褚衛(wèi)華，劉 展，顧正華，賈軍偉

(1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計及測試技術(shù)研究所，四川 綿陽 621000；2.北京東方計量測試研究所，北京 100086)

0 引言

在風(fēng)洞吹風(fēng)實驗過程中，為了得到飛行器氣動特性的數(shù)據(jù)，需要正確地測量壓力、溫度等流場參數(shù)[1-2]。在低溫風(fēng)洞特別是在大型低溫風(fēng)洞實際溫度場測量中，低溫溫度范圍從77～323 K，溫度測量綜合精度要求達0.1 K，一次性同步測量點數(shù)多，而且在溫度穩(wěn)態(tài)變化過程中，各溫度測量通道響應(yīng)要求保持一定的一致性。為確保低溫風(fēng)洞溫度場測量系統(tǒng)實現(xiàn)這樣的性能指標(biāo)，除對溫度傳感器、放大器、采集系統(tǒng)等進行合理選型和對測量系統(tǒng)進行科學(xué)設(shè)計外，同時對整個溫度測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法提出了較高要求。

溫度測量系統(tǒng)一般由溫度傳感器、放大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、連接電纜等組成[3-4]。傳統(tǒng)的溫度測量精度主要依靠溫度傳感器檢定溯源方式來保證[5-10]，但對于低溫風(fēng)洞從77～323 K的低溫范圍內(nèi)精度要求達到0.1 K，這種方法已經(jīng)無法滿足低溫風(fēng)洞實驗對溫度測量精度的要求，主要是因為這種單溫度傳感器的校準(zhǔn)方法存在以下缺點：

1)沒有綜合考慮溫度測量系統(tǒng)中測量線路、放大器、采集系統(tǒng)以及環(huán)境等因素帶來的測量誤差；

2)只能對溫度傳感器靜態(tài)精度進行校準(zhǔn)，無法對溫度場穩(wěn)態(tài)變化中不同通道測量響應(yīng)一致性進行比較和標(biāo)定；

3)傳感器拆卸會導(dǎo)致設(shè)備停用，既影響設(shè)備運行效率又容易導(dǎo)致衍生故障。

為實現(xiàn)低溫風(fēng)洞實際溫度測量精度和響應(yīng)一致性需求，需要設(shè)計一套能夠在現(xiàn)場對溫度測量系統(tǒng)(包括溫度傳感器、放大器、采集系統(tǒng)、連接線纜和使用環(huán)境)進行整體全回路原位校準(zhǔn)裝置[11-12]，校準(zhǔn)原理見圖1。校準(zhǔn)裝置可以按照校準(zhǔn)設(shè)定的目標(biāo)溫度，調(diào)節(jié)制冷器和加熱器，保證校準(zhǔn)腔溫度場達到要求的準(zhǔn)度和一致性。溫度測量系統(tǒng)現(xiàn)場安裝完成后，將各通道溫度傳感器安裝于校準(zhǔn)腔內(nèi)。校準(zhǔn)裝置按溫度變化階梯要求，逐步變化校準(zhǔn)腔溫度，得到在各標(biāo)準(zhǔn)溫度點條件下，傳感器信號通過現(xiàn)場電纜傳輸、放大器調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和環(huán)境影響后對應(yīng)的最終采集數(shù)值，然后將所有溫度校準(zhǔn)點擬合，得到整個溫度測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)曲線。

圖1 溫度測量系統(tǒng)整體全回路原位校準(zhǔn)圖

多通道低溫溫度測量系統(tǒng)高精度整體校準(zhǔn)裝置(以下簡稱低溫整體校準(zhǔn)裝置)是國內(nèi)首套在低溫范圍內(nèi)對溫度測量系統(tǒng)進行整體校準(zhǔn)的高精度現(xiàn)場計量裝置，校準(zhǔn)對象復(fù)雜，一次性校準(zhǔn)數(shù)量多，校準(zhǔn)腔容積大、低溫范圍寬、均勻性和準(zhǔn)度要求高，在規(guī)模和性能都是國內(nèi)首創(chuàng)。低溫整體校準(zhǔn)裝置滿足了航空航天特別是低溫風(fēng)洞實驗設(shè)備傳感器外型尺寸差異大、一次標(biāo)定數(shù)量多、高效率、高精度的實際要求。

1 低溫整體校準(zhǔn)裝置總體架構(gòu)

為方便現(xiàn)場保障，低溫整體校準(zhǔn)裝置采用GM制冷機和加熱器綜合控溫方式。低溫整體校準(zhǔn)裝置總體組成見圖2，總體由隔熱校準(zhǔn)腔系統(tǒng)、制冷機水冷系統(tǒng)、預(yù)冷恒溫槽、真空與壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和測控機柜等部分組成。

