CN102539019B - 空间真空环境下的温度测量与校准平台 - Google Patents

Abstract

空间真空环境下的温度测量与校准平台，有利于实现接触式测温与非接触式测温的同时校准，从而服务于卫星、飞船等航天器的热真空、热平衡试验包括恒温槽，所述恒温槽内设置有双子真空腔，所述双子真空腔包括第1真空腔体和第2真空腔体，所述第1真空腔体和第2真空腔体通过三通连接真空抽取装置，所述第1真空腔体的外壁上和所述第2真空腔体的外壁上均设置有标准温度计传感器，所述标准温度计传感器连接温度二次仪表；所述第1真空腔体的真空腔中设置有激光光路反射装置，用于校准基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的非接触式测温系统；所述第2真空腔体的真空腔用于容纳温度传感器，以校准采用所述温度传感器的接触式测温系统。

Description

空间真空环境下的温度测量与校准平台

技术领域

本发明涉及真空环境下的温度测量与校准技术，特别是一种空间真空环境下的温度测量与校准平台。采用所述平台有利于解决真空下温度测量的溯源问题，实现接触式测温与非接触式测温的同时校准，从而服务于卫星、飞船等航天器的热真空、热平衡试验。

背景技术

为验证卫星热设计的正确性，保证卫星在空间轨道的可靠运行，在卫星研制过程中必须进行空间热环境模拟实验。地面模拟空间热环境是实现热试验的基本条件，在热真空试验中，相关部位的温度是需要准确测量的核心参数之一。按温度测点所在的位置可分为航天器温度和实验设备温度两部分。目前这些部位的温度测量主要为T型铜-康铜热电偶系统，以铂电阻和热敏电阻进行比对。为确保温度测量的准确性和溯源性，需要定期对温度测量设备进行检定校准。目前，温度校准主要是在常压下进行。随着航天技术、飞行器技术的发展，真空环境实验、特别是航天器真空热试验成为一项非常重要的试验验证工作，其中真空环境下某些基本参数的测量尤其是温度的测量成为上述研究的关键测试技术。但是到目前为止，航天器真空热试验中温度的测量基本上还是采用传统的接触式测温技术，其中热电偶温度测量系统应用十分普遍，但随着航天科学技术的发展，传统的热电偶测温技术越来越不满足航天器真空热试验的需要，如热电势信号很小，当信号采集处理单元安装在真空室外，连接测量点和信号处理单元间的热偶电缆又比较长，噪声就会对高精度的测量产生不利影响.同时由于真空热试验的温度场比较复杂，测量线路的材料和工艺如得不到正确的处理，就会有附加热电势的干扰；其次，航天器真空热试验中需要的热电偶的数量非常庞大，不仅给实验带来困难，而且热电偶线的热损失也会降低温度测量的精度；再次，从物理的角度分析，在高真空环境下采用热电偶测量温度存在着诸多问题，如在压力较大情况下，传热方式主要有对流、热传导和辐射三种。但是在压力接近真空状态下，对流和热传导的作用基本不存在，此时对工件、热电偶起升温作用的主要是辐射，辐射反映的是分子转动(对应转动温度)和振动(对应振动温度)的热运动情况，而热电偶的校准工作一般是在常压下进行，因此标定的温度是分子做热运动的平动温度，即经典热力学温度，尽管分子的转动温度和平动温度时刻保持平衡，但上述现象表明：当采用常压下标定的热电偶测量真空环境的温度存在着不可预知问题。因此发展先进的、准确的、有效的温度测量技术有着明确的、长远的、重大的民用和军事应用背景，可以为解决航天器真空热试验提供有效的技术途径和工程数据。在地面模拟空间热环境试验中，相关部位的温度测点所在的位置可分为航天器温度和实验设备温度两部分。目前这些部位的温度测量主要采用温度传感器进行测量，主要应用T型铜-康铜热电偶系统，以铂电阻和热敏电阻进行比对。在空间热环境模拟实验中，主要采用热电偶、铂电阻和热敏电阻作为传感器进行温度测量，其校准、溯源均在常压下实现。但在真空环境下，温度传感器材料特性及传热过程都发生变化，热真空试验的温度场分布十分复杂，因此为保证温度测量的准确性，空间温度测量及校准技术有待进一步研究。TDLAS技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，可调谐二极管激光吸收光谱技术)是光谱学遥感技术的一种，主要用来测量气体的温度和浓度，是当前痕量气体、污染性气体在线检测技术的发展方向和技术主流。TDLAS技术具有很强的选择性、高灵敏度、高光谱分辨率、系统通用性等优点，可以实现气体温度和浓度的高精度在线测量。尽管TDLAS技术在气体温度和浓度测量中取得了重大的进展，实现了多种环境下气体温度和浓度的高精度在线测量，但令人遗憾的是，目前TDLAS技术研究主要针对具体的工程应用，其研究的压力范围一般集中在0.1kPa～1000kPa范围内，很少有科研工作者尝试测量高真空环境下气体的温度和浓度，造成这方面的原因主要有以下两点：一是目前TDLAS技术主要针对具体的工程应用，而工程应用一般很少涉及到极低压力条件；二是TDLAS技术是通过分析气体对激光的吸收情况得到气体的温度和浓度，但在真空环境下，单位体积内气体的分子数很少，以致吸收信号很弱而不利于实验测量。但近几年来，随着实验水平的进步，尤其是光学谐振腔技术的应用，使得测量极低压力条件下气体的温度和浓度成为可能。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种空间真空环境下的温度测量与校准平台。采用所述平台有利于解决真空下温度测量的溯源问题，实现接触式测温与非接触式测温的同时校准，从而服务于卫星、飞船等航天器的热真空、热平衡试验。

