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(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

0 引言

真空熱試驗(yàn)是航天器研制過(guò)程中必須進(jìn)行的大型地面試驗(yàn)之一，在真空熱試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)工裝以及航天器上有關(guān)部位的溫度是最為重要的測(cè)量參數(shù)。目前，在航天器真空熱試驗(yàn)的溫度測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的是熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)，其通過(guò)測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量[1]。熱電偶具有測(cè)溫范圍寬、體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、互換性好、穩(wěn)定性較好和便于集中控制等特點(diǎn)[2]，但它需要進(jìn)行冷端(參考點(diǎn))補(bǔ)償，其測(cè)溫準(zhǔn)確度受冷端校準(zhǔn)準(zhǔn)確度的影響較大[3-4]。真空熱試驗(yàn)航天器溫度測(cè)量常用的熱電偶是銅-康銅熱電偶，測(cè)量范圍為-200 ℃～+300 ℃。

目前，國(guó)內(nèi)通常采用將公用參考點(diǎn)放置在空間環(huán)境模擬室內(nèi)的方法[5]。溫度參考點(diǎn)裝置一般為銅圓柱體，在圓柱體的中間開(kāi)孔并將參考點(diǎn)端熱電偶及測(cè)溫用鉑電阻放置其內(nèi)。通過(guò)鉑電阻測(cè)得的溫度反推參考點(diǎn)端熱電偶電動(dòng)勢(shì)，再利用公式計(jì)算出測(cè)溫點(diǎn)熱電偶電動(dòng)勢(shì)，即可得到測(cè)點(diǎn)溫度值。

溫度參考點(diǎn)裝置作為真空熱試驗(yàn)中極其重要的工裝，對(duì)溫度測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和產(chǎn)品安全有很大影響。在試驗(yàn)中，很可能出現(xiàn)多套測(cè)溫系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行的情況，此時(shí)需要多套參考點(diǎn)裝置。參考點(diǎn)熱響應(yīng)測(cè)試正是對(duì)參考點(diǎn)電纜連接正確性進(jìn)行驗(yàn)證的一種方法，是試驗(yàn)準(zhǔn)備階段的關(guān)鍵工序。

1 測(cè)溫系統(tǒng)介紹

1.1 熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)

真空熱試驗(yàn)熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)一般由測(cè)溫?zé)犭娕?、測(cè)溫線纜、電連接器、溫度參考點(diǎn)、測(cè)量?jī)x器、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。熱電偶測(cè)量線路采用雙線冗余公用負(fù)極的接線方式，將測(cè)溫?zé)犭娕嫉目点~絲并焊，引出兩根康銅絲，分別與兩組參考點(diǎn)端熱電偶(公用線)的康銅絲進(jìn)行焊接。電連接器最后兩路通道作為熱電偶的公用負(fù)極的傳輸通道，其余通道焊接熱電偶的正極。電連接器上公用負(fù)極傳輸通道各引出一根銅絲，分別與兩組參考點(diǎn)端熱電偶(公用線)的銅絲進(jìn)行焊接；同時(shí)，將電連接器最后兩路通道使用銅線搭接。熱電偶匯集成電連接器后，經(jīng)過(guò)渡電纜引出至真空容器外，與數(shù)采儀器連接。參考點(diǎn)裝置內(nèi)部放置兩只鉑電阻，通過(guò)鉑電阻電纜引出至真空容器外的數(shù)采儀器。通過(guò)采集鉑電阻的溫度，可反算參考點(diǎn)內(nèi)熱電偶的熱電勢(shì)。

圖1 熱電偶測(cè)量線路組成

1.2 參考點(diǎn)裝置

參考點(diǎn)裝置選用熱慣性比較大，內(nèi)腔可以形成比較均勻溫度場(chǎng)的銅圓柱體[6]，其裝置實(shí)物如圖2所示。

參考點(diǎn)熱響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)主要通過(guò)在參考點(diǎn)裝置的主體結(jié)構(gòu)外表面粘貼加熱片，通過(guò)程控電源對(duì)加熱片施加一定電流使得參考點(diǎn)容腔內(nèi)溫度升高，通過(guò)數(shù)采系統(tǒng)測(cè)得容腔內(nèi)鉑電阻的溫度以及熱電偶的電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)參考點(diǎn)熱響應(yīng)判定準(zhǔn)則判定參考點(diǎn)連接的正確性。