圖2 多測點低溫溫度測量系統(tǒng)綜合校準(zhǔn)裝置組成圖

隔熱校準(zhǔn)腔系統(tǒng)是低溫整體校準(zhǔn)裝置的核心部分，主要用途是：為溫度測量系統(tǒng)校準(zhǔn)提供準(zhǔn)度、均勻性、升降溫速率等指標(biāo)都滿足要求的溫度源；對校準(zhǔn)腔進行隔熱防護和對測量系統(tǒng)導(dǎo)線密封；實現(xiàn)校準(zhǔn)腔升溫降溫過程控制和溫度定點控制。校準(zhǔn)腔安裝有GM制冷機和加熱器輔助設(shè)備。由于低溫整體校準(zhǔn)裝置一次校準(zhǔn)通道數(shù)達45路，校準(zhǔn)腔大且對校準(zhǔn)腔溫度場均勻性要求較高，校準(zhǔn)腔采用三層結(jié)構(gòu)，中層外層真空隔熱，內(nèi)層作為校準(zhǔn)溫度源，放置傳感器安裝銅座，通過充氦實現(xiàn)溫度場快速均勻。

真空與壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)包含氦氣氣源、真空泵、閥門和管路等設(shè)備，真空系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)校準(zhǔn)腔內(nèi)層和中層、中層和外層之間真空狀態(tài)，保證校準(zhǔn)內(nèi)腔與外部的良好隔熱。壓力調(diào)節(jié)部分用于校準(zhǔn)內(nèi)腔內(nèi)氦氣壓力的控制，保證校準(zhǔn)內(nèi)腔氦氣壓力略高于外部壓力，防止空氣進入校準(zhǔn)腔內(nèi)造成水凝結(jié)等現(xiàn)象。

測控機柜包含數(shù)據(jù)采集及分析計算機、測試及控制儀表等，進行溫度測量與記錄，實現(xiàn)校準(zhǔn)前真空度控制與校準(zhǔn)腔壓力調(diào)節(jié)，并通過控制制冷機和加熱器調(diào)節(jié)校準(zhǔn)腔溫度，按照校準(zhǔn)要求控制溫度測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)流程，監(jiān)測低溫整體校準(zhǔn)裝置工作狀態(tài)。

預(yù)冷恒溫槽主要實現(xiàn)校準(zhǔn)腔系統(tǒng)輔助制冷，降低由于被校測量系統(tǒng)導(dǎo)線和校準(zhǔn)腔氦氣對流引起的溫度梯度，改善校準(zhǔn)腔溫度均勻性。

制冷機水冷系統(tǒng)用于GM制冷機冷卻。

低溫整體校準(zhǔn)裝置主要技術(shù)指標(biāo)如下：

溫度校準(zhǔn)范圍：77～323 K；

靜態(tài)有效溫度場均勻性：±50 mK；

靜態(tài)溫度場穩(wěn)定性：±50 mK/20 min；

靜態(tài)溫度準(zhǔn)度：±50 mK；

穩(wěn)態(tài)變化一致性要求：同時標(biāo)校11支如圖2所示的規(guī)格Φ20 mm溫度探頭，在溫變率0.5 K/min情況下，有效溫度場溫度最大差值小于等于0.3 K。

低溫整體校準(zhǔn)裝置具體工作流程是：在校準(zhǔn)準(zhǔn)備階段，溫度傳感器帶線纜穿過校準(zhǔn)腔密封法蘭，置于校準(zhǔn)腔傳感器安裝銅座內(nèi)，采用引出電纜密封件對導(dǎo)線實行密封，然后中外層抽真空隔熱，內(nèi)層充氦。準(zhǔn)備就緒后，在測控機柜控制下，按照校準(zhǔn)流程實施制冷機和加熱器校準(zhǔn)腔溫度控制，達到校準(zhǔn)目標(biāo)溫度值后，溫度測量系統(tǒng)采集校準(zhǔn)溫度點的電流或電壓值。按流程對所有校準(zhǔn)點完成校準(zhǔn)后，進行校準(zhǔn)曲線擬合，得到溫度測量系統(tǒng)測量范圍內(nèi)的校準(zhǔn)曲線。

