熱真空低溫環(huán)境實驗臺研制

趙紅利 陳雙濤 侯 予

(1西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點實驗室 西安 710049)

(2西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 西安 710049)

1 引言

制冷與低溫技術(shù)在促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防軍事現(xiàn)代化以及推動科學(xué)技術(shù)發(fā)展中扮演著極其重要的角色。低溫制冷技術(shù)主要研究低溫環(huán)境的獲得，制冷機(jī)長期穩(wěn)定工作的實現(xiàn)，制冷機(jī)與被冷卻儀器、設(shè)備的匹配和兼容等，為低溫超導(dǎo)、紅外探測、低溫電子設(shè)備等有效載荷裝置提供穩(wěn)定可靠的低溫條件，保證其良好的工作性能［1］。根據(jù)國家當(dāng)前在國家安全、高新技術(shù)、節(jié)能環(huán)保等方面的迫切需求，以及國際低溫制冷技術(shù)研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢要求，對低溫制冷機(jī)、低溫材料、低溫?fù)Q熱器等領(lǐng)域的技術(shù)需求日益增長［2］。

由于低溫制冷機(jī)，特別是其關(guān)鍵部件低溫?fù)Q熱器覆蓋了液氦到室溫溫區(qū)，若直接暴露在環(huán)境中進(jìn)行實驗勢必產(chǎn)生很大的跑冷損失;而且由于低溫冷量級別很高、熱負(fù)荷比較小，若采用常規(guī)珠光砂絕熱方式跑冷損失相對其熱負(fù)荷比較大，會導(dǎo)致實驗偏差較大，影響實驗數(shù)據(jù)的可靠性。因此，低溫設(shè)備的相關(guān)實驗通常在真空冷箱內(nèi)進(jìn)行［3-5］。為了有效的開展低溫制冷機(jī)、低溫?fù)Q熱器及低溫傳熱與絕熱的性能實驗，建設(shè)了液氮溫度級別(80 K)的熱真空冷阱低溫環(huán)境實驗臺。

2 熱真空冷阱低溫環(huán)境實驗臺

熱真空冷阱低溫環(huán)境實驗臺采用真空多層絕熱方式，以液氮作為預(yù)冷和冷阱冷源，該真空冷阱試驗臺可用來進(jìn)行空間環(huán)境模擬和有限載荷、電子設(shè)備、空間材料等的熱真空考核實驗，真空條件下的絕熱、傳熱實驗以及低溫傳感器的標(biāo)定等。實驗臺由3個子系統(tǒng)組成，即氣路系統(tǒng)、真空絕熱系統(tǒng)和測試系統(tǒng)，其原理圖見圖1所示，實驗臺如圖2所示。

圖1 實驗臺原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

2.1 氣路系統(tǒng)的設(shè)計

氣路系統(tǒng)包括:穩(wěn)壓罐I、恒溫器、流量計、調(diào)節(jié)閥門、液氮預(yù)冷模塊、穩(wěn)壓罐II等.在采用外部循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行低溫實驗時，系統(tǒng)進(jìn)氣經(jīng)恒溫器溫度控制在295±1 K范圍內(nèi)，經(jīng)過穩(wěn)壓罐I進(jìn)行穩(wěn)壓，再經(jīng)流量計和調(diào)節(jié)閥門后穿過真空冷箱的法蘭，進(jìn)入換熱器的熱流體側(cè)進(jìn)口，熱流體出口的排氣再穿過真空冷箱的法蘭進(jìn)入液氮預(yù)冷模塊進(jìn)行降溫，降溫后的低溫工質(zhì)穿過真空冷箱的法蘭進(jìn)入換熱器的冷流體側(cè)，與熱流體進(jìn)行換熱，從換熱器冷流體側(cè)經(jīng)真空冷箱法蘭排到穩(wěn)壓罐II。在進(jìn)行制冷機(jī)及低溫材料性能等獨(dú)立實驗時，可不采用穩(wěn)壓氣路。

