一种模拟全天候气候条件的纺织材料保温性能测试仪器
2019-07-22 点击：
一种模拟全天候气候条件的纺织材料保温性能测试仪器，包括测量热体，测量热体外设有保温外壳，在测量热体和保温外壳之间设有一对温度传感器Ⅱ；温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ的信号输出端通过上位机和计算机连接。本仪器能够模拟全天候气象环境条件和人体散热环境，采用加热管辐射及导热油加热、多组对称型测温传感与控制、计算机数据处理等集成技术，可直接测试在某一模拟气象条件下纺织材料的热阻（T-Ω）；保持热体某一温度时（如恒温36℃）所需要补充的热量；设定环境温度T=21℃，相对湿度<50%RH，空气流速<10cm/s条件下人体的克罗值；根据纺织材料的导热系数判断材料的保温性能。
技术领域
本发明属于物理测量技术领域，具体涉 及一种用于测量各种服装用梭织物、针织物、家纺材料的模拟全天候气候条件的纺织材料保温性能测试仪器。
背景技术
随着科学技术的发展，新型纺织材料日新月异不断改变人们生活的方式；现代科学技术也对纺织材料舒适性和保暖性的测试要求越来越高、愈来愈精准。目前织物保暖性的测试广泛采用的是平板式保暖测试仪，但在实际测试过程中，由于平板式发热结构的一些缺陷，使得测试结果的客观性及重现性不足。
人体是近似圆柱体，如果从仿真角度考虑，测试仪器的热体应该采用圆柱体，而平板式保暖仪的热体结构为平板式，被测织物平铺在实验板上，这其实只是一个平面散热的过程。而织物在实际穿着过程中成立体状态，热体热量也是呈曲面状向外散发。再者，因为人体各个部位的温度并不是相同的，因而，平板式保暖仪无法测试织物在人体不同部位所具有的保暖效果，其测试结果也容易产生与实际穿着情况不符的现象。
从技术参数上，平板式保暖仪的加热板温度调节范围小（20?50°C)，不能模拟全天候气象条件下的材料保温性能；温控精度低（±0. 5°C);温度示值分辨率低（O. 1°C);外形尺寸大（530mmX530mmX730mm (LXWXH));操作繁杂。
除了平板式保暖仪以外，亦曾有椭圆筒及圆筒式织物保温性能测试仪，但由于这些仪器采用圆筒内注入热水，使用温度计、功率表等观测温度变化，仅能计算出简单的保暖参数，精确度及测量效率较低。
本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述技术问题，提供一种模拟全天候气候条件的纺织材料保温性能测试仪器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的模拟全天候气候条件的纺织材料保温性能测试仪器，包括测量热体，所述的测量热体包括双层同心金属圆筒，加热管安装于金属圆筒几何中心形成辐射热源，两圆筒间注入导热油，测量热体两端采用绝热材料密封，在双层同心金属圆筒内设有一对温度传感器I ;
测量热体外设有保温外壳，所述的保温外壳由4个直径相同的1/4扇形有机玻璃罩壳组成的测量热体同心圆，在4个扇形结合处设4个附有条缝形送风口的空心圆柱，空心圆柱下端设置一 Y型三通，支管I与微型制冷装置联结，支管II与制热装置联结；在测量热体和保温外壳之间设有一对温度传感器II ；
温度传感器I和温度传感器II的信号输出端通过上位机和计算机连接。
所述的制冷装置由微型制冷压缩机和风机管道系统组成；所述的制热装置由电加热管、加湿器、风机、送风管道组成所述的双层同心金属圆筒为双层同心紫铜圆筒。
本发明的测试仪器用于测定各种服装用梭织物、针织物、家纺材料如床上用品、旅游帐篷、毪、被、褥、纤维材料、纸张、革制品及各种保温材料的保温性能，本产品性能符合：GBl 1048-1989《纺织品保温性能试验方法》标准对测试仪器的要求。本仪器能够模拟全天候气象环境条件和人体散热环境，采用加热管辐射及导热油加热、多组对称型测温传感与控制、基于WindowsXP或Win7操作平台的计算机数据处理等集成技术,可直接测试在某一模拟气象条件下纺织材料的热阻（Τ-Ω );保持热体某一温度时(如恒温36°C)所需要补充的热量；设定环境温度T=21°C，相对湿度<50%RH ，空气流速〈lOcm/s条件下人体的克罗值；根据纺织材料的导热系数判断材料的保温性能。计算机实时显示纺织材料的时间一温度曲线，可分析纺织材料保温性能随时间的变化规律。仪器操作简便，测试速度快精确度高，节能环保、数字化显示及打印，是科研院所、高校、检验测试机构及纺织生产企业产品开发研究不可或缺的仪器。
