一种烧蚀碳层表面温度测量控制方法及装置与流程

本发明涉及一种烧蚀碳层表面温度测量控制方法及装置，属于材料热辐射性能测试领域。

背景技术：

大气层再入飞行器、临近空间高超声速飞行器的外层防热结构通常由于气动加热效应而产生表面高温。根据普朗克定律，材料表面热辐射散热量随温度增加以四次方函数形式增长，在高温服役过程中，飞行器防热结构与外层空间的辐射换热是其最重要的热耗散途径之一。

以石英酚醛防热复合材料、防隔热一体化防热复合材料为代表的树脂基防热复合材料在惯性再入和临近空间滑翔再入飞行器大面积防热结构中有着广泛的应用。此类材料在飞行过程中能够通过热裂解、碳化、熔融、蒸发、升华等一系列复杂的物理化学变化来耗散气动热，烧蚀后在表面形成的烧蚀碳层是服役过程中飞行器大面积防热结构直接与外层空间进行热辐射换热的固体材料表面。通过地面试验测试获得树脂基防热复合材料烧蚀碳层的高温热辐射性能，对于飞行器防热结构设计计算、防热材料改性优化具有重要价值。

发射率定义为材料表面热辐射出射度与同温度下绝对黑体热辐射出射度之比，是表征材料表面热辐射散热能力的基础物理参量。目前，基于能量比较法和傅里叶红外光谱仪开展高温热辐射系数测试已成为材料高温热辐射性能研究的主要试验手段，该方法主要通过比对由试样表面和黑体辐射源发出的热辐射信号，计算试样的热辐射性能。此方法是建立在试样表面与黑体辐射源温度完全相同的基础上推导得出的，因此对试样表面温度的控制精度提出了极高要求。

区别于常规材料，烧蚀碳层具有高表面发射率(发射率通常大于0.8)、内部低热导率(热导率通常低于0.5w/(m·k))的热传输特性。在高温热辐射测试要求的单面加热、表面自由辐射加热环境下，烧蚀碳层内部及表面通常会产生较大温度梯度(1000℃高温下可达到100k/mm)，为表面控温带来了极大难度。

现有试样表面加热装置主要通过平面热源在试样背面进行加热，将平面热源温度认定为试样表面温度。大量前期试验表面，现有通用表面控温方法应用于石墨、金属、表面涂层等常规材料时，热辐射测试结果误差不大；但应用于烧蚀碳层材料时，由于试样内部热传导性能差、表面热辐射散热能力强，因此试样和表面存在较大温度梯度，导致热辐射测试误差通常超过30％。可见，现有通用表面温度控制方法和控制装置不适用于烧蚀碳层试样的高温热辐射性能测试。

综上，由于烧蚀碳层具有内部热传导性能差、表面热辐射散热能力强的热传输特性，目前现有材料表面温度控制装置不适用于烧蚀碳层材料，导致烧蚀碳层高温热辐射测试结果产生严重偏差。因此，有必要发明一种针对于烧蚀碳层试样的表面温度测量控制装置，以满足烧蚀碳层高温热辐射性能测试的迫切需求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种烧蚀碳层表面温度测量控制方法及装置，通过分别独立控制平面加热器、环状加热器的加热功率实现了两个方向上传热热流的独立可控；采用在烧蚀碳层内部轴线埋置测温热电偶两点测温、基于单面热源一维传热模型计算表面温度的方法获得烧蚀碳层表面温度动态数据，并通过控制平面加热器功率，实现烧蚀碳层表面温度的准确采集和闭环控制；通过烧蚀碳层内部近表面处相同深度、不同径向位置埋置测温热电偶两点测温获得烧蚀碳层表面温度均匀性动态数据，通过控制环状加热器加热功率控制表面温度均匀一致。该装置能够有效抑制由于烧蚀碳层表面高热辐射、内部低热导的热传输特性导致的表面温度测试误差，实现烧蚀碳层表面温度的准确测量和控制。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种烧蚀碳层表面温度测量控制方法，所述烧蚀碳层为圆柱体，且烧蚀碳层的直径d与烧蚀碳层的厚度l之比为5≤d/l≤10；

在所述烧蚀碳层内轴线上靠近两个横截面的位置分别布设第一温度传感器和第二温度传感器；在所述烧蚀碳层内靠近柱面的位置布设第三温度传感器；

对靠近第二温度传感器的烧蚀碳层的横截面进行加热，其中所述第三温度传感器和第一温度传感器距离所述烧蚀碳层加热的横截面的距离相等；然后对烧蚀碳层的柱面进行加热，使第三温度传感器和第一温度传感器测量的数据相等；

利用第一温度传感器、第二温度传感器的测量数据计算所述烧蚀碳层靠近第一温度传感器的横截面的温度。

上述烧蚀碳层表面温度测量控制方法，所述烧蚀碳层靠近第一温度传感器的横截面的温度tsur为：

其中，t1为第一温度传感器测量的温度，t2为第二温度传感器测量的温度，δx1为第一温度传感器与所述烧蚀碳层最接近的横截面的距离，δx2为第二温度传感器与所述烧蚀碳层最远离的横截面的距离。

上述烧蚀碳层表面温度测量控制方法，所述第三温度传感器与所述烧蚀碳层的轴线的距离为δr3，且0.4≤δr3/d<0.5。

上述烧蚀碳层表面温度测量控制方法，第一温度传感器与所述烧蚀碳层最接近的横截面的距离δx1的取值范围为δx1/l≤0.2；第二温度传感器与所述烧蚀碳层最远离的横截面的距离δx2的取值范围为δx2/l≥0.8。

