多通道溫度測量整體校準系統仿真分析

褚衛華，劉 展，顧正華，賈軍偉

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

0 引言

在風洞吹風實驗過程中，為了得到飛行器氣動特性的數據，需要正確地測量壓力、溫度等流場參數[1-2]。在低溫風洞特別是在大型低溫風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多，而且在溫度穩態變化過程中，各溫度測量通道響應要求保持一定的一致性。為確保低溫風洞溫度場測量系統實現這樣的性能指標，除對溫度傳感器、放大器、采集系統等進行合理選型和對測量系統進行科學設計外，同時對整個溫度測量系統的校準方法提出了較高要求。

溫度測量系統一般由溫度傳感器、放大器、數據采集系統、連接電纜等組成[3-4]。傳統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]，但對于低溫風洞從77～323 K的低溫范圍內精度要求達到0.1 K，這種方法已經無法滿足低溫風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方法存在以下缺點：

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

2)只能對溫度傳感器靜態精度進行校準，無法對溫度場穩態變化中不同通道測量響應一致性進行比較和標定；

3)傳感器拆卸會導致設備停用，既影響設備運行效率又容易導致衍生故障。

為實現低溫風洞實際溫度測量精度和響應一致性需求，需要設計一套能夠在現場對溫度測量系統(包括溫度傳感器、放大器、采集系統、連接線纜和使用環境)進行整體全回路原位校準裝置[11-12]，校準原理見圖1。校準裝置可以按照校準設定的目標溫度，調節制冷器和加熱器，保證校準腔溫度場達到要求的準度和一致性。溫度測量系統現場安裝完成后，將各通道溫度傳感器安裝于校準腔內。校準裝置按溫度變化階梯要求，逐步變化校準腔溫度，得到在各標準溫度點條件下，傳感器信號通過現場電纜傳輸、放大器調理、數據采集和環境影響后對應的最終采集數值，然后將所有溫度校準點擬合，得到整個溫度測量系統的校準曲線。

圖1 溫度測量系統整體全回路原位校準圖

多通道低溫溫度測量系統高精度整體校準裝置(以下簡稱低溫整體校準裝置)是國內首套在低溫范圍內對溫度測量系統進行整體校準的高精度現場計量裝置，校準對象復雜，一次性校準數量多，校準腔容積大、低溫范圍寬、均勻性和準度要求高，在規模和性能都是國內首創。低溫整體校準裝置滿足了航空航天特別是低溫風洞實驗設備傳感器外型尺寸差異大、一次標定數量多、高效率、高精度的實際要求。

1 低溫整體校準裝置總體架構

為方便現場保障，低溫整體校準裝置采用GM制冷機和加熱器綜合控溫方式。低溫整體校準裝置總體組成見圖2，總體由隔熱校準腔系統、制冷機水冷系統、預冷恒溫槽、真空與壓力調節系統和測控機柜等部分組成。

圖2 多測點低溫溫度測量系統綜合校準裝置組成圖

隔熱校準腔系統是低溫整體校準裝置的核心部分，主要用途是：為溫度測量系統校準提供準度、均勻性、升降溫速率等指標都滿足要求的溫度源；對校準腔進行隔熱防護和對測量系統導線密封；實現校準腔升溫降溫過程控制和溫度定點控制。校準腔安裝有GM制冷機和加熱器輔助設備。由于低溫整體校準裝置一次校準通道數達45路，校準腔大且對校準腔溫度場均勻性要求較高，校準腔采用三層結構，中層外層真空隔熱，內層作為校準溫度源，放置傳感器安裝銅座，通過充氦實現溫度場快速均勻。

真空與壓力調節系統包含氦氣氣源、真空泵、閥門和管路等設備，真空系統主要用于實現校準腔內層和中層、中層和外層之間真空狀態，保證校準內腔與外部的良好隔熱。壓力調節部分用于校準內腔內氦氣壓力的控制，保證校準內腔氦氣壓力略高于外部壓力，防止空氣進入校準腔內造成水凝結等現象。

測控機柜包含數據采集及分析計算機、測試及控制儀表等，進行溫度測量與記錄，實現校準前真空度控制與校準腔壓力調節，并通過控制制冷機和加熱器調節校準腔溫度，按照校準要求控制溫度測量系統的校準流程，監測低溫整體校準裝置工作狀態。

