用于壓力傳感器校準(zhǔn)的高低溫試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)

黃其剛，李 晶，白 天，高炳濤，梅紅偉

（北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076）

1 引 言

壓力傳感器廣泛應(yīng)用于航天飛行器和運(yùn)載火箭的研制、生產(chǎn)、試驗(yàn)、飛行等多個(gè)環(huán)節(jié)。 其在航天各領(lǐng)域和各環(huán)節(jié)的應(yīng)用條件各不相同，應(yīng)用環(huán)境也越發(fā)復(fù)雜嚴(yán)苛，需要同時(shí)適應(yīng)地面以及空間的高低溫和振動(dòng)環(huán)境，其實(shí)際應(yīng)用環(huán)境呈現(xiàn)出寬溫區(qū)化，通常溫度范圍可達(dá)－120℃～500℃。 目前壓力傳感器的校準(zhǔn)忽略了實(shí)際應(yīng)用環(huán)境對(duì)傳感器輸出的影響，通常是在實(shí)驗(yàn)室常規(guī)環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。 這顯然影響壓力參數(shù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，無法反映實(shí)際環(huán)境中的測(cè)壓性能。

為了準(zhǔn)確獲得壓力傳感器在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下的輸出特性，滿足壓力傳感器在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境條件下進(jìn)行校準(zhǔn)的需求，設(shè)計(jì)了一種用于壓力傳感器校準(zhǔn)的寬溫區(qū)高低溫試驗(yàn)箱，可模擬－120℃～500℃的溫度環(huán)境。

2 高低溫試驗(yàn)箱

2．1 總體方案

高低溫試驗(yàn)箱的溫度范圍要求為－120℃～500℃，降溫速率不低于2℃／min，升溫速率不低于2.5℃／min，溫度偏差要求±2℃以內(nèi)，溫度均勻度要求2℃以內(nèi)，30 min 波動(dòng)度要求±0.5℃以內(nèi)。 由于壓力傳感器校準(zhǔn)時(shí)處于高低溫環(huán)境中，試驗(yàn)箱工作空間在滿足技術(shù)指標(biāo)要求的前提下，應(yīng)方便壓力傳感器的拆裝。 高低溫試驗(yàn)箱由溫度發(fā)生系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)道、工作空間等組成。 溫度發(fā)生系統(tǒng)由壓縮機(jī)、液氮罐、蒸發(fā)冷凝器、加熱管等組成。 循環(huán)風(fēng)道由風(fēng)門、溫度調(diào)和室、離心風(fēng)葉、風(fēng)管系統(tǒng)等組成。 溫度發(fā)生系統(tǒng)設(shè)置在高低溫試驗(yàn)箱左端，工作空間在右端，工作空間上下部分設(shè)計(jì)有通孔，便于外接設(shè)備的連接。 溫度發(fā)生系統(tǒng)和工作空間通過循環(huán)風(fēng)道連接，溫度發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生高低溫后，通過風(fēng)道進(jìn)入溫度調(diào)和室，氣體在調(diào)和室內(nèi)進(jìn)行充分的冷熱交換并混合均勻后，再通過風(fēng)管系統(tǒng)經(jīng)由孔板吹入工作空間內(nèi)，以達(dá)到試驗(yàn)箱工作空間內(nèi)溫度均勻性的要求，高低溫試驗(yàn)箱的總體構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 高低溫試驗(yàn)箱Fig．1 High and low temperature test chamber

2．2 高低溫實(shí)現(xiàn)方式

2．2．1 高溫實(shí)現(xiàn)方式

高低溫試驗(yàn)箱要求產(chǎn)生的高溫溫度范圍為室溫～500℃，通過鱗片散熱式加熱管加熱來實(shí)現(xiàn)。 采用高精度熱電偶和鉑電阻溫度傳感器準(zhǔn)確反饋控制，使工作空間內(nèi)達(dá)到設(shè)置的溫度，且可通過控制加熱管的輸出功率調(diào)整升溫速率。

綜合考慮高低溫試驗(yàn)箱工作空間容積、空氣的比熱容、試驗(yàn)箱工作空間周圍材質(zhì)的比熱容等因素，同時(shí)考慮到周圍環(huán)境的熱損耗及設(shè)備的熱效率等情況。 高低溫試驗(yàn)箱工作空間內(nèi)上升到設(shè)定溫度時(shí)所需要吸收的熱量按公式（1）計(jì)算。

式中：Q——工作空間內(nèi)升溫需吸收的熱量，J；C——各物質(zhì)的比熱容，J／（kg·K）；M——各物質(zhì)質(zhì)量，kg；ΔT——室溫到最高溫度的變化量，K。

