熱防護材料高溫異型傳感器校準技術研究

趙化業(yè) 裴雅鵬 張俊祺 劉 浩

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

1 引 言

飛行器在大氣層內(nèi)高速飛行時外表面承受不同程度的氣動加熱，為保障航天器長時間安全飛行，熱防護系統(tǒng)結構的設計和熱防護材料的選擇是飛行器安全運行的關鍵因素[1,2]。熱防護材料高溫異型傳感器廣泛應用于高速飛行器熱防護材料的研制、試驗、生產(chǎn)過程中。按照系統(tǒng)測試要求，這些傳感器一般布置在熱防護材料的表面層和隔熱層，用以測量飛行器在飛行過程中某些位置點的溫度。通過這些位置點溫度及其他參數(shù)的測量，預測飛行器所處的飛行環(huán)境，對熱防護系統(tǒng)結構進行優(yōu)化設計，進而提高飛行器在高溫環(huán)境下的飛行可靠性。

為了實現(xiàn)飛行器熱防護材料在這些特殊環(huán)境下的高溫測量，用于熱防護材料的高溫異型傳感器得到開發(fā)與應用，如超高溫熱電偶，其工作方式主要為接觸式測量。由于該類溫度傳感器必須與相關設備結構匹配，其外型結構多為異型，測溫敏感部分長度一般很短，無法放置到現(xiàn)有校準裝置的恒溫區(qū)，從而無法實現(xiàn)量值溯源。

本文針對熱防護材料高溫異型傳感器無法校準的問題，提出了一種應用專用高溫恒溫爐、基于比較法的校準方法，研制了高溫異型傳感器校準裝置，實現(xiàn)了該類溫度傳感器的校準，為熱防護材料的研究、試驗提供了有力的技術保障。

2 熱防護材料高溫異型傳感器校準原理

熱防護材料高溫異型傳感器校準應用比較法，其基本原理為：高溫恒溫爐為校準裝置的主體部分，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，石墨加熱管中心部位放置有恒溫塊。被校準溫度傳感器通過石墨加熱管外部固定端子進行固定，測溫部分置于恒溫塊中。標準光電高溫計作為主標準器，通過測量窗口進行測量，指示恒溫塊標準溫度。溫度穩(wěn)定后，通過測量系統(tǒng)采集被校準溫度傳感器的輸出，與標準光電高溫計的示值進行比較，計算其示值誤差。

校準過程中，水冷電極、高溫恒溫爐爐體、被校準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、被校準溫度傳感器等在高溫環(huán)境中被氧化。

3 校準裝置的技術實現(xiàn)

校準裝置主要由高溫恒溫爐、標準光電高溫計、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)等構成,如圖1所示。

圖1 校準裝置結構原理圖

3.1 高溫恒溫爐

高溫恒溫爐為該校準裝置的主體，為熱防護材料高溫異型傳感器的校準提供均勻、穩(wěn)定的溫度場。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，結構原理如圖2所示。

圖2 高溫恒溫爐結構原理圖

該高溫恒溫爐的溫度上限設計為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會存在一定的膨脹[3,4]，為防止高溫環(huán)境下石墨脹裂，石墨加熱管兩端設計成外錐體，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)外錐面實現(xiàn)緊密配合，防止虛接觸，導致接觸電阻增大。

在高溫下，石墨加熱管的熱輻射是一個不可忽視的問題，為防止熱輻射，同時也有助于爐溫的穩(wěn)定性和溫場的均勻性，石墨加熱管外部裝有石墨屏蔽層和石墨氈保溫層。保溫層應用多層耐高溫、低導熱系數(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燒制而成，氧化鋯具有良好的耐高溫、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現(xiàn)密封和緊固。

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

高溫恒溫爐爐體設計為雙層不銹鋼壁，在內(nèi)外壁之間設計有導流管道，冷卻液采用雙進雙出，使爐體兩端的溫度對稱分布，工作時通過循環(huán)冷卻使其表面溫度在正常工作溫度范圍內(nèi)。

3.2 標準光電高溫計

該校準裝置應用德國生產(chǎn)標準光電高溫計，該高溫計具有線性度高、噪聲低、重復性高的特點。其工作原理為，測量被測對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。標準光電高溫計采用線性光電探測器實現(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系。

主要由光學系統(tǒng)、光電探測器、濾波片、電動機控制器、電子電路系統(tǒng)和信號測量系統(tǒng)組成。

主要技術指標為：

量程：(500～3500)K；

測量不確定度：0.1%～0.2%。

標準光電高溫計結構示意如圖3所示。

圖3 標準光電高溫計結構示意圖

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、沸點高等優(yōu)點，避免了由水結垢引起堵塞而導致的安全事故。另外，替代直排水方式，避免了水資源的浪費。冷卻液溫度超溫或意外發(fā)生堵塞時，控制系統(tǒng)會及時報警，并切斷加熱電源，防止過熱引起設備故障。

