CN109000828B - 一种用于非均质材料蓄热量的检测装置及其检测计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于非均质材料蓄热量的检测装置及其检测计算方法，包括圆柱形封闭腔，所述圆柱形封闭腔内呈阵列设置温度传感器，所述圆柱形封闭腔内设有非均质材料。通过将非均质材料蓄存的热量释放到封闭的绝热空间中，通过计算封闭空间内空气吸收的热量来间接表达非均质材料的蓄热量，本发明达到采用有限数量的温度传感器对空间内的温度值进行采集，并依据该温度值建立预测模型对更多空间点上的温度值进行预测，减少了封装在试验设备上的传感器数量，并节省了开发成本；采用增量空间微元思想和微元积分的方法减少了计算整个封闭空间内空气吸收总热量的误差，空间微元数目可以任意增加，后期数据更新方便的优点。

Description

一种用于非均质材料蓄热量的检测装置及其检测计算方法

技术领域

本发明涉及一种用于非均质材料蓄热量的检测装置及其检测计算方法，属于地采暖木质地板蓄热性能检测领域。

背景技术

木质地板由于受细胞组成、排列方式和生长周期的影响，使得木质地板具有各向异性的特点，因此要想检测它的蓄热特性，不能使用对均质材料的检测方法和检测理论，必须针对非均质材料研究新的检测手段和计算方法,因此急需一种用于非均质材料蓄热量的检测装置及其检测计算方法。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术中存在问题，提供一种用于非均质材料蓄热量的检测装置及其检测计算方法，以解决现在木质地板具有各向异性的特点，因此要想检测它的蓄热特性，不能使用对均质材料的检测方法和检测理论的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供了一种用于非均质材料蓄热量的检测装置，包括圆柱形封闭腔，所述圆柱形封闭腔内呈阵列设置温度传感器，所述圆柱形封闭腔内设有非均质材料。

另外，根据本发明实施例的用于非均质材料蓄热量的检测装置还可以具有以下附加技术特征：

优选的，所述温度传感器阵列在圆柱形封闭腔内呈同心圆分布,同心圆半径r由小到大分别为0mm、25mm、50mm、75mm，排列的传感器数目分别为0、4、8、12个，其圆心与柱坐标圆心的距离分别为20mm、40mm、60mm。

本发明用于非均质材料蓄热量的检测装置及其检测计算方法包括以下步骤：

(1)将加热到设定温度的非均质材料推送到具有温度传感器阵列的圆柱形封闭腔内，当温度达到平衡后获取每个传感器位置对应空间点上的温度值。

(2)建立支持向量机预测模型并利用每个传感器位置对应空间点上的获得的温度值进行训练。

(3)在圆柱形封闭腔中对相邻的传感器之间插入多个预测点，构成增量空间微元，用训练好的支持向量机模型对该增量空间点上的温度值进行预测。

(4)以增量空间微元中的预测温度值与试验采集的温度值组合起来形成新的训练样本，并以该样本对支持向量机重新进行训练，生成新的预测模型，并对下一组增量空间微元中的温度值进行预测。

(5)当空间微元数量足够多时，可认为每个空间微元中的空气为均质的，即空间微元中空气的密度、温度和热熔认为是均匀的。

(6)根据均质材料蓄热量计算公式Q＝C·M·△T对每个空间微元内空气的蓄热量进行计算；根据微元积分原理分别在笛卡尔坐标上计算封闭空间内总的蓄热量。

优选的，任意选取圆柱形封闭腔内的空间微元数目，空间微元的大小根据柱坐标半径r，旋转角θ和坐标z共同决定，其中△V＝△r·△θ·△z为每个空间微元的体积，ρ为空气密度，r i为每个空间微元对应的柱坐标半径，多个空间微元的蓄热总量积分公式为

优选的，均质材料蓄热量计算公式中假设空气比热容C在一定的温度下视为恒定，△T为圆柱形封闭腔内空气温度的变化值，M为空气质量。

这样，通过使用本发明的用于非均质材料蓄热量的检测装置及其检测计算方法，通过将非均质材料蓄存的热量转移到均质材料中来计算，解决了非均质材料由于具有各向异性而无法通过常规途径计算蓄热量的难题，通过支持向量机方法建立预测模型，可对无法直接测量的空间点温度进行预测，结合微元积分原理将每个空间微元的蓄热量进行累加，在细分空间单元的同时，减少了预测误差，增加了该方法检测和计算非均质材料蓄热量的准确性。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的用于非均质材料蓄热量的检测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的用于非均质材料蓄热量的检测装置的计算原理示意图。

