真空熱試驗(yàn)熱電偶測(cè)溫參考點(diǎn)分析改進(jìn)

孫興華，蘇新明，陶 濤

（1. 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所：北京 100094）

0 引言

真空熱試驗(yàn)是航天器研制過程中為了驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)、考核系統(tǒng)性能和暴露工藝缺陷等進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目，試驗(yàn)過程中需要監(jiān)測(cè)大量的溫度數(shù)據(jù)。因此，溫度測(cè)量系統(tǒng)是航天器真空熱試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵，同時(shí)也是空間環(huán)境模擬器熱試驗(yàn)?zāi)芰ψ钪庇^的體現(xiàn)。目前，盡管國內(nèi)外都在積極研制和嘗試新型測(cè)溫系統(tǒng)，例如無線測(cè)溫系統(tǒng)、紅外攝像測(cè)溫系統(tǒng)，甚至有些空間機(jī)構(gòu)已經(jīng)計(jì)劃將新型溫度測(cè)量系統(tǒng)納入空間環(huán)境模擬器的標(biāo)準(zhǔn)配套設(shè)備[1]，但熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)憑借其靈敏度高、穩(wěn)定可靠、互換性好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，將在相當(dāng)長一段時(shí)期仍然是真空熱試驗(yàn)中最具優(yōu)勢(shì)的溫度測(cè)量系統(tǒng)。

溫度參考點(diǎn)作為熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的重要組成部分，直接關(guān)系到整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的精度和可靠性。多年的使用經(jīng)驗(yàn)表明，目前真空熱試驗(yàn)熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)普遍采用的內(nèi)置溫度參考點(diǎn)，在操作便易性、可靠性以及溫度場(chǎng)的穩(wěn)定性等方面仍然存在不足和改進(jìn)空間，這也是本文的研究目的。

1 真空熱試驗(yàn)熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)

熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)一般由熱電偶、測(cè)溫電纜、溫度參考點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)組成。國內(nèi)空間環(huán)境模擬器普遍采用的熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)及接線方式如圖1所示。其中，傳感器采用T型銅-康銅熱電偶，測(cè)溫電纜選用聚四氟乙烯作絕緣層的 AF-200型50芯電纜，電連接器統(tǒng)一使用Y2型50針航空插頭，溫度參考點(diǎn)則采用內(nèi)置公用參考點(diǎn)接線方式，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)采集周期一般為1 min。

圖1 熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of thermocouple temperature measurement system

如圖2所示，根據(jù)熱電偶測(cè)溫原理及中間溫度定律[2]：

式中，EAB(T,T0)、EAB(T,Tn)和 EAB(Tn,T0)分別為熱電偶AB在接點(diǎn)溫度分別為(T, T0)、(T, Tn)、(Tn, T0)時(shí)的電動(dòng)勢(shì)。

圖2 熱電偶測(cè)溫原理示意圖Fig. 2 Principle diagram of thermocouple temperature measurement

真空熱試驗(yàn)中使用的銅-康銅熱電偶都是經(jīng)過標(biāo)定的，供方以分度表的形式提供同批次熱電偶在參考端溫度為0 ℃時(shí)，測(cè)量端在不同溫度（通常是在-200～200 ℃范圍內(nèi)，每隔 0.1 ℃標(biāo)定一次）時(shí)回路中的電動(dòng)勢(shì)EAB(T,0)。根據(jù)公式(1)，有

其中EAB(T,T0)可由測(cè)量儀器測(cè)出。如果知道參考端的溫度 T0，則可以由分度表查詢得到 EAB(T0,0)；這樣就可以計(jì)算出EAB(T, 0)；此時(shí)，測(cè)量端的溫度T就可以根據(jù)分度表計(jì)算得出?？梢钥闯觯侄缺淼氖褂靡约皡⒖级藴囟鹊臏y(cè)量對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)的準(zhǔn)確度十分重要。

分度表中溫度T和電動(dòng)勢(shì)EAB(T,0)的對(duì)應(yīng)關(guān)系是離散的。如果想知道在任意溫度下對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，或者在已知電動(dòng)勢(shì)情況下求溫度值，就需要對(duì)分度表進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。目前，普遍采用的方法是進(jìn)行分段擬合，即在-200～-100 ℃、-100～0 ℃、0～200 ℃之間根據(jù)分度表數(shù)據(jù)用公式