2.2 真空絕熱系統(tǒng)的設(shè)計

圖2 熱真空低溫環(huán)境實驗臺Fig.2 Thermal vacuum cryo-trap experimental apparatus

真空絕熱系統(tǒng)包括:真空冷箱、連接導(dǎo)管、溫度測量法蘭、壓力測量法蘭、進(jìn)排氣法蘭和真空機(jī)組以及液氮冷阱。真空冷箱采用圓柱型結(jié)構(gòu)，桶體選用直徑為φ387 mm、壁厚10 mm的無縫不銹鋼鋼管，桶體上下采用20 mm厚的法蘭連接。下法蘭裝有真空抽管，上法蘭上安裝溫度測量法蘭、壓力測量法蘭和進(jìn)排氣法蘭。為了達(dá)到較高的真空度，法蘭處的密封是關(guān)鍵問題，考慮到各部件所處的溫度范圍，選用的密封方式不同。處于環(huán)境調(diào)節(jié)的法蘭密封采用O形圈密封;由于系統(tǒng)的低溫進(jìn)氣溫度比較低，可達(dá)80 K，所以進(jìn)排氣法蘭與溫箱體法蘭不能采用O形圈密封，本試驗臺采用5 mm厚的紫銅墊密封。為了保證真空冷箱與真空泵的方便拆卸，采用快卸真空卡箍連接。

根據(jù)真空倉的實驗條件和用途以及其所要求達(dá)到的真空度，選擇RVP旋片式真空泵和FF620C渦輪分子泵組成的FJ-450分子泵機(jī)組，其抽速達(dá)到450 L/s，極限壓力小于6×10-7Pa，工作電壓為220V/50 Hz，采用水冷的冷卻方式。真空計選用定制的DL-7復(fù)合真空計，測量范圍可達(dá)6×10-8Pa—300 Pa。將真空泵機(jī)組和真空冷箱相聯(lián)，即組成了實驗中的真空系統(tǒng)。通過對真空冷箱的抽真空實驗驗證，系統(tǒng)真空度最低可達(dá)3.0×10-5Pa，足以滿足80 K低溫實驗的真空環(huán)境需求。

為了達(dá)到更好的絕熱效果，低溫實驗中可在實驗件外纏繞低溫絕熱紙/鋁箔的復(fù)合絕熱材料，在液氮溫區(qū)試驗中，采用P型低溫絕熱紙/鋁箔的復(fù)合絕熱材料，將0.012 mm的雙層鍍鋁聚酯膜50個組合纏繞成約25 mm厚的真空多層絕熱層。

為了降低跑冷損失、并在一定程度上模擬熱真空冷阱，系統(tǒng)中還增加了一套液氮冷屏。采用0.1 mm的鋁板作為輻射屏，其外壁四周纏繞φ8 mm的銅管，銅管進(jìn)出端分別穿過真空冷箱的法蘭。實驗中從銅管的一端通入液氮，并保證出口兩相排出，使真空冷阱壁面達(dá)到液氮溫區(qū)。

2.3 測試系統(tǒng)的設(shè)計

2.3.1 測量參數(shù)

低溫實驗考核主要技術(shù)指標(biāo)是效率、壓力與壓差、溫度與溫差、流量與熱負(fù)荷等［6］。因此，本實驗臺的測量參數(shù)為:

(1)溫度:測量冷熱流體溫度及冷阱、環(huán)境溫度，采用鉑電阻進(jìn)行測量;

(2)流量:主要測量進(jìn)氣流量，選用渦輪流量計或玻璃轉(zhuǎn)子流量計;

(3)壓力和壓差:測量冷熱流體側(cè)各自的進(jìn)氣壓力，由壓力傳感器來完成，并測量冷熱流體側(cè)各自的壓差，由壓差傳感器完成;

(4)真空度:監(jiān)控真空冷箱中真空度是否達(dá)到要求，由真空計來完成;

(5)電流和電壓:用于換算熱負(fù)荷。

2.3.2 計算機(jī)動態(tài)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)

