高炳濤 楊曉偉 劉云平 梅紅偉 鐘 山 王慧龍

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100076)

1 引言

近年來隨著航天技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)太空的探索更加深入，對(duì)力傳感器的使用與計(jì)量提出了更高的要求，需要承受超高溫、低溫、燒灼、腐蝕、真空、水下等復(fù)雜并極其惡劣的環(huán)境，其中高低溫環(huán)境是最常見的情況[1]。為了探究力傳感器在高低溫條件下的溫度特性，需要利用一套高低溫發(fā)生裝置為力傳感器模擬所需的高低溫試驗(yàn)環(huán)境。高低溫發(fā)生裝置最常見的便是高低溫試驗(yàn)箱[2]，但由于力傳感器在高低溫條件下校準(zhǔn)存在結(jié)構(gòu)連接形式的特殊性，對(duì)高低溫發(fā)生裝置提出了以下幾個(gè)方面的要求：a)高低溫發(fā)生裝置可在同一個(gè)箱體內(nèi)產(chǎn)生(-80℃～400℃)的高低溫環(huán)境；b)為適應(yīng)不同大小、不同型式力傳感器的安裝要求，高低溫發(fā)生裝置箱體應(yīng)便于移動(dòng)與調(diào)整；c)力傳感器在高低溫發(fā)生裝置箱體內(nèi)應(yīng)便于安裝與拆卸；d)箱體內(nèi)部力傳感器需通過上下金屬拉/壓桿與外部力傳感器校準(zhǔn)裝置連接，所以需要高低溫發(fā)生裝置箱體上下面設(shè)有連接孔。鑒于以上連接結(jié)構(gòu)形式的特殊性，現(xiàn)有高低溫試驗(yàn)箱無法滿足要求，因此，需要研制一種分體式對(duì)開式高低溫發(fā)生裝置，作為專用設(shè)備用于力傳感器在高低溫環(huán)境下的校準(zhǔn)。

2 高低溫發(fā)生裝置

2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)力傳感器在高低溫條件下校準(zhǔn)需求的特殊性設(shè)計(jì)了一種分體式對(duì)開式高低溫發(fā)生裝置，其總體組成如圖1所示，高低溫發(fā)生裝置包括高低溫發(fā)生系統(tǒng)、箱體和高低溫風(fēng)循環(huán)管道三部分，高低溫發(fā)生裝置設(shè)計(jì)為分體式對(duì)開式結(jié)構(gòu)，高低溫發(fā)生系統(tǒng)與箱體分開，通過高低溫風(fēng)循環(huán)管道將高低溫發(fā)生系統(tǒng)與箱體連接，方便了箱體移動(dòng)與調(diào)整；箱體以中心對(duì)稱面分割為前后兩部分對(duì)開式結(jié)構(gòu)，方便被校力傳感器在其內(nèi)部安裝與拆卸。

2.2 高低溫發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

箱體結(jié)構(gòu)如圖2所示，箱體為對(duì)開式結(jié)構(gòu)，方便力傳感器的安裝與拆卸，箱體以前后中心面將其分割為前后兩部分，且在箱體上下面各設(shè)有一個(gè)上下連接孔，實(shí)現(xiàn)了箱體內(nèi)部力傳感器與外部力傳感器校準(zhǔn)裝置連接；箱體外形設(shè)計(jì)為方形結(jié)構(gòu)，內(nèi)膽設(shè)計(jì)為圓形結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層之間用填充石棉進(jìn)行隔熱，箱體內(nèi)膽采用304不銹鋼材料，高低溫環(huán)境可在同一個(gè)箱體內(nèi)產(chǎn)生。

高低溫發(fā)生系統(tǒng)用于產(chǎn)生高低溫媒介，其中高溫采用電加熱絲產(chǎn)生，通過控制流過電阻絲的電流

大小獲得不同高溫試驗(yàn)環(huán)境；低溫采用三級(jí)復(fù)迭式制冷機(jī)組產(chǎn)生，常壓氣態(tài)冷媒依次通過壓縮機(jī)組、冷凝器后送進(jìn)蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)部完成高壓汽化的吸熱過程，達(dá)到降溫的目的。通過控制冷媒在壓縮機(jī)組、蒸發(fā)器、冷凝器的流速和流量獲得不同的低溫試驗(yàn)環(huán)境。制冷機(jī)組如圖3所示。

