CN103926272B - 一种真空绝热板导热系数在线测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种真空绝热板导热系数在线测量装置及其测量方法，涉及一种真空绝热板。提供具有检测速度快、操作简单、成本低、测量结果便于管理等特点，从而满足真空绝热板大批量生产的质量检测需求的一种真空绝热板导热系数在线测量装置及其测量方法。装置设有内部测量模块和外部测量模块；所述内部测量模块设有接收线圈、无线充电接收电路、加热控制电路、温度检测电路、RC振荡电路和信号发射探头；所述外部测量模块设有无线充电发射电路、发射线圈、信号接收探头、放大电路、滤波电路和信号处理模块。使冰箱等领域的真空绝热板导热系数的快速测量成为了可能，并且满足了真空绝热板导热系数现场在线测量的要求，推动了真空绝热板的广泛且安全的应用。

Description

一种真空绝热板导热系数在线测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种真空绝热板，尤其是涉及一种真空绝热板导热系数在线测量装置及其测量方法。

背景技术

真空绝热板（VacuumInsulationPanel简称VIP）是一种先进的高效节能产品，它通过最大限度提高板内真空度并充填以芯层绝热材料而实现隔绝热传导，从而达到保温、节能的目的，因此被广泛应用于冰箱、冰柜、冷藏车、冷库、冷冻冷藏集装箱等领域。另外，在航空航天、食品工业、墙体保温等领域也开始使用。目前，欧美国家、日本等先进国家已经开始应用“绝热板”于节电、节能技术，真空隔热板产品的应用响应了世界家电产品高效节能化趋势的要求。

我国上海海事大学阚安康等人提出真空绝热板导热系数测量方案（阚安康,韩厚德,王忠诚.双室热保护法测定真空绝热板导热系数的研究[J].低温与超导,2011,(2):53-58.），其测量装置基于一维稳态导热下,采用热流量的方式计算出VIP的导热系数。另外一种测量方案（阚安康,韩厚德,王友聪.真空绝热板导热系数测量装置的设计[J].上海海事大学学报,2006,(3):9-11），其测量装置基于稳态平板法计算出VIP的导热系数。虽然以上两种测量测量方案的测量精度高，但是其测量方法慢，而且真空绝热板的厚度越高，其测量时间越长。因此，采用传统的检测技术方法效率低，需要消耗大量的时间，严重影响生产效率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的真空绝热板导热系数测量技术存在的上述不足，提供具有检测速度快、操作简单、成本低、测量结果便于管理等特点，从而满足真空绝热板大批量生产的质量检测需求的一种真空绝热板导热系数在线测量装置及其测量方法。

所述一种真空绝热板导热系数在线测量装置设有内部测量模块和外部测量模块；

所述内部测量模块设有接收线圈、无线充电接收电路、加热控制电路、温度检测电路、RC振荡电路和信号发射探头，接收线圈与无线充电接收电路的输入端连接，无线充电接收电路分别与加热控制电路、温度检测电路、RC振荡电路连接，加热控制电路的输出端接温度检测电路的输入端，温度检测电路的输出端接RC振荡电路的输入端，RC振荡电路的输出端接信号发射探头；

所述外部测量模块设有无线充电发射电路、发射线圈、信号接收探头、放大电路、滤波电路和信号处理模块；所述无线充电发射电路的输出端接发射线圈,发射线圈置于设在隔气膜上的供电标记和测量标记的正上方，信号接收探头的信号输出端接放大电路的输入端，放大电路的输出端接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端接信号处理模块的A/D输入口，信号处理模块通过A/D输入口采集数据，并通过傅里叶变换（FFT）计算出信号发射探头两端信号频率的大小。

所述信号接收探头可采用压电陶瓷片，压电陶瓷片将机械振动转变为电信号。在测量时需要将信号接收探头与真空绝热板外壁的测量标记对准并无间隙接触，方位与信号发射探头的安装位置尽量一致，以便传输信号。

所述发射线圈置于供电标记正上方的方位最好与接收线圈的安装位置一致，并通过磁耦合共振方式将能量从发射装置传递给接收装置，从而为整个内部测量模块供电。信号接收探头用于接收信号发射探头两端的信号，该信号经放大电路放大，再经过滤波电路滤波后，连接到信号处理模块的A/D输入口。信号处理模块通过A/D输入口采集数据，然后通过快速傅里叶变换（FFT），计算出信号发射探头两端信号频率的大小。信号接收探头由压电陶瓷片组成，压电陶瓷片将机械振动转变为电信号。在测量时需要将信号接收探头与真空绝热板外壁的测量标记对准并无间隙接触，方位与信号发射探头的安装位置尽量一致，以便传输信号。