進(jìn)行雙向擬合，求出擬合系數(shù)，從而得出溫度T和電動(dòng)勢(shì)EAB(T,0)之間連續(xù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系[3]。式(3)中：進(jìn)行正向擬合時(shí)，x表示溫度 T，y表示電動(dòng)勢(shì)EAB(T,0)；進(jìn)行反向擬合時(shí)，x表示電動(dòng)勢(shì)EAB(T,0)，y表示溫度T；a、b、c、d分別為多次項(xiàng)系數(shù)。

目前，確定熱電偶參考端溫度的方式，是將所有熱電偶參考端都集中置入溫度參考點(diǎn)裝置中，并用高精度四線制鉑電阻測(cè)量參考點(diǎn)裝置的溫度，認(rèn)為該溫度即熱電偶參考端的溫度?？梢钥闯?，溫度參考點(diǎn)集中了所有熱電偶的參考端，對(duì)于整個(gè)熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)量精度和可靠性有著至關(guān)重要的意義。

2 溫度參考點(diǎn)技術(shù)要求分析

溫度參考點(diǎn)的功能主要是為熱電偶的公共參考端提供一個(gè)穩(wěn)定、可靠、均勻并且可測(cè)的溫度場(chǎng)。按照真空熱試驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)采集及處理相關(guān)要求，要確保該溫度場(chǎng)的不均勻度不超過0.1 ℃，并且在1個(gè)采集周期內(nèi)溫度變化量不超過 0.05 ℃[4]。下面結(jié)合當(dāng)前溫度參考點(diǎn)現(xiàn)狀，分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)以及電裝工藝3方面介紹和分析一下相關(guān)技術(shù)要求。

2.1 溫度參考點(diǎn)現(xiàn)狀分析

目前，國內(nèi)系統(tǒng)級(jí)真空熱試驗(yàn)普遍采用內(nèi)置式溫度參考點(diǎn)，即將溫度參考點(diǎn)放置在環(huán)境模擬器內(nèi)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中底座采用絕熱性能良好的聚四氟乙烯材料，外殼是不銹鋼薄板材料，主體結(jié)構(gòu)為熱容較大的紫銅，容腔內(nèi)用于集中放置熱電偶參考端，使用時(shí)需注入導(dǎo)熱硅脂。

圖3 溫度參考點(diǎn)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀Fig. 3 Structure of the current temperature reference equipment

根據(jù)長期使用的效果和經(jīng)驗(yàn)，這種結(jié)構(gòu)和形式基本上能夠滿足使用要求，但在使用便易性、可靠性以及溫度場(chǎng)的穩(wěn)定性上仍然存在著不足和改進(jìn)空間。從電裝工藝角度看，由于參考點(diǎn)內(nèi)熱電偶和鉑電阻布線方式的限制，致使每一次更換熱電偶或者鉑電阻都需要進(jìn)行整體變動(dòng)，不僅工作量大，而且頻繁的操作不利于保證測(cè)溫系統(tǒng)的可靠性；從改進(jìn)溫度場(chǎng)的角度看，盡管目前已在參考點(diǎn)的制作工藝上采取了很多措施來減少“漏熱”，但對(duì)于參考點(diǎn)溫度特性缺少足夠的研究，以及有力的數(shù)據(jù)和計(jì)算作為支撐；此外，溫度參考點(diǎn)在組裝、搬運(yùn)等方面也存在著不便之處。

因此，無論從縮減工作量、簡化參考點(diǎn)制作工藝、提高可靠性的角度，還是在積累參考點(diǎn)溫度特性研究數(shù)據(jù)、提高參考點(diǎn)的性能指標(biāo)方面，對(duì)溫度參考點(diǎn)進(jìn)行分析和改進(jìn)都有著積極的意義。

2.2 溫度參考點(diǎn)改進(jìn)技術(shù)要求

根據(jù)以上的現(xiàn)狀分析，對(duì)于溫度參考點(diǎn)的優(yōu)化和改進(jìn)應(yīng)主要從改進(jìn)結(jié)構(gòu)入手，并加強(qiáng)熱分析和計(jì)算以及試驗(yàn)驗(yàn)證，簡化參考點(diǎn)制作工藝。

1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)滿足空間環(huán)境模擬器熱電偶測(cè)量電纜最大數(shù)量公用線的使用要求，并且要充分考慮溫度參考點(diǎn)安裝位置空間要求及方便組裝和便攜的需求，同時(shí)要兼顧電裝工藝（包括熱電偶放置、包覆、布線、安裝等）的實(shí)施。

