CN1078706C - 粘度计校准系统及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
一种粘度计测试和校准系统(200),包括一个主流动管路(202),一个分流管路(204),一个测试回路(206),以及一个清洗管路(208)。分流回路(204)包括互补效应粘度计(10)。测试回路包括一个装标准粘度液体(245)的储液箱(246)。过程控制单元(210)控制系统的操作方法,该单元能够校准粘度计(10)而不需要从系统(200)中取出粘度计(10)。
Description
发明领域
本发明涉及对流动流体进行流变测量的装置和方法的领域,并具体涉及粘度计测试和校准系统。更具体地讲,这种粘度计测试与校准系统使用标准粘度的流体作为比较的基础。
问题
工业工厂通常使用管路系统将各种材料输送到使用和储存材料的地点。流动材料的批与批之间常常缺乏一致性,而材料流变学值的微小变化能引起处理效率的显著变化。流变学值和环境因素的重要种类包括压力,温度,流速,流体密度,pH值,固体成分和粘度。
可以改变处理条件来提高工厂对材料粘度及其它值变化的反应效率,然而,这些加强的处理要求安装粘度计和其它仪表,以监测流动材料。必要的设备常常并未安装,因为维修非常困难。具体地说,一个未正确校准的粘度计提供错误的信息,这些错误的信息转而又降低相应的处理效率,因为工厂的控制系统会提供不正确的处理调整。因此粘度计必须定期停止使用,并送到流体实验室中进行校准和修理。
需要改进的粘度计系统的主要实例存在于造纸工业中。造纸工厂通常回收废产品,以“黑液”的形式作为锅炉的燃料。这些和其它黑液燃料构成了国家燃料消耗总量的一个有统计意义的百分数。黑液是一种流体或稀浆,一般含有纸浆,木质素,硫酸和水。燃料混合物通常加热到90℃至120℃的温度范围。此温度将粘度降低到允许使用黑液作为燃料的可接受的水平。小的颗粒与存在的液体一起,能形成一种胶体状的溶液。大的颗粒能形成一种液基的稀浆。混合物是腐蚀性的,并且难以从被污染的表面上清除。
设计成使用黑液燃料的普通锅炉具有燃料喷雾器或喷射装置,这些装置设计成容纳具有粘度的燃料,其粘度处于能使锅炉效率达到最大的最佳粘度范围以内。各个库存黑液燃料的含水量可以变化而产生明显的燃料粘度差异,从而使粘度处于最佳粘度范围以外。这些变化的出现是因为库存的黑液燃料通常是浓缩的,以除去大部分水份,但是浓缩的程度根据主要处理条件而变化。
迄今为止,用粘度计测量黑液燃料是不实际的,对手工采集燃料试样进行测量不会得到要求的结果,因为试样在实验室条件下测量,不可能重现锅炉的温度和流动条件。同时获得手采测量试样也是不实际的,因为试样一般不可能足够频繁地获取,从而在全天中影响条件的变化。手工采样和实验室测试产生长时间的滞后,这在迅速变化的处理条件下,使得实验室结果的及时应用成为不实际或不可能。此外,因为母液是有害物质,所以希望进行封闭处理。
市场上可买到多种粘度计。粘度计传统地包括球粘度计,该粘度计将粘度作为一个金属球在液柱中下落所需时间的函数。其它粘度计将粘度作为一旋转体在管状部件中所经受的流体剪切抗力的函数。然而,这些装置用作工厂管路系统中的在线粘度计是不合要求的。例如,在线粘度计在黑液系统中由于潜在的污染而产生靠不住的结果。在线粘度计必须从其工作位置以令人厌烦的频度送到流体实验室进行清洗与校准。
市场上可买到的互补效应质量流量计与同步差压测量装置相结合,可以进行粘度测量。互补效应质量流量计和压力传感器没有被污秽流体污染的运动元件,并在动态变化的流体流动条件下以高精度运行。这些仪表仍需经常的校准和清洗。因此,互补效应流量计的构造并不能免去从在线使用中取下拿到流体实验室校准的需要。
众所周知,可使用互补效应质量流量计,来测量材料流过管路时的质量流和其它参数。这种流量计在分别于1978年8月29日和1985年1月1日授予J.E.Smith等人的美国专利4109524号和4491025号以及1982年2月11日授予J.E.Smith等人的再申请专利31450号中公开。这些流量计具有一个或多个直线或弯曲的导流管。互补效应质量流量计中的每一个导流管的构造均具有一组固有振动模式,这些模式可能是单一弯曲,扭转或耦合型。每一导流管被驱动以其中一个固有模式进行共振。材料从流量计入口侧的连接管道流入流量计,并被引导通过一根或几根导流管,并经出口侧流出流量计。仪表电子装置用以根据仪表的振动信号导出流动参数。
