張俊祺 ,李晨源 ,劉寶舉 ,周銘銳 ,吳偉偉 ,趙化業(yè) ,劉 鑫

(1.北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所,北京 100076;2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院,北京 100076)

1 引言

熱流定義為單位時(shí)間內(nèi)每平方厘米或平方米的面積上熱量轉(zhuǎn)移程度的定量[1],單位通常為W/cm2或kW/m2。大部分的工程類應(yīng)用均涉及到熱量的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移,尤其是國(guó)防軍工領(lǐng)域[2-4]和能源生產(chǎn)應(yīng)用等領(lǐng)域[5],對(duì)熱流進(jìn)行定量測(cè)量,不僅可以為設(shè)備的正常操作提供可靠數(shù)據(jù),還可以為能源產(chǎn)品或相關(guān)設(shè)備的研制提供參考依據(jù)。

在飛行器高速飛行過程中,表面溫度急劇升高,防隔熱設(shè)計(jì)是飛行器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,表面熱流的準(zhǔn)確測(cè)量為飛行器的設(shè)計(jì)、仿真和試驗(yàn)提供了可靠依據(jù)[6],采用電弧風(fēng)洞對(duì)飛行器進(jìn)行地面模擬氣動(dòng)熱環(huán)境下的飛行試驗(yàn)時(shí),需要采用瞬態(tài)熱流傳感器對(duì)熱流密度進(jìn)行多次測(cè)量,以保證模擬參數(shù)的準(zhǔn)確性[7];火工藥劑和液體固體類炸藥等火工品在研制過程中,需要對(duì)其燃燒特性和爆炸威力進(jìn)行多次分析測(cè)量,熱流測(cè)量可提供數(shù)據(jù)依據(jù)[8];固體或液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室和噴管等部位在試車時(shí),需要采用量熱法、熱流計(jì)以及其他方式對(duì)熱流進(jìn)行測(cè)量,以保證燃燒室和噴管的熱載荷處于可控范圍,并為發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)[9]。

目前已建的熱流計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具因體積龐大難以移動(dòng),只能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)[10]。大多數(shù)熱流現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)由于難以拆卸和敏感面易污染、磨損等原因,存在出廠校準(zhǔn)后長(zhǎng)期處于無(wú)法周期校準(zhǔn)的情況,同時(shí)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)熱流測(cè)量系統(tǒng)全鏈路現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn),不僅降低了型號(hào)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠性,而且埋下了安全隱患。

2 測(cè)量原理

圓箔式傳感器中的GARDON 類型具有較小的熱慣性和較好的穩(wěn)定性,可以作為工作標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器,其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 熱流傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of heat flow sensor

熱流傳感器主要由康銅和銅材料制成的固體結(jié)構(gòu)件以及冷卻水組成。從康銅板中心引出的一根導(dǎo)線的另一端焊接到銅固體結(jié)構(gòu)件的下端,康銅板與銅板緊密焊接為一個(gè)整體,當(dāng)冷卻水經(jīng)過銅板時(shí),產(chǎn)生的溫差可使傳感器變成簡(jiǎn)易溫差熱電偶?？赏ㄟ^控制冷卻水的流速來(lái)使整體結(jié)構(gòu)件的溫度處于一定范圍內(nèi),流速越大,產(chǎn)生的溫度梯度越大。

通過熱傳導(dǎo)分析可知康銅板的尺寸是制約傳感器靈敏度的最關(guān)鍵因素,則

式中:R——熱流傳感器康銅板的半徑,cm;h——康銅板厚度,cm。

從公式(1)可知,通過測(cè)量熱流傳感器輸出電勢(shì)便可計(jì)算出相同條件下的輻射入射熱流密度。

在熱流測(cè)試現(xiàn)場(chǎng),采用小型化熱流源產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的熱流,分別照在標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器和被校熱流傳感器的測(cè)量敏感面上,數(shù)據(jù)采集器分別采集標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器和被校熱流傳感器輸出的電勢(shì)信號(hào),利用比較法可對(duì)熱流傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)輻射熱流傳感器的輻射熱流值qBi按公式(2)計(jì)算。

式中:EBi——標(biāo)準(zhǔn)輻射熱流傳感器輸出電動(dòng)勢(shì),mV;KB——標(biāo)準(zhǔn)輻射熱流傳感器靈敏度,(W/cm2)/mV。

被校輻射熱流傳感器的輻射熱流值qi按公式(3)計(jì)算。

式中:K——被校輻射熱流傳感器靈敏度,(W/cm2)/mV;Ei——被校輻射熱流傳感器輸出電動(dòng)勢(shì),mV。

被校輻射熱流傳感器的示值誤差Δqi按公式(4)計(jì)算。

3 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置

熱流現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置主要由小型化熱流源、標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器、冷卻和電源控制系統(tǒng)以及其他配套設(shè)備組成,如圖2 所示。