所述真空绝热板导热系数在线测量方法，采用真空绝热板导热系数在线测量装置，包括以下步骤：

1）将外部测量模块的信号接收探头紧靠在测量标记处，信号接收探头在测量时与真空隔热板外壁无间隙接触，信号接收探头的方位与测量标记尽量吻合以保证与内部发射探头的安装方位一致，测量标记是在真空绝热板制造中在封闭的隔气膜上做出的放置外部接收探头的标记，以保证信号准确传输；

2）将无线充电发射电路连接的发射线圈紧靠在供电标记处，外部测量模块在供电时，发射线圈与真空绝热板外壁无间隙接触，发射线圈的方位与供电标记尽量吻合以保证与内部接收线圈的安装方位一致，供电标记是在真空绝热板制造过程中在封闭的隔气膜上做出的放置发射线圈的标记，以保证内部测量模块正常通电；

3）当外部测量模块通电时，内部测量模块即通电，内部测量模块中的加热电阻便开始加热，当温度检测电路检测到加热电阻达到预设的温度值时，加热控制电路即自动控制加热电阻停止加热，在整个加热和停止加热的过程中，热敏电阻时刻在检测真空绝热板内部的温度变化，信号发射探头两端的信号频率大小反映了真空绝热板内部的温度变化情况；

4）外部测量模块的信号接收探头接收到信号发射探头两端的信号后，通过放大器、滤波电路、信号处理模块，无失真地检测到内部信号发射探头两端的信号频率变化情况；

5）对同一块真空绝热板进行测量实验，记录下选定时间点的频率值进行运算，求出真空绝热板内的热敏电阻由于测量实验的加热环节造成的频率变化；

6）重复步骤5）6次，然后取6次频率变化值的算术平均值，当确定此算术平均值足够稳定，即方差足够小时，则将此算术平均值作为这个特定导热系数下的真空绝热板在本测量实验中的频率变化特征值；

7）再取至少10种具有不同导热系数的真空绝热板作为实验标定板，通过上述的步骤1）～6）进行测量，分别求出每种真空绝热板在本测量实验中的频率变化特征值；

8）统计上述各种导热系数真空绝热板的频率变化特征值，制成频率变化特征表，然后基于最小二乘法进行直线拟合，画出频率变化特征值与真空绝热板导热系数之间的拟合直线，算出最终需要的参数k和回归系数b，其中，参数k反映了真空绝热板的导热系数与其对应的频率变化特征值之间的线性关系。

通过上述实验步骤进行测量，得到实验板内部测量模块的频率变化特征值和导热系数的关系图，将这组真空绝热板实验标准板的拟合关系图作为参考图表，以后测量真空绝热板的导热系数可以参考这组实验数据，从而达到快速测量的效果。

本发明使冰箱等领域的真空绝热板导热系数的快速测量成为了可能，并且满足了真空绝热板导热系数现场在线测量的要求，推动了真空绝热板的广泛且安全的应用。

附图说明

图1为本发明所述真空绝热板导热系数快速在线测量装置实施例的整体结构组成框图。

图2为本发明所述内部测量模块的电路组成原理图。

图3为本发明所述真空绝热板导热系数快速在线测量装置及测量方法的安装示意图。

图4为本发明实施例的散点图和回归直线。在图4中，标记●为实际测量值，━为拟合直线。

具体实施方式

如图1～3所示，本发明所述一种真空绝热板导热系数在线测量装置实施例设有内部测量模块3和外部测量模块4。

所述内部测量模块3设有接收线圈9、无线充电接收电路5、加热控制电路6、温度检测电路7、RC振荡电路8和信号发射探头10，接收线圈9与无线充电接收电路5的输入端连接，无线充电接收电路5分别与加热控制电路6、温度检测电路7、RC振荡电路8连接，加热控制电路6的输出端接温度检测电路7的输入端，温度检测电路7的输出端接RC振荡电路8的输入端，RC振荡电路8的输出端接信号发射探头10。