在EP065,831 A2(见其图6)中,一对Hagen-Poiseuille粘度计与相应的导流管连接。一个导流管专门用于参照试样或标准粘度液体。另一导流管专门用于试样液体。或者此参照试样交替流经同一粘度计,其结果就是试样流体污染标准粘度液体。
GB2,265,987表示一种参照标准粘度液体校准的粘度计。
发明概述
本发明通过提供一种在管路流量系统中使用的最低限度维修的在线粘度计测试和校准系统而克服了上述问题。优选的系统将互补效应粘度计与压差测量装置结合使用。这些传感器中没有一个具有被污秽流体或材料污染了的任何运动元件。
粘度计测试系统包括一个适合接受流动材料的与主流量管路连接的粘度计。若干阀控的流量管路或流量回路提供测量,清洗,测试和校准功能。回路在某种意义上最好是“蜂窝”状的,即每一管路限定或占据另一管路以内的流动通道的一部分。
一个分流管路可操作地与接受流动材料的主流动管路连接。粘度计安装在分流管路中,以便对分流管路中的材料进行粘度测量。第一组合阀通过经分流管路和粘度计从主流动管路分出一部分流体,而允许将系统选择在正常测量模式。粘度计的主要目的就是进行这些粘度测量。第二组合阀通过阻止经分流管路分流,而允许将系统选择在测试模式。在系统调整到测试模式之后,如需要,可进行粘度计的校准。第一和第二组合阀可以包括三通或四通阀的不同流动构造。
测试管路可操作地与分流管路连接,同时包括一个装有标准粘度流体的储液箱。当系统处于测试模式时,第三种阀组合允许标准粘度流体流经储液箱和粘度计之间的测试管路。
在优选实施例中,粘度计是一个提供粘度读数的互补效应流量计。计算机控制单元接受这些读数,以及计算标准粘度流体的相关导出粘度所需的环境数据(例如温度)。将相关粘度与从粘度计读出的互补粘度进行比较。计算机根据超过最小阈值水平的差值或差值百分数,来确定校准粘度计的必要性。计算机通过调整比例常数进行粘度计的校准,并且在要进行的校准不能产生稳定的读数时,就向工厂操作人员提供信号,指示需要维修粘度计。
最优选系统包括在分流管路用于测试模式之前对其进行清洗的清洗管路。清洗管路最好通过分流管路吹入过热蒸汽、空气或其它清洁剂,来清除任何残留的流动材料,否则这些残留的材料可能污染标准粘度的液体。
使用在线粘度计测试系统的方法的优点在于,无需经常取下粘度计进行维修。粘度一般是一种“材料参数值”,而粘度计一般是一种“测量装置”。此处定义的术语“材料”是包括所有的流体,包括液体,气体、乳化体和稀浆。部分材料流体从主流动管路分流到分流管路。粘度计测量装置将分流管路中材料的粘度作为流体的参数。分流管路是隔离的,以防止材料经过分流管路的流动。此后清除分流管路中的材料,并且流体从标准流体储液箱中流过粘度计测量装置,以确定一个测试流体参数值。计算机计算测试参数值与流体在通常环境的流动条件下的标准相关值之间的差值。可以利用计算结果,通过将流体参数值调节到优选的范围内来优化处理操作,从而优化对现有材料的设备利用效率。
本领域的技术人员通过参照附图并阅读说明书,对其它明显的特征、目的和优点将更清楚。
附图简述
图1表示根据本发明的在线粘度计测试和校准系统的控制操作的流程简图;
图2表示根据图1的流程操作的在线粘度计测试和校准系统。
优选实施例详述
图2表示在线粘度计测试和流动系统200。系统200的主要元件包括主流动管路202,滑流分流管路204,测试管路206,清洗管路208和控制单元210。
主流动管路202可以是任何用于在第一点和第二点之间传输材料的管路。管路202最好是燃料管路,它从燃料箱211开始,终结于普通的锅炉212。流体在重力作用下或借助于普通燃料泵216,经过主流动管路202沿箭头214方向流动。中心阀或节流阀218在管路202中起限压作用。加热线圈219在阀218的上游位置环绕管路202。或者,加热器219可处于流动系统中的任何位置。
