實驗室太陽輻射試驗中溫度測量的分析

羊軍，趙書平，李金國

（空軍裝備研究院雷達所，北京 100085）

引言

太陽輻射是暴露在自然環境中的設備所要經受的主要環境應力之一，它對設備的影響主要有熱效應和光化學效應。其中熱效應主要是由太陽輻射中的紅外光譜產生的，引起設備自身的溫度高于周圍空氣的溫度，并把高出的部分定義為附加溫升，它可能造成設備的過熱失效，或者因為接受輻射強度的不同導致出現附加溫升的熱梯度從而使設備結構破壞。

附加溫升的大小和設備的表面材質、顏色、粗糙度等因素有關，不同的設備以及不同的表面狀態其附加溫升也不盡相同。因此通過對太陽輻射試驗中設備本身的溫度測量來掌握其在太陽輻射下實際的溫度響應，從而為設備狀態的分析和防護設計等提供依據。

本文以線纜樣件為例，進行了實驗室全光譜太陽輻射試驗的溫度測量。

1 試驗方法

1.1 試驗設備

試驗樣件放置于太陽輻射試驗箱內，采用熱電偶、溫度采集儀、網絡交換機、計算機等組成的溫度測量系統進行溫度采集，試驗網絡圖見圖1。

圖1 試驗網絡圖

試驗所用的試驗箱為SR-5400 型太陽輻射試驗設備，它選用光譜能量分布較接近于太陽光的短弧氙燈作為人工光源，模擬自然太陽光照，專用于考核置于戶外受太陽光直接照射的產品耐太陽輻射的熱效應和光化學效應的能力。

熱電偶為某公司的T 型鎧裝熱電偶，測量范圍為-185℃～+370℃，精度為±0.75%，響應時間為3s。

溫度采集儀為某公司的EX1048 型高精度熱電偶采集儀，內置高精度冷端補償和自校準源，在環境溫度15℃～35℃內測量0℃～100℃的最大誤差為±0.9℃。

計算機通過網絡交換機遠程監控溫度采集儀并記錄溫度采集數據，試驗中采集數據的記錄頻率為0.1Hz，即每10s 記錄一次測量結果。

1.2 試驗樣件

本次試驗樣件為Φ25mm×200mm 的線纜樣件，外層為黑色聚乙烯層，表面光滑，向里為交叉編織的銅網層，再向里為抗拉的纖維層，中心為三芯電纜層。在線纜端面的中心和靠近上下表面位置，沿平行線纜中心軸的方向鉆3 個小孔，放入1#、2#、3#熱電偶，作為樣件的溫度采集點。線纜樣件端面及溫度測點示意圖見圖2。

線纜樣件放置于試驗箱內的工作平臺上，在輻照光源的投影區域內，距離光源的垂直距離為0.76m。

1.3 試驗條件

試驗按GJB 150.7-1986《軍用設備環境試驗方法 太陽輻射試驗》中穩態長期光化學效應試驗的試驗程序進行。24h 為一個日循環，前20h 調整試驗箱內輻射強度為1120W/m2，后4h 關閉輻照光源，試驗過程中試驗箱內的溫度始終保持在49℃。

2 試驗結果及分析

試驗箱的1 個日循環試驗條件記錄見圖3。日循環開始時，輻射強度升高至1120W/m2，保持20h 后關閉輻照光源，并保持4h，完成1 個循環。光源關閉后，試驗箱內太陽輻射偵測儀仍接收自然光輻射，因此記錄的輻射強度約為240W/m2而不是0。在光源開啟后，輻射強度迅速增大，試驗箱內氣流溫度因輻射吸熱而隨之升高，然后試驗箱溫度控制系統調節氣流溫度重新回歸49℃，因此圖中溫度曲線出現向上的鋸齒形。在關閉光源時發生相反的過程，圖中溫度曲線出現向下的鋸齒形。此外的其他時間中，試驗箱內溫度均保持為49℃。

在圖3 的日循環中，3 只熱電偶的溫度測量曲線見圖4。溫度測量曲線表現為與輻射強度曲線相一致的變化趨勢。根據溫度測量曲線的變化特點，可將其分為4 段，詳見表1。

圖2 線纜端面及溫度測點示意圖

圖3 試驗箱內條件記錄曲線

圖4 熱電偶溫度測量曲線

表1 溫度曲線的劃分

其中，2#測點（位于線纜中心）的溫度曲線在上升段和下降段均滯后于另外兩條曲線，由此說明：當光源開啟后，樣件表面接受光照輻射，因紅外光的加熱效應而溫度升高，然后以導熱的方式向樣件內部傳熱，使中心處溫度升高，熱量的傳遞方向是由外至內；在關閉光源之后，輻射熱源消失，樣件表面因和箱內空氣對流換熱而迅速降溫，樣件中心以導熱的方式向外傳熱而降溫，熱量的傳遞方向是由內至外。

參考GJB 150-1986 中樣件溫度穩定的定義，溫度測量曲線邊界點的判定方法為：在第2、第4 段曲線中溫度變化速率小于等于1℃/h，分別對應于試驗箱內輻射工況下和無輻射工況下樣件的熱平衡狀態。按此方法可以把上表面溫度曲線劃分為ab，bc，cd，de 四段，如圖4 所示。

把3 只熱電偶的溫度測量曲線分為4 段后，對第2、第4 段的溫度測量數據分別計算其算術平均值和標準偏差，得到的結果見表2。

其中，T2、T4分別表示第2、第4 段溫度測量曲線的算術平均值；

σ2、 σ4分別表示第2、第4 段溫度測量曲線的標準偏差。

從表2 中可以得出：

表2 溫度測量結果

圖5 輻射工況下線纜溫度測量結果

4）三只熱電偶的σ2、σ4均較小，說明在光照輻射和無輻射時，樣件所達到的熱平衡狀態很穩定。兩種工況下，2#測點的標準偏差更小，這是因為樣件表面和箱內空氣進行對流換熱，由于氣流的擾動而使樣件表面溫度產生波動，越是靠近中心，受這種擾動的影響越小，溫度也越穩定。而三只熱電偶的 σ2均大于σ4好幾倍，這是因為光照輻射工況比無輻射時，樣件表面與箱內空氣的溫差更大，從而使對流換熱的擾動更加劇烈。

3 結束語

在太陽輻射試驗中，由于光照輻射導致樣件附加溫升顯著，且樣件內部存在的熱梯度，試驗結果為相關產品環境適應性設計提供重要的資料。附加溫升的量值和樣件本身特質有關，對不同的樣件應分別考慮其附加溫升的大小及帶來的影響。

[1]GJB 150-1986,軍用設備環境試驗方法[S].

[2]曹玉璋編. 傳熱學[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2011.7.