所述外部测量模块4设有无线充电发射电路15、发射线圈13、信号接收探头14、放大电路16、滤波电路17和信号处理模块18；所述无线充电发射电路15的输出端接发射线圈13,发射线圈13置于设在隔气膜2上的供电标记11和测量标记12的正上方，信号接收探头14的信号输出端接放大电路16的输入端，放大电路16的输出端接滤波电路17的输入端，滤波电路17的输出端接信号处理模块18的A/D输入口，信号处理模块18通过A/D输入口采集数据，并通过傅里叶变换（FFT）计算出信号发射探头10两端信号频率的大小。

所述信号接收探头可采用压电陶瓷片，压电陶瓷片将机械振动转变为电信号。在测量时需要将信号接收探头与真空绝热板外壁的测量标记对准并无间隙接触，方位与信号发射探头的安装位置尽量一致，以便传输信号。

所述发射线圈13置于供电标记正上方的方位最好与接收线圈9的安装位置一致，并通过磁耦合共振方式将能量从发射装置传递给接收装置，从而为整个内部测量模块供电。信号接收探头14用于接收信号发射探头两端的信号，该信号经放大电路放大，再经过滤波电路17滤波后，连接到信号处理模块18的A/D输入口。信号处理模块18通过A/D输入口采集数据，然后通过快速傅里叶变换（FFT），计算出信号发射探头10两端信号频率的大小。信号接收探头由压电陶瓷片组成，压电陶瓷片将机械振动转变为电信号。在测量时需要将信号接收探头与真空绝热板外壁的测量标记对准并无间隙接触，方位与信号发射探头的安装位置尽量一致，以便传输信号。

使用时，内部测量模块由封闭的隔气膜封装在隔热材料中，所述接收线圈9和信号发射探头10安装在真空绝热板1内壁，与封闭的隔气膜2无间隙接触并封装在真空绝热板的隔热材料中，在封闭的隔气膜上设有用于外部测量模块进行测量的标记和利用无线充电发射电路进行供电的标记。

无线充电接收电路可设有整流电路、滤波电路和稳压电路。当外部测量模块中的无线充电发射电路通电后，无线充电接收电路通过接收线圈接收到能量后，则会产生+5V电源为整个内部测量模块供电。接收线圈安装在真空绝热板内壁，与封闭的隔气膜无间隙接触，以便传输能量。当内部测量模块一通电，加热控制电路中的加热电阻便开始加热，温度检测电路用于检测加热电阻的温度。当温度检测电路检测到加热电阻达到预设的温度值时，加热控制电路便后自动控制加热电阻停止加热。

RC振荡电路可设有热敏电阻、瓷片电容和运算放大器，RC振荡电路产生的矩形波信号的频率取决于热敏电阻和瓷片电容的大小。RC振荡电路的输出端连接到信号发射探头。信号发射探头由压电陶瓷片（也称为蜂鸣片）组成，压电陶瓷片将电信号转变为机械振动，信号发射探头安装在真空绝热板内壁，与封闭的隔气膜无间隙接触，以便传输电信号。在整个加热和停止加热的过程中，热敏电阻时刻在检测真空绝热板内部的温度变化。当加热时温度升高，热敏电阻的电阻大小减小，信号发射探头两端的信号频率增大。反之，当停止加热时温度降低，热敏电阻的电阻大小增大，信号发射探头两端的信号频率减小。

本发明所述真空绝热板1主要由封闭的隔气膜2和在封闭隔气膜2内的隔热材料组成。

所述内部测量模块3设有无线充电接收电路5、加热控制电路6、温度检测电路7、RC振荡电路8、接收线圈9和信号发射探头10。无线充电接收电路5设有接收线圈、整流电路、滤波电路和稳压电路，具体电路参见图2。当外部测量模块4中的无线充电发射电路15通电后，无线充电接收电路5接收到能量后，则会产生+5V电源为整个内部测量模块3供电。接收线圈9安装在真空绝热板内壁，与封闭的隔气膜2无间隙接触，以便传输能量。当内部测量模块3通电，加热控制电路6中的加热电阻便开始加热，温度检测电路7用于检测加热电阻的温度。当温度检测电路7检测到加热电阻达到预设的温度值时，加热控制电路6便后自动控制加热电阻停止加热。RC振荡电路8设有热敏电阻、瓷片电容、普通电阻和运算放大器。RC振荡电路8产生的矩形波信号的频率取决于热敏电阻和瓷片电容的大小。RC振荡电路8的输出端连接到信号发射探头10。信号发射探头10由压电陶瓷片（也称为蜂鸣片）组成，压电陶瓷片将电信号转变为机械振动，信号发射探头10安装在真空绝热板内壁，与封闭的隔气膜2无间隙接触，以便传输电信号。在整个加热和停止加热的过程中，热敏电阻时刻在检测真空绝热板内部的温度变化。当加热时温度升高，热敏电阻的电阻大小减小，信号发射探头10两端的信号频率增大。反之，当停止加热时温度降低，热敏电阻的电阻大小增大，信号发射探头10两端的信号频率减小。

