热传导测量仪的研发

2万 · 2019-7-29 14:22

真空玻璃的保温隔热以及隔音等优良性能体现在主要参数一传
热系数K。目前真空玻璃传热系数测量仪的应用还停留在实验室测
量阶段，即仅能够在密封环境中对一小块真空玻璃样品进行K值测
量。而在工业化生产过程中，真空玻璃都是按照实际需要而直接加
工成一定尺寸规格的成品使用，由于其本身不可分割的特点，所以
必须研制一种具有开放式结构的测量仪来实现在线检测的功能已迫
在眉睫。本课题受西安美尔思公司的委托，依据 2008年我国颁布的
真空玻璃国家标准《JC/T 1079-2008 ))，进行了基于GD32微处理器的
真空玻璃传热系数在线检测仪的方案设计、硬件设计、软件设计、
机械结构设计以及最终样机的制作完成，主要工作内容包括以下几
个部分:
(1)温度控制系统设计与制作:根据真空玻璃国标规定，要使真
空玻璃传热系数测量仪的热板和冷板温度分别控制在400C和100C
恒定不变，实现其恒温控制的稳定性、准确性以及实时性是本控制
系统的一个难点。系统选取稳定性好、精度高的PT1000薄膜铂电阻
温度传感器，通过BP神经网络进行非线性校正;电炉丝作为热板加
热源，水流风冷板作为冷却源，与控制器一起组成闭环温度控制系
统;在热板和冷板检测区域外采用四道环型结构实现保温隔热效果。
(2)恒压控制系统设计与制作:试验中发现压强对于真空玻璃板
测量K值影响很大，分析知道它是以影响测量板与中空玻璃之间接
触热导而呈现其影响力，但是这个重要因素并没有在国标规定中阐
明，所以必须把恒定压强作为测量的必要条件之一进行补充完善。
样机中选择采用自然配重法来实现恒压条件，相比压力传感器组成
的恒压闭环控制系统在可靠性和性价比方面更有优势。
(3)测量仪的开放结构设计与制作:针对目前仅能在实验室的密
封环境中对小块的真空玻璃进行测量的现状，重新设计制作的开放
式结构使得系统机械结构中的静台面和动台面夹合成三端开口，使
得测量时候被测玻璃的面积大小不受限制，完全满足了工业生产线
对各种尺寸真空玻璃的测量需求。
本课题完成了系统硬件控制电路的设计以及软件控制系统的编
写和调试，完成了电路控制系统与机械结构系统的整机安装调试，
系统能够流畅的运行，对真空玻璃传热系数的测量满足国标规定，
特别是恒压的发现及实施，使系统测量更精确，符合公司对于测量
仪器的要求，为真空玻璃在大规模产业化生产应用中提供了有力的
技术支持。

