熱防護材料高溫異型傳感器校準技術研究

趙化業 裴雅鵬 張俊祺 劉 浩

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

1 引 言

飛行器在大氣層內高速飛行時外表面承受不同程度的氣動加熱，為保障航天器長時間安全飛行，熱防護系統結構的設計和熱防護材料的選擇是飛行器安全運行的關鍵因素[1,2]。熱防護材料高溫異型傳感器廣泛應用于高速飛行器熱防護材料的研制、試驗、生產過程中。按照系統測試要求，這些傳感器一般布置在熱防護材料的表面層和隔熱層，用以測量飛行器在飛行過程中某些位置點的溫度。通過這些位置點溫度及其他參數的測量，預測飛行器所處的飛行環境，對熱防護系統結構進行優化設計，進而提高飛行器在高溫環境下的飛行可靠性。

為了實現飛行器熱防護材料在這些特殊環境下的高溫測量，用于熱防護材料的高溫異型傳感器得到開發與應用，如超高溫熱電偶，其工作方式主要為接觸式測量。由于該類溫度傳感器必須與相關設備結構匹配，其外型結構多為異型，測溫敏感部分長度一般很短，無法放置到現有校準裝置的恒溫區，從而無法實現量值溯源。

本文針對熱防護材料高溫異型傳感器無法校準的問題，提出了一種應用專用高溫恒溫爐、基于比較法的校準方法，研制了高溫異型傳感器校準裝置，實現了該類溫度傳感器的校準，為熱防護材料的研究、試驗提供了有力的技術保障。

2 熱防護材料高溫異型傳感器校準原理

熱防護材料高溫異型傳感器校準應用比較法，其基本原理為：高溫恒溫爐為校準裝置的主體部分，溫度控制系統通過控制電源系統的輸出功率，在石墨加熱管中心部位形成均勻、穩定的溫度場，石墨加熱管中心部位放置有恒溫塊。被校準溫度傳感器通過石墨加熱管外部固定端子進行固定，測溫部分置于恒溫塊中。標準光電高溫計作為主標準器，通過測量窗口進行測量，指示恒溫塊標準溫度。溫度穩定后，通過測量系統采集被校準溫度傳感器的輸出，與標準光電高溫計的示值進行比較，計算其示值誤差。

校準過程中，水冷電極、高溫恒溫爐爐體、被校準溫度傳感器固定端子處均有冷卻液流通。加熱前，高溫恒溫爐內先抽成真空，后充入一定壓力的惰性氣體，防止石墨加熱管、石墨屏蔽層、保溫層、被校準溫度傳感器等在高溫環境中被氧化。

3 校準裝置的技術實現

校準裝置主要由高溫恒溫爐、標準光電高溫計、溫度控制系統、冷卻系統、真空系統、惰性氣體充氣系統、電源系統等構成,如圖1所示。

圖1 校準裝置結構原理圖

3.1 高溫恒溫爐

高溫恒溫爐為該校準裝置的主體，為熱防護材料高溫異型傳感器的校準提供均勻、穩定的溫度場。主要由高純石墨加熱管、石墨屏蔽層、石墨氈保溫層、水冷電極、傳感器固定端子、爐體等部分組成，結構原理如圖2所示。

圖2 高溫恒溫爐結構原理圖

該高溫恒溫爐的溫度上限設計為3200K，核心加熱元件為高純石墨加熱管，由于物體都存在熱脹冷縮的性質，石墨加熱管的體積在高溫時會存在一定的膨脹[3,4]，為防止高溫環境下石墨脹裂，石墨加熱管兩端設計成外錐體，加熱電極接頭制成內錐體。石墨加熱管在膨脹過程中使內外錐面實現緊密配合，防止虛接觸，導致接觸電阻增大。

在高溫下，石墨加熱管的熱輻射是一個不可忽視的問題，為防止熱輻射，同時也有助于爐溫的穩定性和溫場的均勻性，石墨加熱管外部裝有石墨屏蔽層和石墨氈保溫層。保溫層應用多層耐高溫、低導熱系數的石墨纖維氈，有效減少石墨加熱管熱量的損失。石墨屏蔽層支撐架為高純氧化鋯粉末通過專用模具高溫燒制而成，氧化鋯具有良好的耐高溫、絕緣性能，且在高溫下無有害物質產生。