所述外部测量模块4设有无线充电发射电路15、发射线圈13、信号接收探头14、放大电路16、滤波电路17和信号处理模块18。无线充电发射电路15连接的发射线圈13置于供电标记11的正上方，方位与接收线圈9的安装位置尽量一致，通过磁耦合共振方式将能量从发射电路传递给接收电路，从而为整个内部测量模块3供电。信号接收探头14用于接收信号发射探头10两端的信号，该信号经放大电路16放大，再经过滤波电路滤波17后，连接到信号处理模块18的A/D输入口。信号处理模块通过A/D输入口采集数据，然后通过快速傅里叶变换（FFT），计算出信号发射探头10两端信号频率的大小。信号接收探头14由压电陶瓷片组成，压电陶瓷片将机械振动转变为电信号。在测量时需要将信号接收探头14与真空绝热板外壁的测量标记12对准并无间隙接触，方位与信号发射探头10的安装位置尽量一致，以便传输信号。

所述真空绝热板导热系数在线测量方法，包括以下步骤：

1)将外部测量模块4的信号接收探头紧靠在测量标记处。外部信号接收探头14在测量时需要与真空隔热板外壁无间隙接触，方位与测量标记12尽量吻合以保证与内部发射探头10的安装方位一致。测量标记12是在真空绝热板制造中在封闭的隔气膜2上做出的放置外部接收探头14的标记，以保证信号准确传输。

2)将无线充电发射电路15连接的发射线圈13紧靠在供电标记处。外部测量模块4在供电时，发射线圈13需要与真空绝热板外壁无间隙接触，方位与供电标记11尽量吻合以保证与内部接收线圈9的安装方位一致。供电标记11是在真空绝热板制造过程中在封闭的隔气膜2上做出的放置发射线圈13的标记，以保证内部测量模块正常通电。

3)当外部测量模块4一通电，内部测量模块3即通电。内部测量模块3中的加热电阻便开始加热。当温度检测电路7检测到加热电阻达到预设的温度值时，加热控制电路6便后自动控制加热电阻停止加热。在整个加热和停止加热的过程中，热敏电阻时刻在检测真空绝热板内部的温度变化。信号发射探头10两端的信号频率大小反映了真空绝热板内部的温度变化情况。

4)外部测量模块4的信号接收探头14接收到信号发射探头10两端的信号后，通过放大器16、滤波电路17、信号处理模块18，无失真地检测到内部信号发射探头两端10的信号频率变化情况。

5)对同一块真空绝热板进行测量实验，记录下特定时间点的频率值进行运算，求出真空绝热板内的热敏电阻由于测量实验的加热环节造成的频率变化。

6)重复步骤5)6次，然后取6次的计算的频率变化值的算术平均值，当确定此算术平均值足够稳定，即方差足够小时，则将此算术平均值作为这个特定导热系数下的真空绝热板在本测量实验中的频率变化特征值。

7)再取20种具有不同导热系数的真空绝热板作为实验标定板，通过上述步骤1）～6）进行测量，分别求出每种真空绝热板在本测量实验中的频率变化特征值。

8）统计上述各种导热系数真空绝热板的频率变化特征值制成频率变化特征表，然后基于最小二乘法进行直线拟合，画出频率变化特征值与真空绝热板导热系数之间的拟合直线，算出最终需要的拟合直线斜率k和回归系数b，其中，k反映了真空绝热板的导热系数与其对应的频率变化特征值之间的线性关系。经计算，k=0.1411，b=0.0377。

通过上述实验步骤进行测量，得到实验板内部测量模块的频率变化特征值和导热系数的关系图，将这组真空绝热板实验标准板的拟合关系图作为参考图表，以后测量真空绝热板的导热系数可以参考这组实验数据，从而达到快速测量的效果。

所述20块实验标定板在出厂前已通过日本EKO公司的HC-074-300导热系数测定仪标定其导热系数。然后通过上述实验步骤进行测试，得到实验标定板内部测量组件的频率变化特征值和其导热系数的关系表如表1所示。