测试材料从二维材料拓展到模拟多种气候外界条件下纺织材料(包括片状、絮状、绳状等）保温性能。采用双层圆筒和夹层的导热油来做热体，节约能源(加热到同样的温度每升高一度消耗能量为2. 08KJ消耗能源比加水的单筒节约73. 54%)，双层圆柱体近似模拟人体散热体系，仿真性强。利用了热辐射加热，快速安全。采用DS18B20测温头对称两点实时测温，能测试到微热量变化，更加精准。现代传感技术与计算机控制技术相结合，具有可视化效果，并能实现所测温度一时间曲线打印。
本发明仪器主要性能参数如下：测温范围：一 20°C?+ 80°C ;测量精度：-10?+85°C精度±0. 50C ;分辨率O. 06250C ;温度转换时间最多750ms ;输出纺织材料保温性能参数：隔热系数、保温率、导热系数、热阻、克罗值、时间-温度曲线。
具体实施方式：
本发明的模拟全天候气候条件的纺织材料保温性能测试仪器，包括测量热体，所述的测量热体包括双层同心金属圆筒，加热管6安装于金属圆筒几何中心形成辐射热源，两圆筒间注入导热油7，测量热体两端分别设有上端盖和下端盖，采用绝热材料密封，在双层同心金属圆筒内设有一对温度传感器I ;测量热体外设有保温外壳，所述的保温外壳由4个直径相同的1/4扇形有机玻璃罩壳组成的测量热体同心圆，在4个扇形结合处设4个附有条缝形送风口的空心圆柱，空心圆柱下端设置一 Y型三通，支管I与微型制冷装置联结，所述的制冷装置由微型制冷压缩机和风机管道系统组成。支管II与制热装置联结；所述的制热装置由电加热管、加湿器、风机、送风管道组成。
在测量热体和保温外壳之间设有一对温度传感器II ;温度传感器I和温度传感器II的信号输出端通过上位机和计算机连接。
下面是对本发明的详细说明：
I.热源、热体及测量体：本仪器热源采用220V交流电源，以I只1000W加热管作为仪器热源，该加热管具有加热效率高，辐射热能大，通过热辐射传递加热管的能量至热体的内筒，由内筒传导到导热油中，由导热油传到到外筒，形成一个温度稳定的与人体发热部分外形相似（同）的热体。
2.测量体：由热体及绝热端盖组成。用O. 5mm紫铜皮做成一个外直径13cm内直径IOcm高20cm(实验区高度为16cm试验区面积654cm2)的双层同心圆筒,加热管与圆筒等距安装，两圆筒间注入BD350导热油（注满条件下为86 7. O ml)，该导热油闪点190°C、凝点-18°C、运动黏度20?50cst、对所接触材料腐蚀性低。筒的两端及两个端面均采用石棉及聚氨酯绝热保温材料，避免端面热量损失。
3.热体温度检测传感器及环境温度检测传感控制部分、单片机显示
(I)温度检测传感器。在筒体内部导热油区域及外筒以外气候区域各有一组数字式温度传感器DS18B20，该数字式传感器测温通道为8个，每个通道最多测温点为16个，适应电压范围3. O?5. 5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；微处理器与DS18B20传感器的双向通讯采用单线接口方式；两组（4个）DS18B20传感器并联在三线上实现组网多点测温，无须任何外围元件。
(2)单片机和程序软件，用以瞬态控制电加热管电路的功率大小，使得筒侧为恒温，当热量从圆柱体表面通过纺织品向外扩散时，筒侧温度降低，电加热管功率加大，达到设定温度，温度恒定时，外接计算机根据温度差按照每rc温差消耗功率W.
计算公式
W - 0JSe7m/x 0.8%x = 2l0599Z7/dC
IGOO
式中：0. 867ml为热体导热油的体积；0. 88g/ml为BD350导热油的密度；2. 7KJ/kg. °C为导热油的比热容
计算维持到设定温度时输入的消耗功率。
(3)仪器主要参数为：
工作温度：0?50°C，工作湿度：0?90%RH;测温范围一55°C?+ 125°C，在-10?+85°C时精度为±0. 5°C ;
设定仪器可编程分辨率为12位，对应的可分辨温度值为O. 0625°C，能够实现高精度测温；12位分辨率时最多在750ms内能把温度值转换为数字。测量结果直接输出数字温度信号；以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力和负压特性；即使电源极性接反时，仪器不能正常工作，但芯片不会因发热而烧毁。
4.环境温度系统
(I)系统设置于测量体外侧，由4个直径均为33cm的1/4扇形有机玻璃罩壳组成的测量体同心圆，在4个扇形结合处设计4个附有条缝形送风口的空心圆柱，空心圆柱下端设置一 Y型三通，支管I与微型制冷装置联结，制冷装置由微型制冷压缩机和风机管道系统组成。支管2与制热装置联结。制热(湿）装置由电加热管、加湿器、风机、送风管道组成，由环境温度室的测温传感器监测和控制制热与制冷的温度。风速由送风装置控制。连接计算机可以直接显示环境温度值。该环境温度系统工作区域体积为O. 014451m3，该区域温度每±1°〇，吸收(放出）热量功率O. 00192KJ/°C。