圖2 熱流現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置構(gòu)成示意圖Fig.2 Schematic diagram of heat flow field calibration device

校準(zhǔn)裝置中的小型化熱流源用來(lái)產(chǎn)生校準(zhǔn)所用穩(wěn)定均勻的熱流;標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器作為整套校準(zhǔn)裝置的主標(biāo)準(zhǔn)器,用來(lái)實(shí)現(xiàn)熱流量值的溯源;冷卻和電源控制系統(tǒng)由冷卻系統(tǒng)和配套的電源控制系統(tǒng)組成,可以為熱流源和傳感器提供制冷降溫效果;電源控制系統(tǒng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)過程中,小型化熱流源功率的控制調(diào)節(jié)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、輸出信號(hào)的采集,以及后續(xù)被校熱流傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集以及存儲(chǔ)和處理;瞄準(zhǔn)及功率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)輸出能量監(jiān)測(cè),是重要的系統(tǒng)控制環(huán)節(jié),并通過輸出指示光在光斑焦距處指示出具體的光斑位置,便于瞄準(zhǔn)熱流傳感器的敏感面。

為了保護(hù)熱流源內(nèi)部光學(xué)部件,需保證封裝殼體內(nèi)部的相對(duì)濕度低于40%,需在工作前連接氮?dú)饣驓鍤膺M(jìn)行吹掃。小型化熱流源的位置調(diào)節(jié)可采用調(diào)節(jié)三腳架實(shí)現(xiàn),以保證現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)不同位置熱流傳感器的原位校準(zhǔn),調(diào)節(jié)三腳架承重大于5 kg,可進(jìn)行任意位置和方向的調(diào)節(jié)與固定。

3.1 小型化熱流源

小型化熱流源采用一套大功率基于半導(dǎo)體材料的穩(wěn)定持續(xù)工作激光系統(tǒng),主要由高功率激光器、電源控制系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等組成。

基于半導(dǎo)體材料的高功率激光器,中心波長(zhǎng)為980 nm,激光器照射范圍為23 mm ×23 mm～35 mm ×35 mm,最大功率可達(dá)0.5 MW/m2。Bar條疊陣擴(kuò)展功率的方式可以提高激光器的輸出熱流。同時(shí)設(shè)計(jì)了并聯(lián)的冷卻液流動(dòng)方式,制冷效率很高。

3.1.1 熱流源光學(xué)

熱流源光學(xué)設(shè)計(jì)如圖3 所示,整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)由四部分核心器件組成,其順序依次為:

①準(zhǔn)直鏡:對(duì)由400 μm 直徑光纖輸出的激光進(jìn)行初步準(zhǔn)直,形成一組發(fā)散角小于8°的接近平行光束;

②微透鏡勻化陣列:對(duì)準(zhǔn)直后的光束進(jìn)行勻化處理,對(duì)所有能量進(jìn)行切割重拍,將光斑范圍內(nèi)的光束均勻度提升至90%以上;

③輸出準(zhǔn)直鏡:對(duì)勻化后的光斑進(jìn)行準(zhǔn)直處理,選擇合適焦距的準(zhǔn)直鏡,使其能夠在合適的工作距離下達(dá)到需要的光斑尺寸和勻化度;

④整形鏡:該鏡片為雙面微透鏡陣列,通過對(duì)光斑的整形,使其由圓形光斑轉(zhuǎn)化為正方形光斑。

3.1.2 熱流源結(jié)構(gòu)

熱流源的光譜范圍為(980±5)nm,在熱流源內(nèi)部采用防光反饋及內(nèi)腔發(fā)散設(shè)計(jì),確保器件壽命更長(zhǎng)。

激光發(fā)生裝置內(nèi)包含全套光學(xué)鏡片和溫度、功率傳感器,如圖4 所示,其中:

圖4 激光發(fā)生裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of internal structure of laser generator

①為功率傳感器。對(duì)主光路輸出激光能量進(jìn)行分光衰減后,通過光敏傳感器測(cè)量輸出功率的大小,并根據(jù)實(shí)際輸出設(shè)置,可以使用輸出功率測(cè)試值閉環(huán)控制激光器功率輸出。

②為溫度傳感器。測(cè)量被加工物體表面的實(shí)際加工溫度,并通過算法進(jìn)行溫度修正和顯示,并根據(jù)實(shí)際輸出設(shè)置,可以使用溫度測(cè)試值閉環(huán)控制激光器功率輸出。

③為激光主光路。激光能量通過光纖連接,將高功率激光引至激光發(fā)生裝置內(nèi),通過主光路傳輸并進(jìn)行光束整形。

激光發(fā)生裝置選用可靠牢固的光學(xué)組裝,并對(duì)熱流源內(nèi)部關(guān)鍵部件的實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)。采用雙層石英材料做成的窗口為裝置內(nèi)部激光提供全方位的保護(hù),指示燈采用紅色可見光,起到更醒目效果。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器