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)由擴散泵和機械泵等構成，采用擴散泵作為主抽泵，直聯(lián)式機械泵作為前級泵。真空系統(tǒng)采用真空氣動擋板閥作為高真空閥門，氣動角閥作為前級抽空閥門。真空管道采用不銹鋼金屬波紋管，可實現(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、被校準溫度傳感器處于氬氣的保護環(huán)境中，防止高溫氧化。

該系統(tǒng)工作原理圖如圖5所示。溫度傳感器校準過程中，真空系統(tǒng)使高溫恒溫爐測試腔體的真空度可達到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，引起過流，將電源的輸出設計為恒流控制方式。

結合高溫恒溫爐的加熱特點，該電源系統(tǒng)應用大功率開關電源，采用IGBT功率模塊、合金磁芯等作為功率變換及傳遞的關鍵器件，利用逆變技術產(chǎn)生所需要的直流電流。在可靠性設計方面，為防止電壓或電流過載超限，設計了超溫反饋電路，超限時系統(tǒng)自動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)礁边叄俳?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構，副邊二次整流采用全波整流電路結構。變壓器為應用新型納米非晶材料研制而成的高頻環(huán)形變壓器?？刂贫溯斎朐O計為(4～20)mA直流電流，與控溫用輻射溫度計的輸出相匹配。

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力大大降低，設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)通過功率控制來實現(xiàn)石墨加熱管的溫度控制，采用高精度測量、閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中的反饋測量，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確度輻射溫度計進行準確測量，實現(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，結合溫度控制系統(tǒng)的要求，本裝置應用模糊PID綜合控制技術，以確保溫度控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，該控制技術的基本原理為：當被控變量的偏差值大于設定閾值時，應用定值控制方式，以提高控制系統(tǒng)的響應速度；當偏差值減小到設定閾值附近時，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，進而減少控制過程中的超調(diào)。該技術綜合應用了定值控制方式和模糊控制方式的優(yōu)點，提高了系統(tǒng)的控制準確度和靈敏度。當偏差值達到模糊控制的穩(wěn)態(tài)平衡范圍時，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)的基礎上再增加一個模糊控制環(huán)節(jié)，在高溫恒溫爐控溫過程中利用模糊控制規(guī)則對控制參數(shù)進行在線修改的一種自適應控制系統(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系，在控制過程中不斷檢測偏差和偏差變化率，然后再根據(jù)模糊控制原理對各個參數(shù)進行在線調(diào)整，以滿足高溫恒溫爐控制系統(tǒng)的要求，使控制對象具有良好的動態(tài)和靜態(tài)性能。

4 校準裝置測量不確定度分析[6]

4.1 測量模型

高溫異型傳感器的測量模型為：

(1)

4.2 標準不確定度分量計算

4.2.1標準光電高溫計的標準不確定度分量u1

該校準裝置應用標準光電高溫計為主標準器，其擴展不確定度為U=0.18%(k=2)，則其標準不確定度分量為：

(2)

4.2.2標準測量窗口引入的標準不確定度分量u2

(3)

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

(4)

4.2.4 高溫恒溫爐有效恒溫區(qū)均勻性引入的標準不確定度分量u4

經(jīng)測量，高溫恒溫爐有效恒溫區(qū)均勻性在3200K時為0.3%，區(qū)間半寬度ω′為0.15%，服從均勻分布,由此引入的標準不確定度分量：

(5)

4.2.5 高溫恒溫爐發(fā)射率引入的標準不確定度分量u5

(6)

4.2.6 被校準傳感器測溫點與標準器測量處溫度不一致引入的不確定度分量u6

被校準溫度傳感器測溫點所處的位置與標準器測量處有一定的間隙，間隙充有一定壓力的惰性氣體，由于熱平衡不理想，被校準溫度傳感器測溫點所處位置的溫度與標準器測量溫度存在一定的溫度差，經(jīng)試驗測試，在3200K溫度點處，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)引入的標準不確定度分量u7

(7)

4.3 擴展不確定度計算

合成標準不確定度[6]：

(8)

uc≈0.22%

校準裝置擴展不確定度(k=2)：

U=kuc

(9)

U=2×0.22%≈0.5%

5 結束語

針對熱防護材料高溫異型傳感器的校準需求，詳細闡述了所研制的熱防護材料高溫異型傳感器校準裝置的工作原理及技術實現(xiàn)，該裝置測量不確定度可達到0.5%，滿足了熱防護材料高溫異型傳感器的校準需求，同時該研究成果對其它高溫校準裝置具有一定的借鑒意義。