附图标记说明：

在图1-图2中，圆柱形封闭腔1；温度传感器2；非均质材料3。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考的附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。下面结合附图进一步说明。

如图1-图2所示，本发明的用于非均质材料3蓄热量的检测装置，包括圆柱形封闭腔1，所述圆柱形封闭腔1内呈阵列设置温度传感器2，所述圆柱形封闭腔1内设有非均质材料3。

此外，温度传感器2阵列在圆柱形封闭腔1内呈同心圆分布,同心圆半径r由小到大分别为0mm、25mm、50mm、75mm，排列的传感器数目分别为0、4、8、12个，其圆心与柱坐标圆心的距离分别为20mm、40mm、60mm。

本实施例用于非均质材料3蓄热量的检测装置及其检测计算方法如下：

(1)将加热到设定温度的非均质材料3推送到具有温度传感器2阵列的圆柱形封闭腔内，当温度达到平衡后获取每个传感器位置对应空间点上的温度值。

(2)建立支持向量机预测模型并利用每个传感器位置对应空间点上的获得的温度值进行训练。

(3)将圆柱形封闭腔1中对相邻的传感器之间插入多个预测点，构成增量空间微元，用训练好的支持向量机模型对该增量空间点上的温度值进行预测。

(4)以增量空间微元中的预测温度值与试验采集的温度值组合起来形成新的训练样本，并以该样本对支持向量机重新进行训练，生成新的预测模型，并对下一组增量空间微元中的温度值进行预测。

(5)当空间微元数量足够多时，可认为每个空间微元中的空气为均质的，即空间微元中空气的密度、温度和热熔认为是均匀的。

(6)根据均质材料蓄热量计算公式Q＝C·M·△T对每个空间微元内空气的蓄热量进行计算；根据微元积分原理分别在笛卡尔坐标上计算封闭空间内总的蓄热量。

此外，任意选取圆柱形封闭腔1内的空间微元数目，空间微元的大小根据柱坐标半径r，旋转角θ和坐标z共同决定，其中△V＝△r·△θ·△z为每个空间微元的体积，ρ为空气密度，r i为每个空间微元对应的柱坐标半径，多个空间微元的蓄热总量积分公式为

均质材料蓄热量计算公式中假设空气比热容C在一定的温度下视为恒定，△T为圆柱形封闭腔1内空气温度的变化值，M为空气质量。

本发明通过将非均质材料3蓄存的热量转移到均质材料当中来计算，解决了非均质材料3由于具有各向异性而无法通过常规途径计算蓄热量的难题，通过支持向量机方法建立预测模型可对无法直接测量的空间点温度进行预测，结合微元积分原理将每个空间微元的蓄热量进行累加，在细分空间单元的同时，减少了预测误差，增加了该方法检测和计算非均质材料3蓄热量的准确性。

圆柱形封闭腔1空间内设有由多个温度传感器2组成的阵列，具体方法如下：

(1)将加热到设定温度的非均质材料3放置到该圆柱形封闭腔1内自由放热；

(2)当圆柱形封闭腔1内的温度达到平衡后，先利用传感器阵列采集每个空间微元所对应的温度值；

(3)利用采集的温度值建立支持向量机预测模型；

(4)用向量机预测模型对传感器阵列未涉及到的增量空间微元中的温度进行预测，以增量空间微元中的温度值与已测得的温度值组成新的训练样本并以该样本生成新的支持向量机模型；

(5)并用新的支持向量机模型来对下一个增量空间微元中的温度值进行预测，直到所取空间点对应的空间微元体积之和与圆柱形封闭腔1空间体积接近或相等为止；

(6)最后采用对均质材料蓄热量计算的方法对每个空间微元的蓄热量进行计算，即对每个空间微元分别在笛卡尔坐标的三个方向上进行积分，求得的蓄热量之和即为封闭空间内非均质材料3的蓄热总量。

