真空熱試驗溫度參考點熱響應測試系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

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(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

0 引言

真空熱試驗是航天器研制過程中必須進行的大型地面試驗之一，在真空熱試驗過程中試驗設備、試驗工裝以及航天器上有關部位的溫度是最為重要的測量參數(shù)。目前，在航天器真空熱試驗的溫度測量中應用最廣泛的是熱電偶測溫系統(tǒng)，其通過測量熱電動勢來實現(xiàn)溫度測量[1]。熱電偶具有測溫范圍寬、體積小、動態(tài)響應速度快、互換性好、穩(wěn)定性較好和便于集中控制等特點[2]，但它需要進行冷端(參考點)補償，其測溫準確度受冷端校準準確度的影響較大[3-4]。真空熱試驗航天器溫度測量常用的熱電偶是銅-康銅熱電偶，測量范圍為-200 ℃～+300 ℃。

目前，國內通常采用將公用參考點放置在空間環(huán)境模擬室內的方法[5]。溫度參考點裝置一般為銅圓柱體，在圓柱體的中間開孔并將參考點端熱電偶及測溫用鉑電阻放置其內。通過鉑電阻測得的溫度反推參考點端熱電偶電動勢，再利用公式計算出測溫點熱電偶電動勢，即可得到測點溫度值。

溫度參考點裝置作為真空熱試驗中極其重要的工裝，對溫度測試數(shù)據的準確性和產品安全有很大影響。在試驗中，很可能出現(xiàn)多套測溫系統(tǒng)同時運行的情況，此時需要多套參考點裝置。參考點熱響應測試正是對參考點電纜連接正確性進行驗證的一種方法，是試驗準備階段的關鍵工序。

1 測溫系統(tǒng)介紹

1.1 熱電偶測溫系統(tǒng)

真空熱試驗熱電偶溫度測量系統(tǒng)一般由測溫熱電偶、測溫線纜、電連接器、溫度參考點、測量儀器、計算機數(shù)據處理系統(tǒng)構成，如圖1所示。熱電偶測量線路采用雙線冗余公用負極的接線方式，將測溫熱電偶的康銅絲并焊，引出兩根康銅絲，分別與兩組參考點端熱電偶(公用線)的康銅絲進行焊接。電連接器最后兩路通道作為熱電偶的公用負極的傳輸通道，其余通道焊接熱電偶的正極。電連接器上公用負極傳輸通道各引出一根銅絲，分別與兩組參考點端熱電偶(公用線)的銅絲進行焊接；同時，將電連接器最后兩路通道使用銅線搭接。熱電偶匯集成電連接器后，經過渡電纜引出至真空容器外，與數(shù)采儀器連接。參考點裝置內部放置兩只鉑電阻，通過鉑電阻電纜引出至真空容器外的數(shù)采儀器。通過采集鉑電阻的溫度，可反算參考點內熱電偶的熱電勢。

圖1 熱電偶測量線路組成

1.2 參考點裝置

參考點裝置選用熱慣性比較大，內腔可以形成比較均勻溫度場的銅圓柱體[6]，其裝置實物如圖2所示。

參考點熱響應測試系統(tǒng)主要通過在參考點裝置的主體結構外表面粘貼加熱片，通過程控電源對加熱片施加一定電流使得參考點容腔內溫度升高，通過數(shù)采系統(tǒng)測得容腔內鉑電阻的溫度以及熱電偶的電動勢，根據參考點熱響應判定準則判定參考點連接的正確性。

圖2 參考點裝置

1.3 參考點裝置熱分析

在常溫常壓環(huán)境下，參考點裝置傳熱有內部導熱、自然對流及外部環(huán)境輻射換熱。因此采用ANSYS軟件中的Mechanical模塊進行分析[7]，劃分網格如圖3所示。

