热流计检定装置的多目标优化设计.docx

热流计检定装置的多目标优化设计邹岳华郑建华胡德敏(华东工业大学系统科学与系统工程学院)摘要以检定工业热流计的标准检定装置为研究对象,在分析检定装置原理和精度的基础上,采用多目标决策方法,对其进行了整体优化设计,获得了令人满意的设计结果。关键词热流计;多目标决策;优化设计;检定装置中图法分类号TH81利用计算机对产品或各种工业装置进行多目标优化设计,是近年来才发展起来的一种十分有效的设计方法。目前,国内开展这方面的应用还不很多。本文以一种检定工业热流计的标准检定装置为设计对象,对检定装置的整机精度、制作成本和装置的检定时间等多个目标进行整体优化设计,结果令人满意。检定装置的工作原理1热流计检定装置的主要结构如图1所示。图中,等温水套由高精度的恒温水浴控制,被检热流计5被夹在补偿加热片和等温水套之间。热流计检定装置的电调节系统如图2所示(见下页)。当给平板加热器一定电功率时,则调节系统就会控制加热片的电流,使补偿加热片发出的热流跟踪平板加热器所发出的热流。检零热流计用来保证补偿加热图1检定装置的主要结构片和平板加热器的热流大小相等。当两者不相等时,检零热流计就会有毫伏信号Δx的1平板加热器4等温水套2检零热流3补偿加热片5被检热流计输出。该偏差信号经放大器,再经PID调节,被送入触发器转换成脉冲信号。它的频率与输入信号大小成正比,用来控制可控硅执行器,调节补偿加热片电流的大小,直到检零热流计输出为零。这时,平板加热器与补偿加热片之间无热量交换。由于补偿加热片很薄(0.1mm),因此其侧向热损可忽略。另外,补偿加热片的尺寸与被检热流计的尺寸大小相等,这收稿日期:1997-06-19第一作者:男,45岁,高级工程师上海200093华东工业大学学报1997年第19卷84样就保证了加热片所发出的热量全部沿一维方向,垂直加热面通过被检热流计。这时热流计系数的计算公式为IV·1(1)K=0.86B1B2E式中———被检热流计的输出电压EI、V———分别为补偿加热片的电流和电压值B1、B2———补偿加热片的长度和宽度图2检定装置的电调节系统2误差分析与方案设计检定热流计所产生的误差主要由以下几部分组成。2.1被检热流计侧向热损误差由于被检热流计总有一定厚度,其侧向四周与环境空气的对流换热导致误差大小可根据传热理论计算。设被检热流计的尺寸为a×2b×2c,它的导热系数为λ;x=0处为被检热流计热面,温度为t1;x=a处为被检热流冷面,温度为t2;被检热流计四侧与周围空气的对流换热系数为α。用三维稳态传热模型描述,其数学方程为9T29T29T2++=09x29y29z2令θ=T-t2,则上述模型可转换为9θ29θ29θ2=09x2+9y2+9z2相应边界条件为θ1θ2x=0,=t1-t2;x=a,=0=-b,9θ+9θ+Hθ=0;Hθ=0yy=b,009y9y=-c,9θ+9θ+Hθ=0;Hθ=0zz=c,009z9zH0=α/λ用数学方法不难导出该传热模型的解:式中∞∞sh[l(a-x)]cosβ(y)·cosγ(z)0∑∑mnθ(z,y,z)=4θ1H2·Ash(la)cosβ(b)cosγ(c)mnm=1n=1l2=β2+γ2式中mn11·A=[b(β2+H2)+H][a(γ2+H2)+H]m00n00第3期邹岳华等:热流计检定装置的多目标优化设计85计算=0处的导出热量。xθ=-λ9因为qx=09xx=0∞∞tgβ()γ()mb·tgncbcl·ch(la)=∫-b∫-cqx=0dydzH0∑∑2所以同理xλθ1··A=16Qx=0βγm·nsh(la)m=1n=1=a处的导出热量为∞∞tgβ(b)tgγ(c)bcl=∫-b∫-cqx=adydzH0∑∑sh(la)mnλθ12···A=16Qx=aβγnmm=1n=1则被检热流计侧向热损误差为∞∞tgβ(b)tgγc)l∑∑sh(la)mnγn···AβmQx=aγ1m=1n=1=1-=1-(2)∞∞tgβ()mbtgγc)Q∑∑lch(la)x=0nγn···Aβmsh(la)m=1n=1可见热损误差大小与被检热流计尺寸有关。根据设计要求,作者构思的热流计尺寸设计方案,以及相应的成本(元)和动态过渡时间(h)见表1.表1热流计可能的设计方案热损误差γ1成本c1动态过渡时间s1设计方案a=2.0mmb=80mmc=40mma=1.0mmb=80mmc=40mma=2.0mmb=80mmc=50mma=1.0mmb=80mmc=50mma=2.0mmb=100mmc=50mma=1.0mmb=100mmc=50mm0.261%620.080.065%950.050.260%620.080.053%950.050.185%650.080.046%1000.052.2检零热流计的侧向热损误差与式