水冷電極內部有冷卻液循環，通過冷卻系統降溫，使加熱電極工作時表面溫度不至于過高，保證其正常工作。水冷電極與爐體法蘭之間通過O型密封圈和絕緣螺栓實現密封和緊固。

被校準溫度傳感器在高溫環境下校準時，傳感器固定在固定端子上，測溫腔內溫度很高，由于熱傳導，傳感器固定端溫度也很高，為防止傳感器后端導線及焊接部位在高溫下被損壞，傳感器固定端子內部設計有冷卻液循環，通過冷卻系統降溫。

高溫恒溫爐爐體設計為雙層不銹鋼壁，在內外壁之間設計有導流管道，冷卻液采用雙進雙出，使爐體兩端的溫度對稱分布，工作時通過循環冷卻使其表面溫度在正常工作溫度范圍內。

3.2 標準光電高溫計

該校準裝置應用德國生產標準光電高溫計，該高溫計具有線性度高、噪聲低、重復性高的特點。其工作原理為，測量被測對象在確定波長下的光譜輻射亮度，并依據普朗克輻射定律確定物體的亮度溫度。標準光電高溫計采用線性光電探測器實現光電轉換，其入射輻射通量與輸出電量之間具有良好的線性關系。

主要由光學系統、光電探測器、濾波片、電動機控制器、電子電路系統和信號測量系統組成。

主要技術指標為：

量程：(500～3500)K；

測量不確定度：0.1%～0.2%。

標準光電高溫計結構示意如圖3所示。

圖3 標準光電高溫計結構示意圖

3.3 冷卻系統

冷卻系統為高溫恒溫爐爐體、水冷電極、傳感器固定端子等部件進行冷卻，保證各部件工作在其允許溫度范圍內。冷卻系統由循環泵、儲液箱、溫度控制器、冷卻器組、管路、閥門等組成，系統組成見圖4。該系統的冷卻液為防凍冷卻液，和水相比，具有溫度范圍寬、沸點高等優點，避免了由水結垢引起堵塞而導致的安全事故。另外，替代直排水方式，避免了水資源的浪費。冷卻液溫度超溫或意外發生堵塞時，控制系統會及時報警，并切斷加熱電源，防止過熱引起設備故障。

圖4 冷卻系統原理圖

3.4 真空系統與惰性氣體充氣系統

真空系統由擴散泵和機械泵等構成，采用擴散泵作為主抽泵，直聯式機械泵作為前級泵。真空系統采用真空氣動擋板閥作為高真空閥門，氣動角閥作為前級抽空閥門。真空管道采用不銹鋼金屬波紋管，可實現密封可靠的要求。

惰性氣體充氣系統主要由氣體壓力容器、氣體壓力檢測系統、氣體壓力控制系統、氣體管道、閥門等組成，主要作用為提供一定壓力的氬氣，使石墨加熱管、石墨屏蔽層、被校準溫度傳感器處于氬氣的保護環境中，防止高溫氧化。

該系統工作原理圖如圖5所示。溫度傳感器校準過程中，真空系統使高溫恒溫爐測試腔體的真空度可達到10-2Pa。

圖5 真空系統與惰性氣體充氣系統工作原理圖

3.5 電源系統

由于高純石墨材料電阻率較低，本校準裝置采用低電壓、大電流的供電方式。石墨的電阻率隨溫度變化是溫度的函數，為了避免在石墨的電阻率較低時，引起過流，將電源的輸出設計為恒流控制方式。

結合高溫恒溫爐的加熱特點，該電源系統應用大功率開關電源，采用IGBT功率模塊、合金磁芯等作為功率變換及傳遞的關鍵器件，利用逆變技術產生所需要的直流電流。在可靠性設計方面，為防止電壓或電流過載超限，設計了超溫反饋電路，超限時系統自動切斷電源供給并鎖定故障狀態，并發出警告提示。工作原理為：三相交流電經過一次整流濾波后，供給逆變電路，逆變電路將一次整流濾波后的直流電逆變成高頻交流電，然后高頻交流電經高頻變壓器隔離及變壓傳輸到副邊，再經過二次整流濾波后，得到所需的高性能直流電。工作原理框圖如圖6所示。

