实验室太阳辐射试验中温度测量的分析

羊军，赵书平，李金国

（空军装备研究院雷达所，北京 100085）

引言

太阳辐射是暴露在自然环境中的设备所要经受的主要环境应力之一，它对设备的影响主要有热效应和光化学效应。其中热效应主要是由太阳辐射中的红外光谱产生的，引起设备自身的温度高于周围空气的温度，并把高出的部分定义为附加温升，它可能造成设备的过热失效，或者因为接受辐射强度的不同导致出现附加温升的热梯度从而使设备结构破坏。

附加温升的大小和设备的表面材质、颜色、粗糙度等因素有关，不同的设备以及不同的表面状态其附加温升也不尽相同。因此通过对太阳辐射试验中设备本身的温度测量来掌握其在太阳辐射下实际的温度响应，从而为设备状态的分析和防护设计等提供依据。

本文以线缆样件为例，进行了实验室全光谱太阳辐射试验的温度测量。

1 试验方法

1.1 试验设备

试验样件放置于太阳辐射试验箱内，采用热电偶、温度采集仪、网络交换机、计算机等组成的温度测量系统进行温度采集，试验网络图见图1。

图1 试验网络图

试验所用的试验箱为SR-5400 型太阳辐射试验设备，它选用光谱能量分布较接近于太阳光的短弧氙灯作为人工光源，模拟自然太阳光照，专用于考核置于户外受太阳光直接照射的产品耐太阳辐射的热效应和光化学效应的能力。

热电偶为某公司的T 型铠装热电偶，测量范围为-185℃～+370℃，精度为±0.75%，响应时间为3s。

温度采集仪为某公司的EX1048 型高精度热电偶采集仪，内置高精度冷端补偿和自校准源，在环境温度15℃～35℃内测量0℃～100℃的最大误差为±0.9℃。

计算机通过网络交换机远程监控温度采集仪并记录温度采集数据，试验中采集数据的记录频率为0.1Hz，即每10s 记录一次测量结果。

1.2 试验样件

本次试验样件为Φ25mm×200mm 的线缆样件，外层为黑色聚乙烯层，表面光滑，向里为交叉编织的铜网层，再向里为抗拉的纤维层，中心为三芯电缆层。在线缆端面的中心和靠近上下表面位置，沿平行线缆中心轴的方向钻3 个小孔，放入1#、2#、3#热电偶，作为样件的温度采集点。线缆样件端面及温度测点示意图见图2。

线缆样件放置于试验箱内的工作平台上，在辐照光源的投影区域内，距离光源的垂直距离为0.76m。

1.3 试验条件

试验按GJB 150.7-1986《军用设备环境试验方法 太阳辐射试验》中稳态长期光化学效应试验的试验程序进行。24h 为一个日循环，前20h 调整试验箱内辐射强度为1120W/m2，后4h 关闭辐照光源，试验过程中试验箱内的温度始终保持在49℃。

2 试验结果及分析

试验箱的1 个日循环试验条件记录见图3。日循环开始时，辐射强度升高至1120W/m2，保持20h 后关闭辐照光源，并保持4h，完成1 个循环。光源关闭后，试验箱内太阳辐射侦测仪仍接收自然光辐射，因此记录的辐射强度约为240W/m2而不是0。在光源开启后，辐射强度迅速增大，试验箱内气流温度因辐射吸热而随之升高，然后试验箱温度控制系统调节气流温度重新回归49℃，因此图中温度曲线出现向上的锯齿形。在关闭光源时发生相反的过程，图中温度曲线出现向下的锯齿形。此外的其他时间中，试验箱内温度均保持为49℃。

在图3 的日循环中，3 只热电偶的温度测量曲线见图4。温度测量曲线表现为与辐射强度曲线相一致的变化趋势。根据温度测量曲线的变化特点，可将其分为4 段，详见表1。

图2 线缆端面及温度测点示意图

图3 试验箱内条件记录曲线

图4 热电偶温度测量曲线

表1 温度曲线的划分

其中，2#测点（位于线缆中心）的温度曲线在上升段和下降段均滞后于另外两条曲线，由此说明：当光源开启后，样件表面接受光照辐射，因红外光的加热效应而温度升高，然后以导热的方式向样件内部传热，使中心处温度升高，热量的传递方向是由外至内；在关闭光源之后，辐射热源消失，样件表面因和箱内空气对流换热而迅速降温，样件中心以导热的方式向外传热而降温，热量的传递方向是由内至外。

参考GJB 150-1986 中样件温度稳定的定义，温度测量曲线边界点的判定方法为：在第2、第4 段曲线中温度变化速率小于等于1℃/h，分别对应于试验箱内辐射工况下和无辐射工况下样件的热平衡状态。按此方法可以把上表面温度曲线划分为ab，bc，cd，de 四段，如图4 所示。

把3 只热电偶的温度测量曲线分为4 段后，对第2、第4 段的温度测量数据分别计算其算术平均值和标准偏差，得到的结果见表2。

其中，T2、T4分别表示第2、第4 段温度测量曲线的算术平均值；

σ2、 σ4分别表示第2、第4 段温度测量曲线的标准偏差。

从表2 中可以得出：

表2 温度测量结果

图5 辐射工况下线缆温度测量结果

4）三只热电偶的σ2、σ4均较小，说明在光照辐射和无辐射时，样件所达到的热平衡状态很稳定。两种工况下，2#测点的标准偏差更小，这是因为样件表面和箱内空气进行对流换热，由于气流的扰动而使样件表面温度产生波动，越是靠近中心，受这种扰动的影响越小，温度也越稳定。而三只热电偶的 σ2均大于σ4好几倍，这是因为光照辐射工况比无辐射时，样件表面与箱内空气的温差更大，从而使对流换热的扰动更加剧烈。

3 结束语

在太阳辐射试验中，由于光照辐射导致样件附加温升显著，且样件内部存在的热梯度，试验结果为相关产品环境适应性设计提供重要的资料。附加温升的量值和样件本身特质有关，对不同的样件应分别考虑其附加温升的大小及带来的影响。

[1]GJB 150-1986,军用设备环境试验方法[S].

[2]曹玉璋编. 传热学[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 2011.7.