圖3 參考點網格劃分示意圖

計算條件：圓柱直徑：100 mm；孔徑：20 mm；高度100 mm。

邊界條件設置：(1)外邊界：與20℃背景輻射，角系數(shù)0.15，自然對流2 W/K·m2，外界溫度20℃。(2)上下表面：絕熱。

計算結果如下：通過20 W的加熱功率給參考點加熱10 min，可使其由20 ℃增長至24 ℃。內外表面溫度變化如圖4所示。

圖4 參考點內外表面溫度變化圖

2 參考點熱響應測試原理

參考點熱響應測試，即對參考點裝置進行加熱，使得所測得的鉑電阻溫度及熱電偶熱電勢發(fā)生變化，通過其變化趨勢判斷參考點連接是否正確。

測量儀器所測得的熱電偶電動勢如圖5所示。其中EAB為測量儀器所測得的電動勢，E為測點熱電偶電動勢，E參考點為參考點熱電偶電動勢。

圖5 熱電偶電動勢的組成

1)當參考點鉑電阻電纜連接正常時：

對參考點加熱，鉑電阻溫度增加量△T，從而計算出參考點熱電偶電動勢增加量△E，根據圖5所示可得如下關系。

加熱前測量儀器所測得的熱電偶電動勢：

EAB=E-E參考點

(1)

加熱后測量儀器所測得的熱電偶電動勢：

E-E參考點-△E

(2)

結論：加熱后測量儀器所測得的熱電偶電動勢將減小，而計算后的測點溫度值將保持不變。

2)當參考點鉑電阻電纜連接錯誤時：

對參考點加熱，鉑電阻溫度增加量△T，從而計算出參考點熱電偶電動勢增加量△E，而測量儀器實際所測得的電動勢保持不變，根據圖5所示可得如下關系。

加熱前測點熱電偶電動勢：

E=EAB+E參考點

(3)

加熱后測點熱電偶電動勢：

(4)

結論：加熱后測量儀器所測得的熱電偶電動勢保持不變，而計算后的測點溫度值將增加，增加量等于鉑電阻溫度增加量。

3)當熱電偶公用線正負極接反時：

對參考點加熱，鉑電阻溫度增加量△T，從而計算出參考點熱電偶電動勢增加量為△E。而當熱電偶公用線正負極接反時，在公用線焊接點將產生熱電勢E焊接點，根據圖5所示可得如下關系。

加熱前測量儀器所測得的熱電偶電動勢：

EAB=E-E焊接點+E參考點-E焊接點=

E+E參考點-2E焊接點

(5)

由于焊接點和參考點都處于常溫狀態(tài)，可認為E焊接點=E參考點，則：

EAB=E-E參考點

(6)

加熱后測量儀器所測得的熱電偶電動勢：

E+(E參考點+△E)-2E焊接點=

E+△E-E參考點

(7)

而計算后的測點熱電偶電動勢：

(E+△E-E參考點)+(E參考點+△E)

=E+2△E

(8)

結論：加熱后測量儀器所測得的熱電偶電動勢將增加，計算后的測點溫度值也將增加，增加量等于鉑電阻溫度增加量的兩倍。

3 熱響應測試系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)硬件設計

參考點熱響應測試系統(tǒng)主要包括測溫系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，根據參考點熱響應控制系統(tǒng)所需的工藝流程分別控制熱響應系統(tǒng)所有設備的啟動/停止，并在建立以及維持過程中監(jiān)控各回路的溫度和加熱電流的變化，其硬件主要由三部分組成：1)放置在空間環(huán)境模擬室內的參考點裝置；2)放置在采集現(xiàn)場的控制箱、測量儀器以及交換機；3)放置在控制室的采集計算機和監(jiān)控計算機。系統(tǒng)硬件連接如圖6所示。