圖3 制冷機(jī)組Fig.3 Refrigeration unit

高低溫發(fā)生裝置總體組成為分體式結(jié)構(gòu)，高低溫發(fā)生系統(tǒng)與箱體獨(dú)立，并利用高低溫風(fēng)循環(huán)管道將高低溫發(fā)生系統(tǒng)與箱體連接。高低溫發(fā)生系統(tǒng)設(shè)有風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，將高低溫風(fēng)通過高低溫風(fēng)循環(huán)管道送入箱體內(nèi)部；高低溫風(fēng)循環(huán)管道為回路式結(jié)構(gòu)，其中一條管道用于將高低溫風(fēng)由高低溫發(fā)生系統(tǒng)送入箱體內(nèi)部，另一條管道用于將由箱體內(nèi)高低溫風(fēng)送回高低溫發(fā)生系統(tǒng)；高低溫風(fēng)循環(huán)管道為雙層式結(jié)構(gòu)，中間抽真空，可在-100℃ ～450℃的溫度范圍內(nèi)使用并且具有良好的保溫性能，如圖4所示。

2.3 高低溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高低溫發(fā)生裝置控制系統(tǒng)核心部件是溫度傳感器和控溫儀表，控溫儀表與PC機(jī)聯(lián)網(wǎng)集中管理，實(shí)現(xiàn)溫度的設(shè)計(jì)、控制和PID調(diào)節(jié)[3]。圖5所示為高溫控制系統(tǒng)原理圖，采用兩段式電阻絲加熱方式控溫，溫度控制系統(tǒng)根據(jù)測(cè)溫傳感器反饋的箱體內(nèi)部溫度與高溫設(shè)定溫度對(duì)變壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此來改變流通電阻絲的電流大小，完成對(duì)箱體內(nèi)部溫度的調(diào)節(jié)。

圖4 高低溫風(fēng)循環(huán)管道Fig.4 High and low temperature wind circulating pipe

圖5 高溫控制系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of high temperature control system

圖6所示為低溫控制系統(tǒng)原理圖，低溫采用三級(jí)復(fù)迭式制冷機(jī)組產(chǎn)生，通過控制冷媒在制冷機(jī)組、冷凝器、蒸發(fā)器的流速和流量獲得不同的低溫試驗(yàn)環(huán)境溫度。

圖6 低溫控制系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of low temperature control system

高低溫控制流程圖如圖7所示，首先進(jìn)行溫度選擇，當(dāng)試驗(yàn)箱需要高溫時(shí)，設(shè)定溫度必須高于室溫，由機(jī)組中的電加熱絲加熱升溫，箱內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，便自動(dòng)切斷加熱電源，停止加熱，箱內(nèi)溫度隨著試驗(yàn)箱的漏熱而慢慢降低，低于設(shè)定溫度時(shí)，又接通電源加熱而升溫。當(dāng)試驗(yàn)箱需要低溫時(shí)，設(shè)定溫度低于室溫，利用三級(jí)復(fù)疊式制冷機(jī)組通過對(duì)冷媒循環(huán)壓縮吸熱降溫。

圖7 高低溫控制流程圖Fig.7 Flow chart of high and low temperature control

4 技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

選用了溫度測(cè)量?jī)x，按照《JJF1101-2003環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度校準(zhǔn)規(guī)范》對(duì)高低溫發(fā)生裝置在使用溫度范圍內(nèi)選取-80℃，100℃和400℃三個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)溫度偏差和溫度均勻度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)照如表1所示。

表1 技術(shù)指標(biāo)對(duì)照表Tab.1 Technical indicator comparison table ℃

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，高低溫發(fā)生裝置在-80℃～400℃溫度范圍內(nèi)溫度偏差為±2℃，溫度均勻度2℃，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)力傳感器在高低溫條件下校準(zhǔn)的特殊性研制了一套分體對(duì)開式高低溫發(fā)生裝置，其溫度范圍為-80℃ ～400℃，溫度偏差為±2℃，溫度均勻度為2℃，該裝置可作為專用設(shè)備用于力傳感器在高低溫環(huán)境下的校準(zhǔn)。