CN101017146A - 板材导热效能的检测分析方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种板材导热效能的检测分析方法及其系统。该方法包括：1.选取测试试件；2.把试件放置在测试装置的上下两腔之间的测试平台上，测试试件的下表面与下腔接触，上表面与上腔接触，使上下两腔密闭隔离，上下两腔与外界封闭；3.设定测试基准温度和加热温度；4.计算机控制系统将自动完成测试过程；5.计算机控制系统记录和判断出现的温度恒定的差值Δt，并确定出现恒定差值所用的时间T；6.将测试试件测完；7.计算机控制系统自动给出测试试件的导热效能，并给出用非线性数学回归模型或神经元网络模型的导热规律函数。利用本发明对于由多种材料复合或多种材料层积复合所构成的复杂生物质材料进行检测，导热效能精度达到99％以上。

Description

板材导热效能的检测分析方法及其系统

技术领域

本发明涉及一类板材导热效能的检测分析方法及其系统，这类板材由多种材料复合或多种材料层积复合所构成的复杂生物质材料制成。

背景技术

目前，国内外科学家已研究出针对中等导热系数材料如塑料、环氧树脂、玻璃等导热系数理论和实际的检测方法。这些检测方法大致的检测原理是用一恒定电流通过一个附着在试件表面(或下表面)的发热体，使发热体释放恒定的热量，同时在距该发热体一定距离的试件上表面(或下表面)安放一温度采集传感器，接收试件的实时温度。然后用下述公式计算出导热系数λ的值：

$\mathrm{\λ}=\frac{Q*\mathrm{\δ}}{(t_1-t_2)*S}[w/m*K]$

其中：Q为被测材料内部的两个平行平面之间垂直方向上的热流速率；

S为传导表面积；

(t1-t2)为与两截面的温差；

δ为两截面的距离。

式中的函数比值即为在温度(t1-t2)/2下的λ值。

这种检测方法对上述中等导热系数材料的导热系数的测定是行之有效的，然而将这种方法用在由多种材料复合或多种材料层积复合所构成复杂的生物质材料上，则检测结果总是得到不准确的、不能令人信服的答案。最简单的例子是在用该种材料制成的地板的导热规律实测中，这种方法无法实现准确检测，最明显的表现是实验没有重复性。

然而在建筑、装修以及地热住宅行业飞速发展的今天，世界各国相关领域的科学家都急切地想知道由多种材料复合或多种材料层积复合所构成的复杂生物质材料其导热性能确切的量化指标和具体而规范的检测方法，并开展了多方位的研究。但遗憾的是，迄今为止，国内外尚未能给出符合这种生物质材料导热性能内在热运动规律的导热系数的理论表达式。

这是因为由多种材料复合或多种材料层积复合所构成的复杂生物质材料在结构上有其自身的复杂性。以这种材料所制成的导热地板为例，在当今世界上生物质资源紧缺的情况下，为高效利用资源，地板厂商将导热地板做成三层甚至更多层，其中，地板的表面用珍贵树种，中间或下面用廉价的人工林树种。或者在强化地板的下表面裱装一层金属薄膜使其提高导热效率，这种结构完全不同于塑料、环氧树脂、玻璃等材料，如果用现有的导热系数方法去测量其导热系数，这就使得上述λ的值变得更加复杂和不确定，因为目前还没有人证明当不同材料复合后，λ的值可以累加，其测量结果就没有准确性可言。也就是说现有的导热系数测量方法不能准确地把握这种由多种材料复合或多种材料层积复合所构成的复杂生物质材料的导热规律。其次，用这种方法检测时，试件是暴露在外界的，测试时部分能量将从试件的边缘部分释放到所在的环境中，从而使检测的结果不准确，导致两次检测的结果相差很大。

综上所述，找出针对由多种材料复合或多种材料层积复合所构成的复杂生物质材料导热性能及其规律的测试方法，无论是对于木材科学研究及建筑、装饰材料飞速发展的今天都显得十分必要了。

发明内容

本发明针对由多种材料复合或多种材料层积复合所构成的复杂生物质材料自身的特点，提出了这类板材导热效能的检测分析方法及其系统。它可以解决上述测量问题，填补了国内外木材科学导热规律研究领域的一项空白。

本发明的板材导热效能的检测分析方法，即两腔恒温法，它包括如下步骤：

1)选取三组测试试件；

2)把所述测试试件之一放置在测试装置的上下两腔之间的测试平台上，测试试件的下表面与下腔接触，上表面与上腔接触，使上下两腔密闭隔离，且上下两腔与外界封闭；

3)开启计算机控制系统，设定测试基准温度X和加热温度E；其中：X在0～100℃之间，E在0～100℃之间；

4)当设定工作完成后并确定开始检测，计算机控制系统将自动完成测试过程；当测试试件的上表面到达设定的测试基准温度X时，测试开始；测试时，下腔升温至设定的加热温度E，并保持恒定；热能从测试试件的下表面传递到上表面，直到测试试件的上下两表面的温度出现恒定的差值时，记为Δt，测试结束；