圖6 測試系統(tǒng)硬件連接示意圖

在每個參考點內各放置一只鉑電阻，在每個參考點外表面粘貼薄膜加熱片，鉑電阻和薄膜加熱片都通過測試電纜引至空間環(huán)境模擬室外的控制箱?？刂葡渲饕砷_關電源、溫度巡檢儀、PLC控制器以及繼電器組成，其作用為對各加熱回路進行供電并采集各鉑電阻回路的溫度值，其內部硬件組成示意圖如圖7所示。

圖7 控制箱內部組成框圖

參考點熱響應測試系統(tǒng)的測溫系統(tǒng)主要由鉑電阻溫度傳感器、溫度巡檢儀、測量儀器以及上位計算機組成。溫度巡檢儀采集參考點內的鉑電阻溫度；測量儀器采用吉時利2750型號，由于采集熱電偶電動勢，并將熱電勢轉換為溫度值。

參考點熱響應測試系統(tǒng)的加熱系統(tǒng)包括開關電、PLC控制器、繼電器以及加熱片組成。通過PLC控制器對繼電器進行控制，對各加熱回路進行切換，使其滿足一個電源模塊可以分別給3個加熱回路供電。溫度巡檢儀通過協(xié)議轉換模塊將溫度數(shù)據傳送給PLC控制器，然后通過以太網口與上位機進行通信?？刂葡淝懊姘逶O計如圖8所示，其上固定1個溫度巡檢儀面板，1個數(shù)顯表面板，3個加熱通道按鈕開關、1個“本地遠程”旋鈕開關以及1個總開關。數(shù)顯表面板左側分別顯示電流值及溫度值，右側為通道指示燈；溫度巡檢儀面板顯示溫度值。

圖8 控制箱前面板示意圖

控制箱放置在目前使用的測量機柜內，通過控制箱可以對各加熱回路進行供電并采集各鉑電阻回路的溫度值?？刂葡渫ㄟ^網線連至交換機，可以通過上位計算機控制各加熱回路對其進行加電以及監(jiān)視各回路的溫度值?？刂品绞椒譃楸镜乜刂坪瓦h程控制兩種方式，用戶可以通過控制箱按鈕或開關對設備進行控制，也可以通過計算機上位機監(jiān)控軟件對設備進行控制。在控制箱上進行選擇旋鈕進行“本地/遠程”模式的選擇，若選擇“本地”模式則上位機監(jiān)控軟件中操作按鈕無效；若選擇“遠程”模式則本地操作按鈕無效，并且確保無擾切換。

3.2 系統(tǒng)軟件設計

參考點熱響應測試系統(tǒng)可以通過“遠程”和“本地”兩種方式分別啟動各加熱回路加熱功能，并能夠遠程和本地進行手動控制，系統(tǒng)軟件根據功能需要分為PLC控制軟件和上位機監(jiān)控軟件。

PLC控制軟件采用SIMATIC STEP 7 Basic軟件進行編寫，采用面向任務的理念，將編輯器嵌入到一個通用編輯框中，使用戶可以同時打開多個編輯器。通過設計本地、遠程兩級控制方式，完成對系統(tǒng)的加熱回路的控制，并完成對多路溫度巡檢儀、電流顯示儀等數(shù)據的采集與設置。首先，向項目中添加CPU組態(tài)，為PLC創(chuàng)建設備配量，編輯CPU屬性的以下參數(shù)：

1)PROFINETI：設置CPU的IP地址和時間同步。

2)脈沖發(fā)生器和高速計數(shù)器：啟用并組態(tài)用于脈沖串遠行和脈沖寬度調制的脈沖發(fā)生器以及高速計數(shù)器。當CPU或信號板的輸出組態(tài)為脈沖發(fā)生器時， Q存儲器中將移除相應的輸出地址。