2万 · 2019-7-29 14:23

最早的玻璃是在公元前1000年古代的威尼斯商人无意中发明的，然后古埃及先是
学会了玻璃的制造，他们能制造出许多不同形状的玻璃产品。古埃及掌握了玻璃吹制的
工艺，能吹制出多种形状的玻璃产品，包括广泛应用于建筑行业中的门窗玻璃，而且从
最初的的单层玻璃开始到夹层玻璃，再后来1865年美国人发明了中空玻璃，具有良好
的隔热、隔音、美观适用、并能够降低建筑物自重的新型建筑材料〔，’。中空玻璃多种性
能优越于普通双层玻璃，因此得到了世界各国的认可，中空玻璃是将两片或多片玻璃以
有效支撑均匀隔开并周边粘结密封，使玻璃层间形成有干燥气体空间的玻璃制品‘2，。反
应玻璃的隔热保温性能的一个关键参数就叫做传热系数，用K值来表示。最早期的单
层玻璃的中心部位的传热系数约为6 Wm"'K"'，之后研制的中空玻璃厚度为12mm的传
热系数约为3.59 Wm"`'K-'，厚度为18mm的K值约为3.22 Wm-'K-'，而双层镀低辐射膜
的中空玻璃的K值约为1.6 Wm}2K"'。经过大量实验测试，要想把玻璃窗户的传热系数
控制在1 Wm-'K-，甚至更低是无法达到的。
1983年，剑桥大学的教授Sir James Dewar发明了真空瓶，确立了真空绝热的两项
基本原则:通过高真空消除绝大部分气体传热:通过高反射涂层降低辐射传热。1913
年A}Zoller根据杜瓦发明的真空瓶理论，首次提出来真空玻璃的概念并发布了世界第一
个平板真空玻璃的专利。使用两片透明的平板玻璃将四周密封起来，将其间隙抽成真空
并密封排气孔，两片玻璃之间的间隙为0.1-0.2mm，真空玻璃的两片一般至少有一片是
低辐射玻璃，这样就将通过真空玻璃的传导、对流和辐射方式散失的热降到最低，其工
作原理与玻璃保温瓶的保温隔热原理相同‘3一引。科学家们后来进行了大量的探索，有关真
空玻璃的各种专利数以百计被开发出来，但均未获得实际效用。
20世纪80年代世界第一次能源危机发生后，真空玻璃的研发逐渐活跃起来，其中
有两个团体做了较大努力。一个是美国的科罗拉多太阳能研究所由D.K.Benson教授领
导的真空玻璃研究组，经过1985-1991年的实验，虽然未能试验制成真空玻璃，但在真
空玻璃理论方面多有建树，更重要的是使对真空玻璃研究从空想到了实验室研制阶段。
另一个是由悉尼大学应用物理系R.E.Collins教授1989-1998年领导的真空玻璃研究组，
进一步改进工艺，1989年开始试制样品，1993年澳大利亚的悉尼大学向外部宣布制作
出了第一块lmXlm的实用真空玻璃，并申请了多项专利，发表了多篇论文，阐述了真
空玻璃的结构、传热性能、制造及检测方法。随后在1994年日本的第二大玻璃厂商购
买了悉尼大学的真空玻璃的专利使用权，1997年开始大量生产真空玻璃并向外界开始
出售。
我们国家对于真空玻璃的研究比较迟，唐健正教授在1990年作为访问学者来到澳
大利亚悉尼大学，与该校应用物理系的R.E.Collins教授联合研究平板真空玻璃〔6]。经过
3年的努力，1993年，世界上首块lmXlm的平板真空玻璃样品问世。发明人虽是唐健
正与R.E.Collins两人，专利权却属于悉尼大学。1998年，唐健正教授怀揣着推动我国
真空玻璃发展的理念回国，伴随着新立基真空玻璃有限公司的成立，唐教授作为公司的
技术总监兼研究所所长，经过深入的科学研究，申请了二十多项真空玻璃的专利，对原
有的真空玻璃进行了改革，又发明了吸气剂包封及解封技术，解决了提高真空玻璃寿命
的一大难题，同时提出对各种类型的复合真空玻璃的工艺技术进行了创新构想，以解决
真空玻璃安全性问题，有些专利则提出了把真空玻璃技术向墙体及太阳能应用领域扩展
的构想，这些专利具有创新性、实用性，使新立基公司具有系统的自主知识产权〔}]。随
着新的工业生产线的运行，真空玻璃年产量已经达到90万m2，并拥有着顶级研发团队，
以节能环保、科技创新为理念，致力于社会和企业的共同发展1810
真空玻璃作为一种新型的节能材料，凭借着它独特的隔热保温性能，还有隔声隔噪、
防结雾结霜、使用寿命超长及其应用面广得到世界范围的广泛认可。而检测真空玻璃的
关键参数就是其传热系数K值，对于真空玻璃传热系数的测量，现在还只是停留在理
论测量和实验分析上，还没有具体的开发仪器去测量真空玻璃的传热系数。

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美洲和欧洲的一些国家对于真空玻璃K值进行了大量实验研究，美国和欧洲先后
作出了根据其国家地理位置的气候特点的美标和欧标，测量标准中阐明了测量的原理以
及装置结构特点等。美国根据国家气候特点，根据国家标准研制出采用热流法测量真空
玻璃的传热系数的仪器，如图1-1所示:

