趙化業(yè) 裴雅鵬 張俊祺 劉 浩

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

1 引 言

飛行器在大氣層內(nèi)高速飛行時(shí)外表面承受不同程度的氣動(dòng)加熱，為保障航天器長時(shí)間安全飛行，熱防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和熱防護(hù)材料的選擇是飛行器安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素[1,2]。熱防護(hù)材料高溫異型傳感器廣泛應(yīng)用于高速飛行器熱防護(hù)材料的研制、試驗(yàn)、生產(chǎn)過程中。按照系統(tǒng)測(cè)試要求，這些傳感器一般布置在熱防護(hù)材料的表面層和隔熱層，用以測(cè)量飛行器在飛行過程中某些位置點(diǎn)的溫度。通過這些位置點(diǎn)溫度及其他參數(shù)的測(cè)量，預(yù)測(cè)飛行器所處的飛行環(huán)境，對(duì)熱防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高飛行器在高溫環(huán)境下的飛行可靠性。

為了實(shí)現(xiàn)飛行器熱防護(hù)材料在這些特殊環(huán)境下的高溫測(cè)量，用于熱防護(hù)材料的高溫異型傳感器得到開發(fā)與應(yīng)用，如超高溫?zé)犭娕?，其工作方式主要為接觸式測(cè)量。由于該類溫度傳感器必須與相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)匹配，其外型結(jié)構(gòu)多為異型，測(cè)溫敏感部分長度一般很短，無法放置到現(xiàn)有校準(zhǔn)裝置的恒溫區(qū)，從而無法實(shí)現(xiàn)量值溯源。

本文針對(duì)熱防護(hù)材料高溫異型傳感器無法校準(zhǔn)的問題，提出了一種應(yīng)用專用高溫恒溫爐、基于比較法的校準(zhǔn)方法，研制了高溫異型傳感器校準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)了該類溫度傳感器的校準(zhǔn)，為熱防護(hù)材料的研究、試驗(yàn)提供了有力的技術(shù)保障。

2 熱防護(hù)材料高溫異型傳感器校準(zhǔn)原理

熱防護(hù)材料高溫異型傳感器校準(zhǔn)應(yīng)用比較法，其基本原理為：高溫恒溫爐為校準(zhǔn)裝置的主體部分，溫度控制系統(tǒng)通過控制電源系統(tǒng)的輸出功率，在石墨加熱管中心部位形成均勻、穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，石墨加熱管中心部位放置有恒溫塊。被校準(zhǔn)溫度傳感器通過石墨加熱管外部固定端子進(jìn)行固定，測(cè)溫部分置于恒溫塊中。標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)作為主標(biāo)準(zhǔn)器，通過測(cè)量窗口進(jìn)行測(cè)量，指示恒溫塊標(biāo)準(zhǔn)溫度。溫度穩(wěn)定后，通過測(cè)量系統(tǒng)采集被校準(zhǔn)溫度傳感器的輸出，與標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)的示值進(jìn)行比較，計(jì)算其示值誤差。

校準(zhǔn)過程中，水冷電極、高溫恒溫爐爐體、被校準(zhǔn)溫度傳感器固定端子處均有冷卻液流通。加熱前，高溫恒溫爐內(nèi)先抽成真空，后充入一定壓力的惰性氣體，防止石墨加熱管、石墨屏蔽層、保溫層、被校準(zhǔn)溫度傳感器等在高溫環(huán)境中被氧化。

3 校準(zhǔn)裝置的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

校準(zhǔn)裝置主要由高溫恒溫爐、標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)、溫度控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、惰性氣體充氣系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)原理圖

3.1 高溫恒溫爐

高溫恒溫爐為該校準(zhǔn)裝置的主體，為熱防護(hù)材料高溫異型傳感器的校準(zhǔn)提供均勻、穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。主要由高純石墨加熱管、石墨屏蔽層、石墨氈保溫層、水冷電極、傳感器固定端子、爐體等部分組成，結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 高溫恒溫爐結(jié)構(gòu)原理圖