預冷恒溫槽主要實現校準腔系統輔助制冷，降低由于被校測量系統導線和校準腔氦氣對流引起的溫度梯度，改善校準腔溫度均勻性。

制冷機水冷系統用于GM制冷機冷卻。

低溫整體校準裝置主要技術指標如下：

溫度校準范圍：77～323 K；

靜態有效溫度場均勻性：±50 mK；

靜態溫度場穩定性：±50 mK/20 min；

靜態溫度準度：±50 mK；

穩態變化一致性要求：同時標校11支如圖2所示的規格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。

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

2 低溫整體校準裝置仿真與實驗驗證方案

隔熱校準腔系統是低溫整體校準裝置的核心部分，校準腔內放置有溫度傳感器安裝座。校準腔既要在控制系統調節下完成校準腔有效溫度場升降溫過程，又要保證良好的隔熱，實現溫度場均勻性和一致性。校準源具體隔熱校準腔系統的結構如圖3所示，采用三層結構形式：外部筒體隔熱防護，中部筒體防輻射熱保護，內部筒體放置傳感器安裝銅座，溫度傳感器安裝銅座結構見圖4。隔熱校準腔外部筒體采用了雙層結構，兩層之間為真空環境；中部筒體和內部筒體、中部筒體和外部筒體之間抽真空，保持真空環境。校準過程中氦氣充滿內部筒體，保證內部筒體溫度均勻性。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部筒體、中部筒體底部的接觸面積實現冷量分配，從而減小中間層與內層的溫差，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，不銹鋼管外側安裝有輔助冷卻套管，內部筒體與中部筒體之間利用柔性波紋管連接，內部筒體靠近底部外側安裝有輔助加熱器，在外部筒體頂部安裝有引線防護罩，對測量系統導線密封。校準強系統材料組合方式見表1。

圖3 隔熱校準腔系統總體結構圖線

圖4 溫度傳感器安裝銅座結構圖

表1 部件材料選擇表

為保證低溫整體校準裝置設計方案能有效實現系統要求的性能指標，在解決熱校準腔主體結構設計、絕熱技術、引線密封實現方式、校準腔均勻性保證措施、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鍵技術后，需要對裝置核心部分校準腔系統進行熱力學建模、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腔系統進行迭代修正和優化，按照仿真優化結果建立校準腔實驗平臺，對仿真結果進行進一步驗證，然后在此基礎上確定低溫整體校準裝置最終研制方案。

3 校準腔性能數值仿真分析

校準腔熱力學仿真計算包括校準腔結構合理簡化、幾何模型建立、邊界條件分析、網格劃分、穩態和升降溫條件下有效溫度場仿真計算，計算結果分析[13-15]。最后建立校準腔實驗平臺，對仿真計算結果進行實驗驗證。

3.1 計算模型建立

隔熱校準腔系統結構復雜，為了采用數值計算方式對校準腔系統進行計算分析，需要對其幾何模型和邊界條件進行合理的簡化。考慮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，邊界條件設置時，將中間層外側設為絕熱面。為了分析極限工作條件下校準腔性能指標，頂部不銹鋼引線罩外側壁設為上限323 K的恒壁溫。隔熱校準腔系統中，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管上設置有恒溫輔助冷套管冷卻，所以將不銹鋼連接導管設為恒壁溫，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，在隔熱校準腔幾何模型建立時，所有被校和標準溫度傳感器都根據實際技術要求將形狀簡化為等效的圓柱體。校準腔系統最后簡化后的計算模型如圖5所示。

圖5 校準腔系統簡化模型

在溫度測量系統校準過程中，溫度校準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過程中穩態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果分析[16-19]。為了確保計算結果具有代表性，計算工況的選擇均按照極端情況進行模擬，假設恒溫器內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。在穩態模擬進行完之后，進行校準腔降溫性能模擬，取極端情況，假設起始溫度為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定性，采用多面體方法對模型進行網格劃分[20-22]，校準腔穩態和瞬態計算過程均采用了同一套網格，網格劃分結果見圖6。

圖6 校準腔網格劃分圖(網格數目180萬)

3.2 仿真計算結果分析

3.2.1 穩態條件下溫度場均勻性計算

圖7為傳感器安裝銅座穩態性能仿真計算過程中設置的6個監控點，分別設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、傳感器探頭區域以及傳感器安裝銅座下部凸出部位兩側。在制冷機冷頭溫度為77 K的最極限條件下，圖8顯示了校準腔系統在x=0截面上的溫度分布云圖，圖9為各監控點溫度變化情況。從計算結果中可以看出，當溫度場穩定后，6各檢測點的最大溫差為0.063 K，而在有效溫度場范圍內的點2和點6的最大溫差為0.04 K左右，滿足設計技術目標要求。

圖7 傳感器安裝座性能模擬監控點設置圖

圖8 校準腔系統座穩態溫度分布云圖(x=0)

圖9 監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，為對校準腔系統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。計算結果表明：從323K開始降溫，經過3小時05分降至77 K。

圖10 傳感器安裝銅座監控點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

根據技術指標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，導熱系數也在降低，因此溫度升高后，傳感器座的熱擴散率在下降，導致傳感器座的溫度不均勻性在增加。為了進一步確認溫度升高對隔熱校準腔性能的影響，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時傳感器銅座監控點溫度變化情況(起始溫度為318 K)

4 仿真計算結果實驗驗證

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

圖13 低溫整體校準裝置關鍵技術驗證平臺

表2 長時間穩定性能測試結果

表3 10 K階梯升溫性能測試結果

5 結束語

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