热防护材料高温异型传感器校准技术研究

2020-07-14赵化业裴雅鹏张俊祺

宇航计测技术 2020年2期

赵化业裴雅鹏张俊祺刘浩

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

1 引言

飞行器在大气层内高速飞行时外表面承受不同程度的气动加热，为保障航天器长时间安全飞行，热防护系统结构的设计和热防护材料的选择是飞行器安全运行的关键因素[1,2]。热防护材料高温异型传感器广泛应用于高速飞行器热防护材料的研制、试验、生产过程中。按照系统测试要求，这些传感器一般布置在热防护材料的表面层和隔热层，用以测量飞行器在飞行过程中某些位置点的温度。通过这些位置点温度及其他参数的测量，预测飞行器所处的飞行环境，对热防护系统结构进行优化设计，进而提高飞行器在高温环境下的飞行可靠性。

为了实现飞行器热防护材料在这些特殊环境下的高温测量，用于热防护材料的高温异型传感器得到开发与应用，如超高温热电偶，其工作方式主要为接触式测量。由于该类温度传感器必须与相关设备结构匹配，其外型结构多为异型，测温敏感部分长度一般很短，无法放置到现有校准装置的恒温区，从而无法实现量值溯源。

本文针对热防护材料高温异型传感器无法校准的问题，提出了一种应用专用高温恒温炉、基于比较法的校准方法，研制了高温异型传感器校准装置，实现了该类温度传感器的校准，为热防护材料的研究、试验提供了有力的技术保障。

2 热防护材料高温异型传感器校准原理

热防护材料高温异型传感器校准应用比较法，其基本原理为：高温恒温炉为校准装置的主体部分，温度控制系统通过控制电源系统的输出功率，在石墨加热管中心部位形成均匀、稳定的温度场，石墨加热管中心部位放置有恒温块。被校准温度传感器通过石墨加热管外部固定端子进行固定，测温部分置于恒温块中。标准光电高温计作为主标准器，通过测量窗口进行测量，指示恒温块标准温度。温度稳定后，通过测量系统采集被校准温度传感器的输出，与标准光电高温计的示值进行比较，计算其示值误差。

校准过程中，水冷电极、高温恒温炉炉体、被校准温度传感器固定端子处均有冷却液流通。加热前，高温恒温炉内先抽成真空，后充入一定压力的惰性气体，防止石墨加热管、石墨屏蔽层、保温层、被校准温度传感器等在高温环境中被氧化。

3 校准装置的技术实现

校准装置主要由高温恒温炉、标准光电高温计、温度控制系统、冷却系统、真空系统、惰性气体充气系统、电源系统等构成,如图1所示。

图1 校准装置结构原理图

3.1 高温恒温炉

高温恒温炉为该校准装置的主体，为热防护材料高温异型传感器的校准提供均匀、稳定的温度场。主要由高纯石墨加热管、石墨屏蔽层、石墨毡保温层、水冷电极、传感器固定端子、炉体等部分组成，结构原理如图2所示。

图2 高温恒温炉结构原理图

该高温恒温炉的温度上限设计为3200K，核心加热元件为高纯石墨加热管，由于物体都存在热胀冷缩的性质，石墨加热管的体积在高温时会存在一定的膨胀[3,4]，为防止高温环境下石墨胀裂，石墨加热管两端设计成外锥体，加热电极接头制成内锥体。石墨加热管在膨胀过程中使内外锥面实现紧密配合，防止虚接触，导致接触电阻增大。

在高温下，石墨加热管的热辐射是一个不可忽视的问题，为防止热辐射，同时也有助于炉温的稳定性和温场的均匀性，石墨加热管外部装有石墨屏蔽层和石墨毡保温层。保温层应用多层耐高温、低导热系数的石墨纤维毡，有效减少石墨加热管热量的损失。石墨屏蔽层支撑架为高纯氧化锆粉末通过专用模具高温烧制而成，氧化锆具有良好的耐高温、绝缘性能，且在高温下无有害物质产生。

水冷电极内部有冷却液循环，通过冷却系统降温，使加热电极工作时表面温度不至于过高，保证其正常工作。水冷电极与炉体法兰之间通过O型密封圈和绝缘螺栓实现密封和紧固。

被校准温度传感器在高温环境下校准时，传感器固定在固定端子上，测温腔内温度很高，由于热传导，传感器固定端温度也很高，为防止传感器后端导线及焊接部位在高温下被损坏，传感器固定端子内部设计有冷却液循环，通过冷却系统降温。

高温恒温炉炉体设计为双层不锈钢壁，在内外壁之间设计有导流管道，冷却液采用双进双出，使炉体两端的温度对称分布，工作时通过循环冷却使其表面温度在正常工作温度范围内。

3.2 标准光电高温计

该校准装置应用德国生产标准光电高温计，该高温计具有线性度高、噪声低、重复性高的特点。其工作原理为，测量被测对象在确定波长下的光谱辐射亮度，并依据普朗克辐射定律确定物体的亮度温度。标准光电高温计采用线性光电探测器实现光电转换，其入射辐射通量与输出电量之间具有良好的线性关系。

