基于逆向思維的衛(wèi)星熱真空試驗(yàn)熱電偶實(shí)施工藝方法

郭濤，賈瑞金，王冬梅，肖正懿，方志開(kāi)，蔡瑋

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

衛(wèi)星熱試驗(yàn)過(guò)程中，為全面地分析和評(píng)估衛(wèi)星艙板、設(shè)備等部件的溫度狀態(tài)，需要在衛(wèi)星特征部位布置一定數(shù)量的測(cè)溫傳感器，從而比較全面地獲取試驗(yàn)的溫度數(shù)據(jù)。熱電偶是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、熱慣性小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、應(yīng)用最為廣泛的溫度傳感器[1-2]，在衛(wèi)星熱試驗(yàn)中被廣泛應(yīng)用。影響熱電偶測(cè)溫精度的因素主要包括：分度誤差、不均勻性和不穩(wěn)定性引起的誤差、補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)誤差、參考端溫度變化、熱交換引起的溫差、測(cè)量回路引入新的熱電勢(shì)等[3-4]。目前，在熱電偶的制造封裝工藝方面的研究很多[5-6]，但是熱電偶實(shí)施方面的工藝研究鮮有報(bào)道。航天器熱試驗(yàn)一般采用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫[7]。目前熱電偶實(shí)施的工藝方法需要占用較長(zhǎng)的型號(hào)主線(xiàn)研制時(shí)間，實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相對(duì)雜亂，容易造成熱電偶引線(xiàn)損傷。針對(duì)上述問(wèn)題，文中提出了基于逆向思維的熱電偶實(shí)施工藝方法，該工藝方法不會(huì)引入新的溫度測(cè)量誤差，且可大幅提高熱電偶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的效率。

1 熱電偶測(cè)溫原理

當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，且兩端相互連接時(shí)，只要接點(diǎn)位置存在溫度梯度，回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，該現(xiàn)場(chǎng)被稱(chēng)為“熱電效應(yīng)”，又稱(chēng)“塞貝克效應(yīng)”，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為“熱電勢(shì)”，如圖 1所示[8-10]。

圖1 熱電效應(yīng)

熱電動(dòng)勢(shì)兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)和的溫差電動(dòng)勢(shì)兩部分組成。熱電偶回路的總電動(dòng)勢(shì)可寫(xiě)成：

式中：EAB(t, t0)為總電動(dòng)勢(shì)；eAB(t)為導(dǎo)體A、B在接點(diǎn)溫度t時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)；eAB(t0)為導(dǎo)體A、B在接點(diǎn)溫度t0時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)；eA(t, t0)為導(dǎo)體A在兩端溫度分別為t和t0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢(shì)；eB(t,t0)為導(dǎo)體B在兩端溫度分別為t和t0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢(shì)。

實(shí)踐證明，總電動(dòng)勢(shì)中占主要部分的是接觸電動(dòng)勢(shì)，溫差電動(dòng)勢(shì)只占極小部分，可忽略。故式（1）可簡(jiǎn)化為如下：

熱電勢(shì)大小只與導(dǎo)體的材料及接點(diǎn)的溫度有關(guān)，當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電勢(shì)只與接點(diǎn)溫度有關(guān)，即兩節(jié)點(diǎn)溫度t和t0的函數(shù)為：

式（3）在實(shí)際測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。因?yàn)槔涠藅0恒定后，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)只隨熱端（測(cè)量端）溫度的變化而變化，即一定的熱電勢(shì)對(duì)應(yīng)著一定的溫度。