圖2 參考點(diǎn)裝置

1.3 參考點(diǎn)裝置熱分析

在常溫常壓環(huán)境下，參考點(diǎn)裝置傳熱有內(nèi)部導(dǎo)熱、自然對(duì)流及外部環(huán)境輻射換熱。因此采用ANSYS軟件中的Mechanical模塊進(jìn)行分析[7]，劃分網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 參考點(diǎn)網(wǎng)格劃分示意圖

計(jì)算條件：圓柱直徑：100 mm；孔徑：20 mm；高度100 mm。

邊界條件設(shè)置：(1)外邊界：與20℃背景輻射，角系數(shù)0.15，自然對(duì)流2 W/K·m2，外界溫度20℃。(2)上下表面：絕熱。

計(jì)算結(jié)果如下：通過(guò)20 W的加熱功率給參考點(diǎn)加熱10 min，可使其由20 ℃增長(zhǎng)至24 ℃。內(nèi)外表面溫度變化如圖4所示。

圖4 參考點(diǎn)內(nèi)外表面溫度變化圖

2 參考點(diǎn)熱響應(yīng)測(cè)試原理

參考點(diǎn)熱響應(yīng)測(cè)試，即對(duì)參考點(diǎn)裝置進(jìn)行加熱，使得所測(cè)得的鉑電阻溫度及熱電偶熱電勢(shì)發(fā)生變化，通過(guò)其變化趨勢(shì)判斷參考點(diǎn)連接是否正確。

測(cè)量?jī)x器所測(cè)得的熱電偶電動(dòng)勢(shì)如圖5所示。其中EAB為測(cè)量?jī)x器所測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)，E為測(cè)點(diǎn)熱電偶電動(dòng)勢(shì)，E參考點(diǎn)為參考點(diǎn)熱電偶電動(dòng)勢(shì)。

圖5 熱電偶電動(dòng)勢(shì)的組成

1)當(dāng)參考點(diǎn)鉑電阻電纜連接正常時(shí)：

對(duì)參考點(diǎn)加熱，鉑電阻溫度增加量△T，從而計(jì)算出參考點(diǎn)熱電偶電動(dòng)勢(shì)增加量△E，根據(jù)圖5所示可得如下關(guān)系。

加熱前測(cè)量?jī)x器所測(cè)得的熱電偶電動(dòng)勢(shì)：

EAB=E-E參考點(diǎn)

(1)

加熱后測(cè)量?jī)x器所測(cè)得的熱電偶電動(dòng)勢(shì)：

E-E參考點(diǎn)-△E

(2)

結(jié)論：加熱后測(cè)量?jī)x器所測(cè)得的熱電偶電動(dòng)勢(shì)將減小，而計(jì)算后的測(cè)點(diǎn)溫度值將保持不變。

2)當(dāng)參考點(diǎn)鉑電阻電纜連接錯(cuò)誤時(shí)：

對(duì)參考點(diǎn)加熱，鉑電阻溫度增加量△T，從而計(jì)算出參考點(diǎn)熱電偶電動(dòng)勢(shì)增加量△E，而測(cè)量?jī)x器實(shí)際所測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)保持不變，根據(jù)圖5所示可得如下關(guān)系。

加熱前測(cè)點(diǎn)熱電偶電動(dòng)勢(shì)：

E=EAB+E參考點(diǎn)

(3)

加熱后測(cè)點(diǎn)熱電偶電動(dòng)勢(shì)：

(4)

結(jié)論：加熱后測(cè)量?jī)x器所測(cè)得的熱電偶電動(dòng)勢(shì)保持不變，而計(jì)算后的測(cè)點(diǎn)溫度值將增加，增加量等于鉑電阻溫度增加量。

