非對稱熱護式熱板儀的研制與試驗

夏 明，詹 卓，陳益松

(東華大學 a.服裝與藝術設計學院；b.現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051)

根據ISO 11092—1993以及各國相似的標準評價結果可知，出汗熱板儀是目前廣泛采用的服裝面料熱濕性能測量儀器。除去附加的吹風和出汗系統，熱護式熱板結構則是最基礎的部分,該結構最初在19世紀末被提出，20世紀60年代被采納為美國標準，最新版本為ASTM D1518-2014，雖然標準版本在不斷改進，但標準所描述的熱護式熱板結構基本沒有變化。該結構的熱板儀可稱為ASTM型熱板儀[1-2](簡稱熱板儀)，其基本結構如圖1所示。

1—隔熱板；2—底板溫度傳感器；3—底熱護板；4—底熱護板加熱膜；5—面料試樣；6—測量熱板；7—測量熱板加熱膜；8—測量熱板溫度傳感器；9—側熱護板溫度傳感器；10—側熱護板；11—側熱護板加熱膜。圖1 ASTM型熱板儀Fig.1 Guarded hot plate of ASTM-type

ASTM型熱板儀的基本原理為測量熱板周邊和下表面對應位置分別設置側熱護板和底熱護板。利用隔熱條將測量熱板與側熱護板隔開，同時將上下熱板之間的腔室分隔為測量熱板下的中央腔室和側熱護板下的外圍腔室。側熱護板和底熱護板的溫度與測量熱板的溫度保持一致，則測量熱板與兩熱護板之間沒有熱量傳遞，從而保證測量熱板溫度均勻，且形成一維向上通過面料層向外空氣層傳遞的穩態溫度場，實現對面料熱阻的測量。

雖然從結構上而言，ASTM型熱板儀是合理的，但在實際使用過程中還是存在數據波動大、儀器之間差異大等問題[2-4]。除去測量隨機誤差，熱板儀本身還存在多種導致系統誤差的因素。一是熱護板與測量熱板溫度不能絕對保持一致，這是導致誤差的主要因素。側熱護板和測量熱板之間存在隔熱條，相鄰截面的面積也比較小，即使溫度有點偏差，其熱流傳遞不大。雖然加熱膜均勻分布于熱板內表面，但底熱護板作為單一熱板而言，其溫度場分布必然呈中間高邊沿低的凸形。由于底熱護板面積是測量熱板和側熱護板面積之和，因此，測量熱板與底熱護板溫度控制完全一致是困難的。文獻[5]分析溫度傳感器的安裝位置可能導致測量熱板和底熱護板兩相鄰面溫度存在偏差的情況，從而引起測量誤差。文獻[6]驗證當測量熱板與底熱護板的溫度相差1 ℃時，熱阻的測量結果平均相差9.3%。二是熱護式熱板儀結構相對復雜，總發熱面積大，熱慣量大，控制過程中易出現假平衡，導致測量誤差。

在測量熱阻方法上，熱板儀一直沿用總阻值減去空板空氣層阻值的方法，但實際面料表面和空板表面的熱輻射是不同的，會導致測量誤差。文獻[7]利用該差值計算了面料的紅外發射率。文獻[8]提出了疊層回歸測量法，直接測量出面料和面料上方空氣層阻值，消除了傳統方法的誤差。文獻[9]提出有風狀態下熱板儀的熱平衡新關系，且指出風道均勻風速的設計原則，在測量微環境上進行了改進。

本文通過對熱板儀基礎結構和測量原理的深入分析，提出非對稱熱護式熱板儀的設計概念，即保留上層的側熱護板結構，用已知熱阻值的隔熱泡沫板取代底熱護板，從而構成上下非對稱結構，結合新的算法，在試驗中取得了良好的試驗結果 。

1 非對稱熱護式熱板儀設計

1.1 ASTM型熱板儀改進

由文獻[9]可知，在有風試驗中，空氣由熱板儀一側平行熱板上表面流向另一側時，空氣流和上表面熱板存在熱量交換。因此入口處氣流溫度最低，其與熱板的溫差最大，熱交換也最強烈；在出口處，由于上方氣流逐漸被加熱，與熱板之間的熱流交換則逐漸減弱，因此氣流入口處的側熱護板(前)→測量熱板前端→測量熱板后端→側熱護板(后)的溫度是由低到高逐漸變化的，即側熱護板、測量熱板與底熱護板之間是存在一定溫差關系的。若側熱護板與底熱護板因溫度不均存在溫差，兩者間腔室的空氣就會產生對流，兩板之間形成熱流傳遞，但該腔室處于測量熱板四周，對中間的測量熱板不產生影響，因此不影響測量結果。當測量熱板和底熱護板存在溫差時，中央腔室的空氣對流會造成測量熱板與底熱護板之間存在對流，因此測量熱板的熱流不能全部通過上方的面料向外傳遞，導致儀器系統誤差。