該高溫恒溫爐的溫度上限設(shè)計(jì)為3200K，核心加熱元件為高純石墨加熱管，由于物體都存在熱脹冷縮的性質(zhì)，石墨加熱管的體積在高溫時(shí)會(huì)存在一定的膨脹[3,4]，為防止高溫環(huán)境下石墨脹裂，石墨加熱管兩端設(shè)計(jì)成外錐體，加熱電極接頭制成內(nèi)錐體。石墨加熱管在膨脹過程中使內(nèi)外錐面實(shí)現(xiàn)緊密配合，防止虛接觸，導(dǎo)致接觸電阻增大。

在高溫下，石墨加熱管的熱輻射是一個(gè)不可忽視的問題，為防止熱輻射，同時(shí)也有助于爐溫的穩(wěn)定性和溫場(chǎng)的均勻性，石墨加熱管外部裝有石墨屏蔽層和石墨氈保溫層。保溫層應(yīng)用多層耐高溫、低導(dǎo)熱系數(shù)的石墨纖維氈，有效減少石墨加熱管熱量的損失。石墨屏蔽層支撐架為高純氧化鋯粉末通過專用模具高溫?zé)贫桑趸喚哂辛己玫哪透邷?、絕緣性能，且在高溫下無有害物質(zhì)產(chǎn)生。

水冷電極內(nèi)部有冷卻液循環(huán)，通過冷卻系統(tǒng)降溫，使加熱電極工作時(shí)表面溫度不至于過高，保證其正常工作。水冷電極與爐體法蘭之間通過O型密封圈和絕緣螺栓實(shí)現(xiàn)密封和緊固。

被校準(zhǔn)溫度傳感器在高溫環(huán)境下校準(zhǔn)時(shí)，傳感器固定在固定端子上，測(cè)溫腔內(nèi)溫度很高，由于熱傳導(dǎo)，傳感器固定端溫度也很高，為防止傳感器后端導(dǎo)線及焊接部位在高溫下被損壞，傳感器固定端子內(nèi)部設(shè)計(jì)有冷卻液循環(huán)，通過冷卻系統(tǒng)降溫。

高溫恒溫爐爐體設(shè)計(jì)為雙層不銹鋼壁，在內(nèi)外壁之間設(shè)計(jì)有導(dǎo)流管道，冷卻液采用雙進(jìn)雙出，使?fàn)t體兩端的溫度對(duì)稱分布，工作時(shí)通過循環(huán)冷卻使其表面溫度在正常工作溫度范圍內(nèi)。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)

該校準(zhǔn)裝置應(yīng)用德國生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)，該高溫計(jì)具有線性度高、噪聲低、重復(fù)性高的特點(diǎn)。其工作原理為，測(cè)量被測(cè)對(duì)象在確定波長下的光譜輻射亮度，并依據(jù)普朗克輻射定律確定物體的亮度溫度。標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)采用線性光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，其入射輻射通量與輸出電量之間具有良好的線性關(guān)系。

主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、濾波片、電動(dòng)機(jī)控制器、電子電路系統(tǒng)和信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)組成。

主要技術(shù)指標(biāo)為：

量程：(500～3500)K；

測(cè)量不確定度：0.1%～0.2%。

標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)為高溫恒溫爐爐體、水冷電極、傳感器固定端子等部件進(jìn)行冷卻，保證各部件工作在其允許溫度范圍內(nèi)。冷卻系統(tǒng)由循環(huán)泵、儲(chǔ)液箱、溫度控制器、冷卻器組、管路、閥門等組成，系統(tǒng)組成見圖4。該系統(tǒng)的冷卻液為防凍冷卻液，和水相比，具有溫度范圍寬、沸點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn)，避免了由水結(jié)垢引起堵塞而導(dǎo)致的安全事故。另外，替代直排水方式，避免了水資源的浪費(fèi)。冷卻液溫度超溫或意外發(fā)生堵塞時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)及時(shí)報(bào)警，并切斷加熱電源，防止過熱引起設(shè)備故障。

