分体对开式高低温发生装置研究

高炳涛 杨晓伟 刘云平 梅红伟 钟 山 王慧龙

(北京航天计量测试技术研究所，北京100076)

1 引言

近年来随着航天技术的不断进步，人们对太空的探索更加深入，对力传感器的使用与计量提出了更高的要求，需要承受超高温、低温、烧灼、腐蚀、真空、水下等复杂并极其恶劣的环境，其中高低温环境是最常见的情况[1]。为了探究力传感器在高低温条件下的温度特性，需要利用一套高低温发生装置为力传感器模拟所需的高低温试验环境。高低温发生装置最常见的便是高低温试验箱[2]，但由于力传感器在高低温条件下校准存在结构连接形式的特殊性，对高低温发生装置提出了以下几个方面的要求：a)高低温发生装置可在同一个箱体内产生(-80℃～400℃)的高低温环境；b)为适应不同大小、不同型式力传感器的安装要求，高低温发生装置箱体应便于移动与调整；c)力传感器在高低温发生装置箱体内应便于安装与拆卸；d)箱体内部力传感器需通过上下金属拉/压杆与外部力传感器校准装置连接，所以需要高低温发生装置箱体上下面设有连接孔。鉴于以上连接结构形式的特殊性，现有高低温试验箱无法满足要求，因此，需要研制一种分体式对开式高低温发生装置，作为专用设备用于力传感器在高低温环境下的校准。

2 高低温发生装置

2.1 总体设计

根据力传感器在高低温条件下校准需求的特殊性设计了一种分体式对开式高低温发生装置，其总体组成如图1所示，高低温发生装置包括高低温发生系统、箱体和高低温风循环管道三部分，高低温发生装置设计为分体式对开式结构，高低温发生系统与箱体分开，通过高低温风循环管道将高低温发生系统与箱体连接，方便了箱体移动与调整；箱体以中心对称面分割为前后两部分对开式结构，方便被校力传感器在其内部安装与拆卸。

2.2 高低温发生装置结构设计

箱体结构如图2所示，箱体为对开式结构，方便力传感器的安装与拆卸，箱体以前后中心面将其分割为前后两部分，且在箱体上下面各设有一个上下连接孔，实现了箱体内部力传感器与外部力传感器校准装置连接；箱体外形设计为方形结构，内胆设计为圆形结构，内外层之间用填充石棉进行隔热，箱体内胆采用304不锈钢材料，高低温环境可在同一个箱体内产生。

高低温发生系统用于产生高低温媒介，其中高温采用电加热丝产生，通过控制流过电阻丝的电流

大小获得不同高温试验环境；低温采用三级复迭式制冷机组产生，常压气态冷媒依次通过压缩机组、冷凝器后送进蒸发器，在蒸发器内部完成高压汽化的吸热过程，达到降温的目的。通过控制冷媒在压缩机组、蒸发器、冷凝器的流速和流量获得不同的低温试验环境。制冷机组如图3所示。

图3 制冷机组Fig.3 Refrigeration unit

高低温发生装置总体组成为分体式结构，高低温发生系统与箱体独立，并利用高低温风循环管道将高低温发生系统与箱体连接。高低温发生系统设有风循环系统，将高低温风通过高低温风循环管道送入箱体内部；高低温风循环管道为回路式结构，其中一条管道用于将高低温风由高低温发生系统送入箱体内部，另一条管道用于将由箱体内高低温风送回高低温发生系统；高低温风循环管道为双层式结构，中间抽真空，可在-100℃ ～450℃的温度范围内使用并且具有良好的保温性能，如图4所示。

2.3 高低温控制系统设计

高低温发生装置控制系统核心部件是温度传感器和控温仪表，控温仪表与PC机联网集中管理，实现温度的设计、控制和PID调节[3]。图5所示为高温控制系统原理图，采用两段式电阻丝加热方式控温，温度控制系统根据测温传感器反馈的箱体内部温度与高温设定温度对变压器进行调节，以此来改变流通电阻丝的电流大小，完成对箱体内部温度的调节。

图4 高低温风循环管道Fig.4 High and low temperature wind circulating pipe

图5 高温控制系统原理图Fig.5 Schematic diagram of high temperature control system

图6所示为低温控制系统原理图，低温采用三级复迭式制冷机组产生，通过控制冷媒在制冷机组、冷凝器、蒸发器的流速和流量获得不同的低温试验环境温度。

图6 低温控制系统原理图Fig.6 Schematic diagram of low temperature control system

高低温控制流程图如图7所示，首先进行温度选择，当试验箱需要高温时，设定温度必须高于室温，由机组中的电加热丝加热升温，箱内温度达到设定温度时，便自动切断加热电源，停止加热，箱内温度随着试验箱的漏热而慢慢降低，低于设定温度时，又接通电源加热而升温。当试验箱需要低温时，设定温度低于室温，利用三级复叠式制冷机组通过对冷媒循环压缩吸热降温。

图7 高低温控制流程图Fig.7 Flow chart of high and low temperature control

4 技术指标测试结果

选用了温度测量仪，按照《JJF1101-2003环境试验设备温度、湿度校准规范》对高低温发生装置在使用温度范围内选取-80℃，100℃和400℃三个温度点对温度偏差和温度均匀度进行测试，测试结果与设计指标对照如表1所示。

表1 技术指标对照表Tab.1 Technical indicator comparison table ℃

根据测试结果可知，高低温发生装置在-80℃～400℃温度范围内温度偏差为±2℃，温度均匀度2℃，满足技术指标要求。

5 结束语

根据力传感器在高低温条件下校准的特殊性研制了一套分体对开式高低温发生装置，其温度范围为-80℃ ～400℃，温度偏差为±2℃，温度均匀度为2℃，该装置可作为专用设备用于力传感器在高低温环境下的校准。