5)计算机控制系统自动记录和判断出现的温度恒定的差值Δt，并自动确定出现恒定差值所用的时间T；

6)重复步骤2)至步骤5)，直到所述测试试件测完；

7)计算机控制系统自动给出测试试件的导热效能，并可按用户要求给出用非线性数学回归模型或神经元网络模型的导热规律函数。

上述方法中，步骤7)中所述测试试件的导热效能的表达式为： $Q=\frac{E-\mathrm{\Δt}}{T}$

式中：Q为测试板材的导热效能，℃/h；

E为下腔的设定温度，℃；

Δt为试件上下两表面的温度出现恒定的温度差值，℃；

T为试件上下两表面的温度出现恒定的差值所用的时间，h。

本发明在国内外首次提出导热效能这一针对板材(由多种材料复合或多种材料层积复合所构成的复杂生物质材料制成)测试的新概念。这种材料的板材导热效能：将恒定热能从测试试件下表面传递至上表面，测试上表面温度达到平衡时的温度值与所用时间的比值。平衡时的温度是指，对于任意给定的小数ε，存在某一时刻T₀对任意的t＞T₀时有上下两表面的温度差的绝对值小于给定的小数ε。

本发明的板材导热效能的检测分析系统，它包括测试装置、计算机控制系统和电源伺服系统；

所述测试装置由上下两腔构成，上下两腔与外界封闭；上下两腔之间设有隔层，隔层上设有测试平台，测试平台中间设有开口；下腔内设有下腔温度传感器和放热源；上腔内设有测试试件、温度传感器I、温度传感器II，所述测试试件位于测试平台的开口处，并将开口封闭，所述温度传感器I和温度传感器II位于测试试件的上表面；

所述计算机控制系统包括：信号采集模块、信号处理模块、放热源控制模块、数据显示模块、数据分析模块和人机交互模块；所述信号采集模块联接信号处理模块，所述信号处理模块联接加热控制模块、制冷控制模块、空气循环模块和数据分析模块，所述数据分析模块联接数据显示模块和人机交互模块；所述信号采集模块与上下腔各传感器相连；所述加热控制模块、制冷控制模块、空气循环模块分别与下腔相应部件相连。

上述系统中，所述下腔内的放热源包括加热部件和制冷部件，或包括空气循环部件、加热部件和制冷部件。

上述系统中，所述计算机控制系统的放热源控制模块包括加热控制模块和制冷控制模块，或包括空气循环模块、加热控制模块和制冷控制模块。

利用本发明的板材导热效能的检测分析方法及其系统对于由多种材料复合或多种材料层积复合所构成的复杂生物质材料进行检测，其导热效能精度达到99％以上，重复测试精度可达97％以上，填补了国内外木材科学导热规律研究领域的一项空白。可以进一步为木材科学领域的木材及木基复合材料导热性质和干燥性质的研究、探讨木材及木基复合材料机理、建筑、装修装饰材料的科学研究、以及木基复合材料属性鉴定，提供科学依据及量化指标。

附图说明

图1是本发明的系统中测试装置的示意图；

图2是本发明的系统中计算机控制系统和电源伺服系统的示意图；

图3是本发明的方法中测试进程动态跟踪程序的主要流程图。

具体实施方式

本发明的板材导热效能的检测分析系统是根据两腔恒温法而设计构建的，它包括测试装置11、计算机控制系统20和电源伺服系统40。参照图1，所述测试装置11由上下两腔7、13构成，上下两腔与外界封闭；上下两腔7、13之间设有隔层9，隔层9上设有测试平台14，测试平台14中间设有开口8；下腔13内装有型号为Pt100的下腔温度传感器1、空气循环部件2、加热部件3、制冷部件4；上腔7内设有测试试件12、型号为Pt100的温度传感器I5和温度传感器II6，测试试件12位于测试平台12的开口8处，并将开口8封闭，温度传感器I5和温度传感器II6位于测试试件12的上表面。参照图2，所述计算机控制系统20包括：信号采集模块21、信号处理模块22、加热控制模块23、制冷控制模块24、空气循环模块25、数据显示模块26、数据分析模块27和人机交互模块28；信号采集模块21联接信号处理模块22，信号处理模块22联接加热控制模块23、制冷控制模块24、空气循环模块25和数据分析模块27，数据分析模块27联接数据显示模块26和人机交互模块28；信号采集模块21分别与上腔温度传感器5、6、下腔温度传感器1相连，负责接收测试试件上表面相应位置、下腔的温度数据，并传送给计算机控制系统20，系统分析处理后，向执行机构发送相关控制指令；加热控制模块23、制冷控制模块24、空气循环模块25分别与下腔的加热部件3、制冷部件4、空气循环部件2相连，负责下腔内空气流的调整和腔内温度的实时控制。