(2)环境温度系统主要控制参数。测量环境区域温度-20°C?+80°C，相对湿度10%?90%RH，风速O?10m/s，可根据需要设定
5.单片机、基于Windows XP或WIN7平台的计算机系统及显示打印上位机程序：串口接收数据。用户选择正确的串口号后，单击监测串口的按钮对串口进行监测。单片机每过一段时间发送一个字节的16进制数，程序接收到数据后转化数据类型，然后作为参数传给绘制二维图的函数。根据数据画出二维图。根据参数，调用Plotline控件中绘图函数，画出对应坐标轴的点。当下一个数据来临时，将所有点连接起来，绘成曲线。
测试获取表征纺织材料保温性能的三个指标，即：热阻Rz、克罗值、温度-时间曲线。隔热系数、保温率、导热系数、热阻、克罗值。
( I)测试获得表征纺织材料保温性能的热阻值Rz步骤及计算公式::试样准备：片状材料可直接包覆于测试体表面，专门为絮状材料设计一个与测试体表面积相同的试样袋，（需预先测试式样袋的保温性能)，将絮状材料均匀装入袋中包覆于测试体表面即可，再包覆之前需要测出材料的表观厚度（D)。
I设定测量体的控制温度Ttl以及环境条件(温度Th、相对湿度、风速Vh)；
t在裸筒条件下，对测试热体筒中油温加热至设定温度Ttl,停止加热，经过h时间，测试体温度由Ttl降至T1,由计算机则根据」T计算出裸筒时测试热体筒中油温度由Ttl降至T1在h时间内所散失的热量功率Wtl,ff0=2. 0599 (KJ/°C)x (T0-T1) °C,
则在单位时间单位面积上散失的热量功率为Qtl
Q0 = 一^一(J^jb 2A) 二 3]_49e9x^^(?/jB 2fc)
^ 0.0654?io
$在包覆纺织材料条件下,对测试热体筒中油温加热至设定温度Ttl，停止加热，经过&时间，测试温度由Ttl降至T1,由计算机则根据」T计算出包覆纺织材料后测试热体筒中油温度由Ttl降至T1所散失的热量功率W1, W1= Wtl，则在单位时间单位面积上散失的热量功率为Q1
h:f计算指标的公式
包覆纺织材料前后单位时间单位面积上散失的热量功率差值为
Δ?? : Q1-Q0 : 31.4969x(T0 -?)xm3-O
材料的绝热系数为式I
则材料的保暖率为N = 7Γχ100% = 7一Γχ100%式2
包覆纺织材料后，则有」Q=-A (dT/dt)，
得到材料的导热系数为
材料的单位传热阻抗为f，式中D为材料厚度(米）
材料的热阻
将式I、式2、式3、式4编入计算机程序，在实际测试时仅需输入tp tp D三个参数，由计算机自动输出绝热系数、保暖率、导热系数、热阻值等4个重要参数。
(2)测试获取表征纺织材料保温性能的温度一时间曲线通过t时间内消耗的功率W和温度一时间曲线来衡量织物的保温性能。
加热并控制热体温度(油温）达到设定温度T1后停止加热，再不补充能量的条件下降温至T2，外接计算机直接描绘T1到T2温度--时间曲线。每个时间点具有与其相对应的瞬态温度值，可应用Matlab拟合出温度T = 拟合曲线，并通过数学分析其规律关系。
(3)在标准条件下测试材料的克罗值
克罗值：在室温21 °C，相对湿度不超过50%，空气流速不超过10cm/s的条件下，人体静坐不动，其基础代谢为58. 15w/s，体表平均温度为33°C，感觉舒适，这时对衣服所需热阻为I克罗。
2：设定模拟环境温度T=21V，相对湿度<50%RH，空气流速〈lOcm/s ；
%在裸筒条件下，对测试热体筒中油温加热至设定温度Ttl =330C，停止加热，经过tQ时间，测试体温度由Ttl降至T1，计算机则根据」T计算出裸筒时测试热体筒中油温度由Ttl降至!\在h时间内所散失的热量功率Wtl, ^=2. 0599 (K J/0Ox (T0-T1) °C，则在单位时间单位面积上散失的热量功率为Qtl= W0 (KJ)/0. 0654 (m2)/ t0 (h)。
T在包覆纺织材料条件下，对测试热体筒中油温加热至设定温度1=331：，停止加热，测试温度由Ttl降至T1所用时间，计算机则根据」T计算出包覆纺织材料后测试热体筒中油温度由Ttl降至T1在时间内所散失的热量功率W1, W1= W0,则在单位时间单位面积上散失的热量功率为Q1= W1 (KJ)/0. 0654 (m2)/ X2 (h)。
1计算指标的公式（IKJ=O. 278W，lkwh=3600KJ)如式I——式4所示。
实际克罗值为材料热阻值RZ/58. 15W. s'
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