2 低溫整體校準(zhǔn)裝置仿真與實驗驗證方案

隔熱校準(zhǔn)腔系統(tǒng)是低溫整體校準(zhǔn)裝置的核心部分，校準(zhǔn)腔內(nèi)放置有溫度傳感器安裝座。校準(zhǔn)腔既要在控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下完成校準(zhǔn)腔有效溫度場升降溫過程，又要保證良好的隔熱，實現(xiàn)溫度場均勻性和一致性。校準(zhǔn)源具體隔熱校準(zhǔn)腔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用三層結(jié)構(gòu)形式：外部筒體隔熱防護，中部筒體防輻射熱保護，內(nèi)部筒體放置傳感器安裝銅座，溫度傳感器安裝銅座結(jié)構(gòu)見圖4。隔熱校準(zhǔn)腔外部筒體采用了雙層結(jié)構(gòu)，兩層之間為真空環(huán)境；中部筒體和內(nèi)部筒體、中部筒體和外部筒體之間抽真空，保持真空環(huán)境。校準(zhǔn)過程中氦氣充滿內(nèi)部筒體，保證內(nèi)部筒體溫度均勻性。制冷機采用一級制冷頭，在中部筒體和外部筒體之間通過冷量分配器與內(nèi)部筒體、中部筒體底部的接觸面積實現(xiàn)冷量分配，從而減小中間層與內(nèi)層的溫差，以降低二者之間通過熱輻射進行的換熱量。中部筒體與外部筒體之間利用不銹鋼薄壁管連接，不銹鋼管外側(cè)安裝有輔助冷卻套管，內(nèi)部筒體與中部筒體之間利用柔性波紋管連接，內(nèi)部筒體靠近底部外側(cè)安裝有輔助加熱器，在外部筒體頂部安裝有引線防護罩，對測量系統(tǒng)導(dǎo)線密封。校準(zhǔn)強系統(tǒng)材料組合方式見表1。

圖3 隔熱校準(zhǔn)腔系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖線

圖4 溫度傳感器安裝銅座結(jié)構(gòu)圖

表1 部件材料選擇表

為保證低溫整體校準(zhǔn)裝置設(shè)計方案能有效實現(xiàn)系統(tǒng)要求的性能指標(biāo)，在解決熱校準(zhǔn)腔主體結(jié)構(gòu)設(shè)計、絕熱技術(shù)、引線密封實現(xiàn)方式、校準(zhǔn)腔均勻性保證措施、冷量分配防輻射方法以及溫度高精度測量與控制策略等多種關(guān)鍵技術(shù)后，需要對裝置核心部分校準(zhǔn)腔系統(tǒng)進行熱力學(xué)建模、隔熱效果與有效溫度場進行仿真計算，通過仿真計算對校準(zhǔn)腔系統(tǒng)進行迭代修正和優(yōu)化，按照仿真優(yōu)化結(jié)果建立校準(zhǔn)腔實驗平臺，對仿真結(jié)果進行進一步驗證，然后在此基礎(chǔ)上確定低溫整體校準(zhǔn)裝置最終研制方案。

3 校準(zhǔn)腔性能數(shù)值仿真分析

校準(zhǔn)腔熱力學(xué)仿真計算包括校準(zhǔn)腔結(jié)構(gòu)合理簡化、幾何模型建立、邊界條件分析、網(wǎng)格劃分、穩(wěn)態(tài)和升降溫條件下有效溫度場仿真計算，計算結(jié)果分析[13-15]。最后建立校準(zhǔn)腔實驗平臺，對仿真計算結(jié)果進行實驗驗證。

3.1 計算模型建立

隔熱校準(zhǔn)腔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了采用數(shù)值計算方式對校準(zhǔn)腔系統(tǒng)進行計算分析，需要對其幾何模型和邊界條件進行合理的簡化?？紤]到中間層與外殼之間距離較遠，且外殼為雙層中空殼體，所以只保留了外殼的法蘭，略去了外部筒體，邊界條件設(shè)置時，將中間層外側(cè)設(shè)為絕熱面。為了分析極限工作條件下校準(zhǔn)腔性能指標(biāo)，頂部不銹鋼引線罩外側(cè)壁設(shè)為上限323 K的恒壁溫。隔熱校準(zhǔn)腔系統(tǒng)中，在外部筒體頂部不銹鋼密封法蘭和中部筒體不銹鋼法蘭之間的不銹鋼連接導(dǎo)管上設(shè)置有恒溫輔助冷套管冷卻，所以將不銹鋼連接導(dǎo)管設(shè)為恒壁溫，溫度為223 K。按照實際傳感器外接傳輸連接電纜，電纜簡化為金屬棒，護套為聚四氟乙烯。另外，在隔熱校準(zhǔn)腔幾何模型建立時，所有被校和標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器都根據(jù)實際技術(shù)要求將形狀簡化為等效的圓柱體。校準(zhǔn)腔系統(tǒng)最后簡化后的計算模型如圖5所示。

