面向外場1.2 m口徑低溫面源黑體溫控系統設計與實現

李 準，李 強，郝小鵬，謝臣瑜

（中國計量科學研究院，北京 102200）

0 引言

近年來，隨著紅外技術的迅速發展，紅外探測設備被廣泛應用于空間遙感、資源勘探以及氣象監測預警等領域，如目前在軌運行的風云衛星系列、資源衛星系列、高分衛星系列等，均搭載了相應的紅外探測設備[1-4]。在利用紅外設備探測目標之前，必須對其進行光譜輻射定標，獲取其光譜響應特性。在中遠紅外（3～14μm）波段內，普遍采用黑體輻射源作為標準定標光源[5-6]，根據普朗克定律[7]，黑體的光譜輻射度是波長和溫度的函數，這為紅外探測設備輻射定標的量值溯源提供了理論依據[8]。

常用的黑體輻射源根據輻射面結構的不同，一般分為腔型黑體和面型黑體。腔型黑體具有發射率高，溫度均勻性好等特點，適用于實驗室作為標準黑體定標輻射源。面型黑體的輻射面源大，適宜作為外場觀測設備的定標輻射源[9]。現階段，為滿足國內大孔徑、寬視場紅外探測設備的輻射定標需求，必須研制大尺寸的面型黑體輻射源，覆蓋紅外設備的光學孔徑，提高紅外設備的輻射定標精度。

黑體輻射源自身的輻射精度主要受溫度控制精度影響，對于面源黑體，須保證輻射平面內溫度的均勻性，而大尺寸面源黑體隨著面型尺寸的增大會增加溫度均勻控制的難度[10]，這對溫控系統的結構和性能以及溫控系統與面源黑體的匹配提出了較高的要求。

為滿足外場大口徑紅外測量設備的輻射定標需求，研制了一套直徑為1.2 m的大尺寸面源黑體，其溫度范圍為263～353 K。為滿足溫度均勻性的要求，在計算該面源黑體熱負荷的基礎上，設計了與該面源黑體匹配的制冷系統，提出了配套溫控系統的精密溫度調控方案，并對面源黑體的溫度穩定性進行了試驗驗證。

1 外場1.2 m口徑低溫面源黑體系統

1.1 系統組成及布置

研制的外場1.2 m口徑低溫面源黑體系統主要包括溫控系統和黑體輻射源兩大部分，結構如圖1所示。

圖1 面源黑體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of non-pointsource in black body

圖1中溫控系統主要包括制冷盤管和黑體加熱膜等溫度控制部件，黑體輻射源是儀器測量的主體部分，為圓柱結構，除外部殼體和支撐部件外，還包括干燥氣幕、輻射體（黑體、黑體加熱膜）等，可放置在車載轉臺上。前端蓋內部包含輻射體及干燥氣幕，后端蓋通過管路與控制機箱相連。控制機柜為方體結構，包括控溫電路、制冷系統等，外部配有顯示屏幕。通過控制機柜前面板的顯示屏，可調節輻射體溫度。兩大部分分別通過數據線和密封管路進行數據和控溫介質的交換。

1.2 黑體溫控系統

采用外置恒溫槽將黑體溫控系統的冷卻和加熱介質通過循環泵輸送到黑體輻射板的背面，以實現黑體輻射板的降溫和升溫，再利用黑體輻射板上的控溫系統，實現黑體的精準控溫。黑體溫控系統包括制冷和加熱系統兩部分。制冷系統采用閉式節流方式制冷，主要由壓縮機、冷凝器、節流閥和蒸發器等組成[11-12]，如圖2所示，用銅管將各個部件按一定順序連接成一個封閉系統，系統內充注一定量的制冷劑，通過閉式循環達到連續制冷的目的。

圖2 制冷系統及工作流程圖Fig.2 Refrigeration system and work process

采用電加熱器對加熱系統的恒溫槽內部液體進行加熱，以次級控溫系統為輔調節加熱量，實現對輻射板的次級加熱控溫。

2 低溫面源黑體配套溫控系統

2.1 低溫面源黑體系統熱負荷計算

首先計算黑體系統的熱負荷，以便對所需要的制冷量、加熱量以及循環泵的流量、管徑等進行相應的設計。為降低黑體輻射源與外界環境的熱交換，在輻射源體背面采取了隔熱措施，以提高控溫精度。假設除輻射面外其他面均為絕熱狀態。具體計算過程如下：