改進思路：一是在上、下熱板間的腔室填充泡沫材料以杜絕空氣對流，同時泡沫材料較大的熱阻值也能大大降低上、下熱板間因定溫差而產生的熱流傳遞，從而提高熱板儀的測量準確性；二是在上方空氣流動方向的前隔熱條與后隔熱條兩側分別加裝溫度傳感器，利用溫控保證隔熱條兩邊等溫，從而消除溫度傳遞。改進的ASTM型熱板儀設計如圖2所示。

注：1—泡沫隔熱板；2—底板溫度傳感器a；3—底熱護板；4—底熱護板加熱膜；5—底板溫度傳感器b；6—面料試樣；7—側熱護板溫度傳感器a；8—測量熱板溫度傳感器a；9—測量熱板；10—測量熱板加熱膜；11—測量熱板溫度傳感器b；12—隔熱條；13—側熱護板溫度傳感器b；14—側熱護板；15—側熱護板加熱膜。圖2 改進的ASTM型熱板儀Fig.2 Modified ASTM-type guarded hot plate

1.2 非對稱熱板儀的設計原理

ASTM型熱板儀從結構上可看作是上下對稱的，通過增加底熱護板來抑制測量熱板的熱量向下傳遞。在圖2改進的ASTM型熱板儀基礎上取消底熱護板，保留上部熱護結構，將泡沫隔熱板底面直接暴露在環境空氣中。由于溫差，泡沫板會將測量熱板的部分熱流向下傳遞，即測量熱板的熱流不能全部向上通過面料。但根據傳熱原理，只要泡沫板的熱阻值一定且上、下表面溫度可測量，通過泡沫板的熱流則為可測值。將測量熱板的總熱流減去通過泡沫板的熱流值，得到向上通過面料的有效熱流。此設計為非對稱熱板儀，其結構示意圖如圖3所示?？紤]到泡沫板下的散熱問題，熱板儀底部應離開臺面一定距離h并保持空氣流通。

注：1—隔熱泡沫板；2—面料試樣；3—側熱護板溫度傳感器a；4—測量熱板溫度傳感器a；5—測量熱板；6—測量熱板加熱膜；7—測量熱板溫度傳感器b；8—隔熱條；9—側熱護板溫度傳感器b；10—側熱護板；11—側熱護板加熱膜。圖3 非對稱熱板儀結構示意圖Fig.3 Structural sketch of asymmetric guarded hot plate

泡沫板的熱阻為已知參數，則測量熱板向下通過泡沫板的熱功率(Hb)計算，如式(1)所示。

(1)

式中：Rb為泡沫板的熱阻值(含外表面空氣層)；A為測量熱板的表面積；Ts為測量熱板的溫度；Ta為環境溫度。

空板試驗可由式(2)計算得到空氣層熱阻Rt0：

(2)

面料熱阻Rf如式(3)所示。

(3)

式中：Ht為面料測量時測量熱板的發熱功率；Ht0為空板試驗時測量熱板所散耗的功率。

2 非對稱熱板儀的試制

2.1 本體

熱板儀的測量熱板和側熱護板均采用304不銹鋼板，厚度為1.2 mm。測量熱板和熱護板內表面貼有均勻布線的加熱膜，布線需為溫度傳感器的安裝留出位置。

選用泡沫板為建筑行業上常用的聚苯乙烯泡沫板，其厚度為2.41 cm，導熱系數為0.03 W/(m·K) (導熱系數合格值為≤0.03 W/(m·K))，轉換為熱阻值為0.803 m2·K/W。經606E熱板儀3次實測，該泡沫板的熱阻平均值為0.817 m2·K/W，即以該值作為后續計算依據。

非對稱熱板儀的實物如圖4所示。

圖4 非對稱熱板儀實物Fig.4 The asymmetric guarded hot plate

2.2 溫控系統研制

控制系統采用美國NI公司的LabVIEW模塊化編程軟件和相應的硬件構成。多路溫度檢測系統可以直接利用LabVIEW的程序框架構建[10]，溫度傳感器采用體積小巧且穩定可靠的Pt 100熱敏電阻，誤差為-0.1～0.1 ℃。

功率輸出部分采用恒電壓下的(pulse width modulation，PWM)脈沖寬度調制方式：在一段時間內連續執行開關動作，而開和關的時間比值為脈沖占空比，即通過調整開和關的時間(脈沖寬度)來調整輸出功率。在一定的電壓和負載條件下，脈沖占空比越大，則輸出功率越大。當開關頻率達到一定的密度后，開關本身對加熱穩定性的影響就忽略不計，該方式是目前主流的高精度功率輸出控制方式。

PID(proportion-integral-differential)控制器是根據系統實際測量值與設定值的差值利用比例(P)、積分(I)、微分(D)的組合算法計算出控制量進行控制的，是常用的經典算法。LabVIEW提供PID選項模塊，但并不提供程序框架模板，即PID模塊如何與PWM功率輸出部分整合是需要進行自主設計的，這通常也是自制溫控系統的難點。圖5為本文設計的PID控制PWM功率輸出的邏輯框圖。

圖5 PID控制PWM功率輸出邏輯框圖Fig.5 Logic block diagram of PWM power output for PID control

PID參數整定是控制系統合理運行的關鍵，試驗多次調整后將P值設定為9.0，I值設定為9.0，D值設定為0.01，這樣可通過程序控制加熱板在0.7～1.0 h內達到穩定狀態。溫度控制誤差范圍小于-0.25～0.25 ℃，與現行設備基本一致。

