基于逆向思維的衛(wèi)星熱真空試驗熱電偶實施工藝方法

郭濤，賈瑞金，王冬梅，肖正懿，方志開，蔡瑋

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

衛(wèi)星熱試驗過程中，為全面地分析和評估衛(wèi)星艙板、設備等部件的溫度狀態(tài)，需要在衛(wèi)星特征部位布置一定數(shù)量的測溫傳感器，從而比較全面地獲取試驗的溫度數(shù)據(jù)。熱電偶是一種簡單、經(jīng)濟、熱慣性小、動態(tài)響應速度快、應用最為廣泛的溫度傳感器[1-2]，在衛(wèi)星熱試驗中被廣泛應用。影響熱電偶測溫精度的因素主要包括：分度誤差、不均勻性和不穩(wěn)定性引起的誤差、補償導線誤差、參考端溫度變化、熱交換引起的溫差、測量回路引入新的熱電勢等[3-4]。目前，在熱電偶的制造封裝工藝方面的研究很多[5-6]，但是熱電偶實施方面的工藝研究鮮有報道。航天器熱試驗一般采用熱電偶進行測溫[7]。目前熱電偶實施的工藝方法需要占用較長的型號主線研制時間，實施現(xiàn)場環(huán)境相對雜亂，容易造成熱電偶引線損傷。針對上述問題，文中提出了基于逆向思維的熱電偶實施工藝方法，該工藝方法不會引入新的溫度測量誤差，且可大幅提高熱電偶現(xiàn)場實施的效率。

1 熱電偶測溫原理

當兩種不同的導體A和B組成一個回路，且兩端相互連接時，只要接點位置存在溫度梯度，回路中就會產(chǎn)生電動勢，該現(xiàn)場被稱為“熱電效應”，又稱“塞貝克效應”，產(chǎn)生的電動勢稱為“熱電勢”，如圖 1所示[8-10]。

圖1 熱電效應

熱電動勢兩種導體的接觸電動勢和的溫差電動勢兩部分組成。熱電偶回路的總電動勢可寫成：

式中：EAB(t, t0)為總電動勢；eAB(t)為導體A、B在接點溫度t時形成的接觸電動勢；eAB(t0)為導體A、B在接點溫度t0時形成的接觸電動勢；eA(t, t0)為導體A在兩端溫度分別為t和t0時形成的溫差電動勢；eB(t,t0)為導體B在兩端溫度分別為t和t0時形成的溫差電動勢。

實踐證明，總電動勢中占主要部分的是接觸電動勢，溫差電動勢只占極小部分，可忽略。故式（1）可簡化為如下：

熱電勢大小只與導體的材料及接點的溫度有關，當熱電偶兩電極材料固定后，熱電勢只與接點溫度有關，即兩節(jié)點溫度t和t0的函數(shù)為：

式（3）在實際測量中得到了廣泛的應用。因為冷端t0恒定后，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢只隨熱端（測量端）溫度的變化而變化，即一定的熱電勢對應著一定的溫度。

2 熱試驗中熱電偶應用

衛(wèi)星真空熱試驗中使用最多的是T型熱電偶，由銅絲和康銅絲通過激光點焊而成。測量線路一般采用雙線冗余公用負極的接線方式，數(shù)采儀器位于真空罐外部，并通過Y2-50密封插頭的方式引出罐外。每個密封插頭的前48針分別與對應熱電偶的銅線焊接，第49、50針各連接2根長銅線延長線，且第49、50針用短銅絲搭接。將測溫熱電偶的48根康銅線端頭扭焊在一起，并連接出2根5 m長同牌號的康銅絲。單獨引出的2根銅絲和康銅絲分別與2個參考熱電偶的銅絲端和康銅絲端進行扭焊，參考點溫度（一般為0 ℃）由鉑電阻測量，最后通過電連接器與數(shù)采儀器連接，實現(xiàn)溫度的測量，具體原理如圖2所示。

圖2 熱電偶在熱真空試驗中應用

目前熱電偶實施的工藝流程如圖3所示。該工藝流程主要存在如下問題：熱電偶引線統(tǒng)一甩出衛(wèi)星外后，幾百根引線匯在一起，且長度不一，分線工作難度大，占用時間長；甩線的路徑未進行合理設計，而是現(xiàn)場自由發(fā)揮，容易影響其他部件的裝配，且實施一致性差；焊連插頭前，由于引線長度不一，引線剪齊工作前需要進行標簽轉(zhuǎn)移工作，工作效率低下；在衛(wèi)星周邊操作，工作現(xiàn)場較為雜亂，熱電偶的引線細且長，實施過程中容易造成引線的打結(jié)，進而損傷引線，如圖4所示。以某型號240個熱電偶實施過程為例，若以4個熟練電裝人員和2個檢驗人員同時進行工作，熱電偶實施預估時間見表1。