2）熱設(shè)計(jì)

從熱設(shè)計(jì)的角度，應(yīng)結(jié)合溫度參考點(diǎn)所處的環(huán)境，從測(cè)溫精度允許的誤差范圍出發(fā)，計(jì)算并通過試驗(yàn)驗(yàn)證確保參考點(diǎn)所提供的溫度場(chǎng)在穩(wěn)定性和均勻性上都能滿足設(shè)計(jì)要求，并盡量減小參考點(diǎn)的體積和質(zhì)量。

3）電裝工藝

從電裝工藝的角度，應(yīng)采取方便熱電偶和鉑電阻安裝、更換的制作工藝，并盡量降低更換的頻率，避免不必要的操作，從而在一定程度上提高系統(tǒng)的可靠性。

3 溫度參考點(diǎn)優(yōu)化改進(jìn)

根據(jù)溫度參考點(diǎn)優(yōu)化改進(jìn)技術(shù)要求分析，整個(gè)改進(jìn)工作將按照需求分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱計(jì)算與分析、試驗(yàn)驗(yàn)證的流程開展，如圖4所示。

圖4 溫度參考點(diǎn)優(yōu)化改進(jìn)流程Fig. 4 Flowchart for improvement of temperature reference equipment

3.1 需求分析

真空熱試驗(yàn)熱電偶一般可以分為星上熱電偶、星上熱流計(jì)以及工裝熱電偶3類，不同型號(hào)任務(wù)使用的星上熱電偶和熱流計(jì)的牌號(hào)往往不同，每次試驗(yàn)時(shí)需要進(jìn)行更換；而工裝熱電偶、鉑電阻在使用有效期內(nèi)一般不進(jìn)行更換。因此，結(jié)構(gòu)上應(yīng)實(shí)現(xiàn)不同更換頻率熱電偶和鉑電阻的獨(dú)立安裝和更換，并且方便組裝和搬運(yùn)。

從熱設(shè)計(jì)角度，不同環(huán)境模擬器溫度參考點(diǎn)安裝位置不同，所處熱環(huán)境也不同，因此應(yīng)保證其在最惡劣的熱環(huán)境下滿足要求。除了保證容腔溫度不均勻度不超過0.1 ℃，溫度變化率不超過0.05 ℃/min之外，還要考慮擬合誤差的影響。熱電偶和鉑電阻測(cè)溫都是根據(jù)分度表采用公式(3)進(jìn)行擬合運(yùn)算獲得，根據(jù)擬合誤差分布情況，在試驗(yàn)工況期間，容腔溫度應(yīng)在-50～+50 ℃之間。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，溫度參考點(diǎn)的主體結(jié)構(gòu)采用上下分離的方式，并且設(shè)計(jì)了專門的鉑電阻安裝槽，這樣更換熱電偶時(shí)就無須觸動(dòng)鉑電阻；端蓋上分別設(shè)計(jì)了針對(duì)3類熱電偶的壓緊裝置，可實(shí)現(xiàn)熱電偶的獨(dú)立更換；同時(shí)，在外殼上設(shè)計(jì)了卡槽和把手，有利于底座的組裝和滿足便攜式要求。整個(gè)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 溫度參考點(diǎn)優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)Fig. 5 Structure of the improved temperature reference equipment

目前，國內(nèi)空間環(huán)境模擬器的溫度參考點(diǎn)主要放置在熱沉與罐壁的夾層之間，根據(jù)放置空間的要求，確定了溫度參考點(diǎn)圓柱體的最大直徑和高度分別為0.12 m和0.15 m；同時(shí)考慮到公用線數(shù)量的需求以及電裝實(shí)施的便利，結(jié)合以往各型號(hào)試驗(yàn)任務(wù)的使用情況以及空間環(huán)境模擬器的測(cè)試能力，確定溫度參考點(diǎn)容腔的直徑應(yīng)大于15 mm，高度應(yīng)小于60 mm。

3.3 熱計(jì)算和分析3.3.1 建立模型

根據(jù)溫度參考點(diǎn)的結(jié)構(gòu)組成和主要尺寸建立簡化幾何模型，如圖6所示。主要結(jié)構(gòu)組成材料及特性如表1所示。

圖6 溫度參考點(diǎn)幾何模型Fig. 6 Geometrical model of improved temperature reference equipment

表1 溫度參考點(diǎn)組成材料特性Table 1 Material characteristics of improved temperature reference equipment

