摘 要：随着国家节能减排政策的实施和科学技术的发展，真空玻璃作为建筑物窗户理想的采光保温材料，其工业化生产以及大规模推广应用已迫在眉睫，但是在国内还未报道过投入使用的真空玻璃传热系数的在线检测设备。受生产厂家委托，根据真空玻璃国家标准JC/T 1079-2008，研制了一套在恒压力测量条件下的真空玻璃传热系数在线测量仪。该测量仪操作简洁，测量精度高，满足了国家标准以及企业的使用要求。
关键词：真空玻璃 传热系数 在线检测 恒温控制 自然配重
0 引言
根据数据调查分析，建筑能耗占据了将近我国国家能源消耗的30%，而建筑能耗是由墙体的密度以及玻璃门窗等材质的选取不同造成的。真空玻璃[1-2]相比于中空玻璃，它的保温隔热隔音性能非常好，还能够在冬天夏天防结雾结霜，已经成为建筑门窗行业的理想选择，而真空玻璃的隔热保温性能是用传热系数K值来表征，现阶段国内主要停留在理论研究，缺乏能够直接测量真空玻璃传热系数的仪器。
为了满足市场需求，根据真空玻璃国标标准[3]，研制了一套能够在线检测真空玻璃传热系数的测量系统。该系统操作简洁，测量精度高。
1 真空玻璃测量原理
真空玻璃的热量传递主要是通过真空玻璃内部支撑物、残余气以及辐射这三种方式。标准的真空玻璃[4]内部压强小于0.1 Pa，残余气体传热一般可忽略不计。
根据真空玻璃的内部结构，它的内部热导的计算公式可以表示为：
C真空=C辐射+C支撑物
(1)
根据传热系数的构成，可得真空玻璃传热系数K值的计算公式：
(2)
(3)
式中：C真空为真空玻璃热导；R真空为真空玻璃热阻；C内为真空玻璃内部气体与玻璃表面热量的交换，也称内表面换热系数；R内为内表面换热阻；R外为外表面换热阻；C外为外表面换热系数；K为真空玻璃传热系数。
根据我国规定：
R内+R外=0.158 4
(4)
因此只要能测出真空玻璃的R真空，就可以算出真空玻璃的传热系数。具体的传热系数测量原理如图1所示。
图1 测量仪测量原理
Fig.1 Schematic diagram of the measuring instrument
根据测量仪的原理图设计，实际测量过程中传热系数与冷板、热板、标准板、待测真空玻璃板之间的紧密结合程度密切相关。由于国标规定的测量都是基于理想条件下提出的，比如真空玻璃表面与测量板平面的无缝结合，但是此条件在现实中是很难达到的。在研制的过程中，通过不断实践总结经验，最终发现应在冷板的上方施加一个恒定的压力，这样可以使得各个平面板紧密贴合，使得测量条件满足国标规定。在测量的过程中，各个玻璃板之间的压力前后不一样，那么最终的测量结果必然是不同的。对于恒压力这个问题的研究，并不是国标规定的缺失，而是现实测量条件在一定程度上无法满足基于理想条件的测量，只能补充测量条件，尽可能使得最终所得的测量数据有所依据。
当研制的真空玻璃传热系数测量仪应用于工业生产线的在线检测时，采用只给固定压力来测出最后的传热系数值，达到生产线的检测。经过分析计算，在一定恒压的条件下测量真空玻璃的传热系数。对于恒压实现方法，直接采用恒定压力条件下进行测量，采用自然配重法进行设计。这种方法不但提供了稳定不变的测量条件，而且通过压力使得平面板表面紧密贴合，数据采集更为贴近实际值，测量结果也更加准确。它是把冷板上方特定的结构作为自然配重，再通过机械装置将它固定在冷板上方，测量时缓慢放下至冷板上，以此来实现恒压测量[5]。
2 整体方案设计
2.1 系统组成
测量仪系统由电路控制系统模块和机械系统模块两部分组成。其中电路控制系统主要是以STM32为核心的控制电路板及其外围必要的各种驱动电路。电路控制系统模块主要包括中央控制电路模块、温度控制电路模块、温度采集电路模块、电源电路模块；机械系统模块下面有制冷机械模块、加热机械模块、恒压机械模块。机械部分主要涉及加热板设计、制冷板设计、恒压设计以及系统必要的其他机械设计。
2.2 机械系统设计
真空玻璃传热系数测量仪的机械结构主要是依据国标JC/T 1079-2008中所规定的测量办法，并结合实际制作过程中的经验，主要分为加热机械模块设计、制冷模块设计、恒压机械模块设计三部分。测量仪整体结构示意图及其实物图如图2所示。
图2 测量仪整体结构图
Fig.2 The overall structure of measuring instrument
2.3 电路控制系统
电路控制系统是由电源模块、液晶显示、CPU、温控模块、采集模块以及电机水泵模块组成。温度采集模块是将冷板、热板、测量板的实时温度采集到主控模块内，中央控制电路模块然后对采集到的数据信息进行存储、运算，待数据处理完毕后将结果送入控制模块中，控制相应器件接通还是关断以及具体开通的时间和关断的时间，从而达到恒温控制的目标。电源模块主要是给控制电路板、加热装置、制冷装置、电机、水泵、风箱等提供稳定的且与之匹配的电源。电路控制系统模块如图3所示。
图3 电路控制系统模块图
Fig.3 Circuit control system module
2.4 主控电路设计
STM32[6-7]系列芯片，处理能力较单片机高，且成本较低，自带A/D转换，方便实现对温度传感器的信号处理。考虑到实际测量过程控制中，工作温度应在10～40℃，且要进行恒温系统控制和恒压强系统控制两方面的实现、相关控制程序的处理，期间还有相关的数据处理显示、协调各个模块之间的运作等，故选择性价比较高的STM32系列芯片。真空玻璃传热系数测量仪选用的核心芯片为STM32F103RBT6。该芯片是基于ARM的32位处理器，并设通用系列的增强型，引脚总数选用64脚，闪存存储器达到128 kB。封装采用LQFP64，工业级温度范围是-40～85oC，需要提供的电压为2.0～3.6 V，并且存在省电模式，可以降低功率消耗，保证低功耗需求，同时外设资源较为丰富。