表1

再经过一元回归分析，基于最小二乘法进行直线拟合，得到回归方程为：

λ＝0.1411Δf+0.0377

式中λ为导热系数，Δf为对应的频率变化特征值。该组实验的散点图和回归直线如图4所示。以后的真空绝热板测量其导热系数可以上述回归方程，先测量出频率变化特征值，然后计算出导热系数，从而达到快速测量的效果。

Claims (3)

1.一种真空绝热板导热系数在线测量方法，其特征在于采用真空绝热板导热系数在线测量装置，所述真空绝热板导热系数在线测量装置设有内部测量模块和外部测量模块；

所述内部测量模块设有接收线圈、无线充电接收电路、加热控制电路、温度检测电路、RC振荡电路和信号发射探头，接收线圈与无线充电接收电路的输入端连接，无线充电接收电路分别与加热控制电路、温度检测电路、RC振荡电路连接，加热控制电路的输出端接温度检测电路的输入端，温度检测电路的输出端接RC振荡电路的输入端，RC振荡电路的输出端接信号发射探头；

所述外部测量模块设有无线充电发射电路、发射线圈、信号接收探头、放大电路、滤波电路和信号处理模块；所述无线充电发射电路的输出端接发射线圈,发射线圈置于设在隔气膜上的供电标记的正上方，信号接收探头置于设在隔气膜上的测量标记的正上方，信号接收探头的信号输出端接放大电路的输入端，放大电路的输出端接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端接信号处理模块的A/D输入口，信号处理模块通过A/D输入口采集数据，并通过傅里叶变换计算出信号发射探头两端信号频率的大小；

所述在线测量方法，包括以下步骤：

1)将外部测量模块的信号接收探头紧靠在测量标记处，信号接收探头在测量时与真空隔热板外壁无间隙接触，信号接收探头的方位与测量标记尽量吻合以保证与内部发射探头的安装方位一致，测量标记是在真空绝热板制造中在封闭的隔气膜上做出的放置外部接收探头的标记，以保证信号准确传输；

2)将无线充电发射电路连接的发射线圈紧靠在供电标记处，外部测量模块在供电时，发射线圈与真空绝热板外壁无间隙接触，发射线圈的方位与供电标记尽量吻合以保证与内部接收线圈的安装方位一致，供电标记是在真空绝热板制造过程中在封闭的隔气膜上做出的放置发射线圈的标记，以保证内部测量模块正常通电；

3)当外部测量模块通电时，内部测量模块即通电，内部测量模块中的加热电阻便开始加热，当温度检测电路检测到加热电阻达到预设的温度值时，加热控制电路即自动控制加热电阻停止加热，在整个加热和停止加热的过程中，热敏电阻时刻在检测真空绝热板内部的温度变化，信号发射探头两端的信号频率大小反映了真空绝热板内部的温度变化情况；

4)外部测量模块的信号接收探头接收到信号发射探头两端的信号后，通过放大器、滤波电路、信号处理模块，无失真地检测到内部信号发射探头两端的信号频率变化情况；

5)对同一块真空绝热板进行测量实验，记录下选定时间点的频率值进行运算，求出真空绝热板内的热敏电阻由于测量实验的加热环节造成的频率变化；

6)重复步骤5)6次，然后取6次频率变化值的算术平均值，当确定此算术平均值足够稳定，即方差足够小时，则将此算术平均值作为这个特定导热系数下的真空绝热板在本测量实验中的频率变化特征值；

7)再取至少10种具有不同导热系数的真空绝热板作为实验标定板，通过上述的步骤1)～6)进行测量，分别求出每种真空绝热板在本测量实验中的频率变化特征值；

8)统计上述各种导热系数真空绝热板的频率变化特征值，制成频率变化特征表，然后基于最小二乘法进行直线拟合，画出频率变化特征值与真空绝热板导热系数之间的拟合直线，算出最终需要的参数k和回归系数b，其中，参数k反映了真空绝热板的导热系数与其对应的频率变化特征值之间的线性关系。

2.如权利要求1所述一种真空绝热板导热系数在线测量方法，其特征在于所述信号接收探头采用压电陶瓷片。

3.如权利要求1所述一种真空绝热板导热系数在线测量方法，其特征在于所述发射线圈置于供电标记正上方的方位与接收线圈的安装位置一致。