2.3 熱場分析

熱板儀的空板上表面、中間加熱膜及泡沫板下表面三者的紅外溫度場分布分別如圖6所示。

圖6 非對稱熱板儀各部分溫度場分布Fig.6 Distribution of temperature field in each part of the asymmetric guarded hot plate

由圖6(b)可知，非對稱熱板儀的加熱膜的溫度場分布很均勻，但當熱流傳遞到測量熱板和熱護板的上表面(見圖6(a))，溫度的均勻性稍差。由于測量熱板和熱護板邊沿的溫度基本一致，即兩者并不會產生熱量傳遞。測量熱板的熱量僅向上和向下傳遞，取平均溫度，對測量結果沒有影響。

泡沫板下表面的熱像圖如圖6(c)所示，即使泡沫板達到2.4 cm厚度，依然沒有完全排除由隔熱條(低導熱塑膠條)引起的熱場不均勻性，但溫差較小，僅為0.5 ℃左右。在恒溫條件下，雖存在一定的不均勻性，但由于測量熱板溫度穩定，泡沫板下表面的溫度也是穩定的，其透過的熱流量也是穩定的，可以滿足設計要求。

3 試 驗

將標準ASTM型606E熱板儀和非對稱熱板儀進行對比試驗，去掉606E熱板儀原有的風道系統，改用和非對稱熱板儀一樣外部空氣條件：(1)開放無罩式靜態無風(風速<0.15 m/s)；(2)開放式吹風方式(風速=1.00 m/s)。吹風試驗示意圖如圖7所示。606E熱板儀的測量熱板面積為20 cm×20 cm, 加上熱護板后的總面積為40 cm×40 cm；而非對稱熱板儀的測量熱板面積為25 cm×25 cm, 加上熱護板后總面積為50 cm×50 cm，雖然測量區域面積稍有不同，但對測量結果不會有明顯影響。

3.1 試驗面料

選取有代表性的試驗面料共13塊，面料參數見表1。其中第13號面料為美國MTNW公司的試驗標樣，在1.00 m/s風速下的熱阻值為0.02 m2·K/W。

注：1—風扇；2—前導流板；3—熱板儀；4—面料；5—后導流板。圖7 吹風試驗示意圖Fig.7 The sketch of test with wind

表1 試驗面料及參數Table 1 Test fabrics and their paramters

3.2 試驗結果

兩種熱板儀對一組面料試樣的熱阻測試結果，如表2所示。

表2 兩種熱板儀對一組面料測試的結果Table 2 Test results of a group of fabrics by two guarded hot plates

由表2可知，非對稱熱板儀在無風(風速0.10 m/s)和有風(風速1.00 m/s)條件下均能很好地完成對各面料熱阻值的測量，測量均值和606E熱板儀相對偏差在5% 左右，配對t檢驗(p=0.695,即p>0.050)亦表明兩列數據沒有明顯差異。13號面料(標樣)在1.00 m/s風速下的非對稱熱板儀的數據(0.021 7 m2·K/W)比606E熱板儀的數據(0.023 2 m2·K/W)更接近國際標樣的基準數據(0.020 0 m2·K/W),其3次測量的數據重復性要優于606E熱板儀數據，相對標準差平均值在有風和無風條件下分別為1.53和2.56，而606E熱板儀數據分別為3.66和3.09。

4 非對稱熱板儀的節能率

由于非對稱熱板儀在結構上取消了占總散熱面積一半的底熱護板:在空板試驗中，熱板下方的泡沫板+下空氣層的熱阻為熱板上方空氣層熱阻的10%左右，即無效熱流約占傳統熱板儀底熱板發熱的10%，因此取消底熱護板的非對稱熱板儀的節能率為45%左右；在面料熱阻試驗中，由于面料的保溫作用，傳統熱板儀的底熱護板的熱能消耗要大于上層發熱板，因此取消底熱護板后，節能率大于50%。由此可知，非對稱熱板儀的綜合節能率約50%，且其結構更簡單、制造成本更低。

5 結 語

本文提出了在空腔內充填隔熱泡沫板的改進方案，并在此基礎上進一步設計了非對稱熱板儀。使用具有一定熱阻值的隔熱泡沫板置于測量熱板和側熱護板下方替代底熱護板，在泡沫板兩面溫差一定的情況下，通過泡沫板的熱流功率是定值，則通過織物一維向上的有效熱流功率等于測量熱板的輸入功率減去該定值功率，可實現面料熱阻的測量計算。

利用非對稱熱板儀和ASTM型606E熱板儀測試不同面料熱阻并進行對比，試驗結果沒有明顯差異，但非對稱熱板儀的數據穩定性更好，其結構也更簡單，成本低，能耗低 。

本研究采用不銹鋼板制作熱板，其溫度均勻性不夠理想。今后可采用紫銅板(導熱系數為不銹鋼板的20倍)來改善熱板溫度均勻性，以進一步提升測量精度。