分體對開式高低溫發生裝置研究

高炳濤 楊曉偉 劉云平 梅紅偉 鐘 山 王慧龍

(北京航天計量測試技術研究所，北京100076)

1 引言

近年來隨著航天技術的不斷進步，人們對太空的探索更加深入，對力傳感器的使用與計量提出了更高的要求，需要承受超高溫、低溫、燒灼、腐蝕、真空、水下等復雜并極其惡劣的環境，其中高低溫環境是最常見的情況[1]。為了探究力傳感器在高低溫條件下的溫度特性，需要利用一套高低溫發生裝置為力傳感器模擬所需的高低溫試驗環境。高低溫發生裝置最常見的便是高低溫試驗箱[2]，但由于力傳感器在高低溫條件下校準存在結構連接形式的特殊性，對高低溫發生裝置提出了以下幾個方面的要求：a)高低溫發生裝置可在同一個箱體內產生(-80℃～400℃)的高低溫環境；b)為適應不同大小、不同型式力傳感器的安裝要求，高低溫發生裝置箱體應便于移動與調整；c)力傳感器在高低溫發生裝置箱體內應便于安裝與拆卸；d)箱體內部力傳感器需通過上下金屬拉/壓桿與外部力傳感器校準裝置連接，所以需要高低溫發生裝置箱體上下面設有連接孔。鑒于以上連接結構形式的特殊性，現有高低溫試驗箱無法滿足要求，因此，需要研制一種分體式對開式高低溫發生裝置，作為專用設備用于力傳感器在高低溫環境下的校準。

2 高低溫發生裝置

2.1 總體設計

根據力傳感器在高低溫條件下校準需求的特殊性設計了一種分體式對開式高低溫發生裝置，其總體組成如圖1所示，高低溫發生裝置包括高低溫發生系統、箱體和高低溫風循環管道三部分，高低溫發生裝置設計為分體式對開式結構，高低溫發生系統與箱體分開，通過高低溫風循環管道將高低溫發生系統與箱體連接，方便了箱體移動與調整；箱體以中心對稱面分割為前后兩部分對開式結構，方便被校力傳感器在其內部安裝與拆卸。

2.2 高低溫發生裝置結構設計

箱體結構如圖2所示，箱體為對開式結構，方便力傳感器的安裝與拆卸，箱體以前后中心面將其分割為前后兩部分，且在箱體上下面各設有一個上下連接孔，實現了箱體內部力傳感器與外部力傳感器校準裝置連接；箱體外形設計為方形結構，內膽設計為圓形結構，內外層之間用填充石棉進行隔熱，箱體內膽采用304不銹鋼材料，高低溫環境可在同一個箱體內產生。

高低溫發生系統用于產生高低溫媒介，其中高溫采用電加熱絲產生，通過控制流過電阻絲的電流

大小獲得不同高溫試驗環境；低溫采用三級復迭式制冷機組產生，常壓氣態冷媒依次通過壓縮機組、冷凝器后送進蒸發器，在蒸發器內部完成高壓汽化的吸熱過程，達到降溫的目的。通過控制冷媒在壓縮機組、蒸發器、冷凝器的流速和流量獲得不同的低溫試驗環境。制冷機組如圖3所示。

圖3 制冷機組Fig.3 Refrigeration unit

高低溫發生裝置總體組成為分體式結構，高低溫發生系統與箱體獨立，并利用高低溫風循環管道將高低溫發生系統與箱體連接。高低溫發生系統設有風循環系統，將高低溫風通過高低溫風循環管道送入箱體內部；高低溫風循環管道為回路式結構，其中一條管道用于將高低溫風由高低溫發生系統送入箱體內部，另一條管道用于將由箱體內高低溫風送回高低溫發生系統；高低溫風循環管道為雙層式結構，中間抽真空，可在-100℃ ～450℃的溫度范圍內使用并且具有良好的保溫性能，如圖4所示。

2.3 高低溫控制系統設計

高低溫發生裝置控制系統核心部件是溫度傳感器和控溫儀表，控溫儀表與PC機聯網集中管理，實現溫度的設計、控制和PID調節[3]。圖5所示為高溫控制系統原理圖，采用兩段式電阻絲加熱方式控溫，溫度控制系統根據測溫傳感器反饋的箱體內部溫度與高溫設定溫度對變壓器進行調節，以此來改變流通電阻絲的電流大小，完成對箱體內部溫度的調節。

圖4 高低溫風循環管道Fig.4 High and low temperature wind circulating pipe

圖5 高溫控制系統原理圖Fig.5 Schematic diagram of high temperature control system

圖6所示為低溫控制系統原理圖，低溫采用三級復迭式制冷機組產生，通過控制冷媒在制冷機組、冷凝器、蒸發器的流速和流量獲得不同的低溫試驗環境溫度。

圖6 低溫控制系統原理圖Fig.6 Schematic diagram of low temperature control system

高低溫控制流程圖如圖7所示，首先進行溫度選擇，當試驗箱需要高溫時，設定溫度必須高于室溫，由機組中的電加熱絲加熱升溫，箱內溫度達到設定溫度時，便自動切斷加熱電源，停止加熱，箱內溫度隨著試驗箱的漏熱而慢慢降低，低于設定溫度時，又接通電源加熱而升溫。當試驗箱需要低溫時，設定溫度低于室溫，利用三級復疊式制冷機組通過對冷媒循環壓縮吸熱降溫。

圖7 高低溫控制流程圖Fig.7 Flow chart of high and low temperature control

4 技術指標測試結果

選用了溫度測量儀，按照《JJF1101-2003環境試驗設備溫度、濕度校準規范》對高低溫發生裝置在使用溫度范圍內選取-80℃，100℃和400℃三個溫度點對溫度偏差和溫度均勻度進行測試，測試結果與設計指標對照如表1所示。

表1 技術指標對照表Tab.1 Technical indicator comparison table ℃

根據測試結果可知，高低溫發生裝置在-80℃～400℃溫度范圍內溫度偏差為±2℃，溫度均勻度2℃，滿足技術指標要求。

5 結束語

根據力傳感器在高低溫條件下校準的特殊性研制了一套分體對開式高低溫發生裝置，其溫度范圍為-80℃ ～400℃，溫度偏差為±2℃，溫度均勻度為2℃，該裝置可作為專用設備用于力傳感器在高低溫環境下的校準。