溫度系數(shù)測(cè)試儀的研制

林 波，趙乃輝，趙子龍，鄒 森

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

溫度系數(shù)測(cè)試儀模擬了在太空真空環(huán)境溫度大范圍變化的環(huán)境中，采集記錄并測(cè)試工件的溫度系數(shù)變化情況。

目前，國內(nèi)外溫度變化范圍在-160℃～＋140℃的溫度系數(shù)測(cè)試儀尚屬空白，該技術(shù)能夠提供在高真空環(huán)境中溫度從-160℃到＋140℃的轉(zhuǎn)換環(huán)境。其優(yōu)點(diǎn)是抽氣速度快，能夠在20 min內(nèi)達(dá)到0.1 Pa以下并保持工作真空＜0.1 Pa。在-160℃～＋140℃整個(gè)溫度范圍內(nèi)工件表面不會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。工件溫度在＋10℃～＋140℃之間升溫速度連續(xù)可調(diào)，并可停留在其間任意溫度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)溫精度可達(dá)±0.2℃。

目前我國航空航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，很多器件都需要做模擬太空溫度環(huán)境變化的試驗(yàn)。該設(shè)備填補(bǔ)了國內(nèi)在環(huán)境試驗(yàn)方面的一個(gè)空白，為模擬太空中真空環(huán)境及大范圍的溫度變化情況提供了一種新的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

1 控制流程圖

實(shí)際生產(chǎn)中溫度系數(shù)測(cè)試儀的工藝流程，如圖1所示。

2 設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)

工作腔體尺寸：φ320 mm×400 mm

工作臺(tái)尺寸：200 mm×200 mm

工作真空：0.1 Pa

工作溫度：-160℃～＋140℃

抽氣速度：20 min內(nèi)達(dá)0.1 Pa

壓 升 率：2 Pa/h

溫度測(cè)試精度：±0.2℃

工件溫度在＋10℃～＋140℃之間升溫速度連續(xù)可調(diào)，并可停留在其間任意溫度，溫度在-160℃～＋10℃之間靠液氮制冷降溫，降溫速度不可精確調(diào)節(jié)，只能通過液氮的流量簡易控制。

圖1 溫度系數(shù)測(cè)試工藝流程

3 設(shè)備工作原理及主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 溫度系數(shù)測(cè)試儀主要工作原理

通過真空泵使工作腔體內(nèi)的真空度達(dá)到所需要求，而模擬太空中無大氣的環(huán)境。將電池放置在冷熱工作臺(tái)上并與測(cè)量導(dǎo)線接通，通過灌入液氮和加熱板來得到-160℃～＋140℃之間溫度。經(jīng)過太陽能照射儀的照射就可從計(jì)算機(jī)中得到所需太陽能電池的主要特性參數(shù)的溫度系數(shù)。

3.2 溫度系數(shù)測(cè)試儀主要結(jié)構(gòu)

設(shè)備的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖2

溫度系數(shù)測(cè)試儀主要由工作腔體、冷熱工作臺(tái)、真空系統(tǒng)、液氮系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)六部分構(gòu)成。工作腔體安裝于機(jī)架上；冷熱工作臺(tái)在工作腔體內(nèi)；真空系統(tǒng)在機(jī)架內(nèi)部，數(shù)顯式真空計(jì)使工作狀態(tài)顯示更加清晰；液氮系統(tǒng)位于機(jī)架后側(cè)；控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)的按鈕均布置在機(jī)架前部的控制面板之上，便于控制操作和觀察；溫度通過溫度測(cè)量元件和溫度控制儀表設(shè)定。

圖2 設(shè)備主要機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.1 工作腔體

工作腔體由上下兩個(gè)半腔組成（見圖3）。上半腔體由不銹鋼焊接而成，光照窗口選用石英玻璃。石英玻璃材質(zhì)具有雜質(zhì)少、純度高、強(qiáng)度大等特點(diǎn)，因此選用一塊尺寸較大的石英玻璃做上照射窗口。經(jīng)過特殊加工的石英玻璃表面平整強(qiáng)度高，當(dāng)達(dá)到高真空時(shí)不會(huì)發(fā)生玻璃的變形或破損。用太陽光照模擬工作時(shí)，可使更多的光線通過石英玻璃照射到被測(cè)試工件的表面，同時(shí)光線通過玻璃時(shí)不會(huì)因其中含有的雜質(zhì)過多而使光線的波長發(fā)生變化，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加接近真實(shí)情況。

圖3 工作腔體結(jié)構(gòu)示意圖

為方便電池裝卸，上半腔體可以拆下。下半腔體完全由不銹鋼焊接而成，主要用來安裝冷熱平臺(tái)、電纜轉(zhuǎn)接頭、液氮管路和真空管路，是整個(gè)設(shè)備的基礎(chǔ)。見圖4、圖5。

圖4 上半腔體結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 下半腔體結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.2 冷熱工作臺(tái)