分流管路204在上游位置220和下游位置222与主流动管路202相交。分流管路204在位置220和222与主流动管路202相交,以便在点220和222之间放置阀或节流阀218(主流动管路202中的限压装置)。分流管路204的直径最好相对于主流动管路202的直径减小;但是,管路204所具有的内径尺寸,最好在所有流动条件下能在管路204内提供层流。因此,管路204适当管径的确定,将根据取决于特定应用的设计选择而变化。常规的流体系统的计算一般涉及雷诺数的应用,并且对于本领域中的技术人员是熟知的。管路204最好只对主流动管路202中的部分流体分流,但通过关闭阀218可以使管路202中的全部流体分流。
分流管路204包括一个上游阀224,其通到弯曲的上游法兰段226。法兰段226用螺钉与相应的法兰元件227拧紧,它构成粘度计或测量计组件10的一部分。
在图2中虚线框住组件10,因为它可作为单一部件从分流管路204中移去。组件10包括一个互补效应质量流量计12,例如市场上可买到的科罗拉多州波尔德微运动(Micro Motion)公司的CMF025型的质量流量计。质量流量计12通过导线18连接到粘度计的电子装置14上。与CMF025型质量流量计一起使用的电子装置14的特别优选形式是遥控流量传感器,型号为RFT9737,该传感器也可由科罗拉多州波尔德微运动(Micro Motion)公司买到。粘度计电子装置14通过导线20与差压传感器或变送器16连通。作为差压测量传感器16使用的一种适当装置为3051CD型,它可由明尼苏达州明尼那波利斯的罗斯蒙特(Rosemount)公司买到。传感器16通过相应的导线26和28与一对普通的压力传感器22和24连接。许多其它可买到的装置可以代替由上述型号列出的优选元件。
粘度计电子装置14用作接收来自质量流量计12和差压传感器16的信号。粘度计电子装置14使用普通的互补效应处理技术,有助于整理分析这些信号作为材料流动参数,例如,质量流速,密度、温度以及粘度。粘度计电子装置14最好根据公式(1)的Hagen-Poiseulle毛细管相关性,从质量流数据来计算粘度:
(1)μ=K·P·ρ/m
其中μ是绝对粘度,K是毛细管比例常数;P是横跨管的压力差;ρ是密度;以及m是材料的质量流速。Hagen-poiseulle相关性对牛顿流体(或近似牛顿流体)和层流是有效的。因而,要优选那些通过粘度计12存在的条件。近似方法可以通过解其它对应于流变学的特征方程扩展到非牛顿流体。
组件10包括下游法兰元件228,该元件与对应的通向下游阀234的弯曲下游法兰段232用螺栓固定连接。
测试管路206的内径最好等于分流管路204的内径。管路206在位置236与上游弯曲法兰段226连接,并且向上通到三通电控阀238。阀238可以打开而提供通向连到泵242的管路240的通道。泵242的作用是在管路206内按箭头244的方向输送流体,并从储液箱246内接受流体245。储液箱246无需加压,甚至可以与大气相通以便流体污染的逸散。储液箱246最好包括一个观察窗口248,以及龙头250用于采集储液箱246内的流体245的试样。
储液箱246内的流体245最好是标准粘度溶液,即,具有在不同流动条件下都已知粘度的可买到的溶液。流体245最好与流经主流动管路202或清洗管路208的流体或材料是非互溶的和不起反应的。非互溶性和不起反应性防止了标准流体245的污染或稀释,同时万一污染物进入储液箱246也便于标准流体245的沉淀分离。道康宁公司(DowCorning)提供了硅基道康宁200流体族,该流体族是用于黑液系统的特别优选的标准粘度溶液。道康宁200流体具有根据下式(2)表示的相关性的性能:
(2)log(μ)=722.5/T+0.000032η/T+1.004log(η)-2.447,
式中,μ是特定温度下任意流体中的绝对粘度cSt;η是室温(24℃)下在流体中的测试粘度cSt;T是绝对温度°K(℃+273.15)。