2 熱試驗(yàn)中熱電偶應(yīng)用

衛(wèi)星真空熱試驗(yàn)中使用最多的是T型熱電偶，由銅絲和康銅絲通過(guò)激光點(diǎn)焊而成。測(cè)量線(xiàn)路一般采用雙線(xiàn)冗余公用負(fù)極的接線(xiàn)方式，數(shù)采儀器位于真空罐外部，并通過(guò)Y2-50密封插頭的方式引出罐外。每個(gè)密封插頭的前48針?lè)謩e與對(duì)應(yīng)熱電偶的銅線(xiàn)焊接，第49、50針各連接2根長(zhǎng)銅線(xiàn)延長(zhǎng)線(xiàn)，且第49、50針用短銅絲搭接。將測(cè)溫?zé)犭娕嫉?8根康銅線(xiàn)端頭扭焊在一起，并連接出2根5 m長(zhǎng)同牌號(hào)的康銅絲。單獨(dú)引出的2根銅絲和康銅絲分別與2個(gè)參考熱電偶的銅絲端和康銅絲端進(jìn)行扭焊，參考點(diǎn)溫度（一般為0 ℃）由鉑電阻測(cè)量，最后通過(guò)電連接器與數(shù)采儀器連接，實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，具體原理如圖2所示。

圖2 熱電偶在熱真空試驗(yàn)中應(yīng)用

目前熱電偶實(shí)施的工藝流程如圖3所示。該工藝流程主要存在如下問(wèn)題：熱電偶引線(xiàn)統(tǒng)一甩出衛(wèi)星外后，幾百根引線(xiàn)匯在一起，且長(zhǎng)度不一，分線(xiàn)工作難度大，占用時(shí)間長(zhǎng)；甩線(xiàn)的路徑未進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，而是現(xiàn)場(chǎng)自由發(fā)揮，容易影響其他部件的裝配，且實(shí)施一致性差；焊連插頭前，由于引線(xiàn)長(zhǎng)度不一，引線(xiàn)剪齊工作前需要進(jìn)行標(biāo)簽轉(zhuǎn)移工作，工作效率低下；在衛(wèi)星周邊操作，工作現(xiàn)場(chǎng)較為雜亂，熱電偶的引線(xiàn)細(xì)且長(zhǎng)，實(shí)施過(guò)程中容易造成引線(xiàn)的打結(jié)，進(jìn)而損傷引線(xiàn)，如圖4所示。以某型號(hào)240個(gè)熱電偶實(shí)施過(guò)程為例，若以4個(gè)熟練電裝人員和2個(gè)檢驗(yàn)人員同時(shí)進(jìn)行工作，熱電偶實(shí)施預(yù)估時(shí)間見(jiàn)表1。

圖3 當(dāng)前工藝流程

圖4 焊入電連接器現(xiàn)場(chǎng)

表1 當(dāng)前方法占用時(shí)間

3 基于逆向思維的實(shí)施工藝方法

針對(duì)熱電偶實(shí)施過(guò)程中的主要問(wèn)題，秉承主輔線(xiàn)分離、提高效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量的原則，提出基于逆向思維的熱電偶實(shí)施工藝方法，即將熱電偶引線(xiàn)甩出衛(wèi)星外、引線(xiàn)分線(xiàn)、引線(xiàn)焊入電連接器、焊連后檢查等最后實(shí)施的問(wèn)題集中的工作內(nèi)容，提前至工作的前期，并轉(zhuǎn)化為輔線(xiàn)，增加設(shè)計(jì)階段的工作內(nèi)容，變被動(dòng)為主動(dòng)，提高生產(chǎn)效率，具體工作流程如圖5所示。該工藝方法只是將原實(shí)施流程的前后順序進(jìn)行優(yōu)化，未增加新的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施內(nèi)容，不會(huì)引入新的測(cè)量誤差。

3.1 分區(qū)設(shè)計(jì)

分區(qū)設(shè)計(jì)就是將所有的熱電偶進(jìn)行區(qū)域劃分，以降低不同區(qū)域之間熱電偶引線(xiàn)間的關(guān)聯(lián)性，提高實(shí)施效率。