圖6 冷熱工作臺(tái)剖視圖

圖7 冷熱工作臺(tái)俯視圖

冷熱工作臺(tái)由工作臺(tái)、均溫層、加熱臺(tái)和液氮罐組成。如圖6、圖7所示。工作臺(tái)尺寸為200 mm×200 mm，采用冷熱良導(dǎo)體銅材制成，其上表面鋪設(shè)一層均溫層。均溫層為了使工作臺(tái)的表面溫度均勻而設(shè)置，采用碳纖維材料制作。加熱臺(tái)采用銅材制作，內(nèi)部均勻埋設(shè)低電壓加熱絲（電壓36 V）。最下方放置液氮罐，采用不銹鋼焊接而成，內(nèi)部添加導(dǎo)熱條，可加快上表面溫度變化速度和溫度的均勻性。

3.2.3 控制系統(tǒng)

設(shè)備在整個(gè)控制過程中有很強(qiáng)的時(shí)序性邏輯性，所以采用了穩(wěn)定可靠的可編程控制器進(jìn)行順序控制，通過觸摸屏操作，使操作變得簡單形象安全。設(shè)備具有手、自動(dòng)操作功能。自動(dòng)運(yùn)行過程中可隨時(shí)切換為手動(dòng)。

加熱控制采用日本導(dǎo)電的儀表控制，可以精確的設(shè)定十條加溫曲線，從而控制加熱臺(tái)的升溫。溫度采用數(shù)顯PID溫控儀控制，控制簡單，運(yùn)行可靠。

對(duì)于此冷熱工作臺(tái)的加熱，我們目前掌握低溫的加熱方式有5種：加熱袋 ，加熱板，電加熱管，電感應(yīng)加熱，紅外輻射加熱。5種加熱方式的對(duì)比見表1。

表1 加熱方式對(duì)比

從表1中我們可以根據(jù)需要來選擇不同的加熱方式。對(duì)此設(shè)備我們選用了電加熱管。

真空系統(tǒng)的泵、閥門等動(dòng)作均可通過觸屏上的操作按鈕控制真空泵，各種閥采用PLC控制，方便靈活。

3.2.4 測(cè)量系統(tǒng)

溫度系數(shù)測(cè)試儀配備一臺(tái)數(shù)字源表和一臺(tái)數(shù)字表，并提供一臺(tái)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采樣單元和一套軟件。此軟件能夠測(cè)試太陽能電池在垂直光照射條件下從-160℃至＋140℃任意溫度下的光、電轉(zhuǎn)換特性，即I-V曲線，同時(shí)記錄溫度并且數(shù)據(jù)存盤。I-V曲線為電池在光照條件下，從短路到開路的工作過程，主要數(shù)據(jù)包括：短路電流Isc、開路電壓Voc、最大輸出功率Pmax、最大輸出功率點(diǎn)的電壓Vm和電流Im、填充因子FF（FF=Pmax/Isc/Voc）。得到以上數(shù)據(jù)便能夠計(jì)算出太陽能電池主要特性參數(shù)的溫度系數(shù)：

短路電流Isc溫度系數(shù)=△Isc/△T

開路電壓Voc溫度系數(shù)=△Voc/△T

最大輸出功率Pmax溫度系數(shù)=△Pmax/△T

填充因子FF溫度系數(shù)=△FF/△T

在真空、高低溫環(huán)境中可進(jìn)行I-V曲線測(cè)試、數(shù)據(jù)的采集。

測(cè)試分為定點(diǎn)電壓電流測(cè)試，曲線I-V測(cè)試，以及在不同溫度下的多條曲線測(cè)試。

測(cè)試數(shù)據(jù)可存盤打印，存盤數(shù)據(jù)包括：

電池編號(hào)、短路電流Isc、開路電壓Voc、曲線電壓、曲線電流、最大輸出功率Pmax、最大輸出功率點(diǎn)的電壓Vm和 Im、填充因子FF、短路電流溫度系數(shù)、開路電壓溫度系數(shù)、最大輸出功率溫度系數(shù)、填充因子溫度系數(shù)。

3.2.5 真空系統(tǒng)

為充分模擬真空環(huán)境中的條件同時(shí)避免在冷熱狀況交替時(shí)在工件表面產(chǎn)生水氣，必須盡可能地降低真空度。因此選擇了機(jī)械泵＋分子泵組成的泵組，這樣就可以保證在短時(shí)間內(nèi)使腔體內(nèi)真空度達(dá)到0.1 Pa，同時(shí)達(dá)到凈化腔體消除水氣的目的。

3.2.6 液氮系統(tǒng)

采用自增壓液氮罐自動(dòng)為系統(tǒng)提供液氮，并可通過調(diào)節(jié)閥門的開啟量簡易控制降溫速度。

4 結(jié)束語

目前，在國內(nèi)外-160℃～＋140℃的溫度系數(shù)測(cè)試儀尚屬空白，很多太空用元器件都需要在模擬太空環(huán)境下測(cè)試并記錄元器件的各個(gè)性能指標(biāo)。溫度系數(shù)測(cè)試儀為在高真空下采集、記錄并測(cè)試元器件隨溫度大范圍變化時(shí)各項(xiàng)電性能指標(biāo)提供了一種便捷的手段。

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[3]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2001.