3)當(dāng)熱電偶公用線正負(fù)極接反時(shí)：

對(duì)參考點(diǎn)加熱，鉑電阻溫度增加量△T，從而計(jì)算出參考點(diǎn)熱電偶電動(dòng)勢(shì)增加量為△E。而當(dāng)熱電偶公用線正負(fù)極接反時(shí)，在公用線焊接點(diǎn)將產(chǎn)生熱電勢(shì)E焊接點(diǎn)，根據(jù)圖5所示可得如下關(guān)系。

加熱前測(cè)量?jī)x器所測(cè)得的熱電偶電動(dòng)勢(shì)：

EAB=E-E焊接點(diǎn)+E參考點(diǎn)-E焊接點(diǎn)=

E+E參考點(diǎn)-2E焊接點(diǎn)

(5)

由于焊接點(diǎn)和參考點(diǎn)都處于常溫狀態(tài)，可認(rèn)為E焊接點(diǎn)=E參考點(diǎn)，則：

EAB=E-E參考點(diǎn)

(6)

加熱后測(cè)量?jī)x器所測(cè)得的熱電偶電動(dòng)勢(shì)：

E+(E參考點(diǎn)+△E)-2E焊接點(diǎn)=

E+△E-E參考點(diǎn)

(7)

而計(jì)算后的測(cè)點(diǎn)熱電偶電動(dòng)勢(shì)：

(E+△E-E參考點(diǎn))+(E參考點(diǎn)+△E)

=E+2△E

(8)

結(jié)論：加熱后測(cè)量?jī)x器所測(cè)得的熱電偶電動(dòng)勢(shì)將增加，計(jì)算后的測(cè)點(diǎn)溫度值也將增加，增加量等于鉑電阻溫度增加量的兩倍。

3 熱響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

參考點(diǎn)熱響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)主要包括測(cè)溫系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，根據(jù)參考點(diǎn)熱響應(yīng)控制系統(tǒng)所需的工藝流程分別控制熱響應(yīng)系統(tǒng)所有設(shè)備的啟動(dòng)/停止，并在建立以及維持過(guò)程中監(jiān)控各回路的溫度和加熱電流的變化，其硬件主要由三部分組成：1)放置在空間環(huán)境模擬室內(nèi)的參考點(diǎn)裝置；2)放置在采集現(xiàn)場(chǎng)的控制箱、測(cè)量?jī)x器以及交換機(jī)；3)放置在控制室的采集計(jì)算機(jī)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)硬件連接如圖6所示。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)硬件連接示意圖

在每個(gè)參考點(diǎn)內(nèi)各放置一只鉑電阻，在每個(gè)參考點(diǎn)外表面粘貼薄膜加熱片，鉑電阻和薄膜加熱片都通過(guò)測(cè)試電纜引至空間環(huán)境模擬室外的控制箱?？刂葡渲饕砷_(kāi)關(guān)電源、溫度巡檢儀、PLC控制器以及繼電器組成，其作用為對(duì)各加熱回路進(jìn)行供電并采集各鉑電阻回路的溫度值，其內(nèi)部硬件組成示意圖如圖7所示。

圖7 控制箱內(nèi)部組成框圖

參考點(diǎn)熱響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)溫系統(tǒng)主要由鉑電阻溫度傳感器、溫度巡檢儀、測(cè)量?jī)x器以及上位計(jì)算機(jī)組成。溫度巡檢儀采集參考點(diǎn)內(nèi)的鉑電阻溫度；測(cè)量?jī)x器采用吉時(shí)利2750型號(hào)，由于采集熱電偶電動(dòng)勢(shì)，并將熱電勢(shì)轉(zhuǎn)換為溫度值。

參考點(diǎn)熱響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)的加熱系統(tǒng)包括開(kāi)關(guān)電、PLC控制器、繼電器以及加熱片組成。通過(guò)PLC控制器對(duì)繼電器進(jìn)行控制，對(duì)各加熱回路進(jìn)行切換，使其滿足一個(gè)電源模塊可以分別給3個(gè)加熱回路供電。溫度巡檢儀通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將溫度數(shù)據(jù)傳送給PLC控制器，然后通過(guò)以太網(wǎng)口與上位機(jī)進(jìn)行通信。控制箱前面板設(shè)計(jì)如圖8所示，其上固定1個(gè)溫度巡檢儀面板，1個(gè)數(shù)顯表面板，3個(gè)加熱通道按鈕開(kāi)關(guān)、1個(gè)“本地遠(yuǎn)程”旋鈕開(kāi)關(guān)以及1個(gè)總開(kāi)關(guān)。數(shù)顯表面板左側(cè)分別顯示電流值及溫度值，右側(cè)為通道指示燈；溫度巡檢儀面板顯示溫度值。