本发明的技术方案如下：

空间真空环境下的温度测量与校准平台，其特征在于，包括恒温槽，所述恒温槽内设置有双子真空腔，所述双子真空腔包括第1真空腔体和第2真空腔体，所述第1真空腔体和第2真空腔体通过三通连接真空抽取装置，所述第1真空腔体的外壁上和所述第2真空腔体的外壁上均设置有标准温度计传感器，所述标准温度计传感器连接温度二次仪表；所述第1真空腔体的真空腔中设置有激光光路反射装置，用于校准基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的非接触式测温系统；所述第2真空腔体的真空腔用于容纳温度传感器，以校准采用所述温度传感器的接触式测温系统。

所述激光光路反射装置包括位于第1真空腔体空腔上端的反射镜面和位于第1真空腔体空腔下端的反射镜面，所述第1真空腔体空腔上端设置有激光输入的光纤入口和经过一定次数反射后的激光输出的光纤出口。

所述温度传感器安装在第2真空腔体的内壁上，所述温度传感器连接温度二次仪表。

所述恒温槽采用液氮槽、酒精槽、水槽或油槽。

所述真空抽取装置包括机械泵、分子泵、插板阀和电磁阀，所述机械泵、分子泵和插板阀依次连接，所述插板阀通过三通连接所述双子真空腔，所述电磁阀并联于所述分子泵和插板阀。

所述第1真空腔体和第2真空腔体均采用紫铜材料。

所述第1真空腔体的外壁上和所述第2真空腔体的外壁上均设置有环形空间，所述环形空间的底部与所述外壁连接，所述环形空间的上部连通大气，所述标准温度计传感器位于所述环形空间内。

所述光纤出口连接光电探测器，所述光电探测器连接数据采集处理装置；所述光纤入口连接激光器，所述激光器连接激光控制单元，所述激光控制单元接收信号发生器和锁相放大器的混合信号。

本发明技术效果如下：

本发明涉及真空环境下的温度测量与校准技术，能够解决真空下温度测量的溯源问题，实现接触式测温与非接触式测温的同时校准。发明人通过开展温度传感器技术在真空下的温度测量和校准技术研究，研究真空环境下的传热机理，建立一套真空环境下的温度校准平台，为空间温度测量装置的研制、试验、校准提供保障。同时基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)，通过TDLAS技术对真空环境下痕量气体(空气或特定气体，如CO₂)的温度进行测量，以验证传统的温度传感器测量技术的可靠性和精度，并在此基础上发展一种全新的、高精度的、基于TDLAS技术的真空环境温度测量技术，使两种方法形成比较和互补。本项目的完成拟解决温度传感器在常压和真空下测量结果差异大的问题，直接服务于卫星、飞船等航天器的热真空、热平衡试验。

在地面模拟空间热环境试验中，相关部位的温度测点所在的位置可分为航天器温度和实验设备温度两部分。目前这些部位的温度测量主要采用温度传感器进行测量，主要应用T型铜-康铜热电偶系统，以铂电阻和热敏电阻进行比对。TDLAS技术(Tunable Diode LaserAbsorption Spectroscopy)具有很强的选择性、高灵敏度、高光谱分辨率、系统通用性等优点，可以实现气体温度和浓度的高精度在线测量，属于非接触式温度测量。这两种方法都以其独特的优势得到广泛应用，但同样存在在真空下应用的溯源性问题。为了解决这两种方式在真空下的溯源问题，同时保证在校准过程中各种环境因素都保持一致，相互不发生干扰。设计了双子真空室结构来使这个问题得到解决。双子真空腔体既能连在一起工作，又能拆开分别工作，通过这种真空结构既能够提供相同的校准环境，同时相互不干扰。TDLAS技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)是光谱学遥感技术的一种，主要用来测量气体的温度和浓度，TDLAS技术具有很强的选择性、高灵敏度、高光谱分辨率、系统通用性等优点，可以实现气体温度和浓度的高精度在线测量。温度传感器由于在真空环境下材料特性容易发生改变从而影响其测量，而TDLAS温度测量方法采用光学手段，不存在这方面的问题，同时对测量环境的温场影响非常小，可以快速的进行环境温场分布测量。