熱電偶實(shí)施過(guò)程中，因存在裝配關(guān)系的遮擋，部分位置的熱電偶需要提前粘貼。所屬不同艙段的熱電偶，艙段對(duì)接前，無(wú)法同時(shí)、同地點(diǎn)實(shí)施。因此，熱電偶分區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)，以實(shí)施時(shí)間前后、衛(wèi)星艙段、同一艙段距離遠(yuǎn)近分開(kāi)為原則，將熱電偶分成若干個(gè)區(qū)域。由于數(shù)據(jù)采集設(shè)備資源和真空罐上密封電連接器數(shù)量的限制，需將相鄰區(qū)域內(nèi)的熱電偶合并焊接在同一個(gè)電連接器上。多個(gè)區(qū)域合并時(shí)，熱電偶數(shù)不能超過(guò)48個(gè)。

以某型號(hào)240個(gè)熱電偶為例，240個(gè)熱電偶劃分成了21個(gè)區(qū)域，21個(gè)區(qū)域最后合并為8個(gè)電連接器，見(jiàn)表2。

圖5 基于逆向思維的工藝流程

表2 分區(qū)設(shè)計(jì)

3.2 路徑設(shè)計(jì)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，若每個(gè)熱電偶的引線(xiàn)長(zhǎng)度均不一致，將大大增加模板引線(xiàn)的制作效率，且所需時(shí)間與熱電偶的數(shù)量近似成指數(shù)關(guān)系。為達(dá)到模板引線(xiàn)制作耗費(fèi)時(shí)間與最終實(shí)施效果之間的平衡，需采用如下方法：各個(gè)區(qū)域之間的路徑必須明確走向，而單個(gè)區(qū)域內(nèi)每個(gè)熱電偶引線(xiàn)的走向無(wú)需明確，只需設(shè)計(jì)出集束點(diǎn)；集束點(diǎn)到每個(gè)熱電偶粘貼點(diǎn)之間的引線(xiàn)長(zhǎng)度用集束點(diǎn)到該區(qū)域最遠(yuǎn)點(diǎn)之間的距離替代，確保每個(gè)熱電偶都可粘貼在指定位置。

以某型號(hào)的第一個(gè)電連接器為例，路徑設(shè)計(jì)如圖6所示。

3.3 釘板圖設(shè)計(jì)

依據(jù)分區(qū)設(shè)計(jì)和路徑設(shè)計(jì)，進(jìn)行釘板圖的設(shè)計(jì)。釘板圖應(yīng)包含插頭起點(diǎn)、分支點(diǎn)、集束點(diǎn)、熱電偶測(cè)溫點(diǎn)、每個(gè)分支的熱電偶數(shù)量、長(zhǎng)度信息等。以某型號(hào)的第一個(gè)電連接器為例，釘板圖設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖6 路徑設(shè)計(jì)

圖7 釘板圖設(shè)計(jì)

3.4 電連接器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

確定同一電連接器上具體焊連的熱電偶后，將同一區(qū)域按照熱電偶編號(hào)的大小順序從小到大排列，不同區(qū)域按照區(qū)域的編號(hào)進(jìn)行排列，并賦予電連接器號(hào)以及對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號(hào)。考慮到熱電偶反甩和粘貼的過(guò)程發(fā)生損壞的可能性，需要在每個(gè)艙段或者區(qū)域?qū)?yīng)熱電偶數(shù)量較少的電連接器上增加若干個(gè)備份（一般為3～8個(gè)，依據(jù)熱電偶的總數(shù)確定）。

3.5 實(shí)施階段

按照逆向思維的實(shí)施工藝方法，熱電偶的實(shí)施過(guò)程如圖8所示。

圖8 實(shí)施過(guò)程

4 優(yōu)勢(shì)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證

基于逆向思維的實(shí)施工藝方法，基本實(shí)現(xiàn)了星上工作星下化，星下工作輔線(xiàn)化，輔線(xiàn)工作單元化。相比常規(guī)的方法，主要有如下優(yōu)勢(shì)：