圖4 冷卻系統(tǒng)原理圖

3.4 真空系統(tǒng)與惰性氣體充氣系統(tǒng)

真空系統(tǒng)由擴(kuò)散泵和機(jī)械泵等構(gòu)成，采用擴(kuò)散泵作為主抽泵，直聯(lián)式機(jī)械泵作為前級(jí)泵。真空系統(tǒng)采用真空氣動(dòng)擋板閥作為高真空閥門，氣動(dòng)角閥作為前級(jí)抽空閥門。真空管道采用不銹鋼金屬波紋管，可實(shí)現(xiàn)密封可靠的要求。

惰性氣體充氣系統(tǒng)主要由氣體壓力容器、氣體壓力檢測(cè)系統(tǒng)、氣體壓力控制系統(tǒng)、氣體管道、閥門等組成，主要作用為提供一定壓力的氬氣，使石墨加熱管、石墨屏蔽層、被校準(zhǔn)溫度傳感器處于氬氣的保護(hù)環(huán)境中，防止高溫氧化。

該系統(tǒng)工作原理圖如圖5所示。溫度傳感器校準(zhǔn)過程中，真空系統(tǒng)使高溫恒溫爐測(cè)試腔體的真空度可達(dá)到10-2Pa。

圖5 真空系統(tǒng)與惰性氣體充氣系統(tǒng)工作原理圖

3.5 電源系統(tǒng)

由于高純石墨材料電阻率較低，本校準(zhǔn)裝置采用低電壓、大電流的供電方式。石墨的電阻率隨溫度變化是溫度的函數(shù)，為了避免在石墨的電阻率較低時(shí)，引起過流，將電源的輸出設(shè)計(jì)為恒流控制方式。

結(jié)合高溫恒溫爐的加熱特點(diǎn)，該電源系統(tǒng)應(yīng)用大功率開關(guān)電源，采用IGBT功率模塊、合金磁芯等作為功率變換及傳遞的關(guān)鍵器件，利用逆變技術(shù)產(chǎn)生所需要的直流電流。在可靠性設(shè)計(jì)方面，為防止電壓或電流過載超限，設(shè)計(jì)了超溫反饋電路，超限時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)切斷電源供給并鎖定故障狀態(tài)，并發(fā)出警告提示。工作原理為：三相交流電經(jīng)過一次整流濾波后，供給逆變電路，逆變電路將一次整流濾波后的直流電逆變成高頻交流電，然后高頻交流電經(jīng)高頻變壓器隔離及變壓傳輸?shù)礁边?，再?jīng)過二次整流濾波后，得到所需的高性能直流電。工作原理框圖如圖6所示。

圖6 電源系統(tǒng)工作原理框圖

從輸出功率、功率損耗、電源穩(wěn)定性等方面考慮，變壓器原邊采用全橋電路結(jié)構(gòu)，副邊二次整流采用全波整流電路結(jié)構(gòu)。變壓器為應(yīng)用新型納米非晶材料研制而成的高頻環(huán)形變壓器。控制端輸入設(shè)計(jì)為(4～20)mA直流電流，與控溫用輻射溫度計(jì)的輸出相匹配。

為滿足大功率、低電壓大電流輸出的要求，該電源系統(tǒng)采用多組功率模塊并聯(lián)輸出的模式，各器件承受的電流應(yīng)力大大降低，設(shè)備的安全性也得到提高。

3.6 溫度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)通過功率控制來實(shí)現(xiàn)石墨加熱管的溫度控制，采用高精度測(cè)量、閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中的反饋測(cè)量，直接影響溫度控制的穩(wěn)定性，由于目前常用的硅光電池反饋元件存在著很明顯的溫度系數(shù)，使得溫度發(fā)生漂移，所以本裝置采用高準(zhǔn)確度輻射溫度計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的溫度控制。