中间的长方体为非均质材料3试件，圆柱形封闭腔1内三角号表示温度传感器2阵列，图1中每个三角号表示一个温度传感器2；如图2所示，温度传感器2阵列在空间中的位置通过柱坐标(r,θ,z)确定，传感器采集的温度值通过上位机提取。以传感器柱坐标(r,θ,z)为输入变量，以每个空间点对应的温度值T为输出变量建立支持向量机对空间温度场的预测模型。在相邻传感器之间，分别在柱坐标(r,θ,z)的三个方向上插入新的坐标值，并以新坐标所在的空间微元为增量空间微元，且该空间微元内的温度值无法通过所述物理模型直接测量。将增量空间微元的坐标值输入到上述训练好的支持向量机模型中，通过支持向量机预测该增量微元对应的温度值。将增量微元中的预测值和温度传感器2采集的温度值共同组成新的训练样本，并以该训练样本对支持向量机模型重新进行训练。进一步对圆柱形封闭腔1空间进行细分，并用新训练好的支持向量机模型对新的增量空间微元中的温度值进行预测，直到所计算的空间微元体积之和接近圆柱体体积为止。当空间微元足够小时，可认为空间微元中的空气为均质的，即空气密度、比热容和温度均匀分布。在每个空间微元中，微元体积为△V＝△r·△θ·△z，蓄热公式为Q＝C·M·△T.将所有空间微元中的蓄热量进行积分得到圆柱形封闭腔1内空气的蓄热量为

在一定条件下，上述圆柱形封闭腔1内空气吸收的热量即为非均质材料3释放的热量。

有益效果：采用有限数量的温度传感器2对空间内的温度值进行采集，并依据该温度值建立预测模型对更多空间点上的温度值进行预测，减少了封装在试验设备上的传感器数量，并节省了开发成本；采用增量空间微元思想和微元积分的方法减少了计算整个封闭空间内空气吸收总热量的误差，空间微元数目可以任意增加，后期数据更新方便。

本专利所提及的训练，即机器学习训练，通过已获得的实验数据对支持向量机模型进行训练，输入变量为采样点温度值的空间坐标和时间，输出变量为采样点温度值，分别将输入变量和输出变量带入到支持向量机模型中进行机器学习，并调整训练参数，以得到训练效果最好的支持向量机预测模型，利用该模型可预测任意空间位置上的温度值，并得到该温度值随时间变化的曲线。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种用于非均质材料蓄热量的检测方法，其特征在于，包括圆柱形封闭腔，所述圆柱形封闭腔内呈阵列设置温度传感器，所述圆柱形封闭腔内设有非均质材料；包括以下步骤：

（1）将加热到设定温度的非均质材料推送到具有温度传感器阵列的圆柱形封闭腔内，当温度达到平衡后获取每个传感器位置对应空间点上的温度值；

（2）建立支持向量机预测模型并利用步骤（1）中获取的温度值进行训练；

（3）在圆柱形封闭腔中对相邻的传感器之间插入多个预测点，构成增量空间微元，用训练好的支持向量机模型对该增量空间点上的温度值进行预测；

（4）以所述增量空间微元中的预测温度值与试验采集的温度值组合起来形成新的训练样本，并以该样本对支持向量机重新进行训练，生成新的预测模型，并对下一组增量空间微元中的温度值进行预测；

（5）当增量空间微元数量足够多时，可认为所述每个增量空间微元中的空气为均质的，即所述增量空间微元中空气的密度、温度和热熔认为是均匀的；

（6）根据均质材料蓄热量计算公式Q=C∙M∙△T对每个增量空间微元内空气的蓄热量进行计算；根据微元积分原理分别在笛卡尔坐标上计算封闭空间内总的蓄热量。

2.根据权利要求1所述的用于非均质材料蓄热量的检测方法，其特征在于，所述温度传感器阵列在圆柱形封闭腔内呈同心圆分布，同心圆半径r由小到大分别为0mm、25mm、50mm、75mm，排列的传感器数目分别为0、4、8、12个，其圆心与柱坐标圆心的距离分别为20mm、40mm、60mm。

3.根据权利要求1所述的用于非均质材料蓄热量的检测方法，其特征在于，任意选取圆柱形封闭腔内的空间微元数目，增量空间微元的大小根据柱坐标半径r，旋转角θ和坐标z共同决定，其中△V=△r∙△θ∙△z为每个增量空间微元的体积，ρ为空气密度，ri为每个增量空间微元对应的柱坐标半径，多个增量空间微元的蓄热总量积分公式为

，其中m∙n为增量空间微元总数目。

4.根据权利要求1所述的用于非均质材料蓄热量的检测方法，其特征在于，所述均质材料蓄热量计算公式中假设空气比热容C在一定的温度下视为恒定，△T为圆柱形封闭腔内空气温度的变化值，M为空气质量。

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