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根据我国的地理位置与气候，跟美国和欧洲相比，差异很大，经过实验证明通过美
标和欧标对同一块真空玻璃的传热系数进行测量，结果是完全不同的。唐健正教授回国
以后，在国家的支持下创建了真空玻璃研究所，致力于真空玻璃的生产制造、生产以及
符合我国条件的真空玻璃标准。2008年，我国发布了符合中国的关于真空玻璃的各项
性能的标准JC/T 1079-2008}9}。随着真空玻璃国家标准的发布，国内对真空玻璃的研究比
例越来越大，例如真空玻璃的材料构成，支撑物的选择，热传导机制，性能优势，传热
K值分析等等‘’“，。对于真空玻璃传热系数测量仪的研究还属于探索阶段，目前真空玻璃
传热系数测量仪的应用还停留在实验室测量阶段，即仅能够在密封环境中对一小块真空
玻璃样品进行K值测量，测量条件有一定的局限性，测量精度低。随着科技的不断发
展，真空玻璃凭借其良好的隔热性能被人们认可，其工业化生产将会不断加大。而在工
业化生产过程中，真空玻璃都是按照实际需要而直接加工成一定尺寸规格的成品使用，
由于其本身不可分割的特点，所以必须研制一种具有开放式结构的测量仪来实现在线检
测的功能己迫在眉睫‘”一，”。

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20世纪80年代发生的能源危机，使得全世界都开始重视对于节能设备的开发研究。
随着时代的发展，各种大型建筑不断的开发和建造，建筑能耗己经在所有能源消耗中占
得比重越来越大，建筑门窗能耗约占建筑能耗的41%左右，人们生活要求越来越高，对
于建筑窗户的面积要求也越来越大，人类对于大面积采光的需求使得落地式窗户已经成
为一种常态，因此对于玻璃材料的选取就变得尤为重要。真空玻璃是基于杜瓦发明的真
空保温瓶理论后来由悉尼大学的R.E.Collins教授与唐健正教授发明创造的。真空玻璃由
两块平板玻璃构成，玻璃板之间用高度为0.1一0.2 mm的支撑物隔开，其中一片玻璃上
留有抽气孔，四周使用玻璃焊料将两片玻璃封接起来，真空排气后用金属片将抽气口封
住形成真空腔[n3}。其结构如图1-2所示:

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真空玻璃是运用保温瓶的制造原理，在两片平行放置的平板玻璃之间形成真空层，
具有超强的隔热、保温、防结露、防结霜、隔音等性能，可广泛应用于建筑、家电、车
船、太阳能等领域。真空玻璃热量传递是通过传导、对流、辐射三种传热方式进行。真
空玻璃中间的真空层将传导和对流传递的热量降至很低，以至于可以忽略不计，低辐射
膜玻璃可减少辐射传热，真空玻璃比中空玻璃具有更好的保温隔热性能。一般单片玻璃
的传热系数是 6 Wm ZK"'，普通中空玻璃是3.4 Wm zK"'，而真空玻璃的传热系数可达到
0.5 Wm ZK"'。使用真空玻璃后的室内节能就能达到50%，真空平板玻璃是目前世界上节
能效果最好的玻璃。
真空玻璃的防结露防结霜性能是由于真空玻璃热绝缘系数高，室内一侧的玻璃表面
温度下降少，因此可大幅度防止结霜结露现象。与相同条件下的中空玻璃相比，真空玻
璃开始结露的温度要比中空玻璃低的多。真空玻璃的隔声隔噪性能是由于真空玻璃特有
的结构，它能有效克服中空玻璃在低频段容易产生共鸣的弱点，发挥其良好的隔声效果。
在大多数频段，特别是中低频段，真空玻璃的隔声性能优于中空玻璃，总体隔声等级高
于中空玻璃。真空玻璃的计权隔声量达到国家标准建筑外窗空气声隔声性能分级3级以
上，达到绿色建筑评价标准对外窗的要求。真空玻璃的抗风压性是由于真空玻璃的本身
是负压器件，不存在运到高原低气压地区或遇到负风压时产生胀裂问题，也不存在水平
和倾率安装时中空玻璃存在的热导变大的问题，一般情况下其抗风压性能是同样玻璃厚
度支撑的中空玻璃的1.5倍。真空玻璃的使用寿命主要取决于下列因素:一是封边质量;
二是封头可靠性;三是吸气剂的选取。现代真空技术完全可以保证真空玻璃达到50年
以上的真空寿命。随着真空玻璃的优良性能逐步的被人们认可，对它的应用将要达到空
前的一个高度，随之而来的就是对于真空玻璃的大面积生产，真空玻璃质量的关键因数
就是其传热系数。真空玻璃传热系数的测量在美国和欧洲有相应的测量标准，但是由于
国家气候环境的差异，应用国外的标准来测量中国地区的真空玻璃，测量结果是有一定
误差的。在2008年，我国根据国家的环境条件，制定出了满足我国测量标准的真空玻
璃传热系数。根据国标的测量规定，许多科研人员着手于研究真空玻璃传热系数的测量，
己经初步完成了测量仪的实验制作。但是随着真空玻璃产业化的生产，要实现工业生产
线上在线检测真空玻璃传热系数的需求，初步的测量仪只适用于实验室环境下对于特定
模块的真空玻璃进行测量，因此根据市场这个空缺和需求，依据真空玻璃国家标准
JC/T1079-2008，研制出一套能够实现在线检测真空玻璃传热系数的测量仪，为我国的
真空玻璃检测标准进一步完善以及工业化生产提供技术保障。