高溫恒溫爐電源系統(tǒng)輸出為直流電流，結(jié)合溫度控制系統(tǒng)的要求，本裝置應(yīng)用模糊PID綜合控制技術(shù)，以確保溫度控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，該控制技術(shù)的基本原理為：當(dāng)被控變量的偏差值大于設(shè)定閾值時(shí)，應(yīng)用定值控制方式，以提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度；當(dāng)偏差值減小到設(shè)定閾值附近時(shí)，則切換到模糊控制方式，從而可以提高控制系統(tǒng)的阻尼性能，進(jìn)而減少控制過程中的超調(diào)。該技術(shù)綜合應(yīng)用了定值控制方式和模糊控制方式的優(yōu)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度和靈敏度。當(dāng)偏差值達(dá)到模糊控制的穩(wěn)態(tài)平衡范圍時(shí)，控制系統(tǒng)則可切換到傳統(tǒng)PID控制方式，PID控制方式在平衡點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)具有理想的控制性能，并且其積分作用也可有效消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差[5]。

模糊控制是在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)模糊控制環(huán)節(jié)，在高溫恒溫爐控溫過程中利用模糊控制規(guī)則對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行在線修改的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。其過程為：先找出各參數(shù)與偏差及偏差變化率之間的模糊關(guān)系，在控制過程中不斷檢測(cè)偏差和偏差變化率，然后再根據(jù)模糊控制原理對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，以滿足高溫恒溫爐控制系統(tǒng)的要求，使控制對(duì)象具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。

4 校準(zhǔn)裝置測(cè)量不確定度分析[6]

4.1 測(cè)量模型

高溫異型傳感器的測(cè)量模型為：

(1)

4.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量計(jì)算

4.2.1標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1

該校準(zhǔn)裝置應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)為主標(biāo)準(zhǔn)器，其擴(kuò)展不確定度為U=0.18%(k=2)，則其標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

(2)

4.2.2標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量窗口引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2

(3)

4.2.3 高溫恒溫爐有效恒溫區(qū)的穩(wěn)定性引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3

(4)

4.2.4 高溫恒溫爐有效恒溫區(qū)均勻性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4

經(jīng)測(cè)量，高溫恒溫爐有效恒溫區(qū)均勻性在3200K時(shí)為0.3%，區(qū)間半寬度ω′為0.15%，服從均勻分布,由此引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量：

(5)

4.2.5 高溫恒溫爐發(fā)射率引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u5

(6)

4.2.6 被校準(zhǔn)傳感器測(cè)溫點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)量處溫度不一致引入的不確定度分量u6

被校準(zhǔn)溫度傳感器測(cè)溫點(diǎn)所處的位置與標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)量處有一定的間隙，間隙充有一定壓力的惰性氣體，由于熱平衡不理想，被校準(zhǔn)溫度傳感器測(cè)溫點(diǎn)所處位置的溫度與標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)量溫度存在一定的溫度差，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，在3200K溫度點(diǎn)處，由此引入的不確定度分量為u6=0.13%。

4.2.7數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u7

(7)

4.3 擴(kuò)展不確定度計(jì)算

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度[6]：

(8)

uc≈0.22%

校準(zhǔn)裝置擴(kuò)展不確定度(k=2)：

U=kuc

(9)

U=2×0.22%≈0.5%

5 結(jié)束語

針對(duì)熱防護(hù)材料高溫異型傳感器的校準(zhǔn)需求，詳細(xì)闡述了所研制的熱防護(hù)材料高溫異型傳感器校準(zhǔn)裝置的工作原理及技術(shù)實(shí)現(xiàn)，該裝置測(cè)量不確定度可達(dá)到0.5%，滿足了熱防護(hù)材料高溫異型傳感器的校準(zhǔn)需求，同時(shí)該研究成果對(duì)其它高溫校準(zhǔn)裝置具有一定的借鑒意義。