王 巖，潘 江，趙曉東

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

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

王 巖，潘 江，趙曉東

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

研制了一種基于LabVIEW平臺的瞬態(tài)熱線法測量導(dǎo)熱系數(shù)的測試系統(tǒng)，從測量原理、系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)處理等方面說明了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程.采用有限容積法對瞬態(tài)熱線法導(dǎo)熱系數(shù)的測量過程進(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LabVIEW調(diào)用動態(tài)鏈接庫混合編程實(shí)現(xiàn)了LabVIEW平臺對Fortran語言的調(diào)用，集成了數(shù)據(jù)采集和處理模塊，實(shí)現(xiàn)了測試系統(tǒng)的自動化.通過測量氮?dú)獾膶?dǎo)熱系數(shù)驗(yàn)證了該測試系統(tǒng)的可靠性.

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

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)活動中有著廣泛的應(yīng)用.瞬態(tài)熱線法導(dǎo)熱系數(shù)測量方法測試速度快，可以完全避開自然對流的影響，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)一般通過人為選取有效數(shù)據(jù)段，進(jìn)行線性擬合處理，使測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理模塊完全分開，不利于測試系統(tǒng)的自動化.

本文在測試裝置和LabVIEW軟件平臺的基礎(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，簡化了導(dǎo)熱系數(shù)的測試過程.

1 測試原理

瞬態(tài)熱線法是利用測量熱絲的溫度變化引起的阻值變化來求得物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù).其理想模型為[2]：在無限大的各項(xiàng)同性的流體中垂直置入一個(gè)半徑為r0，長度L無限長的熱絲，熱絲的熱導(dǎo)率無限大，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.對熱源施加階躍熱流，這時(shí)熱絲及周圍流體溫就會產(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 測試系統(tǒng)

2.1 硬件部分

測試系統(tǒng)硬件部分分為測試裝置和測試電路.

瞬態(tài)熱線法導(dǎo)熱系數(shù)測試裝置主要由兩部分組成：用于存儲待測流體的測試環(huán)境，以及熱線傳感器.該測試裝置如圖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、抽真空以及壓力測量；引出導(dǎo)線通過特殊設(shè)計(jì)的密封組件進(jìn)行密封.測試腔體能承受壓力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)和測試導(dǎo)線三部分構(gòu)成.系統(tǒng)熱線采用英國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—無銹鋼支撐塊，8—進(jìn)液管路，9—長、短絲，10—密封圈，11—出液管路，12—手動閥門 圖1 測試裝置結(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為型號為1 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻，RL、RS分別代表長、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)熱線法測量是在10秒的量級，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，需要測量儀器有很高的采樣速率；此外，測得電壓的變化范圍只有幾十毫伏，而準(zhǔn)確的測量電壓就需要很高的測量精度.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)字萬用表來協(xié)調(diào)二者的矛盾[5].系統(tǒng)采用三塊數(shù)字萬用表作為數(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.在測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)繼電器動作，惠斯通(Wheatstone)電橋測量電路開始工作[6].

計(jì)算機(jī)與數(shù)字萬用表通過GPIB/LAN總線連接后，通過萬用表的特定編程指令，就可對萬用表進(jìn)行操作.程序中計(jì)算機(jī)與數(shù)字萬用表的通信都是用LabVIEW的VISA函數(shù)來完成.在對萬用表進(jìn)行測量配置時(shí)，為了得到恒定的采樣時(shí)間間隔，需將自動量程、自動歸零、進(jìn)行運(yùn)算和更新顯示等會帶來測量間隔變動的功能關(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因?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)太少而導(dǎo)致擬合偏差過大等問題.研究表明：利用有限容積法對瞬態(tài)熱線法導(dǎo)熱系數(shù)的測量過程數(shù)值模擬，并在此基礎(chǔ)上建立迭代算法對實(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).處理過程如圖4所示.本文采用Fortran語言編寫數(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平臺與Fortran語言語法兼容性不好，所以使用LabVIEW調(diào)用Fortran程序沒有調(diào)用C程序方便，但是動態(tài)鏈接庫(dynamic link library，DLL)可以隱藏語言的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，而且DLL的編制與具體的編程語言及編譯器無關(guān)[8].只要通過調(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)動態(tài)鏈接庫的調(diào)用.

多語言混合編程中，各種語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題.LabVIEW與Fortran語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平臺上通過庫函數(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)處理過程.

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

3 功能測試

為了測試系統(tǒng)的可靠性，現(xiàn)對溫度為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)的選擇無關(guān)，與測得的實(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)熱線法測量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置.實(shí)驗(yàn)裝置采用雙熱線法來消除端部效應(yīng)，并將雙熱線接入惠斯通電橋電路測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GPIB總線和數(shù)據(jù)采集卡控制萬用表實(shí)施數(shù)據(jù)采集.利用數(shù)值模擬技術(shù)，通過不斷調(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.通過把數(shù)據(jù)采集和處理結(jié)合一起，提高了系統(tǒng)測試的自動化程度.

[1] ASSAEL M J, ANTONIADIS K D, WAKEHAM W A. Historical evolution of the transient hot-wire technique[J]. International Journal of Thermophysics,2010,31(6):1051-1072.

[2] HEALY J J, GROOT DE J, KESTIN J. The theory of the transient hot-wire method for measuring thermal conductivity[J]. Physica B+C,1976,82(2):392-408.

[3] WAKEHAM W A, NAGASHIMA A, SENGERS J V. Measurement of the Transport Properties of Fluids[M]. London: Blackwell Scientific,1991:163-188.

[4] ASSAEL M J, CHEN C F, METAXA I, et al. Thermal conductivity of suspensions of carbon nanotubes in water[J]. International Journal of Thermophysics,2004,25(4):971-985.

[5] WOODFIELD P L, MOROE S, FUKAI J, et al. Techniques for accurate resistance measurement in the transient short-hot-wire method applied to high thermal-diffusivity gas[J]. International Journal of Thermophysics,2009,30(6):1478-1772.

[6] 張洪武,潘江,王玉剛.瞬態(tài)熱線法液體導(dǎo)熱系數(shù)測試系統(tǒng)的研制[J].中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2010,21(4):283-288. ZHANG Hongwu, PAN Jiang, WANG Yugang. Development of experimental system for measurement of liquid thermal conductivity by the transient hot-wire technique[J]. Journal of China University of Metrology,2010,21(4):283-288.

[7] Agilent Technologies Inc. Agilent 34410A Multimeter User’s Guide[Z]. Beijing: Agilent Technologies Inc,2000.

[8] 楊樂平,李海濤,趙勇,等.LabVIEW高級程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003:133-135.

[9] LEMMON E W, HUBER M L, MCLINDEN M O. NIST reference fluid thermodynamic and transport properties-REFPROP[EB/OL].(2013-04-01)[2016-05-10]https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/REFPROP9.PDF.

[10] 潘江,林娜,王玉剛.瞬態(tài)熱線法導(dǎo)熱系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的研究[J].計(jì)量學(xué)報(bào),2015,36(4):384-388. PAN Jiang, LIN Na, WANG Yugang. Data analysis for thermal conductivity measurement using transient hot-wire method[J]. Acta Metrologica Sinica,2015,36(4):384-388.

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 《中國計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

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

TP273

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