圖5 校準(zhǔn)腔系統(tǒng)簡化模型

在溫度測量系統(tǒng)校準(zhǔn)過程中，溫度校準(zhǔn)源是指溫度傳感器安裝銅座中的有效溫度場，仿真計算的重點是需要對校準(zhǔn)過程中穩(wěn)態(tài)和溫度變化條件下的溫度傳感器安裝銅座有效溫度場進行計算和結(jié)果分析[16-19]。為了確保計算結(jié)果具有代表性，計算工況的選擇均按照極端情況進行模擬，假設(shè)恒溫器內(nèi)層控溫層底部溫度保持77 K，考察傳感器安裝座的溫度均勻性。在穩(wěn)態(tài)模擬進行完之后，進行校準(zhǔn)腔降溫性能模擬，取極端情況，假設(shè)起始溫度為323 K，考察溫度從323 K降溫至77 K所需要的時間；最后進行升降溫模擬，模擬在某個溫度點完成傳感器校準(zhǔn)后，升溫至下一個溫度點過程中傳感器座的溫度分布情況。

計算模型建立完成后，為確保計算精度和穩(wěn)定性，采用多面體方法對模型進行網(wǎng)格劃分[20-22]，校準(zhǔn)腔穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計算過程均采用了同一套網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖6。

圖6 校準(zhǔn)腔網(wǎng)格劃分圖(網(wǎng)格數(shù)目180萬)

3.2 仿真計算結(jié)果分析

3.2.1 穩(wěn)態(tài)條件下溫度場均勻性計算

圖7為傳感器安裝銅座穩(wěn)態(tài)性能仿真計算過程中設(shè)置的6個監(jiān)控點，分別設(shè)置在距離傳感器安裝銅座頂部10 mm處、50 mm處和安裝銅座底部、傳感器探頭區(qū)域以及傳感器安裝銅座下部凸出部位兩側(cè)。在制冷機冷頭溫度為77 K的最極限條件下，圖8顯示了校準(zhǔn)腔系統(tǒng)在x=0截面上的溫度分布云圖，圖9為各監(jiān)控點溫度變化情況。從計算結(jié)果中可以看出，當(dāng)溫度場穩(wěn)定后，6各檢測點的最大溫差為0.063 K，而在有效溫度場范圍內(nèi)的點2和點6的最大溫差為0.04 K左右，滿足設(shè)計技術(shù)目標(biāo)要求。

圖7 傳感器安裝座性能模擬監(jiān)控點設(shè)置圖

圖8 校準(zhǔn)腔系統(tǒng)座穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖(x=0)

圖9 監(jiān)控點溫度變化示意圖

3.2.2 傳感器安裝銅座降溫速率仿真計算

圖10中，為對校準(zhǔn)腔系統(tǒng)隔熱方案和制冷機功率選擇進行驗證，對傳感器安裝座的全溫域降溫速率進行了模擬,計算過程中制冷機的冷量分配如下：內(nèi)層法蘭底部占比為70%，140瓦；中間層法蘭底部占比為30%，60瓦。在頂部法蘭和中間層法蘭間的不銹鋼套管處進行輔助降溫，溫度恒為223 K。計算結(jié)果表明：從323K開始降溫，經(jīng)過3小時05分降至77 K。

圖10 傳感器安裝銅座監(jiān)控點1,5,6降溫速率

3.2.3 升溫過程中溫度場一致性仿真計算

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求計算了溫變速率為0.5 K/min時，傳感器安裝銅座的溫度分布情況。初始溫度設(shè)為77 K開始，以速率為0.5 K/min變化時，記錄得到傳感器安裝銅座各個監(jiān)控點的溫度如圖11所示，該工況下傳感器安裝銅座最大溫差為0.27 K。

圖11 升溫速率為0.5 K/min時傳感器安裝銅座座監(jiān)控點溫度變化情況(起始溫度為77 K)

隨著溫度升高，金屬材料的比熱容增大，傳感器安裝銅座和傳感器的熱容量增大，對紫銅而言，導(dǎo)熱系數(shù)也在降低，因此溫度升高后，傳感器座的熱擴散率在下降，導(dǎo)致傳感器座的溫度不均勻性在增加。為了進一步確認(rèn)溫度升高對隔熱校準(zhǔn)腔性能的影響，考察了起始溫度為318 K時，溫升速率為0.5 K/min時傳感器安裝銅座溫度分布情況，得到的結(jié)果如圖12所示，該工況下傳感器基座最大溫差為0.28 K。

