熱流現場校準裝置研制及不確定度分析

張俊祺 ,李晨源 ,劉寶舉 ,周銘銳 ,吳偉偉 ,趙化業 ,劉 鑫

(1.北京航天計量測試技術研究所,北京 100076;2.中國運載火箭技術研究院,北京 100076)

1 引言

熱流定義為單位時間內每平方厘米或平方米的面積上熱量轉移程度的定量[1],單位通常為W/cm2或kW/m2。大部分的工程類應用均涉及到熱量的產生與轉移,尤其是國防軍工領域[2-4]和能源生產應用等領域[5],對熱流進行定量測量,不僅可以為設備的正常操作提供可靠數據,還可以為能源產品或相關設備的研制提供參考依據。

在飛行器高速飛行過程中,表面溫度急劇升高,防隔熱設計是飛行器設計的關鍵,表面熱流的準確測量為飛行器的設計、仿真和試驗提供了可靠依據[6],采用電弧風洞對飛行器進行地面模擬氣動熱環境下的飛行試驗時,需要采用瞬態熱流傳感器對熱流密度進行多次測量,以保證模擬參數的準確性[7];火工藥劑和液體固體類炸藥等火工品在研制過程中,需要對其燃燒特性和爆炸威力進行多次分析測量,熱流測量可提供數據依據[8];固體或液體火箭發動機的燃燒室和噴管等部位在試車時,需要采用量熱法、熱流計以及其他方式對熱流進行測量,以保證燃燒室和噴管的熱載荷處于可控范圍,并為發動機的實時控制提供數據依據[9]。

目前已建的熱流計量標準器具因體積龐大難以移動,只能實現實驗室校準[10]。大多數熱流現場測量系統由于難以拆卸和敏感面易污染、磨損等原因,存在出廠校準后長期處于無法周期校準的情況,同時也無法實現熱流測量系統全鏈路現場校準,不僅降低了型號試驗數據的準確可靠性,而且埋下了安全隱患。

2 測量原理

圓箔式傳感器中的GARDON 類型具有較小的熱慣性和較好的穩定性,可以作為工作標準熱流傳感器,其結構如圖1 所示。

圖1 熱流傳感器結構示意圖Fig.1 Structure diagram of heat flow sensor

熱流傳感器主要由康銅和銅材料制成的固體結構件以及冷卻水組成。從康銅板中心引出的一根導線的另一端焊接到銅固體結構件的下端,康銅板與銅板緊密焊接為一個整體,當冷卻水經過銅板時,產生的溫差可使傳感器變成簡易溫差熱電偶?？赏ㄟ^控制冷卻水的流速來使整體結構件的溫度處于一定范圍內,流速越大,產生的溫度梯度越大。

通過熱傳導分析可知康銅板的尺寸是制約傳感器靈敏度的最關鍵因素,則

式中:R——熱流傳感器康銅板的半徑,cm;h——康銅板厚度,cm。

從公式(1)可知,通過測量熱流傳感器輸出電勢便可計算出相同條件下的輻射入射熱流密度。

在熱流測試現場,采用小型化熱流源產生穩定均勻的熱流,分別照在標準熱流傳感器和被校熱流傳感器的測量敏感面上,數據采集器分別采集標準熱流傳感器和被校熱流傳感器輸出的電勢信號,利用比較法可對熱流傳感器進行現場校準。