標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器由電校準(zhǔn)法空腔式輻射功率計(jì)和GARDON 式(圓箔式)標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器組成。標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器的量程是影響測(cè)量不確定度的重要因素,主要根據(jù)被校對(duì)象的量程進(jìn)行選擇,當(dāng)校準(zhǔn)量程范圍為(1～10)W/cm2時(shí),標(biāo)準(zhǔn)傳感器采用10 W/cm2;當(dāng)校準(zhǔn)量程范圍為(10～50)W/cm2時(shí),標(biāo)準(zhǔn)傳感器采用50 W/cm2。測(cè)量裝置通過多次試驗(yàn)最終篩選出的熱流傳感器,測(cè)量不確定度低至2%。為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性,需要在一定周期內(nèi)采用空腔輻射功率計(jì)對(duì)其溯源。通過增加冷卻系統(tǒng)的恒溫控制,可以減小由于環(huán)境溫度變化引起的輸出影響,進(jìn)一步降低測(cè)量不確定度。

3.3 一體化冷卻和電源控制系統(tǒng)

為了提高熱流現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的便捷性,將冷卻系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)以及控制檢測(cè)系統(tǒng)集成在小型控制柜,如圖5 所示。冷卻和電源控制系統(tǒng)外形尺寸不大于750 mm ×750 mm ×1 300 mm,相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)參數(shù)如表1 所示?？刂乒窦友b萬(wàn)向滑輪和移動(dòng)把手方便移動(dòng)。

表1 冷卻和電源控制系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of integrated cooling and power control system

圖5 冷卻和電源控制系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of integrated cooling and power control system

(1)冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)分為兩部分:小型化激光輻射源冷卻系統(tǒng)和傳感器冷卻系統(tǒng)。按照其功能劃分,前者是為輻射源制冷,制冷功率上限為2 100 W,溫度控制范圍為10℃～40℃,溫度控制最大允許誤差±1℃,溫度控制分辨率為0.1℃;后者采用水冷卻的方式為被校對(duì)象和標(biāo)準(zhǔn)傳感器制冷。

(2)電源控制系統(tǒng)

電源控制系統(tǒng)由電源、數(shù)據(jù)采集器和控制監(jiān)控系統(tǒng)組成,采用串口進(jìn)行各儀器間的通訊。主要功能為:校準(zhǔn)過程中傳感器信號(hào)采集和小型化熱流源功率的控制調(diào)節(jié)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等;數(shù)據(jù)采集過程后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ),按照預(yù)設(shè)模板輸出校準(zhǔn)結(jié)果。

電源控制系統(tǒng)使用高穩(wěn)定性的直流電源進(jìn)行供電,控制上采用可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)進(jìn)行集成設(shè)計(jì),利用控制面板實(shí)現(xiàn)對(duì)操作流程的管控和輸出功率等全參數(shù)的監(jiān)測(cè),包括輸出功率設(shè)置顯示、輸出模式設(shè)置、熱流源內(nèi)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)中的冷卻液流量監(jiān)測(cè)、冷卻系統(tǒng)離子濃度監(jiān)測(cè)等。為了符合激光安全標(biāo)準(zhǔn)的激光光源供電保護(hù)功能,實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)、過流保護(hù)和局部短路保護(hù),以保障校準(zhǔn)工作能夠可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。

4 不確定度分析

4.1 不確定度分量來(lái)源

通過分析校準(zhǔn)裝置的各個(gè)組成部分,總結(jié)出主要造成裝置不確定偏大的幾個(gè)分量有:

(1)被校輻射熱流傳感器測(cè)量重復(fù)的不確定度分量u1;

(2)標(biāo)準(zhǔn)輻射熱流傳感器的不確定度分量u2;

(3)熱流輸出穩(wěn)定性的不確定度分量u3;

(4)熱流輸出均勻性的不確定度分量u4;

(5)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不確定度分量u5。

4.2 各分量不確定度匯總

經(jīng)過實(shí)際測(cè)量分析出熱流現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置的各不確定度分量,匯總成表格如表2 所示。

表2 各不確定度分量Tab.2 Uncertainty components

最后,計(jì)算出校準(zhǔn)裝置的合成不確定度uc=1.36%,擴(kuò)展不確定度U=2.7%(k=2)。

5 結(jié)束語(yǔ)

提出的熱流現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)采用小型化熱流源產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的熱流,利用比較法對(duì)熱流傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn),可滿足輻射熱流測(cè)量系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)需求。熱流現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置主要由小型化熱流源、標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器、冷卻和電源控制系統(tǒng)以及其他配套設(shè)備組成。經(jīng)過實(shí)際測(cè)量分析出分別由被校輻射熱流傳感器、標(biāo)準(zhǔn)輻射熱流傳感器、熱流輸出穩(wěn)定性、熱流輸出均勻性以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所引入的不確定度分量,擴(kuò)展不確定度為2.7%。