2万 · 2019-7-29 14:56

分析真空玻璃的传热机理，首先必须分析清楚真空玻璃的内在结构。真空玻璃主要
就是将两块平板玻璃四周密封起来，然后利用特殊技术和特定工艺通过排气口将两片玻
璃之间的空气和湿气排走并且用吸气剂封死排气孔【15]，使两片玻璃之间形成真空环境。
形成真空层后，由于内部环境压力小，而外部环境压力大，真空玻璃将承受大约每平方
米约10吨的大气压，为了抵消外界大气对玻璃的压力，两块玻璃之间还设有许多肉眼
几乎无法察觉的圆柱形支撑物，这些微小支撑物一般选用不锈钢或者陶瓷材质，其直径
约为0.3}-0. Smm。一块标准的真空玻璃其两片玻璃间的间隙一般为0.1 }0.2mm之间，内
部压强一般小于0.1 Pa}'6]。真空玻璃具体构造如图2-1所示:

2万 · 2019-7-29 15:00

众所周知，传导、对流和辐射是热量的三种传递方式。其中热传导主要是通过固体
传递的，对流传热主要是通过液体和气体传递的，而辐射传热则可不需要任何介质，如
在真空中传播。具体对于真空玻璃来说，热量的传递也主要仍然是通过这三种方式，即
分别是真空玻璃内部支撑物传导传热、残余气体对流传热、辐射传热这三种方式‘;-}9)0
真空玻璃内部的近似真空环境很大程度上减小了对流传热。通常在真空玻璃内表面还要
贴一层低辐射膜，那么辐射传热也可消弱。由于真空玻璃内部微小支撑物体积非常的小，
通过支撑物的热量也是非常少的，因此热导传热也可大大降低。具体真空玻璃内部三种
传热方式如图2-2所示:

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总体的设计准则如下:
(1)可靠性，一个仪器要想长久使用，就必须从设计开始就严谨的进行。可靠性原则
是基础中的基础，要是每一个步骤都用高标准的准则，那么我们的产品可靠性就能达到
市场需求，经得住考验;
(2)准确性，在保证测量仪器的可靠性基础上，对于系统的测量要达到高精确度的要
求。通过电路的设计，电子器件的选型，系统的优化，算法的应用，误差的校正等措施
使得系统达到测量精度要求;
(3)先进性，在21世纪科技迅猛发展的时代，电子产品更新换代最快，各种新型技
术的发展造就了这个伟大的时代，对于系统的设计要尽可能采用先进的、可靠的新技术
成果，大胆的提出一些新的理念去加以实验进行论证，使得系统达到最优化设计;
(4)实用性，根据市场的空缺或者需求，帮助人们去解决一些棘手的问题，设计出一
款操作简洁、安全、方便的仪器供生产线在线测量;
(5)通用性，考虑到生产线现场复杂性，要求测量仪器在一定温度区间能够可靠工作，
而且能够检测市场上常用的各种规格的真空玻璃;
(6)经济性，根据市场需求，要满足系统最终的测量，选取合适的器件，尽量使得成
本最小化;
(7)标准性，严格遵守国标来设计，参考国际标准，保证检测数据的公信力。

