热流现场校准装置研制及不确定度分析.pdf
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1、宇航计测技术2023 年2023 年 8 月第 43 卷 第 4 期宇航计测技术Journal of Astronautic Metrology and MeasurementAug.2023Vol.43No.4文章编号:1000-7202(2023)04-0008-05DOI:10.12060/j.issn.1000-7202.2023.04.02热流现场校准装置研制及不确定度分析张俊祺1,李晨源1,刘宝举1,周铭锐2,吴伟伟1,赵化业1,刘 鑫1(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)摘要:为满足辐射热流测量系统的现场校准需求,
2、基于高功率半导体激光热源发生技术,研制热流现场校准装置,介绍了热流现场校准装置的组成以及装置各组成部件的设计参数,通过光学分析软件对热流源进行光路设计,通过分析现场校准装置的各不确定度分量及计算合成的扩展不确定度,该装置实现扩展不确定度为 2.7%,能够满足热流现场校准需求。关键词:辐射热流;热流源;不确定度中图分类号:TP212文献标识码:ADevelopment and Uncertainty Analysis of Heat Flow FieldCalibration DeviceZHANG Jun-qi,LI Chen-yuan,LIU Bao-ju,ZHOU Ming-rui,WU
3、Wei-wei,ZHAO Hua-ye,LIU Xin(1.Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology,Beijing 100076,China;2.China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing 100076,China)Abstract:To meet the demand of field calibration of radiant heat flow measurement system,a heat flow fieldcalibrat
4、ion device was developed based on high power semiconductor laser heat source generation technology.Thecomposition of the heat flow calibration device and the design parameters of each component of the device is introduced.Theoptical analysis software is used to design the optical path of heat flow s
5、ource.By analyzing each uncertainty component ofthe field calibration device and calculating the combined extended uncertainty,the extended uncertainty of 2.7%is realizedby the device,which can meet the requirements of heat flow field calibration.Key words:Radiant heat flow;Heat flow source;Uncertai
6、nty收稿日期:2023-04-10,修回日期:2023-05-31作者简介:张俊祺(1981-),男,高级工程师,硕士,主要研究方向:热学计量及热物性测量。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,表面温度急剧升第 4 期热流现场校准装置研制及不确定度分析高,防隔热设计是飞行器设计的关键,表面热流的准确
7、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
8、,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
9、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Eq=0.183R2h(1)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。qBi=KB
10、EBi(i=1,2,n)(2)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。qi=KEi(i=1,2,n)(3)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 qi按公式(4)计算。qi=qi-qBi(i=1,2,n)(4)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9宇航计测技术2023 年热流传感器、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
11、图Fig.2 Schematic diagram of heat flow field calibrationdevice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
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