1） 熱電偶引線(xiàn)甩出星外、引線(xiàn)分線(xiàn)等最占用主線(xiàn)時(shí)間的工作成功轉(zhuǎn)移至星下輔線(xiàn)工作，節(jié)省主線(xiàn)時(shí)間。

2） 模板引線(xiàn)主束走向完全確定，提高了熱電偶實(shí)施過(guò)程的一致性。

3） 焊連電連接器前，因引線(xiàn)長(zhǎng)度不齊產(chǎn)生的標(biāo)簽轉(zhuǎn)移工作完全取消，規(guī)避了標(biāo)簽轉(zhuǎn)移錯(cuò)誤帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

4） 現(xiàn)場(chǎng)整潔有序，降低了熱電偶引線(xiàn)損傷的可能性。

基于逆向思維的實(shí)施工藝方法已經(jīng)在某型號(hào)上成功應(yīng)用，縮短并行操作時(shí)間 3.5 d，縮短主線(xiàn)操作時(shí)間4.5 d，縮短總操作時(shí)間1 d，具體見(jiàn)表3、圖9。考慮到人力資源安排，并行操作時(shí)間可能轉(zhuǎn)化為主線(xiàn)時(shí)間，即當(dāng)前方法占用主線(xiàn)時(shí)間為11 d，逆向思維方法占用主線(xiàn)時(shí)間為3 d，按此計(jì)算，主線(xiàn)工作效率可提升267%。

表3 逆向思維方法占用時(shí)間

圖9 時(shí)間對(duì)比

5 結(jié)論

1）該工藝方法與傳統(tǒng)方法相比，不會(huì)引入新的測(cè)量誤差。

2）合理可行，操作方便，主線(xiàn)工作效率提升267%。

3）可提高現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的一致性，降低熱電偶引線(xiàn)損傷的可能性。

4）可為其他行業(yè)的測(cè)溫試驗(yàn)工作提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳寅之. 在鎳基高溫合金上制備薄膜熱電偶及其相關(guān)技術(shù)研究[D]. 成都∶ 電子科技大學(xué), 2014.

[2] 鄭曉文. 關(guān)于熱電偶冷端補(bǔ)償問(wèn)題的探討[J]. 宇航計(jì)測(cè)技術(shù), 2002, 22(6)∶ 53-59.

[3] 倪建豐. 熱電偶的測(cè)量誤差及克服方法[J]. 化工裝備技術(shù), 2008, 29(2)∶ 59-61.

[4] 王彥明, 郝彥軍. 熱電偶測(cè)量誤差分析[J]. 中國(guó)儀器儀表, 2013, 8∶ 56-59.

[5] 戴磊, 吳云峰, 胡波洋, 等. 熱電偶灌膠工藝中的圖像輪廓檢測(cè)和判定[J]. 機(jī)電信息, 2016, (15)∶ 86-89.

[6] 戴磊. 熱電偶自動(dòng)裝配工藝中的機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)研究[D]. 成都∶ 電子科技大學(xué), 2016.

[7] 郭贛. 真空熱試驗(yàn)的溫度測(cè)量系統(tǒng)[J]. 航天器環(huán)境工程, 2006, 26(1)∶ 33-36.

[8] 安萬(wàn)慶, 柳曉寧, 趙翔宇, 等. 鎢錸熱電偶在航天器真空熱試驗(yàn)中的應(yīng)用[J]. 航天器環(huán)境工程, 2016, 33(2)∶189-193.

[9] 尹代冬, 謝鍇. 熱電偶測(cè)溫過(guò)程中溫度跳躍問(wèn)題的分析及處理[J]. 、計(jì)量 測(cè)試與校準(zhǔn), 2011, 31(6)∶ 31-32.

[10] 蔣亞州. 電磁渦流剎車(chē)綜合性能試驗(yàn)臺(tái)[D]. 西安∶ 西安石油大學(xué), 2013.