作为一种安全措施设置一个阀252,用于当维修储液箱246时,手动关闭试验管路206通向储液箱246的部分。阀252也能用于控制管路206中的流速。此外,泵242可改变不同速度。管路段254通向四通阀256。测试回路206在弯曲法兰段232的位置258处回到分流管路204。
清洗管路208从过热蒸汽源260或加压空气源262开始。源260和262也可以是在分流管路204中使用的任何其它清洗剂源。四通阀256具有这样的结构,它可以关闭管路208的管路段254,并打开管路段264以通向可选源260和262中的一个。管路208连续地流经组件10。管路段266和三通阀238到达出口268。出口268可以是任何的处理出口,例如,烟道,喇叭口,除尘器或甚至是储液箱211。
过程控制单元210最好是普通的设备控制系统。示范系统可从全国制造商,诸如Honeywell,Allen-Bradley和Rosemount订购。控制系统的特定选择对本发明不是关键的,并可包括普通的分配控制系统,或普通的可编程逻辑控制装置等等。一种示范控制系统是RS3系统,它可从明尼苏达州明尼那波利斯的罗斯蒙特(Rosemount)公司订购。输出导线270和272从粘度计电子装置14向控制单元210传输信息。此信息最好包括粘度和温度数据。导线273向控制单元210传输差压信息。可以附加其它导线以进一步传输质量流速,密度或经过粘度计组件10的有关流体或材料的其它环境信息。
导线276、278、280和282分别将相应的电动(或气动)阀224、238、256和234与控制单元210连接,以便遥控上述阀。
图1示意地表示过程控制图,该图描述系统200的运行。以图2中的编号讨论图1,但应该理解,图1能够适用于任何流体控制装置。图1的过程控制步骤最好是在控制单元210中编好程序。
步骤P110至P114表示粘度计操作的正常测量状态或模式,其中粘度计12对从主流动管路202经组件10分流的材料进行测量。在步骤P110中,粘度计组件10用以从主流动管路202流经分流管路204的材料获得粘度值。此时,阀238和256在所有方向完全关闭。阀224和234打开,而且阀218部分关闭,以便在主流动管路202中提供压力限制,这样允许材料从管路202进入分流管路204。组件10周期地计算粘度值,并将其作为数据提供给控制单元210。在步骤P112中,控制单元210将来自控制单元10的粘度值与最佳值或最佳值的范围进行比较。由于需要将粘度置于适当的范围,控制单元210调节流体参数值,例如,温度。例如,若粘度值超出最佳范围上限,则控制单元210使加热线圈219或燃料供应管路上游的其它加热器通电,以加热主流动管路202中的材料。增加温度的结果导致相应粘度降低,从而使燃料的粘度处于最佳范围以内。
步骤P114包括确定现有的正常测量模式是否应终止而进入测试模式。根据控制单元210中的时钟定时器可以周期地进入测试模式,或者由人工操作者来决定。如果不是进入测试模式的时刻,则步骤P110至P114无限重复。
步骤P116开始进入测试模式。控制单元210关闭阀224和234,以通过停止材料从管路202流入管路204,将分流管路204与主流动管路202隔离。即使在隔离之后,仍将有些材料残留在管路204内。因此,在步骤P118以蒸汽或空气清洗分流管路204是最佳选择步骤。
在步骤P118中,控制单元210打开阀256,以使空气源262或蒸汽源260中的一个经阀256连通并进入管件264。与此同时,阀238打开,以使管路段266与出口268连通。阀256和238保持关闭,以使管路段240与266隔离以及管路段254与264隔离。蒸汽或空气连续地经清洗管路208吹足够长的时间,以基本清洗干净管路208的内部。在步骤P118终结时,控制单元210关闭阀256,以使管路段264与源260和262隔离。同样,阀238关闭,使管路段240与管路段266隔离。
测试模式在步骤P120开始。控制单元210打开阀238,使管路段240与管路段266连接。打开阀256,使管路段254与264连接。控制单元210启动泵242,使储液箱246内的标准粘度液体245流经管路206和粘度计组件10。阀252保持开启,以允许回流经管路206流入储液箱246。泵242最好以与从主流动管路202分流的材料的实际流动所出现的几乎相同的速度,经组件10输送标准粘度液体245。
