁保溫棉把加熱單元和試件的周圍都圍住并捆綁好。

3.2" "控制系統設計

瀝青混合料導熱系數測試裝置的控制系統包括電氣和軟件控制系統的設計，其控制系統結構如圖3所示。

3.2.1" "溫度控制系統

溫度控制系統主要是對熱板、冷板等處的溫度進行測量和控制，由K型溫度傳感器，NI9213溫度采集模塊，NI9263模擬電壓輸出模塊，基本放大電路，固態繼電器，可編程直流電源，加熱板等組成。熱板的控制是通過把采集到的溫度信號傳到PC端，利用LabVIEW編寫程序對固緯GPD-4303S可編程直流電源的功率進行自動調節;將采集到的護板溫度信號傳到PC端，并用程序把溫度信號轉換為電壓信號來控制NI3263模擬電壓信號的輸出，傳送給QSSR-25 DD固態繼電器，實現對保護加熱板溫度的采集與控制。熱電偶輸入模塊和模擬電壓模塊均是通過網線實現多路溫度信號和控制信號的通訊，可編程直流電源與PC機通過USB數據線完成電壓、電流信號的通訊。

3.2.2" "功率控制系統

功率控制系統主要是對熱板的加熱功率進行測量，當系統達到穩態后，在程序的控制界面上可以采集固緯GPD-4303S型可編程直流電源的實際輸出電壓和電源，即可求出在穩態下熱板的平均加熱功率。主加熱板溫度控制如下：NI9213溫度采集卡采集的溫度與加熱板設定溫度進行比較，通過控制算法求出GPD-4303S可編程直流電源的輸出電壓進行控制，從而使加熱板溫度達到設定溫度。

導熱系數測試裝置采用模糊控制（Fuzzy）和PID算法相結合，實現PID參數模糊自整定[12]。控制系統加入Fuzzy控制模塊，能夠很好地縮小功率波動范圍。但當誤差變化偏小時，該方法開始出現較大誤差，功率波動又開始變大，這是由于模糊PID縮小偏差的能力有限。為了解決該問題，在Fuzzy-PID調試出合適的電壓范圍后，轉而采用二分法進一步縮小電壓波動的范圍，以提高導熱系數測試裝置功率控制系統的精度。

在Fuzzy-PID對GPD-4303S可編程直流電源輸出電壓范圍進行有效確定之后，采用二分法對輸出電壓范圍進行二分運算，直到熱板溫度波動很小呈恒定趨勢。二分程序采用Lab VIEW中的公式節點（Formula Node）來實現，在節點中對Fuzzy-PID確定的電壓范圍進行二分處理。

3.3.3" "虛擬儀器軟件的設計

虛擬儀器軟件一般由開發環境、驅動程序、接口軟件組成，本設計是基于LabVIEW開發環境編寫，采用圖形化語言、形象生動、便于理解。

4" "測試試驗

試驗時，通過NI自帶的配置管理軟件將各采集卡、電源等硬件與PC機連接，試驗裝置如圖5所示。連接完成后，打開軟件主程序，在軟件人機交互界面上對試驗相關參數進行設置。完成相關參數的設置，點擊“開始測試”就開始對試件進行測試。軟件會自動通過采集的溫度信號和判定穩態的條件進行判穩。當測試系統達到穩定狀態，則穩定指示燈亮起，并會計算出導熱系數的值。當所測的值趨于穩定，點擊程序停止即可。得到3次導熱系數的平均值為2.1337 W/m·K。

為了進一步驗證本裝置的可靠性，選用本實驗室湘潭儀器有限公司生產的 DRH-VI 型導熱系數測定儀對其進行測試。其測試結果為2.16228 W/m·K，與所設計的瀝青混合料測試裝置測試結果相差0.0285。由于所設計裝置在試驗過程中存在熱量散失，故所測結果偏小，這進一步的說明該裝置的可靠性。

5" "結論

基于一維穩態理論，推導出導熱系數的計算公式，并對瀝青混合料導熱系數測試裝置的機械結構和控制系統進行設計。在LabVIEW軟件中Fuzzy與PID算法相結合，并加入二分法，逐漸逼近求出加熱功率。研究結果表明，本控制系統具有穩態誤差小、超調量小、動態響應快的特點。加入二分法控制能夠有效解決模糊PID控制器無法實現的小偏差問題，提高了控制精度。

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