LabVIEW的瞬態(tài)熱線法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)

王 巖，潘 江，趙曉東

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

LabVIEW的瞬態(tài)熱線法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)

王 巖，潘 江，趙曉東

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

研制了一種基于LabVIEW平臺(tái)的瞬態(tài)熱線法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試系統(tǒng)，從測(cè)量原理、系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)處理等方面說(shuō)明了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程.采用有限容積法對(duì)瞬態(tài)熱線法導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并建立迭代算法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).通過(guò)LabVIEW調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)混合編程實(shí)現(xiàn)了LabVIEW平臺(tái)對(duì)Fortran語(yǔ)言的調(diào)用，集成了數(shù)據(jù)采集和處理模塊，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化.通過(guò)測(cè)量氮?dú)獾膶?dǎo)熱系數(shù)驗(yàn)證了該測(cè)試系統(tǒng)的可靠性.

導(dǎo)熱系數(shù)；LabVIEW平臺(tái)；混合編程；數(shù)據(jù)處理；自動(dòng)化

導(dǎo)熱系數(shù)是表征物質(zhì)傳導(dǎo)熱能力的熱物理參數(shù)，在日常生活、生產(chǎn)和科學(xué)活動(dòng)中有著廣泛的應(yīng)用.瞬態(tài)熱線法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法測(cè)試速度快，可以完全避開自然對(duì)流的影響，被公認(rèn)為是最好的液體或氣體的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法[1].然而現(xiàn)有的瞬態(tài)熱線法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般通過(guò)人為選取有效數(shù)據(jù)段，進(jìn)行線性擬合處理，使測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理模塊完全分開，不利于測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化.

本文在測(cè)試裝置和LabVIEW軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集程序以控制數(shù)據(jù)采集過(guò)程，開發(fā)了數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算.使用混合編程的方式將二者合二為一，從而在測(cè)試系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)化、求解、顯示等功能，簡(jiǎn)化了導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試過(guò)程.

1 測(cè)試原理

瞬態(tài)熱線法是利用測(cè)量熱絲的溫度變化引起的阻值變化來(lái)求得物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù).其理想模型為[2]：在無(wú)限大的各項(xiàng)同性的流體中垂直置入一個(gè)半徑為r0，長(zhǎng)度L無(wú)限長(zhǎng)的熱絲，熱絲的熱導(dǎo)率無(wú)限大，熱容量為零.在加熱之前，流體和熱絲處于熱平衡狀態(tài)，溫度都為T0.對(duì)熱源施加階躍熱流，這時(shí)熱絲及周圍流體溫就會(huì)產(chǎn)生溫升，從而求得導(dǎo)熱系數(shù).當(dāng)αt/r02很大時(shí)，熱絲的溫升為ΔT(r0,t)[3]

(1)

其中，q為單位長(zhǎng)度熱線加熱功率，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，α為擴(kuò)散系數(shù)，t為加熱開始后的時(shí)間，C為exp(λ)=1.781….

由上式可知，只要繪制出ΔTid～lnt曲線，就可以得到導(dǎo)熱系數(shù).

2 測(cè)試系統(tǒng)

2.1 硬件部分

測(cè)試系統(tǒng)硬件部分分為測(cè)試裝置和測(cè)試電路.

瞬態(tài)熱線法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試裝置主要由兩部分組成：用于存儲(chǔ)待測(cè)流體的測(cè)試環(huán)境，以及熱線傳感器.該測(cè)試裝置如圖1.

腔體材料為具有良好耐腐蝕性的不銹鋼(0Cr17Ni12Mo2)，通過(guò)法蘭擠壓聚四氟乙烯O型圈密封；底部管路用于進(jìn)液，頂部管路用于出液、抽真空以及壓力測(cè)量；引出導(dǎo)線通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的密封組件進(jìn)行密封.測(cè)試腔體能承受壓力30 MPa，溫度253～373 K.熱線傳感器是實(shí)驗(yàn)裝置的核心部分，它既是加熱絲,又可作為電阻溫度計(jì)，通常由作為熱線的極細(xì)金屬絲、張緊熱線的支撐結(jié)構(gòu)和測(cè)試導(dǎo)線三部分構(gòu)成.系統(tǒng)熱線采用英國(guó)Goodfellow生產(chǎn)的鉭絲，直徑為25 μm，純度為99.9%；直徑2 mm的鉭棒作為主要支架.因?yàn)橹毋g棒和熱線是同種材料，具有相同的熱膨脹系數(shù)，所以在溫度變化時(shí)能夠保證熱線始終處于相同的應(yīng)力狀態(tài)[4].

1—密封組件，2—法蘭，3—連接螺栓，4—導(dǎo)線，5—腔體，6—鉭棒，7—無(wú)銹鋼支撐塊，8—進(jìn)液管路，9—長(zhǎng)、短絲，10—密封圈，11—出液管路，12—手動(dòng)閥門 圖1 測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of test device structure

由于存在軸向熱傳導(dǎo)，熱線端部的溫度低于中間部分，因此采取雙熱線法用長(zhǎng)絲減去短絲以消除端部效應(yīng)，中間部分為工作熱線.加熱后，長(zhǎng)短絲電阻差值即為工作熱線電阻值.為了實(shí)現(xiàn)這一目的，系統(tǒng)采用惠斯通電橋測(cè)量電路，如圖2.