上述系统中，所述测试装置的上下两腔外围10和两腔之间的隔层9均由钢性材料和绝热层构成。

上述系统中，所述测试平台中间的开口8其尺寸长、宽在80～200mm之间。

上述系统中，所述空气循环部件2采用风扇，可采用均流调速风扇。

上述系统中，所述加热部件3可采用电热管。

本发明的板材导热效能的检测分析方法包括如下步骤：

1)选取三组测试试件；测试试件尺寸如下：长、宽在80～200mm之间，如100×140mm，板厚误差不大于0.1mm；测试试件的含水率在20～100％范围之间，如30％左右；

2)把测试试件之一放置在测试装置的上下两腔之间的测试平台上，测试试件的下表面与下腔接触，上表面与上腔接触，使上下两腔密闭隔离，且上下两腔与外界封闭；测试试件的下表面不小于80×80mm、最大不超过120×200mm与下腔接触；

3)开启计算机控制系统，设定测试基准温度X和加热温度E；其中：X在0～100℃之间，如20℃；E在0～100℃之间，如70℃；

4)当设定工作完成后并确定开始检测，计算机控制系统将自动完成测试过程；当测试试件的上表面到达设定的测试基准温度X＝20℃时，测试开始；测试时，下腔升温至设定的加热温度E＝70℃，并保持恒定；热能从测试试件的下表面传递到上表面，直到测试试件的上下两表面的温度出现恒定的差值时，记为Δt，测试结束；

5)计算机控制系统自动记录和判断出现的温度恒定的差值Δt，并自动确定出现恒定差值所用的时间T；

6)重复步骤2)至步骤5)，直到所述测试试件测完；

7)计算机控制系统自动给出测试试件的导热效能，其表达式为： $Q=\frac{E-\mathrm{\Δt}}{T}$ ；并可按用户要求给出用非线性数学回归模型或神经元网络模型的导热规律函数。

上述方法中，步骤4)中计算机控制系统采用快速PID温度控制方法控制下腔温度，使其快速达到恒定状态，具体方法另案申请。

上述方法中，步骤7)中计算机控制系统用非线性数学回归模型或神经元网络模型给出导热规律函数，具体方法另案申请。

上述方法中，步骤3)至步骤7)中计算机控制系统采用测试进程动态跟踪程序，其主要流程包括如下步骤：

1)用户登录；

2)判断用户密码是否正确，是，继续；否，退出系统；可设计成：用户输入正确的用户名和密码即可进行登陆，当用户3次输入都不正确的时候，自动退出系统；

3)创建数据库，具有模拟运行功能；在此之前应该先将以前测试的数据库移除，否则系统会提示用户移除以前测试的数据库；数据库创建成功以后，系统给出相应的提示；

4)系统参数设定，保存在数据库中；其中系统控制器的参数已经事先设定好，并存入相应的数据库中，参数设定的时候自动从数据库中读取，当控制器参数需要修改时，单击参数修改可以将新修改的参数保存在数据库中，以便下次测试使用；

5)系统运行及监控；

6)判断系统是否达到相对稳定平衡状态，是，停止运行，通过历史曲线界面、动态历史曲线界面、系统模拟运行界面、数据库报表界面查看系统运行的具体过程，以使用户对系统的运行过程有比较清晰的认识；否则，继续判断；

7)对板材导热规律进行曲线拟合，同时对拟合结果进行分析；给出数据报表；模拟运行；

8)退出系统。

所述步骤6)中相对稳定平衡状态判断规则，系统将进行如下运算：

①计算出某一时刻t₁的测试装置温度x(t₁)与板材温度y(t₁)的差值e(t₁)(e(t₁)＝|x(t₁)-y(t₁)|)。

②经过一定的时间间隔Δ后计算出下一时刻t₂(t₂-t₁＝Δ)的测试装置温度x(t₂)与板材温度y(t₂)的差值e(t₂)(e(t₂)＝|x(t₂)-y(t₂)|)。

③计算|e(t₂)-e(t₁)|

如果|e(t₂)-e(t₁)≤ε(ε：设定的差值)则认为系统到达相对稳定平衡状态，系统自动停止运行。否则将e(t₂)的值赋给e(t₁)，并重复②和③；直到|e(t₂)-e(t₁)|≤ε，系统自动停止运行。

