热流现场校准装置研制及不确定度分析

张俊祺 ,李晨源 ,刘宝举 ,周铭锐 ,吴伟伟 ,赵化业 ,刘 鑫

(1.北京航天计量测试技术研究所,北京 100076;2.中国运载火箭技术研究院,北京 100076)

1 引言

热流定义为单位时间内每平方厘米或平方米的面积上热量转移程度的定量[1],单位通常为W/cm2或kW/m2。大部分的工程类应用均涉及到热量的产生与转移,尤其是国防军工领域[2-4]和能源生产应用等领域[5],对热流进行定量测量,不仅可以为设备的正常操作提供可靠数据,还可以为能源产品或相关设备的研制提供参考依据。

在飞行器高速飞行过程中,表面温度急剧升高,防隔热设计是飞行器设计的关键,表面热流的准确测量为飞行器的设计、仿真和试验提供了可靠依据[6],采用电弧风洞对飞行器进行地面模拟气动热环境下的飞行试验时,需要采用瞬态热流传感器对热流密度进行多次测量,以保证模拟参数的准确性[7];火工药剂和液体固体类炸药等火工品在研制过程中,需要对其燃烧特性和爆炸威力进行多次分析测量,热流测量可提供数据依据[8];固体或液体火箭发动机的燃烧室和喷管等部位在试车时,需要采用量热法、热流计以及其他方式对热流进行测量,以保证燃烧室和喷管的热载荷处于可控范围,并为发动机的实时控制提供数据依据[9]。

目前已建的热流计量标准器具因体积庞大难以移动,只能实现实验室校准[10]。大多数热流现场测量系统由于难以拆卸和敏感面易污染、磨损等原因,存在出厂校准后长期处于无法周期校准的情况,同时也无法实现热流测量系统全链路现场校准,不仅降低了型号试验数据的准确可靠性,而且埋下了安全隐患。

2 测量原理

圆箔式传感器中的GARDON 类型具有较小的热惯性和较好的稳定性,可以作为工作标准热流传感器,其结构如图1 所示。

图1 热流传感器结构示意图Fig.1 Structure diagram of heat flow sensor

热流传感器主要由康铜和铜材料制成的固体结构件以及冷却水组成。从康铜板中心引出的一根导线的另一端焊接到铜固体结构件的下端,康铜板与铜板紧密焊接为一个整体,当冷却水经过铜板时,产生的温差可使传感器变成简易温差热电偶。可通过控制冷却水的流速来使整体结构件的温度处于一定范围内,流速越大,产生的温度梯度越大。

通过热传导分析可知康铜板的尺寸是制约传感器灵敏度的最关键因素,则

式中:R——热流传感器康铜板的半径,cm;h——康铜板厚度,cm。

从公式(1)可知,通过测量热流传感器输出电势便可计算出相同条件下的辐射入射热流密度。

在热流测试现场,采用小型化热流源产生稳定均匀的热流,分别照在标准热流传感器和被校热流传感器的测量敏感面上,数据采集器分别采集标准热流传感器和被校热流传感器输出的电势信号,利用比较法可对热流传感器进行现场校准。

标准辐射热流传感器的辐射热流值qBi按公式(2)计算。

式中:EBi——标准辐射热流传感器输出电动势,mV;KB——标准辐射热流传感器灵敏度,(W/cm2)/mV。

被校辐射热流传感器的辐射热流值qi按公式(3)计算。

式中:K——被校辐射热流传感器灵敏度,(W/cm2)/mV;Ei——被校辐射热流传感器输出电动势,mV。

被校辐射热流传感器的示值误差Δqi按公式(4)计算。

3 现场校准装置

热流现场校准装置主要由小型化热流源、标准热流传感器、冷却和电源控制系统以及其他配套设备组成,如图2 所示。

图2 热流现场校准装置构成示意图Fig.2 Schematic diagram of heat flow field calibration device

校准装置中的小型化热流源用来产生校准所用稳定均匀的热流;标准热流传感器作为整套校准装置的主标准器,用来实现热流量值的溯源;冷却和电源控制系统由冷却系统和配套的电源控制系统组成,可以为热流源和传感器提供制冷降温效果;电源控制系统用来实现校准过程中,小型化热流源功率的控制调节、状态监测、输出信号的采集,以及后续被校热流传感器和标准传感器的数据实时采集以及存储和处理;瞄准及功率监测系统实现实时输出能量监测,是重要的系统控制环节,并通过输出指示光在光斑焦距处指示出具体的光斑位置,便于瞄准热流传感器的敏感面。

为了保护热流源内部光学部件,需保证封装壳体内部的相对湿度低于40%,需在工作前连接氮气或氩气进行吹扫。小型化热流源的位置调节可采用调节三脚架实现,以保证现场校准时不同位置热流传感器的原位校准,调节三脚架承重大于5 kg,可进行任意位置和方向的调节与固定。

3.1 小型化热流源

小型化热流源采用一套大功率基于半导体材料的稳定持续工作激光系统,主要由高功率激光器、电源控制系统、水冷系统等组成。

基于半导体材料的高功率激光器,中心波长为980 nm,激光器照射范围为23 mm ×23 mm～35 mm ×35 mm,最大功率可达0.5 MW/m2。Bar条叠阵扩展功率的方式可以提高激光器的输出热流。同时设计了并联的冷却液流动方式,制冷效率很高。

3.1.1 热流源光学

热流源光学设计如图3 所示,整个光学系统由四部分核心器件组成,其顺序依次为:

①准直镜:对由400 μm 直径光纤输出的激光进行初步准直,形成一组发散角小于8°的接近平行光束;

②微透镜匀化阵列:对准直后的光束进行匀化处理,对所有能量进行切割重拍,将光斑范围内的光束均匀度提升至90%以上;

③输出准直镜:对匀化后的光斑进行准直处理,选择合适焦距的准直镜,使其能够在合适的工作距离下达到需要的光斑尺寸和匀化度;

④整形镜:该镜片为双面微透镜阵列,通过对光斑的整形,使其由圆形光斑转化为正方形光斑。

3.1.2 热流源结构

热流源的光谱范围为(980±5)nm,在热流源内部采用防光反馈及内腔发散设计,确保器件寿命更长。

激光发生装置内包含全套光学镜片和温度、功率传感器,如图4 所示,其中:

图4 激光发生装置内部结构示意图Fig.4 Schematic diagram of internal structure of laser generator

①为功率传感器。对主光路输出激光能量进行分光衰减后,通过光敏传感器测量输出功率的大小,并根据实际输出设置,可以使用输出功率测试值闭环控制激光器功率输出。

②为温度传感器。测量被加工物体表面的实际加工温度,并通过算法进行温度修正和显示,并根据实际输出设置,可以使用温度测试值闭环控制激光器功率输出。

③为激光主光路。激光能量通过光纤连接,将高功率激光引至激光发生装置内,通过主光路传输并进行光束整形。

激光发生装置选用可靠牢固的光学组装,并对热流源内部关键部件的实时温度检测。采用双层石英材料做成的窗口为装置内部激光提供全方位的保护,指示灯采用红色可见光,起到更醒目效果。

3.2 标准热流传感器

标准热流传感器由电校准法空腔式辐射功率计和GARDON 式(圆箔式)标准热流传感器组成。标准热流传感器的量程是影响测量不确定度的重要因素,主要根据被校对象的量程进行选择,当校准量程范围为(1～10)W/cm2时,标准传感器采用10 W/cm2;当校准量程范围为(10～50)W/cm2时,标准传感器采用50 W/cm2。测量装置通过多次试验最终筛选出的热流传感器,测量不确定度低至2%。为了保证测量的准确性,需要在一定周期内采用空腔辐射功率计对其溯源。通过增加冷却系统的恒温控制,可以减小由于环境温度变化引起的输出影响,进一步降低测量不确定度。

3.3 一体化冷却和电源控制系统

为了提高热流现场校准的便捷性,将冷却系统、电源控制系统以及控制检测系统集成在小型控制柜,如图5 所示。冷却和电源控制系统外形尺寸不大于750 mm ×750 mm ×1 300 mm,相关技术基础参数如表1 所示。控制柜加装万向滑轮和移动把手方便移动。

表1 冷却和电源控制系统技术参数Tab.1 Technical parameters of integrated cooling and power control system

图5 冷却和电源控制系统示意图Fig.5 Schematic diagram of integrated cooling and power control system

(1)冷却系统

冷却系统分为两部分:小型化激光辐射源冷却系统和传感器冷却系统。按照其功能划分,前者是为辐射源制冷,制冷功率上限为2 100 W,温度控制范围为10℃～40℃,温度控制最大允许误差±1℃,温度控制分辨率为0.1℃;后者采用水冷却的方式为被校对象和标准传感器制冷。

(2)电源控制系统

电源控制系统由电源、数据采集器和控制监控系统组成,采用串口进行各仪器间的通讯。主要功能为:校准过程中传感器信号采集和小型化热流源功率的控制调节、状态监测等;数据采集过程后,对数据进行处理和存储,按照预设模板输出校准结果。

电源控制系统使用高稳定性的直流电源进行供电,控制上采用可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)进行集成设计,利用控制面板实现对操作流程的管控和输出功率等全参数的监测,包括输出功率设置显示、输出模式设置、热流源内参数监测系统、冷却系统中的冷却液流量监测、冷却系统离子浓度监测等。为了符合激光安全标准的激光光源供电保护功能,实现过压保护、过流保护和局部短路保护,以保障校准工作能够可靠稳定地运行。

4 不确定度分析

4.1 不确定度分量来源

通过分析校准装置的各个组成部分,总结出主要造成装置不确定偏大的几个分量有:

(1)被校辐射热流传感器测量重复的不确定度分量u1;

(2)标准辐射热流传感器的不确定度分量u2;

(3)热流输出稳定性的不确定度分量u3;

(4)热流输出均匀性的不确定度分量u4;

(5)数据采集系统的不确定度分量u5。

4.2 各分量不确定度汇总

经过实际测量分析出热流现场校准装置的各不确定度分量,汇总成表格如表2 所示。

表2 各不确定度分量Tab.2 Uncertainty components

最后,计算出校准装置的合成不确定度uc=1.36%,扩展不确定度U=2.7%(k=2)。

5 结束语

提出的热流现场校准装置设计采用小型化热流源产生稳定均匀的热流,利用比较法对热流传感器进行现场校准,可满足辐射热流测量系统的现场校准需求。热流现场校准装置主要由小型化热流源、标准热流传感器、冷却和电源控制系统以及其他配套设备组成。经过实际测量分析出分别由被校辐射热流传感器、标准辐射热流传感器、热流输出稳定性、热流输出均匀性以及数据采集系统所引入的不确定度分量,扩展不确定度为2.7%。