圖6 電源系統工作原理框圖

從輸出功率、功率損耗、電源穩定性等方面考慮，變壓器原邊采用全橋電路結構，副邊二次整流采用全波整流電路結構。變壓器為應用新型納米非晶材料研制而成的高頻環形變壓器。控制端輸入設計為(4～20)mA直流電流，與控溫用輻射溫度計的輸出相匹配。

為滿足大功率、低電壓大電流輸出的要求，該電源系統采用多組功率模塊并聯輸出的模式，各器件承受的電流應力大大降低，設備的安全性也得到提高。

3.6 溫度控制系統

溫度控制系統通過功率控制來實現石墨加熱管的溫度控制，采用高精度測量、閉環控制系統，其中的反饋測量，直接影響溫度控制的穩定性，由于目前常用的硅光電池反饋元件存在著很明顯的溫度系數，使得溫度發生漂移，所以本裝置采用高準確度輻射溫度計進行準確測量，實現穩定的溫度控制。

高溫恒溫爐電源系統輸出為直流電流，結合溫度控制系統的要求，本裝置應用模糊PID綜合控制技術，以確保溫度控制系統的動態性能和穩態性能，該控制技術的基本原理為：當被控變量的偏差值大于設定閾值時，應用定值控制方式，以提高控制系統的響應速度；當偏差值減小到設定閾值附近時，則切換到模糊控制方式，從而可以提高控制系統的阻尼性能，進而減少控制過程中的超調。該技術綜合應用了定值控制方式和模糊控制方式的優點，提高了系統的控制準確度和靈敏度。當偏差值達到模糊控制的穩態平衡范圍時，控制系統則可切換到傳統PID控制方式，PID控制方式在平衡點附近的小范圍內具有理想的控制性能，并且其積分作用也可有效消除控制系統的穩態誤差[5]。

模糊控制是在傳統控制系統的基礎上再增加一個模糊控制環節，在高溫恒溫爐控溫過程中利用模糊控制規則對控制參數進行在線修改的一種自適應控制系統。其過程為：先找出各參數與偏差及偏差變化率之間的模糊關系，在控制過程中不斷檢測偏差和偏差變化率，然后再根據模糊控制原理對各個參數進行在線調整，以滿足高溫恒溫爐控制系統的要求，使控制對象具有良好的動態和靜態性能。

4 校準裝置測量不確定度分析[6]

4.1 測量模型

高溫異型傳感器的測量模型為：

(1)

4.2 標準不確定度分量計算

4.2.1標準光電高溫計的標準不確定度分量u1

該校準裝置應用標準光電高溫計為主標準器，其擴展不確定度為U=0.18%(k=2)，則其標準不確定度分量為：

(2)

4.2.2標準測量窗口引入的標準不確定度分量u2

(3)

4.2.3 高溫恒溫爐有效恒溫區的穩定性引入標準不確定度分量u3

(4)

4.2.4 高溫恒溫爐有效恒溫區均勻性引入的標準不確定度分量u4

經測量，高溫恒溫爐有效恒溫區均勻性在3200K時為0.3%，區間半寬度ω′為0.15%，服從均勻分布,由此引入的標準不確定度分量：

(5)

4.2.5 高溫恒溫爐發射率引入的標準不確定度分量u5

(6)

4.2.6 被校準傳感器測溫點與標準器測量處溫度不一致引入的不確定度分量u6

被校準溫度傳感器測溫點所處的位置與標準器測量處有一定的間隙，間隙充有一定壓力的惰性氣體，由于熱平衡不理想，被校準溫度傳感器測溫點所處位置的溫度與標準器測量溫度存在一定的溫度差，經試驗測試，在3200K溫度點處，由此引入的不確定度分量為u6=0.13%。

4.2.7數據采集系統引入的標準不確定度分量u7

(7)

4.3 擴展不確定度計算

合成標準不確定度[6]：

(8)

uc≈0.22%

校準裝置擴展不確定度(k=2)：

U=kuc

(9)

U=2×0.22%≈0.5%

5 結束語

針對熱防護材料高溫異型傳感器的校準需求，詳細闡述了所研制的熱防護材料高溫異型傳感器校準裝置的工作原理及技術實現，該裝置測量不確定度可達到0.5%，滿足了熱防護材料高溫異型傳感器的校準需求，同時該研究成果對其它高溫校準裝置具有一定的借鑒意義。