在空間環(huán)境模擬器中，溫度參考點(diǎn)傳熱主要涉及其內(nèi)部導(dǎo)熱及與外部環(huán)境輻射換熱。因此，采用ANSYS軟件中的Mechanical模塊進(jìn)行分析，劃分網(wǎng)格包括結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格，如圖7所示。

圖7 網(wǎng)格劃分示意圖Fig. 7 The grid layout

3.3.2 確定邊界條件

為了滿足最惡劣的熱環(huán)境要求并結(jié)合試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，假定溫度參考點(diǎn)四周及頂部均有熱沉包圍，底部與空間環(huán)境模擬器罐壁接觸保持20 ℃恒溫。分別通過穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計(jì)算，獲取溫度參考點(diǎn)容腔溫度分布及變化特性，具體邊界條件如表2所示。

表2 邊界條件分布Table 2 Distribution of boundary conditions

3.3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)前面建立的計(jì)算模型和邊界條件，分別假定容腔直徑為15 mm、20 mm、25 mm，高度為40 mm、50 mm、60 mm。瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果表明，在這一尺寸區(qū)間范圍內(nèi)參考點(diǎn)容腔溫度特性相差不大，并且都可以滿足試驗(yàn)使用要求。

圖8和圖9分別給出了容腔直徑為20 mm、高度為50 mm時(shí)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果，可以看出溫度參考點(diǎn)容腔內(nèi)各點(diǎn)的溫度和溫度變化率都是單調(diào)下降的，溫度變化率最高為0.038 ℃/min，容腔溫度分布最終穩(wěn)定在-45.81～-45.88 ℃之間，滿足熱設(shè)計(jì)要求。

圖8 瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果Fig. 8 Simulation result in transient situation

圖9 穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果Fig. 9 Simulation result in steady situation

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，并進(jìn)一步獲取溫度特性數(shù)據(jù)，根據(jù)上述計(jì)算和分析結(jié)果，按照容腔直徑為20 mm、高度為50 mm的尺寸，加工出改進(jìn)后的參考點(diǎn)實(shí)物，專門設(shè)計(jì)進(jìn)行了一次驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)中，將溫度參考點(diǎn)用多層材料進(jìn)行包覆并放置在空間環(huán)境模擬器熱沉與罐壁夾層之間，其中底座與罐壁接觸，其他表面朝向熱沉；在溫度參考點(diǎn)容腔中填入導(dǎo)熱硅脂并隨機(jī)布置了10支鉑電阻，采用四線制測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量。

圖10給出了從試驗(yàn)開機(jī)到工況結(jié)束鉑電阻測(cè)溫的實(shí)時(shí)曲線。在將近14 d的試驗(yàn)過程中，10支鉑電阻的溫度變化率最高為0.032 ℃/min，溫度最終穩(wěn)定于-47.08 ℃，滿足溫度變化率要求。

圖10 鉑電阻溫度變化測(cè)試結(jié)果Fig. 10 Test results of temperature variations of the platinum resistance thermometers

圖11給出了同一時(shí)刻10支鉑電阻測(cè)量溫度的最大差值，可以看出，整個(gè)試驗(yàn)過程中該差值都小于0.07 ℃，滿足溫度參考點(diǎn)的均勻性要求。

圖11 鉑電阻溫度均勻性測(cè)試結(jié)果Fig. 11 Test results of temperature uniformity of the platinum resistance thermometers

綜合以上整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該溫度參考點(diǎn)的溫度特性滿足真空熱試驗(yàn)的使用要求。

4 結(jié)束語

本文從真空熱試驗(yàn)熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)溫度參考點(diǎn)的功能和應(yīng)用角度出發(fā)，分析了參考點(diǎn)各項(xiàng)技術(shù)要求，為參考點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、電裝工藝等方面提供了依據(jù)；此外針對(duì)原有溫度參考點(diǎn)在操作便易性和可靠性方面存在的不足，設(shè)計(jì)出一種新型的溫度參考點(diǎn)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有效地簡化了針對(duì)參考點(diǎn)的操作，從而降低了參考點(diǎn)的使用風(fēng)險(xiǎn)；進(jìn)一步的熱分析計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證表明這種新型結(jié)構(gòu)完全滿足參考點(diǎn)的使用要求。同時(shí)，在驗(yàn)證過程中也積累了溫度參考點(diǎn)溫度特性等數(shù)據(jù)，為下一步研究奠定了基礎(chǔ)。

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