在步骤P122中,粘度计组件10从标准粘度液体245获得温度和粘度读数,并将这些读数传输给控制单元210。控制单元210接收这些信号并在步骤P124根据式(2)选择一种算法,使用从粘度计组件10读取的温度来计算相关粘度。步骤P124包括互补导出值与相关导出值的比较。差值或百分数差值超出最小阈值水平(例如差10%),表明可能需要校准组件10。最好根据设备操作经验来选择精确的阈值水平。过低的阈值水平将要求不必要的校准。过高的阈值水平导致锅炉效率低下,因为它将允许粘度在特定锅炉运行的最佳范围以外变化。
步骤P126的结果根据步骤P124的阈值比较表示是否需要进行校准而变化。如果未达到阈值,控制单元停止驱动电机242,关闭阀238以将管路段240与管路段266隔离,并关闭阀256以将管路段254与管路段264隔离。然后如同步骤P118一样,最好利用源260或262的蒸汽或空气,从清洗管路208中清除任何残留的标准粘度液体245。此清洗工作是可选的,但是当需要避免标准粘度液体245的少量残留部分进入锅炉212时就可以采用,这些少量残留部分可能具有有害作用。然后控制单元210完全关闭阀238和256的所有通路。然后控制单元210打开阀224和234,以便再形成步骤P110的流动状态。输入数据和结果的比较,存储在控制单元210的计算机内存里,为以后使用。
如果需要校准,步骤P128最好调节公式(1)的比例常数K',以使步骤P122的互补粘度值与步骤P124的相关粘度协调。调节后的比例常数最好存储在粘度计电子装置14内的永久存储器中。
步骤P130重复步骤P120、P122、P124和P126的程序。如果校准使互补粘度与相关粘度一致,则控制单元210以步骤P126描述的形式再建立步骤P110的流动状态。另一方面,校准可能不能使重复值一致。在后一种情况下,控制单元210向设备操作人员发出需维修系统200的信号。
许多因素可能导致校准失败。如果粘度计组件10堵塞、污秽或损坏就需要取出,清洗并在流体实验室修理。储液箱246中的标准粘度液体245也可能是校准误差的来源。液体液体245超过规定时间可能降解或被污染。这些液体245中成分的变化可能使其不能以式(2)所描述的方式进行。因此,如果校准失败,第一步操作就是从龙头250获得流体245的试样。将该试样送到流体实验室,在实验室里分析流体的热力和流变学特性,弄清现有流体的特性是否符合式(2)。储液箱246内被污染的流体245最好更新。如果粘度计组件10需要修理,就关闭阈224和245,并通过松开法兰227和228上的连接件(例如螺钉),取下粘度计组件10去维修。
应该理解,主流动管路202能够将来自任何源的任何流体传送到配置的任何点,同时本发明不局限于燃料的原料。其它实施例中也可以包括输送在生产塑料中使用的产品的前体至反应罐,汽油精炼厂流动管路,以及制药厂的管路。最好粘度计组件10是互补效应粘度计,但是,其它粘度计在此处同样也可以使用。这些其它粘度计将变得更易污染和要求更经常的维修。其它仪器可以代替粘度计12,以获得流体参数,诸如混浊度,质量流,密度,pH值,和成份分析。
本领域的技术人员将理解,上述优选实施例可能受到明显的修改而不偏离本发明的范围和主题。因而本发明者此处声明,为了保持本发明的充分权利,坚决遵守等效条例。
Claims (18)
1.一种在流量系统中使用的在线粘度计测试系统(200),包括
适于接收流动材料的主流动管路(202),
与所述主流动管路可操作地连接的分流回路(204),该分流回路从所述主流动管路向所述分流回路输送流动材料,并将所述流动材料从所述分流回路回送到主流动管路,
安装在所述分流回路中的粘度计(10),用于对流经所述分流管路的材料进行粘度测量;
用于有选择地将所述流动材料从所述主流动管路分流到所述分流管路的装置,用以使所述粘度计对所述流动材料进行粘度测量;
所述在线粘度计测试系统的特征在于:
用于有选择地防止流体从所述主流动管路分流到所述分流管路的装置,将所述主流动管路与分流管路隔离;