圖8 控制箱前面板示意圖

控制箱放置在目前使用的測(cè)量機(jī)柜內(nèi)，通過(guò)控制箱可以對(duì)各加熱回路進(jìn)行供電并采集各鉑電阻回路的溫度值。控制箱通過(guò)網(wǎng)線連至交換機(jī)，可以通過(guò)上位計(jì)算機(jī)控制各加熱回路對(duì)其進(jìn)行加電以及監(jiān)視各回路的溫度值。控制方式分為本地控制和遠(yuǎn)程控制兩種方式，用戶可以通過(guò)控制箱按鈕或開(kāi)關(guān)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)上位機(jī)監(jiān)控軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。在控制箱上進(jìn)行選擇旋鈕進(jìn)行“本地/遠(yuǎn)程”模式的選擇，若選擇“本地”模式則上位機(jī)監(jiān)控軟件中操作按鈕無(wú)效；若選擇“遠(yuǎn)程”模式則本地操作按鈕無(wú)效，并且確保無(wú)擾切換。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

參考點(diǎn)熱響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)可以通過(guò)“遠(yuǎn)程”和“本地”兩種方式分別啟動(dòng)各加熱回路加熱功能，并能夠遠(yuǎn)程和本地進(jìn)行手動(dòng)控制，系統(tǒng)軟件根據(jù)功能需要分為PLC控制軟件和上位機(jī)監(jiān)控軟件。

PLC控制軟件采用SIMATIC STEP 7 Basic軟件進(jìn)行編寫(xiě)，采用面向任務(wù)的理念，將編輯器嵌入到一個(gè)通用編輯框中，使用戶可以同時(shí)打開(kāi)多個(gè)編輯器。通過(guò)設(shè)計(jì)本地、遠(yuǎn)程兩級(jí)控制方式，完成對(duì)系統(tǒng)的加熱回路的控制，并完成對(duì)多路溫度巡檢儀、電流顯示儀等數(shù)據(jù)的采集與設(shè)置。首先，向項(xiàng)目中添加CPU組態(tài)，為PLC創(chuàng)建設(shè)備配量，編輯CPU屬性的以下參數(shù)：

1)PROFINETI：設(shè)置CPU的IP地址和時(shí)間同步。

2)脈沖發(fā)生器和高速計(jì)數(shù)器：?jiǎn)⒂貌⒔M態(tài)用于脈沖串遠(yuǎn)行和脈沖寬度調(diào)制的脈沖發(fā)生器以及高速計(jì)數(shù)器。當(dāng)CPU或信號(hào)板的輸出組態(tài)為脈沖發(fā)生器時(shí)， Q存儲(chǔ)器中將移除相應(yīng)的輸出地址。

其次，將以下硬件目錄中的模塊添加到CPU組態(tài)中：

1)將包含模擬I/O節(jié)點(diǎn)或數(shù)字I/O節(jié)點(diǎn)的信號(hào)模塊連接在CPU的右側(cè)。

2)將包含附加I/O節(jié)點(diǎn)的信號(hào)板安裝在CPU的前端。

3)將包含通信端口(RS232或RS485)的通信模塊連接在CPU的左側(cè)。

最后，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)連接并組態(tài)IP地址：

1)MAC地址：在網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)設(shè)備都都具有一個(gè)唯一的“介質(zhì)訪問(wèn)控制”地址(MAC地址)，以對(duì)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)識(shí)和區(qū)別。

2)IP地址：每個(gè)設(shè)備也部必須具有個(gè)1ntetnet協(xié)議(IP)地址，該地址使設(shè)備可以在更加復(fù)雜的路內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中傳送數(shù)據(jù)。