其次，將以下硬件目錄中的模塊添加到CPU組態(tài)中：

1)將包含模擬I/O節(jié)點或數(shù)字I/O節(jié)點的信號模塊連接在CPU的右側。

2)將包含附加I/O節(jié)點的信號板安裝在CPU的前端。

3)將包含通信端口(RS232或RS485)的通信模塊連接在CPU的左側。

最后，創(chuàng)建網絡連接并組態(tài)IP地址：

1)MAC地址：在網絡中，每個設備都都具有一個唯一的“介質訪問控制”地址(MAC地址)，以對每個設備進行標識和區(qū)別。

2)IP地址：每個設備也部必須具有個1ntetnet協(xié)議(IP)地址，該地址使設備可以在更加復雜的路內網絡中傳送數(shù)據。

3)路由器：網絡中，路由器是LAN之間的鏈接，通過路由器連接的計算機可向其他網絡發(fā)送消息。如果數(shù)據的目的地不在LAN之內，路由器會將數(shù)據轉發(fā)給可將數(shù)據傳送到其目的地的另一個網絡或網絡組。路由器依靠IP地址來傳送和接收數(shù)據包。

上位機監(jiān)視及控制軟件采用三維力控的ForceControl V6.0組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺開發(fā)，應用可視化控件組態(tài)技術，設計人機交互界面，遠程實現(xiàn)對參考點裝置的加熱、溫度及電流監(jiān)視、數(shù)據分析和報警記錄等功能。軟件功能結構如圖9所示。系統(tǒng)軟件運行在監(jiān)控計算機上，主要包括以下功能：

1)系統(tǒng)登陸：完成系統(tǒng)初始化，設置登陸權限，進入系統(tǒng)啟動登錄環(huán)境。

2)主系統(tǒng)監(jiān)控：根據用戶提供的系統(tǒng)流程，顯示相應儀器設備運行狀態(tài)。

3)溫度及電流監(jiān)控：對控溫單元、加熱電流大小進行監(jiān)控。

4)生成數(shù)據報表：按照格式生成數(shù)據報表，用戶可以使用報表查詢歷史數(shù)據。

5)實時顯示曲線：允許用戶對實時數(shù)據、歷史數(shù)據進行查詢或進行曲線分析。

6)系統(tǒng)操作管理：允許用戶對系統(tǒng)的采集周期、報警參數(shù)等進行設置。

系統(tǒng)軟件通過讀取不同時刻測量儀器采集的電動勢、測點溫度值以及參考點溫度值，根據熱響應測試原理得到的測試準則，判斷參考點電纜連接以及熱電偶公用線正負極接線的正確性。軟件流程如圖10所示。

圖9 軟件功能結構圖

圖10 軟件流程圖

4 系統(tǒng)應用

該系統(tǒng)在某型號航天器真空熱試驗開機前得到了成功應用。

首先對自動判讀軟件的配置文件進行配置，包括溫度數(shù)據讀取路徑，參考點鉑電阻測點號。通過遠程控制軟件，對熱響應系統(tǒng)進行設置及監(jiān)視，自動判讀軟件在開始運行時首先讀取配置文件，然后根據熱響應準則對其進行判讀并給出測試結果，完成了兩個參考點裝置的熱響應測試，驗證了溫度參考點電纜連接以及熱電偶公用線焊接的正確性，保障試驗順利進行。系統(tǒng)遠程實時監(jiān)控如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)遠程實時監(jiān)控

參考點熱響應測試結束后，將彈出提示對話框，如圖12所示。并將測試結果保存在本地文件夾下的“測試結果.txt”中。

圖12自動判讀軟件界面圖

5 結束語

本文提出了一種采用鉑電阻和薄膜加熱片組成反饋單元，由溫度測量儀、線性電源和電流表等組成控制箱，通過LAN網絡與遠程計算機連接實現(xiàn)遠程監(jiān)控的方案，進行參考點熱響應測試系統(tǒng)集成。該系統(tǒng)具有良好的人機交互界面、操作過程簡單、通用性好的特點，對保障航天器真空熱試驗地順利進行具有重要作用。目前，該系統(tǒng)已成為KM6、KM7等大型空間環(huán)境模擬設備的必需配置，并在多項型號試驗中得到成功應用。

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