附图说明

图1是实施本发明空间真空环境下的温度测量与校准平台的结构示意图。

图中标记列示如下：

10-信号发生器；11-锁相放大器；12-激光控制单元；13-数据采集处理装置；14-温度二次仪表；15-光电探测器；16-激光器；17-恒温槽；18-环形空间；19-第2真空腔体的真空腔；20-第1真空腔体的真空腔；21-激光光路；22-第1真空腔体空腔下端的反射镜面；23-第1真空腔体空腔上端的反射镜面；24-光纤入口；25-光纤出口；26-三通；27-插板阀；28-分子泵；29-机械泵；30-电磁阀；31-标准温度计传感器；32-第1真空腔体；33-第2真空腔体；34-温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图(图1)对本发明进行说明。

图1是实施本发明空间真空环境下的温度测量与校准平台的结构示意图。如图1所示，空间真空环境下的温度测量与校准平台，包括恒温槽17，所述恒温槽内设置有双子真空腔(即通过三通26连接成双的第1真空腔体的真空腔20和第2真空腔体的真空腔19)，所述双子真空腔包括第1真空腔体32和第2真空腔体33，所述第1真空腔体32和第2真空腔体33通过三通26连接真空抽取装置，所述第1真空腔体32的外壁上和所述第2真空腔体33的外壁上均设置有标准温度计传感器31，所述标准温度计传感器31连接温度二次仪表14；所述第1真空腔体的真空腔20中设置有激光光路反射装置，用于校准基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的非接触式测温系统；所述第2真空腔体的真空腔19用于容纳温度传感器34，以校准采用所述温度传感器34的接触式测温系统。所述温度传感器34又称待检温度传感器或待检温度计。所述激光光路反射装置包括位于第1真空腔体空腔上端的反射镜面23和位于第1真空腔体空腔下端的反射镜面22，所述第1真空腔体空腔上端设置有激光输入的光纤入口24和经过一定次数反射后的激光输出的光纤出口25。所述温度传感器34安装在第2真空腔体33的内壁上，所述温度传感器34连接温度二次仪表14。所述恒温槽17采用液氮槽、酒精槽、水槽或油槽。所述真空抽取装置包括机械泵29、分子泵28、插板阀27和电磁阀30，所述机械泵29、分子泵28和插板阀27依次连接，所述插板阀27通过三通26连接所述双子真空腔，所述电磁阀30并联于所述分子泵28和插板阀27。所述第1真空腔体32和第2真空腔体33均采用紫铜材料。所述第1真空腔体的外壁上和所述第2真空腔体的外壁上均设置有环形空间18，所述环形空间18的底部与所述外壁连接，所述环形空间18的上部连通大气，所述标准温度计传感器31位于所述环形空间18内。所述光纤出口25连接光电探测器15，所述光电探测器15连接数据采集处理装置13；所述光纤入口24连接激光器16，所述激光器16连接激光控制单元12，所述激光控制单元12接收信号发生器10和锁相放大器11的混合信号。

随着科学技术的发展，各类精密产品的生产制造以及特种科学实验都要求具有特定的工作环境，热传感器的检定前提条件就是恒温场必须满足要求，因此恒温控制精度的高低就成为了实际检定中不可缺少的条件之一。恒温槽是温度测试及温度控制中特别是在温度仪器仪表的检定中必用的环境温度试验设备，用于提供不同温度状态下的恒定温场。恒温槽已经在温度计量校准工作中得到了广泛的应用，恒温槽的技术性能的优劣决定着计量、校准工作的质量。依据恒温槽技术性能测试规范的要求，一般主要恒温槽主要技术指标是温度波动性、温度均匀性和示值偏差。目前用于检定的恒温槽主要有：酒精低温槽、水恒温槽、油恒温槽。它们依恒温介质不同而得名。其中酒精低温槽用于提供-100℃～5℃以下的温度温场；水恒温槽用于提供5℃～95℃的温度温场；油恒温槽用于提供95℃～300℃的温度温场。油恒温槽的介质通常采用食用油和汽缸油、硅油等。而对于-100℃以下温度的获得通常采用液氮或液氦作为介质。在我们的研究中，恒温槽系统的设计包括恒温槽选择合适范围的恒温槽、设计恒温槽盖和真空系统固定机构。根据《JJG 229-1998工业铂、铜热电阻检定规程》工业铂电阻只需要检定0℃和100℃点、根据《JJG 368-2000工作用铜一铜镍热电偶检定规程》热电偶需要检定液氮温度点、-79℃、100℃、200℃、300℃，热敏电阻的校准则根据其量程每10℃作为间隔进行校准，一般范围-50℃～200℃。

