杜文辉

大型气候环境实验室温度场评定方法研究

杜文辉

（中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065）

气候环境实验室具有空间大、流场复杂等特点，其温度场的均匀性、波动度是评定气候实验室的重要指标。通过对实验室结构及气流组织进行分析，确定实验室有效空间内温度不均匀性及波动度概率较大位置，设计实验室温度场评定方案，并对温度场误差的不确定度来源进行分析，通过数据采集系统对实验室温度数据进行采集，评定气候环境实验室温度场均匀性及波动度等指标。

气候环境实验室；温度评定；温度均匀性；不确定度

1 引言

气候环境实验室为各类飞机及武器装备环境适应性研究[1-2]提供模拟环境，实验室可模拟多种自然环境[3-4]，其最基本的是温度场的模拟，因此气候环境实验室温度性能评定至关重要。气候环境实验室相比一般环境箱尺寸较大，温度性能指标要求较高，如美国麦金利实验室（McKinley Climatic Laboratory）体积接近100 000 m3，韩国ADD实验室体积约为20 000 m3。随着中国气候环境实验室的建设，实验室体积达到130 000 m3，成为中国规模最大、模拟环境因素最多的大型综合气候环境模拟试验设施。

2 现有评定方法分析

目前国内仅有针对环境箱（试验箱）的校准/检定规范有JJF 1101—2003《环境试验设备温度、湿度校准规范》、JJF 1564—2016《温湿度环境试验箱校准规范》、HB 6783.3—1993《军用机载设备气候环境试验箱（室）检定方法温度试验箱（室）》，此类评定/检定方法中评定点的设置对大空间的气候环境实验室温度性能评定并不适用，因此对于大空间的气候环境实验室温度性能的评定需要结合实验室的结构设计、气流组织分析，设计新的评定方法[5]。

3 气候环境实验室温度场评定方法

通过对实验室的结构及气流组织进行分析，确定室内有效空间内温度不均匀性及波动度概率较大的位置，将测量点数量及位置进行最优化处理，设计温度场测量点布置方案，通过分布式数据采集系统进行温度数据采集。

3.1 气流组织分析

气候环境实验室采用顶部送风侧墙回风的气流组织形式，室内设计有5条送风管道，送风口均匀布置在实验室的顶部；每条送风管道对应1个回风口，位于侧墙，实验室各风道结构设计完全相同；将距实验室墙壁2 m、地面1 m、由顶部送风口向下1.5 m的区域定义为试验有效空间。

气流组织决定温度场特性，通过对实验室低温及高温工况气流组织进行CFD建模分析，各风道气流流动特性基本相似，由于结构中大门、隔离门及墙壁对两侧风道气流组织的影响，两侧风道气流流动特性成左右对称，而中间3条风道气流流动特性基本相同。通过CFD建模分析，当地面负载的影响逐渐减小，并趋于稳定点，低温工况温度不均匀性及波动性主要位于实验室墙壁边缘位置及靠近送风口的空间，高温工况温度不均匀性及波动性点主要位于在实验室边缘位置及靠近地表的空间。

3.2 温度场测量点设计

根据实验室流场分析，大门/隔离门、墙壁、地面负载及送风口位置高度对气流组织有一定影响，试验有效区域中央位置温度均匀性及稳定性较好，各边缘位置温度出现不均匀性及波动概率较大，评定重点选择此类边缘位置。

测量点布局如图1所示，并在每条悬挂温度传感器，如图2所示。

图1 测量点布局图

图2 悬挂式传感器设计

3.3 温度场数据采集系统

实验室温度数据利用实验室数据采集系统。数据采集系统采用分布式系统构架，用于实验室舱内环境参数、试验件表面响应参数的测量以及测量数据的处理、显示、存储。系统主要包括传感器、信号分配箱、数据采集终端、保温箱、数据采集工作站等。

传感器采用A级Pt100温度传感器，将实验室温度信号转换成可传输的电信号，通过宽温电缆接入信号分配箱，集成为大型航空插头后接入数据采集终端，数据采集终端为传感器提供激励并采集传感器的输出信号，采集信号接入交换机转换为光信号，利用光纤接入实验室墙壁的网络接线箱并传递给数据采集工作站，数据采集数据流如图3所示。

图3 数据采集原理图

3.4 评定实施方案

气候环境实验室温度评定点主要选择不同实验工况的特殊温度点，如极限高温、低温、湿热等。实验室先进行低温工况校准，在常温状态下，对实验室进行除湿。除湿结束后，实验室开始降温至第一个校评定，温度到达后，进行维持，每半小时对室内温度进行观测。待室内温度稳定后，记录该时间为稳定时间，并开始进行该温度点的数据记录（此过程中数据采集系统实时记录数据），数据测试周期为1 h。实验室开始降温，进行下一个温度点。由于数据采集系统采样实时采集，可在评定结束后利用数据采集系统的采集数据对实验室温度性能进行计算分析。

4 温度场评定不确定来源分析

通过对实验室温度场不确定度的来源分析和所采用的评定方法可知，实验室温度评定不确定度来源具体表示为：①温度测量结果平均值的实验标准偏差aver；②气候环境实验室内不同测量点引入的不确定度分量diff，由各个测量温度传感器读数平均值的分散度求得；③温度随时间的变化引入的不确定度分量fluc，依据每次测量所有温度传感器读数平均值的分散度求得；④测量设备引入的不确定度分量inst，依据校准/检定证书提供的最大允许误差、准确度等级或扩展不确定度求得。

各个分量之间不相关，因此实验室温度性能的合成不确定度数学模型为：

不确定度来源如表1所示。

表1 不确定度来源一览表

不确定度分量不确定度来源类型 uaver测量结果平均值的实验标准偏差A udiff不同测量点引入的不确定度分量A ufluc时间变化引入的不确定度分量A uinst测量设备引入的不确定度分量B

5 结束语

该评定方法通过气流组织分析结果及实验室送风结构对称原则，将实验室评定点数量及位置进行最优化处理，具备如下优点：①可实现超大空间实验室温度性能同步校准；②充分结合气流组织分析，将校准点数量及位置进行最优化处理；③校准方法简单便捷、投入少、经济性佳、易于应用。

［1］王浚，黄本诚，万才大.环境模拟技术［M］.北京：国防工业出版社，1996：5．

［2］胥泽齐，张世艳，宜卫芳.装备环境适应性评价［J］.装备环境工程，2012，9（1）：54-59．

［3］王浚.我国环境模拟技术现状与发展［J］.航空制造技术，2004（8）：49-52．

［4］唐虎，李喜明.飞机气候试验［J］.装备环境工程，2012，9（1）：60-65．

［5］康志茹，耿荣勤，魏晓克，等.JJF 1101—2003 环境试验设备温度、湿度校准规范［S］.北京：中国计量出版社，2003.

TB942

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.029

2095－6835（2020）08－0073－02

杜文辉（1985—），男，陕西宝鸡人，学士学位，工程师，研究方向为飞机气候环境适应性。

〔编辑：王霞〕