圖12 升溫速率為0.5 K/min時傳感器銅座監(jiān)控點溫度變化情況(起始溫度為318 K)

4 仿真計算結(jié)果實驗驗證

為了對仿真計算結(jié)果進行實際驗證，專門建立了低溫整體校準(zhǔn)裝置設(shè)計方案驗證平臺，驗證低溫整體校準(zhǔn)裝置設(shè)計方案在溫度范圍、溫度準(zhǔn)度、溫度穩(wěn)定性、溫度均勻性、升降溫速率等方面所能達到的實際性能指標(biāo)。低溫整體校準(zhǔn)裝置驗證平臺具體組成如圖13所示，由校準(zhǔn)腔、溫度測量控制系統(tǒng)、制冷機、壓縮機等裝置組成，其中校準(zhǔn)腔、溫度傳感器安裝座完全按照設(shè)計方案加工，其它輔助系統(tǒng)充分利用實驗室現(xiàn)有設(shè)備。實驗平臺搭建完成后對校準(zhǔn)腔系統(tǒng)的靜態(tài)溫度準(zhǔn)度、升降溫速率、升降溫過程溫度場一致性進行了實驗驗證，校準(zhǔn)腔系統(tǒng)真空度為8.3×10-4Pa，驗證平臺外部溫度295 K，輔助制冷恒溫槽223 K，幾個典型目標(biāo)溫度點驗證結(jié)果見表2和表3。在校準(zhǔn)裝置長時間溫度場穩(wěn)定性測試結(jié)果中可以看出，在77 K、223 K、323 K典型測試目標(biāo)點中，隔熱校準(zhǔn)腔內(nèi)溫度準(zhǔn)度分別為7 mK、21 mK和23 mK，各點準(zhǔn)度遠遠優(yōu)于50 mK，各點溫度場穩(wěn)定性分別為16 mK、33 mK和38 mK，穩(wěn)定性優(yōu)于50 mK，各點溫度場均勻性分別為35 mK、30 mK和31 mK，均勻性優(yōu)于50 mK。在以10 K為階梯的升溫性能測試中，校準(zhǔn)裝置隔熱校準(zhǔn)腔溫度場的準(zhǔn)度、穩(wěn)定性和一致性也滿足50 mK指標(biāo)要求。實驗驗證結(jié)果表明校準(zhǔn)腔系統(tǒng)隔熱和升降溫措施有效，設(shè)計方案能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計指標(biāo)要求。

圖13 低溫整體校準(zhǔn)裝置關(guān)鍵技術(shù)驗證平臺

表2 長時間穩(wěn)定性能測試結(jié)果

表3 10 K階梯升溫性能測試結(jié)果

5 結(jié)束語

針對大型低溫風(fēng)洞等試驗設(shè)備需要，設(shè)計了一套適用于77～323 K范圍的多通道溫度測量系統(tǒng)高精度整體校準(zhǔn)裝置。為方便現(xiàn)場使用保障，低溫整體校準(zhǔn)裝置采用GM制冷機和加熱器輔助設(shè)備綜合控溫方式，其核心部分隔熱校準(zhǔn)腔系統(tǒng)主體采用三層結(jié)構(gòu)形式，中外部筒體采用真空隔熱，內(nèi)部筒體通過充氦實現(xiàn)腔內(nèi)溫度快速平衡；在連接中部筒體和外部筒體的不銹鋼導(dǎo)管上設(shè)計輔助制冷套管，在內(nèi)部筒體和中部筒體之間通過設(shè)置冷量分配器，解決溫差導(dǎo)致的輻射傳熱問題。為驗證設(shè)計方案的合理性，首先通過結(jié)構(gòu)簡化，建立了計算模型，對校準(zhǔn)腔系統(tǒng)的靜態(tài)精度、溫度場均勻性、溫度場穩(wěn)定性以及在溫度變化過程中溫度場的一致性進行了數(shù)值仿真和方案優(yōu)化。為確保方案合理可行，對隔熱校準(zhǔn)腔部分建立了實驗驗證平臺對仿真結(jié)果進行了驗證。仿真和實驗結(jié)果證明：多通道溫度測量系統(tǒng)高精度整體校準(zhǔn)裝置設(shè)計方案完全能夠達到設(shè)計指標(biāo)要求，能夠解決低溫風(fēng)洞等試驗設(shè)備溫度測量系統(tǒng)高效率、高精度、全系統(tǒng)、現(xiàn)場校準(zhǔn)的實際要求