TDLAS技术测量的原理，当一束单色激光穿越气体介质时，由于气体吸收作用使得激光强度发生变化。所述激光强度变化遵循Beer-Lambert定律。真空环境下TDLAS温度测量技术由于压力极低，为了提高温度测量的精度和灵敏度，实验中采用波长调制技术进行温度测量。低频锯齿波扫描信号与高频正弦调制信号混合后，加载在可调谐激光器输入端，驱动激光器的波长在吸收谱线附件发生扫描和调制，输出激光经透镜准直后通过光纤进入气体介质中(真空室)，透射后的激光信号由光纤传出真空室经光电探测器接收转换为电信号，一路输入锁相放大器进行谐波检测，一路输入数据采集卡中以监测测量过程中激光强度的变化。

在地面模拟空间热环境试验中，相关部位的温度测点所在的位置可分为航天器温度和实验设备温度两部分。目前这些部位的温度测量主要采用温度传感器进行测量，主要应用T型铜-康铜热电偶系统，以铂电阻和热敏电阻进行比对。在空间热环境模拟实验中，主要采用热电偶、铂电阻和热敏电阻作为传感器进行温度测量，均属于接触式温度测量。DLAS技术(TunableDiode Laser Absorption Spectroscopy)具有很强的选择性、高灵敏度、高光谱分辨率、系统通用性等优点，可以实现气体温度和浓度的高精度在线测量，属于非接触式温度测量。这两种方法都以其独特的优势得到广泛应用，但同样存在在真空下应用的溯源性问题。为了解决这两种方式在真空下的溯源问题，同时保证在校准过程中各种环境因素都保持一致，相互不发生干扰。设计了双子真空室结构来使这个问题得到解决。双子真空腔体既能连在一起工作，又能拆开分别工作，通过这种真空结构既能够提供相同的校准环境，同时相互不干扰。

在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (8)

1.空间真空环境下的温度测量与校准平台，其特征在于，包括恒温槽，所述恒温槽内设置有双子真空腔，所述双子真空腔包括第1真空腔体和第2真空腔体，所述第1真空腔体和第2真空腔体通过三通连接真空抽取装置，所述第1真空腔体的外壁上和所述第2真空腔体的外壁上均设置有标准温度计传感器，所述标准温度计传感器连接温度二次仪表；所述第1真空腔体的真空腔中设置有激光光路反射装置，用于校准基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的非接触式测温系统；所述第2真空腔体的真空腔用于容纳温度传感器，以校准采用所述温度传感器的接触式测温系统。

2.根据权利要求1所述的空间真空环境下的温度测量与校准平台，其特征在于，所述激光光路反射装置包括位于第1真空腔体空腔上端的反射镜面和位于第1真空腔体空腔下端的反射镜面，所述第1真空腔体空腔上端设置有激光输入的光纤入口和经过一定次数反射后的激光输出的光纤出口。

3.根据权利要求1所述的空间真空环境下的温度测量与校准平台，其特征在于，所述温度传感器安装在第2真空腔体的内壁上，所述温度传感器连接温度二次仪表。

4.根据权利要求1所述的空间真空环境下的温度测量与校准平台，其特征在于，所述恒温槽采用液氮槽、酒精槽、水槽或油槽。

5.根据权利要求1所述的空间真空环境下的温度测量与校准平台，其特征在于，所述真空抽取装置包括机械泵、分子泵、插板阀和电磁阀，所述机械泵、分子泵和插板阀依次连接，所述插板阀通过三通连接所述双子真空腔，所述电磁阀并联于所述分子泵和插板阀。

6.根据权利要求1所述的空间真空环境下的温度测量与校准平台，其特征在于，所述第1真空腔体和第2真空腔体均采用紫铜材料。

7.根据权利要求1所述的空间真空环境下的温度测量与校准平台，其特征在于，所述第1真空腔体的外壁上设置有第1环形空间，所述第2真空腔体的外壁上设置有第2环形空间，所述第1环形空间的底部与所述第1真空腔体的外壁连接，所述第2环形空间的底部与所述第2真空腔体的外壁连接，两个所述环形空间的上部连通大气，所述标准温度计传感器分别位于两个所述环形空间内。

8.根据权利要求2所述的空间真空环境下的温度测量与校准平台，其特征在于，所述光纤出口连接光电探测器，所述光电探测器连接数据采集处理装置；所述光纤入口连接激光器，所述激光器连接激光控制单元，所述激光控制单元接收信号发生器和锁相放大器的混合信号。