3)路由器：網(wǎng)絡(luò)中，路由器是LAN之間的鏈接，通過(guò)路由器連接的計(jì)算機(jī)可向其他網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息。如果數(shù)據(jù)的目的地不在LAN之內(nèi)，路由器會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給可將數(shù)據(jù)傳送到其目的地的另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)組。路由器依靠IP地址來(lái)傳送和接收數(shù)據(jù)包。

上位機(jī)監(jiān)視及控制軟件采用三維力控的ForceControl V6.0組態(tài)軟件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，應(yīng)用可視化控件組態(tài)技術(shù)，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)參考點(diǎn)裝置的加熱、溫度及電流監(jiān)視、數(shù)據(jù)分析和報(bào)警記錄等功能。軟件功能結(jié)構(gòu)如圖9所示。系統(tǒng)軟件運(yùn)行在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上，主要包括以下功能：

1)系統(tǒng)登陸：完成系統(tǒng)初始化，設(shè)置登陸權(quán)限，進(jìn)入系統(tǒng)啟動(dòng)登錄環(huán)境。

2)主系統(tǒng)監(jiān)控：根據(jù)用戶提供的系統(tǒng)流程，顯示相應(yīng)儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

3)溫度及電流監(jiān)控：對(duì)控溫單元、加熱電流大小進(jìn)行監(jiān)控。

4)生成數(shù)據(jù)報(bào)表：按照格式生成數(shù)據(jù)報(bào)表，用戶可以使用報(bào)表查詢歷史數(shù)據(jù)。

5)實(shí)時(shí)顯示曲線：允許用戶對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢或進(jìn)行曲線分析。

6)系統(tǒng)操作管理：允許用戶對(duì)系統(tǒng)的采集周期、報(bào)警參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置。

系統(tǒng)軟件通過(guò)讀取不同時(shí)刻測(cè)量?jī)x器采集的電動(dòng)勢(shì)、測(cè)點(diǎn)溫度值以及參考點(diǎn)溫度值，根據(jù)熱響應(yīng)測(cè)試原理得到的測(cè)試準(zhǔn)則，判斷參考點(diǎn)電纜連接以及熱電偶公用線正負(fù)極接線的正確性。軟件流程如圖10所示。

圖9 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

圖10 軟件流程圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)在某型號(hào)航天器真空熱試驗(yàn)開(kāi)機(jī)前得到了成功應(yīng)用。

首先對(duì)自動(dòng)判讀軟件的配置文件進(jìn)行配置，包括溫度數(shù)據(jù)讀取路徑，參考點(diǎn)鉑電阻測(cè)點(diǎn)號(hào)。通過(guò)遠(yuǎn)程控制軟件，對(duì)熱響應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置及監(jiān)視，自動(dòng)判讀軟件在開(kāi)始運(yùn)行時(shí)首先讀取配置文件，然后根據(jù)熱響應(yīng)準(zhǔn)則對(duì)其進(jìn)行判讀并給出測(cè)試結(jié)果，完成了兩個(gè)參考點(diǎn)裝置的熱響應(yīng)測(cè)試，驗(yàn)證了溫度參考點(diǎn)電纜連接以及熱電偶公用線焊接的正確性，保障試驗(yàn)順利進(jìn)行。系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控

參考點(diǎn)熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)束后，將彈出提示對(duì)話框，如圖12所示。并將測(cè)試結(jié)果保存在本地文件夾下的“測(cè)試結(jié)果.txt”中。

圖12自動(dòng)判讀軟件界面圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種采用鉑電阻和薄膜加熱片組成反饋單元，由溫度測(cè)量?jī)x、線性電源和電流表等組成控制箱，通過(guò)LAN網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的方案，進(jìn)行參考點(diǎn)熱響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)集成。該系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面、操作過(guò)程簡(jiǎn)單、通用性好的特點(diǎn)，對(duì)保障航天器真空熱試驗(yàn)地順利進(jìn)行具有重要作用。目前，該系統(tǒng)已成為KM6、KM7等大型空間環(huán)境模擬設(shè)備的必需配置，并在多項(xiàng)型號(hào)試驗(yàn)中得到成功應(yīng)用。

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