圖3 當前工藝流程

圖4 焊入電連接器現(xiàn)場

表1 當前方法占用時間

3 基于逆向思維的實施工藝方法

針對熱電偶實施過程中的主要問題，秉承主輔線分離、提高效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量的原則，提出基于逆向思維的熱電偶實施工藝方法，即將熱電偶引線甩出衛(wèi)星外、引線分線、引線焊入電連接器、焊連后檢查等最后實施的問題集中的工作內(nèi)容，提前至工作的前期，并轉(zhuǎn)化為輔線，增加設計階段的工作內(nèi)容，變被動為主動，提高生產(chǎn)效率，具體工作流程如圖5所示。該工藝方法只是將原實施流程的前后順序進行優(yōu)化，未增加新的現(xiàn)場實施內(nèi)容，不會引入新的測量誤差。

3.1 分區(qū)設計

分區(qū)設計就是將所有的熱電偶進行區(qū)域劃分，以降低不同區(qū)域之間熱電偶引線間的關聯(lián)性，提高實施效率。

熱電偶實施過程中，因存在裝配關系的遮擋，部分位置的熱電偶需要提前粘貼。所屬不同艙段的熱電偶，艙段對接前，無法同時、同地點實施。因此，熱電偶分區(qū)設計時，以實施時間前后、衛(wèi)星艙段、同一艙段距離遠近分開為原則，將熱電偶分成若干個區(qū)域。由于數(shù)據(jù)采集設備資源和真空罐上密封電連接器數(shù)量的限制，需將相鄰區(qū)域內(nèi)的熱電偶合并焊接在同一個電連接器上。多個區(qū)域合并時，熱電偶數(shù)不能超過48個。

以某型號240個熱電偶為例，240個熱電偶劃分成了21個區(qū)域，21個區(qū)域最后合并為8個電連接器，見表2。

圖5 基于逆向思維的工藝流程

表2 分區(qū)設計

3.2 路徑設計

通過現(xiàn)場實驗，若每個熱電偶的引線長度均不一致，將大大增加模板引線的制作效率，且所需時間與熱電偶的數(shù)量近似成指數(shù)關系。為達到模板引線制作耗費時間與最終實施效果之間的平衡，需采用如下方法：各個區(qū)域之間的路徑必須明確走向，而單個區(qū)域內(nèi)每個熱電偶引線的走向無需明確，只需設計出集束點；集束點到每個熱電偶粘貼點之間的引線長度用集束點到該區(qū)域最遠點之間的距離替代，確保每個熱電偶都可粘貼在指定位置。

以某型號的第一個電連接器為例，路徑設計如圖6所示。

3.3 釘板圖設計

依據(jù)分區(qū)設計和路徑設計，進行釘板圖的設計。釘板圖應包含插頭起點、分支點、集束點、熱電偶測溫點、每個分支的熱電偶數(shù)量、長度信息等。以某型號的第一個電連接器為例，釘板圖設計如圖7所示。

圖6 路徑設計

圖7 釘板圖設計

3.4 電連接器節(jié)點設計

確定同一電連接器上具體焊連的熱電偶后，將同一區(qū)域按照熱電偶編號的大小順序從小到大排列，不同區(qū)域按照區(qū)域的編號進行排列，并賦予電連接器號以及對應的節(jié)點號?？紤]到熱電偶反甩和粘貼的過程發(fā)生損壞的可能性，需要在每個艙段或者區(qū)域?qū)獰犭娕紨?shù)量較少的電連接器上增加若干個備份（一般為3～8個，依據(jù)熱電偶的總數(shù)確定）。

3.5 實施階段

按照逆向思維的實施工藝方法，熱電偶的實施過程如圖8所示。

圖8 實施過程

4 優(yōu)勢分析和試驗驗證

基于逆向思維的實施工藝方法，基本實現(xiàn)了星上工作星下化，星下工作輔線化，輔線工作單元化。相比常規(guī)的方法，主要有如下優(yōu)勢：

1） 熱電偶引線甩出星外、引線分線等最占用主線時間的工作成功轉(zhuǎn)移至星下輔線工作，節(jié)省主線時間。

2） 模板引線主束走向完全確定，提高了熱電偶實施過程的一致性。

3） 焊連電連接器前，因引線長度不齊產(chǎn)生的標簽轉(zhuǎn)移工作完全取消，規(guī)避了標簽轉(zhuǎn)移錯誤帶來的風險。

4） 現(xiàn)場整潔有序，降低了熱電偶引線損傷的可能性。

基于逆向思維的實施工藝方法已經(jīng)在某型號上成功應用，縮短并行操作時間 3.5 d，縮短主線操作時間4.5 d，縮短總操作時間1 d，具體見表3、圖9。考慮到人力資源安排，并行操作時間可能轉(zhuǎn)化為主線時間，即當前方法占用主線時間為11 d，逆向思維方法占用主線時間為3 d，按此計算，主線工作效率可提升267%。

表3 逆向思維方法占用時間

圖9 時間對比

5 結(jié)論

1）該工藝方法與傳統(tǒng)方法相比，不會引入新的測量誤差。

2）合理可行，操作方便，主線工作效率提升267%。

3）可提高現(xiàn)場實施的一致性，降低熱電偶引線損傷的可能性。

4）可為其他行業(yè)的測溫試驗工作提供參考。

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