2．2．2 低溫實(shí)現(xiàn)方式

高低溫試驗(yàn)箱要求產(chǎn)生的低溫溫度范圍為－120℃～室溫。 低溫的實(shí)現(xiàn)有兩種方式，一是采用壓縮機(jī)制冷，二是采用液氮配合加熱管進(jìn)行降溫。 單獨(dú)采用壓縮機(jī)制冷的方式降溫效率低，設(shè)備占用場(chǎng)地面積大，費(fèi)用成本高。 采用液氮配合加熱管降溫的方式降溫快，但是控制難度大，需通過加熱配合反饋達(dá)到溫度的穩(wěn)定控制。

高低溫試驗(yàn)箱在不同的溫度區(qū)間內(nèi)，分別采用壓縮機(jī)和液氮兩種方式進(jìn)行制冷降溫：－120℃～－70℃溫區(qū)通過液氮制冷的方式，達(dá)到快速降溫的目的。 室溫～－70℃溫區(qū)通過一套二元復(fù)式壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該制冷系統(tǒng)包括高溫段制冷循環(huán)、低溫段制冷循環(huán)和蒸發(fā)冷凝器。 制冷系統(tǒng)中采用雙級(jí)多路主旁路管路連接，由智能控制系統(tǒng)根據(jù)不同的工作狀況，通過管路中的閥門自適應(yīng)選擇啟用哪一路管路，自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷量。 蒸發(fā)冷凝器實(shí)現(xiàn)高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)管路系統(tǒng)中的熱量交換，以吸收系統(tǒng)內(nèi)熱量，使溫度降低。

綜合考慮高低溫試驗(yàn)箱工作空間體積大小，壓力傳感器連接工裝大小、材質(zhì)、發(fā)熱量和溫變速率等因素，在可實(shí)現(xiàn)制冷要求所需的制冷功率的基礎(chǔ)上，預(yù)留10%的制冷量來應(yīng)對(duì)實(shí)際測(cè)試中不可預(yù)測(cè)的指標(biāo)變化，以此確定室溫～－70℃區(qū)間采用的制冷系統(tǒng)功率。 高低溫試驗(yàn)箱工作空間內(nèi)要達(dá)到所設(shè)定的溫度時(shí)，需要釋放的熱量按公式（2）計(jì)算。

式中：Q——工作空間內(nèi)降溫需釋放的熱量，J；ΔT′——室溫到－70℃時(shí)溫度的變化量，K。

工作空間內(nèi)要達(dá)到要求的溫度所需熱量包括工作空間不銹鋼材料吸收或釋放的熱量、工裝吸收或釋放的熱量、空氣吸收或釋放的熱量等，升溫所用的加熱器和降溫所用的制冷系統(tǒng)的功率按公式（3）計(jì)算。

式中：P——加熱器或制冷系統(tǒng)功率，W；Q——工作空間內(nèi)吸收或釋放的熱量，J；t——工作空間內(nèi)升溫或降溫的時(shí)間，h。

根據(jù)公式（3）可計(jì)算出加熱器和制冷系統(tǒng)正常工作所需要的功率，據(jù)此選用符合要求的加熱器和壓縮機(jī)。

2．3 高溫和低溫系統(tǒng)兼容設(shè)計(jì)

高低溫試驗(yàn)箱的高溫可能會(huì)對(duì)低溫制冷系統(tǒng)的元器件造成損壞，試驗(yàn)箱的低溫可能會(huì)對(duì)加熱系統(tǒng)的元器件產(chǎn)生影響，造成系統(tǒng)元器件的損壞。 如何防止試驗(yàn)箱中高溫和低溫系統(tǒng)之間的相互影響，是高低溫試驗(yàn)箱在一個(gè)工作空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高低溫的關(guān)鍵。 此高低溫試驗(yàn)箱采用通道隔離的設(shè)計(jì)方式，解決了高溫和低溫系統(tǒng)不兼容的問題。

高低溫試驗(yàn)箱需要產(chǎn)生高溫環(huán)境時(shí)，通過隔離和抽離兩種方式對(duì)低溫制冷系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)；需要產(chǎn)生低溫環(huán)境時(shí)，將加熱系統(tǒng)隔離。 當(dāng)設(shè)置溫度高于室溫時(shí)，加熱系統(tǒng)開始工作，控制系統(tǒng)關(guān)閉低溫風(fēng)門出口，將蒸發(fā)器獨(dú)立隔離起來，使高溫氣體進(jìn)入工作空間，而不進(jìn)入制冷系統(tǒng)。 在工作空間內(nèi)溫度加熱到180℃時(shí)，抽離壓縮機(jī)油和冷媒，防止揮發(fā)變質(zhì)。 當(dāng)設(shè)置溫度低于室溫時(shí)，制冷系統(tǒng)開始工作，控制系統(tǒng)關(guān)閉高溫風(fēng)門出口，將加熱系統(tǒng)隔離起來。 系統(tǒng)在升溫工作和降溫工作時(shí)，循環(huán)風(fēng)道的工作方式如圖2 所示。