2.5 温控电路设计
恒温控制模块中，通过芯片中的模糊PID[8-10]程序控制输出，此时的驱动信号经过由IR2110组成的专业IGBT驱动电路，进而实现对IGBT的开关控制，再由数据采集模块将冷板温度TL和热板处的温度TR反馈回控制芯片，与设定的目标温度经行比对，实现对冷、热温度的闭环控制。由于核心芯片的负载能力有限，所以不能对被控对象进行直接驱动。中间必须通过合适的驱动电路，将输出的控制信号放大，进而实现弱电对强电的开关控制。而此时则必须采取必要的保护措施，对强弱电进行隔离，实际电路中采用光耦隔离。具体的温度控制电路如图4所示。
图4 恒温测量电路
Fig.4 The constant temperature measurement circuit
电路图连接完成后，此时输出的2 V左右控制信号转换成10 V左右的控制电压，加在IGBT的GE两端，利用电路使得IGBT器件工作状态处于饱和区，实现开关控制中的开，而关断控制则相反。同时在控制温度电路中加入发光二极管，便于观察控制系统处于何种工作状态。
最后由IR2110器件搭建IGBT驱动电路：主要将SD端、COM端、VS端和VSS端置地，而VCC端、VB端 、VDD端直接和15 V电源连接，并且分别将冷板控制信号和热板控制信号输入HIN端和LIN端，然后从HO端和LO端输出接于IGBT的栅极，实现对器件IGBT的驱动。目前IR2110驱动IGBT的电路已经较为成熟。IR2110的性能参数如下：器件工作电压10～20 V，逻辑电压范围5～15 V;相关的电源地和功率地之间可以有±5 V偏移;工作频率可达500 kHz，并且关断延迟也较小(120 ns和94 ns)。
3 工作流程
在整体的工作流程中，系统通电启动后，将真空玻璃实物放入升起的冷板下面，系统开始对恒压强和恒温模块进行各自控制信息的初始化；然后进入恒压强控制模块的下降控制，在控制过程中不断检测恒压强条件是否满足，若不满足恒压强条件，则继续进行下降控制，直到满足条件，恒温测量开始进行。由数据采集模块进行温度采集并显示，判定是否满足恒温测量条件，若不满足恒温条件，进入恒温控制模块控制，通过开关控制加热板和制冷板，再次检测并显示。多次循环控制后达到恒温测量条件，此时采集数据，并进行相应的K值计算和显示，完成后满足一定的测量次数，结束测量工作，进入脱离恒压强条件状态，采用恒压强控制模式进行上升控制。在升起冷板过程中，进行脱离恒压强条件的判定，若是没有达到要求，则继续上升控制，直到满足条件，此时也就可以取出待测真空玻璃，结束测量。
软件流程图如图5所示。
恒温控制采用模糊PID控制来实现对开关电路的开关控制，进而控制冷板制冷，热板加热，达到目标温度，实现恒温测量条件的目的。恒温控制模块主要分为冷板的恒温控制和热板的恒温控制程序，如图所示，图6(a)为热板控制流程图，图6(b)为冷板控制流程图。
图5 软件整体流程图
Fig.5 Overall flow chart of the software
图6 PID控制温度流程图
Fig.6 The PID temperature control process
由于被控对象是温度，而温度在变化时是非线性的，同时具有时变性、大滞后性、大惯性等特点,这些特性造成常规的PID控制方式难以实现较为理想的控制效果。在实际的控制场合，采用模糊PID，可以充分利用模糊控制优良的鲁棒性能，具有一般PID控制所具有的好的动态跟踪品质。其系统的响应也较快，整个控制过程中上升时间较短，有较小的超调，系统控制的稳态精度较高。
4 数据处理
整个测量仪器安装后，仅用键盘和液晶显示来实现模糊控制新的调试，过程非常繁琐。为了方便调试工作，设计一个简单的上位机操作系统，操作员可以通过上位机进行简单的PID参数调适，完成在线设置PID参数，将其赋值给模糊控制器作为初值，最终获取所需要的数据和参数。为了简化步骤，可先通过常规PID调出大概的PID参数，然后将其赋值给模糊控制器初值来实现模糊PID控制。
在国标规定的实验环境下，采用自制已知热导系数1 Wm-2k-1的标准板，并选择待测真空玻璃，在相同的实验条件下对同一块真空玻璃进行重复性测量，且自然配重实现的恒压力为1.29 bar(1 bar=0.1MPa)。经过大量数据测量，测试数据如表1所示。
表1 真空玻璃传热系数测量数据
Tab.1 The measuring data of the heat transfer coefficient of vacuum glass
5 结束语
本文响应国家节能减排、低碳环保的号召，将真空玻璃应用于建筑门窗行业。依据真空玻璃的国家标准，开发出一套真空玻璃传热系数测量系统，能够应用于工业化大生产中，实现在线检测。这套测量系统操作简洁，采集数据快并且测量精度高。它是通过PID 控制系统使得冷板和热板达到一定的范围，实时采集待测真空玻璃冷板以及热板的温度数据，进行数据处理。通过反复对测量头进行测量来降低误差，并对其进行修正运算，最后测得真空玻璃传热系数的准确数值。