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GD32微控制器是中国首个采用ARM架构的Cortex系统，采用的是二代的M3内
核，主频最高可以跑到108MHz o Cortex-M3控制器是一种通用32位核心，尤其适用于
兼顾高性能、低功耗微控制器设计。该处理器具有许多新颖的特性，例如Thumb2指令
集、硬件除法器、低延迟中断响应、原子级位绑定访问以及多总线同时工作。CortexTM-M3
处理器基于ARMv7架构，既支持Thumb，也支持Thumb2指令集。GD32MCU根据用
户不同的需求，提供的Flash容量有16K, 32K, 64K, 128K, 256K, 384K, 512K, 768K,
1024K, 2048K, 3072K等，RAM从6K到96K，并有QFN36, TQFP48, LQFP64, LQFP100
和LQFP 144多种封装选择。
GD32MCU外部供电电压范围为2.6V}3.6V，内核供电电压是1.2V，能够在
-400C}+850C工业级温度范围工作，全系列产品在硬件管脚及软件方面全兼容。
GD32MCU配备了丰富的外设接口资源，包括3个USART, 2个SPI(18Mbids), 2个快
速的I2C, 1个CAN2.OB, 1个全速的USB2.OFS。针对家庭多媒体设备新增了支持HDMI
接口的消费电子控制(CEC)总线硬件电路，还针对按键、滑动等触控应用集成了触摸感
测接口((TSI)，最多可同时连接18个外部电极。多达80%的可用GPIO口具有多种可选
功能，支持端口重映射，极佳的灵活性和易用性满足多种应用需求。GD32系列微控制
器出众的性能和丰富的外设资源使其特别适用于工业控制领域，同时也广泛应用于社会
上多个领域:
(1)工业控制应用，电机控制;变频器控制;工业PLC控制。
(2)读卡器应用，IC和RFID读卡器，门禁考核;电子不停车收费系统。
(3)微信打印机，POS机;嵌入式工业微打;电子支付与便携应用。
(4)新能源控制;LED路灯，LED显示;太阳能电站和MPPT o
(5)安防与监控报警;门禁控制和报警;视频监控高速球机;火灾和CO监控报警。
(6)医疗及健康设备，血氧仪，心电图仪;高性能血压计;便携式及家用医疗设备。

2万 · 2019-7-29 15:22

GD32F 103RBT6芯片的处理位数32位，它的性能比一般的8位、16位的单片机高
得多，自身独有的省电模式使得功耗低，成本低，工作范围也完全满足本文测量系统的
工作范围，采供电范围较窄，内核电压低，Flash执行速度为0等待周期。总体来说其
性能优于一般单片机，并且价格低于64位ARM.处理器，外设也较为丰富，具有gFlash
专利技术，Flash访问零等待，还有专利加密存储技术，增强安全使用保障，
GD32F103RBT6芯片最适合用于真空玻璃传热系数测量仪‘,}},}0

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单片机的通信方式有许多种，本设计采用的是外部串口通信，有两种方式:串行通
信与并行通信。并行通信可以将需要传输的数据同时并且多位进行传送，因此并行传输
数据较快但在长距离通信时成本较高，串行通信则是将需要传输的数据按位输送，数据
传输速度较并行传输速度较慢。本文依据传输数据多少以及技术的成熟性，最终选择串
行异步通信作为本设计的通信方式，该通信方式可同时接受和发送不同的频率，并且其
波特率可调，经过测试该通信方式可到达到实验目的。本系统串口通信选用的是
MAX3232，它的工作电压为3.3V，电路中的电容值在MAX3232芯片手册上都为O.lufo
在实验时遇到串口不能工作现象，修改电容参数后通讯正常。其中:在第四个与第五个
脚之间加luF的贴片电容，在第二个与第六个脚之间加2个luF电容。RS232最基本的
通讯方式为数据接收及数据传送双线传输这种模式，它采用EIA-232逻辑电平标准，
RS232接口的逻辑电平规定:输出端有效高电压范围一15V}SV，低电压范围是SV}15V;
而受到的信号的高电压范围是一15 V}-3 V，低电压范围为3V}15V。这种电平逻辑与目前
越来越低的微电脑系统电压形成鲜明对比。目前的单片机要使用RS232接口，就必须
经过逻辑电平转换电路，之前的通讯接口电路多为MAX232，现在越来越多的3.3 V甚
至更低电压的单片机系统的出现，MAX232己经不能很好的完成工作，MAX3232是
MAX232的增强性产品，传输效率高，功耗低1381。通信电路如图3-4所示:

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热传导测量仪的研发

技术奇才奖章

伴坛终老