占据所述分流管路一部分的一个清洗管路(208),用于当所述有选择地防止流体分流的装置将所述主流动管路与所述分流管路隔离时,提供用以清洗所述分流管路中的所述流动材料的装置;
测试回路(206),包括储液箱(246),其装有标准粘度流体,所述测试回路可操作地与所述分流管路连接,以便当所述有选择地防止流体分流的装置将所述主流动管路与所述分流管路隔离时,向所述分流管路和所述粘度计提供所述标准粘度液体;
用于有选择地使标准粘度流体流经所述储液箱和所述粘度计之间的所述测试回路的流动装置,用于当所述分流管路与所述主流动管路隔离时使所述粘度计对所述标准粘度流体进行粘度测量;以及
用于将对所述标准粘度流体进行的粘度测量值与所述标准粘度流体的标准相关值进行比较的装置。
2.如权利要求1所述的粘度计测试系统,其中所述粘度计的特征在于是一互补效应流量计(12)和压差传感器(16)。
3.如权利要求2所述的粘度计测试系统,其中的所述互补效应流量计包括计算装置(14),该装置将从所述分流管路中的所述标准粘度流体获得的测量信号转换成粘度值。
4.如权利要求3所述的粘度计测试系统,其特征进一步在于计算所述粘度值与代表所述标准粘度液体环境使用条件的相关导出粘度值之间的差值的装置。
5.如权利要求4所述的粘度计测试系统,其特征进一步在于当所述差值超出某一阈值水平时,校准所述粘度计的装置。
6.如权利要求1所述的粘度计测试系统,其中所述有选择地防止流体分流的装置包括,位于所述分流回路中相对于所述粘度计位于上游流动位置的第一阀(224)和位于分流回路中相对于所述粘度计位于下游流动位置的第二阀(234)。
7.如权利要求1所述的粘度计测试系统,其中所述测试回路包括在所述标准粘度液体已流经所述粘度计之后将所述标准粘度液体返回所述储液箱的装置。
8.如权利要求1所述的粘度计测试系统,其中所述清洗管路包括蒸汽喷射管路(260)。
9.如权利要求1所述的粘度计测试系统,其特征在于一个可操作地设置以控制流体流经所述清洗管路和所述测试回路的三通阀(238)。
10.如权利要求8所述的粘度计测试系统,其中所述的清洗管路包括一个空气喷射管路(262)。
11.如权利要求10所述的粘度计测试系统,包括一个可操作地设置以控制流体流经所述蒸汽喷射管路、所述测试回路和所述空气喷射管路的四通阀(256)。
12.如权利要求1所述的粘度计测试系统,其中所述流动装置包括当所述分流回路与主流动管路隔离时,以与当所述分流管路与所述主流动管路没有隔离时流经所述粘度计的质量流速几乎相同的速度,输送标准粘度流体经过所述测试回路的装置。
13.如权利要求12所述的粘度计测试系统,其中所述标准粘度流体具有近似主流动管路内的材料的密度。
14.一种在线测试方法,包括如下步骤:
使材料经所述主流动管路流动;
将所述材料的一部分从所述主流动管路分流到所述分流回路,其中所述分流回路与所述主流动管路相连并包括一测量装置;
通过使用所述测量装置,确定所述分流回路中的所述材料的材料参数值(P110);
其中所述测试方法的特征在于如下步骤:
隔离所述分流回路(P116),以停止所述材料经过所述分流回路的流动;此后
通过使用与所述分流管道回路相连的清洗管路清洗所述分流管道回路中的所述材料(P118);
输送标准液体从与所述分流回路相连的所述标准液体储液箱(206)通过所述测量装置(P120),以确定标准液体的测试参数值;然后,
计算所述测试参数值与环境状态下所述标准液体的标准相关值之间的差值(P124)。
15.如权利要求14所述的测试方法,其中所述测量装置是互补效应粘度计。
16.如权利要求14所述的测试方法,其特征进一步在于当所述差值超出某一阈值水平时,校准所述粘度计的步骤(P126,P128)。
17.如权利要求14所述的方法,其中所述确定步骤的特征在于调节所述材料参数值,以保证所述材料参数值处于容许范围以内的步骤(P112)。
18.如权利要求17所述的测试方法,其中的所述确定步骤包括根据所述材料参数值调节加热器的步骤。
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