主要由光学系统、光电探测器、滤波片、电动机控制器、电子电路系统和信号测量系统组成。

主要技术指标为：

量程：(500～3500)K；

测量不确定度：0.1%～0.2%。

标准光电高温计结构示意如图3所示。

图3 标准光电高温计结构示意图

3.3 冷却系统

冷却系统为高温恒温炉炉体、水冷电极、传感器固定端子等部件进行冷却，保证各部件工作在其允许温度范围内。冷却系统由循环泵、储液箱、温度控制器、冷却器组、管路、阀门等组成，系统组成见图4。该系统的冷却液为防冻冷却液，和水相比，具有温度范围宽、沸点高等优点，避免了由水结垢引起堵塞而导致的安全事故。另外，替代直排水方式，避免了水资源的浪费。冷却液温度超温或意外发生堵塞时，控制系统会及时报警，并切断加热电源，防止过热引起设备故障。

图4 冷却系统原理图

3.4 真空系统与惰性气体充气系统

真空系统由扩散泵和机械泵等构成，采用扩散泵作为主抽泵，直联式机械泵作为前级泵。真空系统采用真空气动挡板阀作为高真空阀门，气动角阀作为前级抽空阀门。真空管道采用不锈钢金属波纹管，可实现密封可靠的要求。

惰性气体充气系统主要由气体压力容器、气体压力检测系统、气体压力控制系统、气体管道、阀门等组成，主要作用为提供一定压力的氩气，使石墨加热管、石墨屏蔽层、被校准温度传感器处于氩气的保护环境中，防止高温氧化。

该系统工作原理图如图5所示。温度传感器校准过程中，真空系统使高温恒温炉测试腔体的真空度可达到10-2Pa。

图5 真空系统与惰性气体充气系统工作原理图

3.5 电源系统

由于高纯石墨材料电阻率较低，本校准装置采用低电压、大电流的供电方式。石墨的电阻率随温度变化是温度的函数，为了避免在石墨的电阻率较低时，引起过流，将电源的输出设计为恒流控制方式。

结合高温恒温炉的加热特点，该电源系统应用大功率开关电源，采用IGBT功率模块、合金磁芯等作为功率变换及传递的关键器件，利用逆变技术产生所需要的直流电流。在可靠性设计方面，为防止电压或电流过载超限，设计了超温反馈电路，超限时系统自动切断电源供给并锁定故障状态，并发出警告提示。工作原理为：三相交流电经过一次整流滤波后，供给逆变电路，逆变电路将一次整流滤波后的直流电逆变成高频交流电，然后高频交流电经高频变压器隔离及变压传输到副边，再经过二次整流滤波后，得到所需的高性能直流电。工作原理框图如图6所示。

图6 电源系统工作原理框图

从输出功率、功率损耗、电源稳定性等方面考虑，变压器原边采用全桥电路结构，副边二次整流采用全波整流电路结构。变压器为应用新型纳米非晶材料研制而成的高频环形变压器。控制端输入设计为(4～20)mA直流电流，与控温用辐射温度计的输出相匹配。

为满足大功率、低电压大电流输出的要求，该电源系统采用多组功率模块并联输出的模式，各器件承受的电流应力大大降低，设备的安全性也得到提高。

3.6 温度控制系统

温度控制系统通过功率控制来实现石墨加热管的温度控制，采用高精度测量、闭环控制系统，其中的反馈测量，直接影响温度控制的稳定性，由于目前常用的硅光电池反馈元件存在着很明显的温度系数，使得温度发生漂移，所以本装置采用高准确度辐射温度计进行准确测量，实现稳定的温度控制。

高温恒温炉电源系统输出为直流电流，结合温度控制系统的要求，本装置应用模糊PID综合控制技术，以确保温度控制系统的动态性能和稳态性能，该控制技术的基本原理为：当被控变量的偏差值大于设定阈值时，应用定值控制方式，以提高控制系统的响应速度；当偏差值减小到设定阈值附近时，则切换到模糊控制方式，从而可以提高控制系统的阻尼性能，进而减少控制过程中的超调。该技术综合应用了定值控制方式和模糊控制方式的优点，提高了系统的控制准确度和灵敏度。当偏差值达到模糊控制的稳态平衡范围时，控制系统则可切换到传统PID控制方式，PID控制方式在平衡点附近的小范围内具有理想的控制性能，并且其积分作用也可有效消除控制系统的稳态误差[5]。

模糊控制是在传统控制系统的基础上再增加一个模糊控制环节，在高温恒温炉控温过程中利用模糊控制规则对控制参数进行在线修改的一种自适应控制系统。其过程为：先找出各参数与偏差及偏差变化率之间的模糊关系，在控制过程中不断检测偏差和偏差变化率，然后再根据模糊控制原理对各个参数进行在线调整，以满足高温恒温炉控制系统的要求，使控制对象具有良好的动态和静态性能。