（1）降溫過程

a.黑體鋁基材降溫需要的冷量為：

式中：ρ鋁為黑體鋁基材密度，kg/m3；V鋁為黑體鋁體積，m3；c鋁為黑體鋁基材比熱容，J/（kg·K）；t鋁為黑體鋁降溫前溫度，K；t0鋁為黑體鋁降溫后溫度，K；?t鋁為其降溫前后溫差，K。

則所需冷量Q鋁為2.23 kW。

b.對流換熱需要的冷量為：

式中：h對流為自然對流系數，取25 W/（m2·K）；A對流為對流換熱面積，m2；t對流為對流換熱前溫度，K；t0對流為對流換熱后溫度，K。

則所需冷量Q對流為0.57 kW。

c.輻射換熱需要的冷量為：

式中：ξ取1；σ為斯特藩-玻耳茲曼常數，取5.67×10-8W/（m2·K4）；A輻射為輻射換熱面積，m2；T1為換熱前輻射面溫度，K；T2為換熱后輻射面溫度，K。

則所需冷量Q輻射為0.12 kW。

d.恒溫槽內油介質降溫需要的冷量為：

式中：ρ油為油介質密度，kg/m3；V油為油介質體積，m3；c油為油介質比熱容，J/（kg·K）；t油為油介質降溫前溫度，K；t0油為油介質降溫后溫度，K；?t油為其降溫前后溫差，K。

則所需冷量Q油為0.53 kW。因此，

所需要的總制冷量為Q'總冷=3.45 kW。

需要說明的是，在上述計算中，未考慮管道輸運和熱傳導等損失的熱量，而該損失一般占總制冷量的30%～50%，因此，為保證制冷量滿足實際需求，其他損失取最大系數0.5，即Q'總冷為5.18 kW。

（2）升溫過程

同理，可以計算當黑體溫度高于環境溫度323 K，系統在90 min內完成升溫過程的熱負荷。

a.黑體鋁基材升溫需要的熱量Q鋁=2.23 kW。

b.對流換熱需要的熱量Q對流=1.41 kW。

c.輻射換熱需要的熱量Q輻射=0.41 kW。

d.恒溫槽內油介質升溫需要的熱量Q油=0.87 kW。

總熱量Q'總熱=4.92 kW。

同樣采用最大系數0.5，則總加熱量Q'總熱=7.38 kW。

另外，由于黑體系統為車載形式，從可靠性和適用性方面考慮，采用臥式制冷壓縮機。

2.2 精密溫度調控系統

精密溫度調控系統主要包括溫度控制硬件系統、系統控制算法和數據采集系統等。

（1）溫度控制系統硬件組成及數據采集系統

溫度控制器由觸摸顯示屏、PLC可編程控制器、控溫儀表、溫度傳感器、制冷系統和加熱系統等6部分組成。當溫控系統工作時，溫度傳感器檢測恒溫槽體內部的溫度，傳感器的輸出信號被送入控溫儀表，控溫儀表根據與設定值的差值，輸出加熱功率。同時，PLC控制器會接收到溫度信號，將此溫度與事先設定的溫度進行比較。根據比較的結果，調節制冷系統輸出冷量的大小從而改變恒溫槽內部溫度。這樣便形成了閉環控制系統。此外，觸摸顯示屏可指示恒溫槽內部的設定溫度和實時溫度，以便對槽體溫度進行監控。PLC控制器采用Panasonic AF?PX-C38AT和AFPX-COM4通訊模塊，該控制系統具有3 001步以上、基本指令0.58μs/步、繼電器+晶體管混合型輸出，可滿足多種需求。

采用Pt100陶瓷鉑電阻溫度計作為溫度傳感器，引線為四線制，準確度為A級。鉑電阻傳感器用特殊的材料和工藝制造，具有高穩定性和耐振動性。

控溫儀表采用SHIMAX UP93智能0.1級96段可編程調節器，無超調雙自由度PID算法，8組PID參數和輸出限幅，11點PV值補償，AT自整定，手/自動切換，采樣周期50 ms。控溫精度高，溫度控制準確。

（2）系統控制算法

系統通電啟動后，首先完成硬件電路、觸摸顯示屏、執行機構的初始化工作。之后，通過觸摸屏設置控溫點及每個控溫點需要保持的時間。系統會自動比較各個控溫點，按照從低溫點到高溫點的方向進行溫度控制。系統的控制流程如圖3所示，B表示溫度值波動連續≤±0.005 K的次數，E表示在計時過程中溫度值波動＞±0.005 K的次數。