標準輻射熱流傳感器的輻射熱流值qBi按公式(2)計算。

式中:EBi——標準輻射熱流傳感器輸出電動勢,mV;KB——標準輻射熱流傳感器靈敏度,(W/cm2)/mV。

被校輻射熱流傳感器的輻射熱流值qi按公式(3)計算。

式中:K——被校輻射熱流傳感器靈敏度,(W/cm2)/mV;Ei——被校輻射熱流傳感器輸出電動勢,mV。

被校輻射熱流傳感器的示值誤差Δqi按公式(4)計算。

3 現場校準裝置

熱流現場校準裝置主要由小型化熱流源、標準熱流傳感器、冷卻和電源控制系統以及其他配套設備組成,如圖2 所示。

圖2 熱流現場校準裝置構成示意圖Fig.2 Schematic diagram of heat flow field calibration device

校準裝置中的小型化熱流源用來產生校準所用穩定均勻的熱流;標準熱流傳感器作為整套校準裝置的主標準器,用來實現熱流量值的溯源;冷卻和電源控制系統由冷卻系統和配套的電源控制系統組成,可以為熱流源和傳感器提供制冷降溫效果;電源控制系統用來實現校準過程中,小型化熱流源功率的控制調節、狀態監測、輸出信號的采集,以及后續被校熱流傳感器和標準傳感器的數據實時采集以及存儲和處理;瞄準及功率監測系統實現實時輸出能量監測,是重要的系統控制環節,并通過輸出指示光在光斑焦距處指示出具體的光斑位置,便于瞄準熱流傳感器的敏感面。

為了保護熱流源內部光學部件,需保證封裝殼體內部的相對濕度低于40%,需在工作前連接氮氣或氬氣進行吹掃。小型化熱流源的位置調節可采用調節三腳架實現,以保證現場校準時不同位置熱流傳感器的原位校準,調節三腳架承重大于5 kg,可進行任意位置和方向的調節與固定。

3.1 小型化熱流源

小型化熱流源采用一套大功率基于半導體材料的穩定持續工作激光系統,主要由高功率激光器、電源控制系統、水冷系統等組成。

基于半導體材料的高功率激光器,中心波長為980 nm,激光器照射范圍為23 mm ×23 mm～35 mm ×35 mm,最大功率可達0.5 MW/m2。Bar條疊陣擴展功率的方式可以提高激光器的輸出熱流。同時設計了并聯的冷卻液流動方式,制冷效率很高。

3.1.1 熱流源光學

熱流源光學設計如圖3 所示,整個光學系統由四部分核心器件組成,其順序依次為:

①準直鏡:對由400 μm 直徑光纖輸出的激光進行初步準直,形成一組發散角小于8°的接近平行光束;

②微透鏡勻化陣列:對準直后的光束進行勻化處理,對所有能量進行切割重拍,將光斑范圍內的光束均勻度提升至90%以上;

③輸出準直鏡:對勻化后的光斑進行準直處理,選擇合適焦距的準直鏡,使其能夠在合適的工作距離下達到需要的光斑尺寸和勻化度;

④整形鏡:該鏡片為雙面微透鏡陣列,通過對光斑的整形,使其由圓形光斑轉化為正方形光斑。

3.1.2 熱流源結構

熱流源的光譜范圍為(980±5)nm,在熱流源內部采用防光反饋及內腔發散設計,確保器件壽命更長。

激光發生裝置內包含全套光學鏡片和溫度、功率傳感器,如圖4 所示,其中:

圖4 激光發生裝置內部結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of internal structure of laser generator

①為功率傳感器。對主光路輸出激光能量進行分光衰減后,通過光敏傳感器測量輸出功率的大小,并根據實際輸出設置,可以使用輸出功率測試值閉環控制激光器功率輸出。

②為溫度傳感器。測量被加工物體表面的實際加工溫度,并通過算法進行溫度修正和顯示,并根據實際輸出設置,可以使用溫度測試值閉環控制激光器功率輸出。

③為激光主光路。激光能量通過光纖連接,將高功率激光引至激光發生裝置內,通過主光路傳輸并進行光束整形。

激光發生裝置選用可靠牢固的光學組裝,并對熱流源內部關鍵部件的實時溫度檢測。采用雙層石英材料做成的窗口為裝置內部激光提供全方位的保護,指示燈采用紅色可見光,起到更醒目效果。