為了滿足實驗臺數(shù)據(jù)采集的需要，開發(fā)了一套基于Windows XP下Labview程序平臺的實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該采集系統(tǒng)可以用于采集實驗系統(tǒng)的壓力、壓差、溫度、流量等信號，計算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采用可編程測試儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由硬件和軟件兩部分組成，能夠通過計算機(jī)實時采集存儲原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)點數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分由一臺主頻2.4GHz的研祥工控機(jī)、PCI-CEC488 GPIB通用接口卡、壓力傳感器、壓差傳感器、鉑電阻溫度傳感器、Keithley Model 2000型數(shù)字萬用表和Keithley 7001開關(guān)系統(tǒng)以及7015數(shù)據(jù)采集卡組成，系統(tǒng)硬件連接實物圖見圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件實物圖Fig.3 Hardware configuration of data acquisition system

2.3.3 實驗儀器的測量和標(biāo)定

選用了測量精度高、測量范圍寬、相應(yīng)快重復(fù)性好的渦輪流量計，其具體型號和出廠校驗參數(shù)見表1所示。

表1 渦輪流量計校驗單Table 1 Calibration of turbine flowmeter

實驗中需要測量試件進(jìn)氣的壓力和冷熱流體側(cè)的相應(yīng)的壓力損失，壓力和壓差測量選用西安中星測控有限公司生產(chǎn)的CS-PT型壓力和壓差傳感器，壓力和壓差傳感器靜態(tài)的性能指標(biāo)如表2所示。

表2 壓力、壓差傳感器靜態(tài)性能指標(biāo)Table 2 Static performance index of pressure and pressure difference sensor

傳感器均采用BQY-400活塞式壓力計、直流穩(wěn)壓電源和Keithley 2000多功能萬用表進(jìn)行校驗標(biāo)定，壓力傳感器0612154的精度符合0.25級，壓差傳感器0612142、061243的精度符合0.2級，符合實驗的精度要求。

實驗中采用經(jīng)中國科學(xué)院低溫計量測試站標(biāo)定過的工業(yè)鉑電阻(Pt100)溫度計，其直徑1.6 mm，分度溫區(qū)55 K—300 K，經(jīng)標(biāo)定后采用四引線電位法測量，測量電流1 mA，標(biāo)準(zhǔn)電阻位99.914Ω，測點間隔為0.1Ω，準(zhǔn)確度為0.1 K鉑電阻的擬合曲線見圖4所示，其擬合曲線公式為:

擬合曲線與溫度測點的最大誤差不超過0.1%。

圖4 鉑電阻的擬合曲線Fig.4 Performance fitting curve of platinum resistance temperature sensor

真空度的測量采用DL-7微型復(fù)合真空計和熱偶、電離真空規(guī)，來實現(xiàn)對真空系統(tǒng)的低真空度和高真空度的測試，其測量范圍為:6×10-8Pa—300Pa。

3 誤差分析與數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)精度的關(guān)系到實驗結(jié)果的可靠性與可信度，在測量系統(tǒng)的設(shè)計調(diào)試過程中盡管采取了各種措施以減小測量誤差，但由于儀表、傳感器等均會產(chǎn)生誤差。因此，對流量、溫度、壓力壓差等參數(shù)的測量誤差分析是十分必要的。

3.1 溫度的誤差分析

溫度測試過程的誤差主要包括:鉑電阻的不確定度D1、鉑電阻溫度計的測量誤差D2和多點轉(zhuǎn)換開關(guān)的影響D3。由于上述各分項誤差彼此獨(dú)立，故總的不確定度可以按式(2)合成［7］:

本文采用的精度為0.1 K低溫鉑電阻，其不確定度 D=0.1 K。

鉑電阻采用四線制接法，使用比較法測量其電阻，所使用的標(biāo)準(zhǔn)電阻精度為0.01級，Keithley 2000數(shù)字萬用表在100 mV量程內(nèi)測量誤差為:0.005×U+0.003 5% ×100 mV。則:

式中:d UPt和d UN為鉑電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓降的相對誤差，d RN為標(biāo)準(zhǔn)電阻的相對誤差，d RN=0.01%，因此，對于Keithley 2000數(shù)字萬用表，鉑電阻測量誤差:

則:

對于多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，其寄生熱電勢不超過0.4 μV，折合成溫度為:

根據(jù)上述各分誤差，可以合成測試過程的總不確定度D=0.159 5 K，即產(chǎn)生的最大誤差不大于0.16 K。

3.2 流量測量的誤差與不確定性分析

渦輪流量計的精度是影響測量系統(tǒng)精度的重要因素，因此對渦輪流量計的精度、測量的不確定性分析顯得極為重要。

在某一流量范圍內(nèi)，流量計的信號脈沖頻率f與通過渦輪流量計的體積流量Qv成正比，即f=kQv，式中k為流量計的儀表系數(shù)，流量計的校驗合格證上都標(biāo)明了經(jīng)過實驗校驗測得的儀表系數(shù)k值。

由于流量變送器的標(biāo)定通常是在當(dāng)時的環(huán)境溫度下進(jìn)行的，實驗工作溫度與標(biāo)定溫度存在偏差，需要進(jìn)行修正。溫度變化會引起傳感器內(nèi)部尺寸的變化，修正系數(shù):

α1是傳感器殼體材料平均熱膨脹系數(shù)，α2是傳感器葉輪材料平均熱膨脹系數(shù)，ΔT是工作溫度與標(biāo)定溫度之差，則測量的體積流量Qv=Q'vCT，Q'v為工作狀態(tài)下根據(jù)累計脈沖數(shù)N和儀表系數(shù)k求得的名義體積流量。根據(jù)實驗調(diào)節(jié)和渦輪材料，由于溫度變化引起的誤差在0.01%—0.03%之間。

一般流量計在使用時采用的是平均儀表系數(shù)，平均儀表系數(shù)為各標(biāo)定測點的儀表系數(shù)求和平均，所以流量計根據(jù)平均儀表系數(shù)進(jìn)行實測時存在偏差，表3為實測時的偏差。在實驗的流量范圍內(nèi)，流量計的測量誤差最大值不超過1%。

表3 流量計標(biāo)定偏差Table 3 Deviation of flowmeter

3.3 壓力、壓差測量的誤差與不確定性分析

在實驗中壓力、壓差傳感器的誤差來源主要包括以下幾個方面:

(1)標(biāo)定誤差。標(biāo)定的基準(zhǔn)表是0.2級精度，由于標(biāo)定時的壓力調(diào)節(jié)還有誤差，因此實際的標(biāo)定所帶來的誤差為0.3%;

(2)應(yīng)用調(diào)零子程序帶來的誤差。通過軟件的方法消除了時漂、溫漂以及零位輸出的影響，它們所帶來的誤差低于0.5%;

(3)傳感器材料性能非線性以及儀表的重復(fù)性誤差。固態(tài)壓阻式傳感器具有遲滯性小、重復(fù)性好的特點，因此主要誤差取決于非線性，從表中可以看出器測量的非線性誤差在0.3%以內(nèi);

(4)測量儀表誤差.本實驗采用Keithley公司的2000型數(shù)字源表，其輸出電壓的波動僅有幾個毫伏，因此由此產(chǎn)生的誤差影響小于0.1%。

綜上分析，壓力、壓差傳感器的測量精度可以達(dá)到2級精度，完全能夠滿足實驗的要求。

4 低溫實驗測試及結(jié)論

低溫試驗中為了減小實驗件的跑冷損失，首先對實驗件所處的冷箱進(jìn)行抽真空，以減小系統(tǒng)不必要的保冷損失和減少實驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差，當(dāng)真空度到1×10-3Pa以下后進(jìn)行實驗。在本實驗臺上先后進(jìn)行了低溫溫度標(biāo)定、低溫?fù)Q熱器及制冷機(jī)實驗。圖5為實驗臺低溫實驗圖，圖6為低溫實驗中冷阱出口溫度變化曲線，實驗結(jié)果表明實驗臺的技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)測量及控制均能滿足液氮溫度級別(80 K)的熱真空冷阱低溫環(huán)境要求。

圖5 液氮溫區(qū)實驗臺裝置圖Fig.5 Experiment apparatus for liquid nitrogen temperature level

圖6 冷阱出口溫度變化曲線Fig.6 Temperature variation curve of cryo-trap outlet

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