圖3 系統控制流程圖Fig.3 Flow chartof system control

系統正常工作時，必須實時計算溫度測量值（PV）與當前控溫目標值（SV）之差（PV-SV）。

當PV-SV＜-3 K時，快速加熱器啟動，通過PLC控制，制冷機關機，冷量輸入變為0；滿足條件-3 K≤PV-SV≤-2 K時，停止快速加熱；

當PV-SV＞-2 K時，加熱器全部關閉，冷量100%輸入，滿足條件-3 K≤PV-SV≤-2 K時，切換電磁閥，降低冷量輸入；系統進入PID調節狀態。

3 低溫面源黑體溫度均勻性保證措施

溫度均勻性是低溫面源黑體的重要評價指標。為確保黑體溫度均勻，從控制和材料方面采取了多項措施。在溫度控制方面，采用SHIMAX UP93智能可編程調節器控制循環槽內溫度，由于黑體表面積大，不同部位自然對流導致的漏熱量不同，因此采用多部位控溫的方法來保證黑體溫度的均勻性。控制流程圖如圖4所示，溫度傳感器將不同部位的溫度數據傳送到UP93可編程調節器，調節器將該溫度值與設定溫度值進行比較，優化PID控制后輸出溫度控制信號對黑體溫度進行控制。同時根據初步控制結果對控制參數進行調整優化以達到溫度均勻性要求。

圖4 溫度控制流程圖Fig.4 Flow chartof temperature control

采用在背部粘貼加熱片的方式加熱黑體。由于整個黑體輻射體的加熱面積比較大，一段控溫方式很難使加熱區域的溫度快速均勻上升，故將加熱面劃分為如圖5所示的主加熱區、附1加熱區和附2加熱區3個區域，采用三路加熱電源并在每個加熱區放置控溫溫度計，以保證溫度的均勻性。

圖5 加熱區域劃分示意圖Fig.5 Schematic diag ram of heating area division

采用聚酰亞胺加熱片加熱。該加熱片是薄膜狀的加熱材料，能可靠地與被加熱物體良好接觸，減小傳熱阻力；加熱片導熱效果好，在加熱過程中不會損壞；同時加熱片比較薄，方便包裹在保溫材料內；加熱片的輻射熱損失很小，加熱效率可達90%以上；此外該加熱片可以連接高精度的溫度控制器，達到預期精度的溫度控制。

為進一步保證黑體面源的溫度均勻性，在其外部包裹了熱阻很大的保溫材料。該保溫材料表面采用玻纖鋁箔防水層，可有效防水保溫，內部為高密度橡塑吸熱棉，熱阻大，隔熱效果好，增強了黑體面源溫度均勻性。

4 低溫面源黑體溫度穩定性及均勻性驗證

4.1 溫度穩定性驗證

通過上述熱負荷計算和配套溫控系統設計，研制出外場1.2 m口徑低溫面源黑體系統，并搭建了測試裝置。將黑體輻射源溫度分別設定為263 K、273 K、283 K、293 K、303 K、313 K、323 K、333 K、343 K、353 K，每個溫度測10次，每次持續30 min，用輻射溫度計連續測溫1 h。對面源黑體溫度穩定性的測量驗證結果如表1所列。由表1可知，在上述控溫溫度下，最大標準偏差為0.073 K，最大極差為0.190 K，面源黑體系統溫度穩定在0.190 K以內，符合±0.200 K的溫度穩定性設計要求。

表1 外場1.2 m口徑低溫面源黑體溫度穩定性測量結果Tab.1 Tem perature stabilitym easurem ent resu ltsof 1.2 m diam eter low tem perature extended area blackbody

4.2 溫度均勻性驗證

將黑體輻射源溫度分別設定為263 K、273 K、283 K、293 K、303 K、313 K、323 K、333 K、343 K、353 K，每個溫度保持30 min，用溫度計測量輻射體不同位置的溫度，共9個測溫點，如圖6所示。對面源黑體溫度均勻性的測量驗證結果如表2所列。由此可知，在上述控溫溫度下，面源黑體系統溫度均勻性均在±0.60 K以內，符合±0.80 K的溫度均勻性設計要求。

圖6 輻射體上的測溫點分布示意圖Fig.6 Distribution of temperature measuring points on radiator

表2 外場1.2 m口徑低溫面源黑體溫度均勻性試驗結果Tab.2 Tem perature uniform itym easurem ent resu ltsof 1.2 m diam eter low tem perature extended area b lackbody

5 結論

成功研制了用于外場試驗的1.2 m口徑低溫面源黑體系統，計算的總熱負荷為12.56 kW，設計的配套制冷系統及其精密控溫方案能夠保證系統正常運行。經試驗測試，面源黑體溫度穩定性達到±0.2 K，溫度均勻性達到±0.60 K，滿足設計和實際使用要求。