3.2 標準熱流傳感器

標準熱流傳感器由電校準法空腔式輻射功率計和GARDON 式(圓箔式)標準熱流傳感器組成。標準熱流傳感器的量程是影響測量不確定度的重要因素,主要根據被校對象的量程進行選擇,當校準量程范圍為(1～10)W/cm2時,標準傳感器采用10 W/cm2;當校準量程范圍為(10～50)W/cm2時,標準傳感器采用50 W/cm2。測量裝置通過多次試驗最終篩選出的熱流傳感器,測量不確定度低至2%。為了保證測量的準確性,需要在一定周期內采用空腔輻射功率計對其溯源。通過增加冷卻系統的恒溫控制,可以減小由于環境溫度變化引起的輸出影響,進一步降低測量不確定度。

3.3 一體化冷卻和電源控制系統

為了提高熱流現場校準的便捷性,將冷卻系統、電源控制系統以及控制檢測系統集成在小型控制柜,如圖5 所示。冷卻和電源控制系統外形尺寸不大于750 mm ×750 mm ×1 300 mm,相關技術基礎參數如表1 所示?？刂乒窦友b萬向滑輪和移動把手方便移動。

表1 冷卻和電源控制系統技術參數Tab.1 Technical parameters of integrated cooling and power control system

圖5 冷卻和電源控制系統示意圖Fig.5 Schematic diagram of integrated cooling and power control system

(1)冷卻系統

冷卻系統分為兩部分:小型化激光輻射源冷卻系統和傳感器冷卻系統。按照其功能劃分,前者是為輻射源制冷,制冷功率上限為2 100 W,溫度控制范圍為10℃～40℃,溫度控制最大允許誤差±1℃,溫度控制分辨率為0.1℃;后者采用水冷卻的方式為被校對象和標準傳感器制冷。

(2)電源控制系統

電源控制系統由電源、數據采集器和控制監控系統組成,采用串口進行各儀器間的通訊。主要功能為:校準過程中傳感器信號采集和小型化熱流源功率的控制調節、狀態監測等;數據采集過程后,對數據進行處理和存儲,按照預設模板輸出校準結果。

電源控制系統使用高穩定性的直流電源進行供電,控制上采用可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)進行集成設計,利用控制面板實現對操作流程的管控和輸出功率等全參數的監測,包括輸出功率設置顯示、輸出模式設置、熱流源內參數監測系統、冷卻系統中的冷卻液流量監測、冷卻系統離子濃度監測等。為了符合激光安全標準的激光光源供電保護功能,實現過壓保護、過流保護和局部短路保護,以保障校準工作能夠可靠穩定地運行。

4 不確定度分析

4.1 不確定度分量來源

通過分析校準裝置的各個組成部分,總結出主要造成裝置不確定偏大的幾個分量有:

(1)被校輻射熱流傳感器測量重復的不確定度分量u1;

(2)標準輻射熱流傳感器的不確定度分量u2;

(3)熱流輸出穩定性的不確定度分量u3;

(4)熱流輸出均勻性的不確定度分量u4;

(5)數據采集系統的不確定度分量u5。

4.2 各分量不確定度匯總

經過實際測量分析出熱流現場校準裝置的各不確定度分量,匯總成表格如表2 所示。

表2 各不確定度分量Tab.2 Uncertainty components

最后,計算出校準裝置的合成不確定度uc=1.36%,擴展不確定度U=2.7%(k=2)。

5 結束語

提出的熱流現場校準裝置設計采用小型化熱流源產生穩定均勻的熱流,利用比較法對熱流傳感器進行現場校準,可滿足輻射熱流測量系統的現場校準需求。熱流現場校準裝置主要由小型化熱流源、標準熱流傳感器、冷卻和電源控制系統以及其他配套設備組成。經過實際測量分析出分別由被校輻射熱流傳感器、標準輻射熱流傳感器、熱流輸出穩定性、熱流輸出均勻性以及數據采集系統所引入的不確定度分量,擴展不確定度為2.7%。