圖2 循環(huán)風(fēng)道工作方式Fig．2 Working mode of circulating air duct

2．4 控制系統(tǒng)

高低溫試驗(yàn)箱采用PID 自適應(yīng)算法及熱氣旁通技術(shù)進(jìn)行控制。 控制系統(tǒng)由高精度熱電偶和鉑電阻溫度傳感器、控制面板和電氣設(shè)備等構(gòu)成。 加熱時(shí)通過控制加熱絲的輸出功率來控制試驗(yàn)箱工作空間內(nèi)升溫的速率。 在接近預(yù)先設(shè)置的溫度點(diǎn)時(shí)，采用點(diǎn)控方式間斷輸出加熱量，盡量避免溫度滯后現(xiàn)象，提高溫度控制的準(zhǔn)確度。

低溫制冷系統(tǒng)包括高溫段和低溫段制冷循環(huán)、蒸發(fā)冷凝器和雙級(jí)多路主旁路管路。 蒸發(fā)冷凝器實(shí)現(xiàn)熱量交換。 溫度控制系統(tǒng)通過控制主旁路中串接的毛細(xì)管節(jié)流閥的關(guān)閉和開啟，以控制流量大小，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)的目的。

高低溫試驗(yàn)箱工作時(shí)，首先設(shè)置壓力傳感器校準(zhǔn)時(shí)所需的溫度，然后控制系統(tǒng)通過設(shè)置的溫度判斷加熱或制冷，同時(shí)控制加熱和制冷風(fēng)道的關(guān)閉和開啟。 當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)先設(shè)置的溫度后，控制系統(tǒng)控制加熱或制冷系統(tǒng)停止工作。 在溫度保持期間反饋的溫度超出設(shè)置溫度的偏差范圍時(shí)，加熱或制冷系統(tǒng)重新啟動(dòng)開始工作。 如此循環(huán)，使工作空間內(nèi)保持設(shè)置的溫度，如圖3 所示。

圖3 高低溫試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)控制流程圖Fig．3 Control flow chart of control system of high and low temperature test chamber

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)《JJF1101－2019 環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度參數(shù)校準(zhǔn)規(guī)范》中相應(yīng)的校準(zhǔn)要求，對(duì)高低溫試驗(yàn)箱的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。 選?。?20℃、80℃、500℃三個(gè)溫度點(diǎn)，在高低溫試驗(yàn)箱工作空間內(nèi)選取9 個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)試，分別在距離工作空間的上表面約30 mm處（上層）選4 個(gè)點(diǎn)，工作空間中心位置（中層）選1個(gè)點(diǎn)，距離工作空間的下表面約30 mm 處（下層）選4 個(gè)點(diǎn)。 測(cè)試時(shí)，各個(gè)點(diǎn)位每間隔2 min 記錄一次溫度數(shù)據(jù)，每個(gè)點(diǎn)位測(cè)試15 次，測(cè)試完成后，按照校準(zhǔn)規(guī)范中的要求，分別計(jì)算三個(gè)溫度點(diǎn)的溫度偏差、均勻度和30 min 波動(dòng)度。 高低溫試驗(yàn)箱工作空間內(nèi)測(cè)試點(diǎn)位置如圖4 所示。

圖4 高低溫試驗(yàn)箱測(cè)試點(diǎn)位置圖Fig．4 Location maps of test points in high and low temperature test chamber

按照上述溫度點(diǎn)和測(cè)試位置要求，對(duì)高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行了測(cè)試，高低溫試驗(yàn)箱技術(shù)指標(biāo)要求與測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)照如表1 所示。

表1 技術(shù)指標(biāo)要求與測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)照Tab．1 Comparison table between technical index requirements and test results data （℃）

由表1 可知，高低溫試驗(yàn)箱的溫度偏差、均勻度、30 min 波動(dòng)度測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，可以作為壓力傳感器在高低溫環(huán)境條件下校準(zhǔn)時(shí)的溫度環(huán)境模擬專用設(shè)備。

4 結(jié)束語

一體式高低溫試驗(yàn)箱通過自動(dòng)控制系統(tǒng)控制風(fēng)門的關(guān)閉和開啟，使加熱和制冷系統(tǒng)在工作時(shí)相互隔離，解決了加熱和低溫制冷系統(tǒng)不兼容的問題。 對(duì)高低溫試驗(yàn)箱的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的高低溫試驗(yàn)箱符合技術(shù)指標(biāo)要求，可以滿足壓力傳感器在－120℃～500℃溫度環(huán)境條件下的校準(zhǔn)要求。