基于遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡的真空絕熱板導熱系數(shù)測量方法研究

　　傳統(tǒng)采用大平板熱保護法測量真空絕熱板(VIP) 導熱系數(shù)，該方法測量精度高，但檢測速度慢。國外HC-120 VIP快速檢測儀大大提高了檢測速度，但價格昂貴。針對以上問題，本文提出了基于埋入式熱流計法快速高精度測量VIP導熱系數(shù)的方法。通過理論分析和仿真分析，證明了測量原理的可行性。在測量模型的標定中，針對VIP導熱系數(shù)與頻率變化特征值之間的非線性問題，巧妙結合遺傳算法和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡，從而進行非線性補償，使測量精度優(yōu)于1%。與傳統(tǒng)基于最小二乘法進行非線性補償?shù)姆椒ㄏ啾�，遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡具有誤差小、精度高和全局尋優(yōu)能力等優(yōu)點。實際應用表明，本文提出的測量方法滿足了高精度、低成本的測量要求，具有廣泛推廣的應用價值。

　　真空絕熱板(Vacuum Insulation Panel，VIP) 是當今世界上最先進的高效保溫材料，其導熱系數(shù)一般在4 mW/(m·K) 左右，相當于普通絕熱材料的10倍甚至更高，而其厚度僅為普通絕熱材料的1/7，因此具有環(huán)保和高效節(jié)能的特性。VIP主要由芯部的隔熱材料和封閉的隔氣薄膜組成，主要依靠其內部的真空度來提高絕熱性能。VIP內部真空度越高，其導熱系數(shù)則越低，保溫效果則越佳。導熱系數(shù)是表征真空絕熱板導熱性能的重要物理量。在生產制造VIP的過程中，對生產出低導熱系數(shù)的VIP提出了較高的要求，因此必須精確測量VIP的導熱系數(shù)。另外，VIP使用長久之后，氣體會滲透到板內，使板內真空度破壞，引起其導熱系數(shù)提高，保溫性能下降。因此，為了檢測VIP的老化程度，也有必要精確測量VIP的導熱系數(shù)。

　　目前國內主要采用大平板熱保護法及其原理研制VIP導熱系數(shù)測量裝置。該裝置是基于一維穩(wěn)態(tài)導熱下，采用熱流量的方式計算出VIP的導熱系數(shù)。該方法雖然測量精度高，但檢測速度慢，很難滿足大規(guī)模生產VIP的要求。若采用多臺儀器同時檢測，雖然提高了檢測速度，但大大提高了檢測成本。為了克服以上問題，對快速檢測方法的研究也顯得越來越重要。如EKO公司推出的HC-120 VIP快速檢測儀，使檢測時間縮短至6 min 以內，真正實現(xiàn)了VIP板的快速檢測。與傳統(tǒng)的檢測方法相比，快速檢測方法大大提高了速度，但檢測成本較高。

　　鑒于目前國內對VIP導熱系數(shù)快速檢測方法的研究還不夠成熟，本文致力于研究出一種基于埋入式熱流計法快速高精度測量VIP導熱系數(shù)的方法，其測量范圍為1 ～15 mW/( m·K) ，測量誤差小于1%，測量時間為60 s。根據(jù)美國ASTM C1484-01 標準的規(guī)定，VIP的導熱系數(shù)大于11.5 mW/(m·K)被認為失效。

　　3、應用實例與誤差分析

　　本文另外選擇10 塊VIP板進行測量試驗，從而比較上述兩種非線性補償模型的測量精度。該10塊VIP板在出廠前同樣已經(jīng)過日本EKO 公司的HC-074-300 導熱系數(shù)測定儀測定其實際導熱系數(shù)，其測量結果如表2 所示。

表2 LSM 補償模型與GNN補償模型測量結果對比表

　　從表2 中不難發(fā)現(xiàn)，VIP導熱系數(shù)的測量值與實際值之間存在一定的誤差，但基于GNN非線性補償模型的測量精度可達±1%，明顯優(yōu)于基于LSM非線性補償模型的測量精度。其測量精度非常適合替代昂貴的進口導熱系數(shù)測量設備，滿足高精度測量導熱系數(shù)的要求。

　　導致VIP導熱系數(shù)測量值存在誤差的原因：在測量模型的標定中，雖然基于GNN非線性補償模型明顯優(yōu)于基于LSM 非線性補償模型，但仍然存在一定的非線性誤差；在外部測量模塊中，本文采用STC12C5A60S2 單片機為主控芯片，測量VIP內部測量組件的頻率變化特征值，使整套系統(tǒng)的成本大大降低，但頻率測量精度偏低；另外，VIP內部測量組件中電子元器件的參數(shù)誤差同樣會導致系統(tǒng)存在一定的誤差，尤其是熱敏電阻的精度極大地影響了本實驗的測量精度。

　　4、結論

　　本文通過理論分析、仿真分析和實驗，證明了基于埋入式熱流計法快速高精度測量VIP導熱系數(shù)方法的可行性。在測量模型的標定中，針對VIP導熱系數(shù)與頻率變化特征值之間的非線性問題，提出了應用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)非線性補償?shù)姆椒�。與基于最小二乘法的非線性補償方法相比，該方法具有誤差小、精度高和全局尋優(yōu)能力等優(yōu)點。最后通過實際應用舉例，證明了本文所提方案的可行性和實用性。