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件構(gòu)成原理圖Figure 2 Hardware structure diagram of data acquisition system

圖中R1、R2、R3、R4為五個(gè)相同的直流電阻箱，Rst為型號(hào)為1 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻，RL、RS分別代表長(zhǎng)、短熱線的電阻，RL1、RS1分別代表與熱線相連接的導(dǎo)線電阻，RM為熱線中部引出的測(cè)量導(dǎo)線的電阻.

2.2 軟件部分

2.2.1 采集模塊

瞬態(tài)熱線法測(cè)量是在10秒的量級(jí)，要在短時(shí)間內(nèi)采集足夠多的數(shù)據(jù)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)擬合，需要測(cè)量?jī)x器有很高的采樣速率；此外，測(cè)得電壓的變化范圍只有幾十毫伏，而準(zhǔn)確的測(cè)量電壓就需要很高的測(cè)量精度.在滿足要求的前提下，研究者們通常采用高速數(shù)據(jù)采集卡或積分式數(shù)字萬(wàn)用表來(lái)協(xié)調(diào)二者的矛盾[5].系統(tǒng)采用三塊數(shù)字萬(wàn)用表作為數(shù)字采集儀器和NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡實(shí)施數(shù)據(jù)采集，如圖2.圖中Vs為Aglient E3617A可調(diào)精密直流電源，1點(diǎn)為常閉觸點(diǎn)，開關(guān)S為繼電器受控于NI PCI6251數(shù)據(jù)采集卡.

系統(tǒng)使用LabVIEW開發(fā)數(shù)據(jù)采集程序控制整個(gè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的顯示并將數(shù)據(jù)和顯示圖形以文件的形式存儲(chǔ).在測(cè)量程序的邏輯控制中先讓Agilent 34972A、34410A、34410A進(jìn)行預(yù)先數(shù)據(jù)采集，然后數(shù)據(jù)采集卡NI PCI6251觸發(fā)繼電器動(dòng)作，惠斯通(Wheatstone)電橋測(cè)量電路開始工作[6].

計(jì)算機(jī)與數(shù)字萬(wàn)用表通過(guò)GPIB/LAN總線連接后，通過(guò)萬(wàn)用表的特定編程指令，就可對(duì)萬(wàn)用表進(jìn)行操作.程序中計(jì)算機(jī)與數(shù)字萬(wàn)用表的通信都是用LabVIEW的VISA函數(shù)來(lái)完成.在對(duì)萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量配置時(shí)，為了得到恒定的采樣時(shí)間間隔，需將自動(dòng)量程、自動(dòng)歸零、進(jìn)行運(yùn)算和更新顯示等會(huì)帶來(lái)測(cè)量間隔變動(dòng)的功能關(guān)閉，Agilent34410還應(yīng)采用采樣間隔代替觸發(fā)延遲[7].

程序的前面板如圖3所示.在前面板中，可以設(shè)置采樣頻率、采樣時(shí)間和預(yù)采樣時(shí)間，以滿足不同功率下測(cè)量的需要.

圖3 數(shù)據(jù)采集程序前面板圖Figure 3 Front panel of data acquisition program

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

在瞬態(tài)熱線法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量中，一般在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效段截取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行線性擬合，獲取斜率，進(jìn)而得到導(dǎo)熱系數(shù).該方法存在一些不足，如像氣體類流體則會(huì)因?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)太少而導(dǎo)致擬合偏差過(guò)大等問(wèn)題.研究表明：利用有限容積法對(duì)瞬態(tài)熱線法導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量過(guò)程數(shù)值模擬，并在此基礎(chǔ)上建立迭代算法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以優(yōu)化數(shù)據(jù)處理結(jié)果[5].

根據(jù)這一思路，開發(fā)了基于有限容積法的數(shù)值模擬程序，并通過(guò)迭代算法使得各個(gè)時(shí)刻計(jì)算的溫升數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)的溫升數(shù)據(jù)的偏差和最小.開始時(shí)給定導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率的初始值，計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)刻計(jì)算的溫升數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)溫升數(shù)據(jù)的偏差.根據(jù)偏差調(diào)整待測(cè)流體導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率的數(shù)值大小，重新計(jì)算，并重復(fù)此過(guò)程，直到計(jì)算曲線和實(shí)驗(yàn)曲線的偏差最小.此時(shí)得到的導(dǎo)熱系數(shù)即為最終的數(shù)據(jù).處理過(guò)程如圖4所示.本文采用Fortran語(yǔ)言編寫數(shù)值模擬及迭代程序.

圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖Figure 4 Flowing chart of data processing

2.2.3 模塊調(diào)用

LabVIEW平臺(tái)與Fortran語(yǔ)言語(yǔ)法兼容性不好，所以使用LabVIEW調(diào)用Fortran程序沒(méi)有調(diào)用C程序方便，但是動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(dynamic link library，DLL)可以隱藏語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，而且DLL的編制與具體的編程語(yǔ)言及編譯器無(wú)關(guān)[8].只要通過(guò)調(diào)整編譯指令封裝好Fortran程序的接口，就可以實(shí)現(xiàn)像常規(guī)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的調(diào)用.

多語(yǔ)言混合編程中，各種語(yǔ)言不能共享相同的頭文件和接口，這種調(diào)用約定的不一致是混合編程中最大的問(wèn)題.LabVIEW與Fortran語(yǔ)言混合編程也不例外，要想調(diào)用成功，也必須全面協(xié)調(diào)兩者所使用的調(diào)用約定.

默認(rèn)情況下，F(xiàn)ortran采用引用方式傳遞所有參數(shù)，在C或者STDCALL調(diào)用約定下，F(xiàn)ortran以值傳遞傳遞所有參數(shù)(數(shù)組參數(shù)除外).因此，需設(shè)置LabVIEW的CLN(call library function node，CLN)節(jié)點(diǎn)中參數(shù)傳遞屬性，F(xiàn)ortran中的值傳遞與CLN節(jié)點(diǎn)的值傳遞匹配，而Fortran中的引用傳遞則與CLN節(jié)點(diǎn)的指針傳遞相匹配.本文程序中的參數(shù)是單向傳遞的，并不需要修改，因此只需通過(guò)規(guī)定STDCALL的調(diào)用約定指定參數(shù)傳遞方式為值傳遞.具體設(shè)置如圖5.

封裝完成后，在LabVIEW平臺(tái)上通過(guò)庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)調(diào)用DLL并傳遞初始導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率等相關(guān)參數(shù)，完成數(shù)據(jù)處理過(guò)程.

圖5 調(diào)用過(guò)程參數(shù)設(shè)置Figure 5 Parameter setting of calling procedure

3 功能測(cè)試

為了測(cè)試系統(tǒng)的可靠性，現(xiàn)對(duì)溫度為276.05 K，壓力為5.057 6MPa的氮?dú)獾膶?dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)量及處理.實(shí)驗(yàn)中使用的加熱功率為0.109 43 W·m-1，迭代初始參數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)為0.015 W·m-1·K-1，迭代曲線見圖6，第七次迭代曲線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，迭代七次后最終導(dǎo)熱系數(shù)為0.026 87 W·m-1·K-1，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用斜率擬合的方法得到的導(dǎo)熱系數(shù)為0.026 90W·m-1·K-1，二者的偏差為0.1%，利用REFPROP[9]計(jì)算得到的數(shù)據(jù)為0.026 773 W·m-1·K-1，與迭代計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù)值偏差為0.36%，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)斜率擬合得到的導(dǎo)熱系數(shù)值的偏差為0.47%，從而驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)的可行性.在計(jì)算時(shí)，采用不同的導(dǎo)熱系數(shù)初始參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，最終計(jì)算得到結(jié)果與初始參數(shù)的選擇無(wú)關(guān)，與測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有關(guān)[10].

圖6 氮?dú)獾膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果及處理Figure 6 Experimental data and processing of nitrogen

4 結(jié) 論

根據(jù)瞬態(tài)熱線法的原理，研制了瞬態(tài)熱線法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置.實(shí)驗(yàn)裝置采用雙熱線法來(lái)消除端部效應(yīng)，并將雙熱線接入惠斯通電橋電路測(cè)量工作熱線電阻的阻值.開發(fā)了一套LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序，通過(guò)GPIB總線和數(shù)據(jù)采集卡控制萬(wàn)用表實(shí)施數(shù)據(jù)采集.利用數(shù)值模擬技術(shù)，通過(guò)不斷調(diào)整導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值使得計(jì)算曲線和實(shí)驗(yàn)曲線不斷接近求得導(dǎo)熱系數(shù)值.通過(guò)把數(shù)據(jù)采集和處理結(jié)合一起，提高了系統(tǒng)測(cè)試的自動(dòng)化程度.

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Development of a test system for thermal conductivity with the transient hot wire method based on LabVIEW

WANG Yan, PAN Jiang, ZHAO Xiaodong

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

A system for measurement of thermal conductivity based on LabVIEW platform was developed. The principle hardware and software of the system were described. The finite volume method was used to simulate the thermal conductivity of the transient hot wire method and an iterative algorithm was established to deal with the experimental data. The LabVIEW platform calling the Fortran language was achieved through the mixed-language programming of the LabVIEW calling the dynamic link library. The automation of the test system was achieved through the integration of the data acquisition and data processing modules. The performance of the test system was verified by measurement of the thermal conductivity of nitrogen.

thermal conductivity; LabVIEW platforn; mixed-language programming; data processing; automation

2096-2835(2016)04-0389-05

10.3969/j.issn.2096-2835.2016.04.006

2016-06-01 《中國(guó)計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

國(guó)家質(zhì)檢性行業(yè)科研專項(xiàng)(No.201410133).

TP273

A