Claims (10)

1、一种板材导热效能的检测分析方法，其特征在于，它包括如下步骤：

1)选取三组测试试件；

2)把所述测试试件之一放置在测试装置的上下两腔之间的测试平台上，测试试件的下表面与下腔接触，上表面与上腔接触，使上下两腔密闭隔离，且上下两腔与外界封闭；

3)开启计算机控制系统，设定测试基准温度X和加热温度E；其中：X在0～100℃之间，E在0～100℃之间；

4)当设定工作完成后并确定开始检测，计算机控制系统将自动完成测试过程；当测试试件的上表面到达设定的测试基准温度X时，测试开始；测试时，下腔升温至设定的加热温度E，并保持恒定；热能从测试试件的下表面传递到上表面，直到测试试件的上下两表面的温度出现恒定的差值时，记为Δt，测试结束；

5)计算机控制系统自动记录和判断出现的温度恒定的差值Δt，并自动确定出现恒定差值所用的时间T；

6)重复步骤2)至步骤5)，直到所述测试试件测完；

7)计算机控制系统自动给出测试试件的导热效能，并可按用户要求给出用非线性数学回归模型或神经元网络模型的导热规律函数。

2、根据权利要求1所述的板材导热效能的检测分析方法，其特征在于，步骤7)中所述测试试件的导热效能的表达式为： $Q=\frac{E-\mathrm{\Δt}}{T}$

式中：Q为测试板材的导热效能，℃/h；

E为下腔的设定温度，℃；

Δt为试件上下两表面的温度出现恒定的温度差值，℃；

T为试件上下两表面的温度出现恒定的差值所用的时间，h。

3、根据权利要求1所述的板材导热效能的检测分析方法，其特征在于，步骤1)中所述测试试件尺寸如下：长、宽在80～200mm之间，板厚误差不大于0.1mm；测试试件的含水率在20～100％范围之间。

4、根据权利要求1所述的板材导热效能的检测分析方法，其特征在于，所述测试试件的下表面不小于80×80mm、最大不超过120×200mm与下腔接触。

5、根据权利要求1所述的板材导热效能的检测分析方法，其特征在于，步骤4)中计算机控制系统采用PID温度控制方法控制下腔温度。

6、根据权利要求1所述的板材导热效能的检测分析方法，其特征在于，步骤3)至步骤

7)中计算机控制系统采用测试进程动态跟踪程序，其主要流程包括如下步骤：

1)用户登录；

2)判断用户密码是否正确，是，继续；否，退出系统；

3)创建数据库，具有模拟运行功能；

4)系统参数设定，保存在数据库中；

5)系统运行及监控；

6)判断系统是否达到相对稳定平衡状态，是，停止运行，通过历史曲线界面、动态历史曲线界面、系统模拟运行界面、数据库报表界面查看系统运行的具体过程；否则，继续判断；

7)对板材导热规律进行曲线拟合，同时对拟合结果进行分析；给出数据报表，模拟运行；

8)退出系统。

7、一种板材导热效能的检测分析系统，其特征在于，它包括测试装置、计算机控制系统和电源伺服系统；

所述测试装置由上下两腔构成，上下两腔与外界封闭；上下两腔之间设有隔层，隔层上设有测试平台，测试平台中间设有开口；下腔内设有下腔温度传感器和放热源；上腔内设有测试试件、温度传感器I、温度传感器II，所述测试试件位于测试平台的开口处，并将开口封闭，所述温度传感器I和温度传感器II位于测试试件的上表面；

所述计算机控制系统包括：信号采集模块、信号处理模块、放热源控制模块、数据显示模块、数据分析模块和人机交互模块；所述信号采集模块联接信号处理模块，所述信号处理模块联接加热控制模块、制冷控制模块、空气循环模块和数据分析模块，所述数据分析模块联接数据显示模块和人机交互模块；所述信号采集模块与上下腔各传感器相连；所述加热控制模块、制冷控制模块、空气循环模块分别与下腔相应部件相连。

8、根据权利要求7所述的板材导热效能的检测分析系统，其特征在于，所述下腔内的放热源包括加热部件和制冷部件，或空气循环部件、加热部件和制冷部件。

9、根据权利要求7所述的板材导热效能的检测分析系统，其特征在于，所述计算机控制系统的放热源控制模块包括加热控制模块和制冷控制模块，或空气循环模块、加热控制模块和制冷控制模块。

10、根据权利要求7所述的板材导热效能的检测分析系统，其特征在于，所述测试装置的上下两腔外围和两腔之间的隔层均由钢性材料和绝热层构成。

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