基于遗传神经网络的真空绝热板导热系数测量方法研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)厦门大学机电工程系 作者:黄俊

  传统采用大平板热保护法测量真空绝热板(VIP) 导热系数,该方法测量精度高,但检测速度慢。国外HC-120 VIP快速检测仪大大提高了检测速度,但价格昂贵。针对以上问题,本文提出了基于埋入式热流计法快速高精度测量VIP导热系数的方法。通过理论分析和仿真分析,证明了测量原理的可行性。在测量模型的标定中,针对VIP导热系数与频率变化特征值之间的非线性问题,巧妙结合遗传算法和BP 神经网络,从而进行非线性补偿,使测量精度优于1%。与传统基于最小二乘法进行非线性补偿的方法相比,遗传神经网络具有误差小、精度高和全局寻优能力等优点。实际应用表明,本文提出的测量方法满足了高精度、低成本的测量要求,具有广泛推广的应用价值。

  真空绝热板(Vacuum Insulation Panel,VIP) 是当今世界上最先进的高效保温材料,其导热系数一般在4 mW/(m·K) 左右,相当于普通绝热材料的10倍甚至更高,而其厚度仅为普通绝热材料的1/7,因此具有环保和高效节能的特性。VIP主要由芯部的隔热材料和封闭的隔气薄膜组成,主要依靠其内部的真空度来提高绝热性能。VIP内部真空度越高,其导热系数则越低,保温效果则越佳。导热系数是表征真空绝热板导热性能的重要物理量。在生产制造VIP的过程中,对生产出低导热系数的VIP提出了较高的要求,因此必须精确测量VIP的导热系数。另外,VIP使用长久之后,气体会渗透到板内,使板内真空度破坏,引起其导热系数提高,保温性能下降。因此,为了检测VIP的老化程度,也有必要精确测量VIP的导热系数。

  目前国内主要采用大平板热保护法及其原理研制VIP导热系数测量装置。该装置是基于一维稳态导热下,采用热流量的方式计算出VIP的导热系数。该方法虽然测量精度高,但检测速度慢,很难满足大规模生产VIP的要求。若采用多台仪器同时检测,虽然提高了检测速度,但大大提高了检测成本。为了克服以上问题,对快速检测方法的研究也显得越来越重要。如EKO公司推出的HC-120 VIP快速检测仪,使检测时间缩短至6 min 以内,真正实现了VIP板的快速检测。与传统的检测方法相比,快速检测方法大大提高了速度,但检测成本较高。

  鉴于目前国内对VIP导热系数快速检测方法的研究还不够成熟,本文致力于研究出一种基于埋入式热流计法快速高精度测量VIP导热系数的方法,其测量范围为1 ~15 mW/( m·K) ,测量误差小于1%,测量时间为60 s。根据美国ASTM C1484-01 标准的规定,VIP的导热系数大于11.5 mW/(m·K)被认为失效。

  3、应用实例与误差分析

  本文另外选择10 块VIP板进行测量试验,从而比较上述两种非线性补偿模型的测量精度。该10块VIP板在出厂前同样已经过日本EKO 公司的HC-074-300 导热系数测定仪测定其实际导热系数,其测量结果如表2 所示。

表2 LSM 补偿模型与GNN补偿模型测量结果对比表

基于遗传神经网络的真空绝热板导热系数测量方法研究

  从表2 中不难发现,VIP导热系数的测量值与实际值之间存在一定的误差,但基于GNN非线性补偿模型的测量精度可达±1%,明显优于基于LSM非线性补偿模型的测量精度。其测量精度非常适合替代昂贵的进口导热系数测量设备,满足高精度测量导热系数的要求。

  导致VIP导热系数测量值存在误差的原因:在测量模型的标定中,虽然基于GNN非线性补偿模型明显优于基于LSM 非线性补偿模型,但仍然存在一定的非线性误差;在外部测量模块中,本文采用STC12C5A60S2 单片机为主控芯片,测量VIP内部测量组件的频率变化特征值,使整套系统的成本大大降低,但频率测量精度偏低;另外,VIP内部测量组件中电子元器件的参数误差同样会导致系统存在一定的误差,尤其是热敏电阻的精度极大地影响了本实验的测量精度。

  4、结论

  本文通过理论分析、仿真分析和实验,证明了基于埋入式热流计法快速高精度测量VIP导热系数方法的可行性。在测量模型的标定中,针对VIP导热系数与频率变化特征值之间的非线性问题,提出了应用遗传神经网络实现非线性补偿的方法。与基于最小二乘法的非线性补偿方法相比,该方法具有误差小、精度高和全局寻优能力等优点。最后通过实际应用举例,证明了本文所提方案的可行性和实用性。

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