一种烧蚀碳层表面温度测量控制装置，包括加热系统、温度采集系统、数据处理及控制系统；

所述加热系统用于加热烧蚀碳层；所述温度采集系统采用权利要求1所述的烧蚀碳层表面温度测量控制方法测量并采集烧蚀碳层内部的温度，然后输出给所述数据处理及控制系统；所述数据处理及控制系统能够控制加热系统的加热功率，并利用权利要求1所述的烧蚀碳层表面温度测量控制方法实时计算烧蚀碳层的表面温度，所述实时计算的烧蚀碳层的表面温度即为烧蚀碳层靠近第一温度传感器的横截面表面的温度。

上述烧蚀碳层表面温度测量控制装置，所述加热系统包括环状加热器、平面加热器、环状加热器电源、平面加热器电源；

所述环状加热器用于加热烧蚀碳层的柱面，所述平面加热器用于加热烧蚀碳层的横截面；根据所述数据处理及控制系统的指令，所述环状加热器电源和平面加热器电源分别用于对所述环状加热器和所述平面加热器供电；

所述环状加热器电源和平面加热器电源输出的加热功率分别能够在相应最大输出功率的0％至100％之间连续调节。

上述烧蚀碳层表面温度测量控制装置，所述数据处理及控制系统包括表面温度设定模块、表面温度计算模块和加热功率控制模块；

所述表面温度设定模块用于设定烧蚀碳层表面温度目标值；所述表面温度计算模块能够利用权利要求1所述的烧蚀碳层表面温度测量控制方法实时计算烧蚀碳层的表面温度；所述加热功率控制模块根据第一温度传感器的测量温度值、第三温度传感器的测量温度值、烧蚀碳层表面温度目标值、实时计算的烧蚀碳层的表面温度控制加热系统的加热功率。

上述烧蚀碳层表面温度测量控制装置，所述烧蚀碳层靠近第一温度传感器的横截面的温度tsur为：

其中，t1为第一温度传感器测量的温度，t2为第二温度传感器测量的温度，δx1为第一温度传感器与所述烧蚀碳层最接近的横截面的距离，δx2为第二温度传感器与所述烧蚀碳层最远离的横截面的距离。

上述烧蚀碳层表面温度测量控制装置，所述第三温度传感器与所述烧蚀碳层的轴线的距离为δr3，且0.4≤δr3/d<0.5。

上述烧蚀碳层表面温度测量控制装置，第一温度传感器与所述烧蚀碳层最接近的横截面的距离δx1的取值范围为δx1/l≤0.2；第二温度传感器与所述烧蚀碳层最远离的横截面的距离δx2的取值范围为δx2/l≥0.8。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)由于烧蚀碳层试样具有表面高热辐射、内部低热导的热传输特性，采用常规试样背面加热、试样内部单点测温的表面温度控制方式无法对烧蚀碳层试样的表面温度实施准确测量和控制。与常规表面温度测量控制装置和方法相比，本发明采用在烧蚀碳层试样内部轴线埋置测温热电偶两点测温、基于单面热源一维传热模型计算表面温度的方法获得烧蚀碳层试样表面温度动态数据，并通过控制平面加热器功率对烧蚀碳层表面温度实施控制，本发明提出的装置能够使烧蚀碳层试样表面温度的采集和控制准确性得到显著改善；

(2)试样表面温度均匀性是材料高温发射率测试结果的重要影响因素之一，由于烧蚀碳层试样具有较低的热导率，烧蚀碳层试样在高温测试条件下的表面温度均匀性低于常规高热导率材料，而常规表面温度控制装置通常不考虑试样表面温度均匀性问题。本发明通过烧蚀碳层试样内部近表面处相同厚度、不同径向位置埋置测温热电偶两点测温获得烧蚀碳层试样表面温度均匀性动态数据，通过控制环状加热器加热功率控制试样表面温度均匀一致。相比于常规表面温度控制装置，本发明提出的装置能够使烧蚀碳层试样表面温度均匀性得到显著改善；

(3)本发明提出的烧蚀碳层表面温度控制装置体积紧凑、结构适应性良好，能够作为试样加热装置在大多数高温热辐射性能测试系统中进行应用；

(4)本发明中目标温度设定、温度信号采集与转换、表面温度计算、加热器功率控制等工作均可通过计算机操作完成，有利于实现系统的高度集成和自动控制，从而减轻人工操作工作量，大幅度降低日常使用的人工成本。

附图说明

图1为本发明实施例烧蚀碳层表面温度控制装置的组成示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种烧蚀碳层表面温度测量控制方法，所述烧蚀碳层为圆柱体，且烧蚀碳层的直径d与烧蚀碳层的厚度l之比为5≤d/l≤10；

在所述烧蚀碳层内轴线上靠近两个横截面的位置分别布设第一温度传感器和第二温度传感器；在所述烧蚀碳层内靠近柱面的位置布设第三温度传感器；

对靠近第二温度传感器的烧蚀碳层的横截面进行加热，其中所述第三温度传感器和第一温度传感器距离所述烧蚀碳层加热的横截面的距离相等；然后对烧蚀碳层的柱面进行加热，使第三温度传感器和第一温度传感器测量的数据相等。

所述第一温度传感器与所述烧蚀碳层最接近的横截面的距离δx1的取值范围为δx1/l≤0.2；所述第二温度传感器与所述烧蚀碳层最远离的横截面的距离δx2的取值范围为δx2/l≥0.8。所述第三温度传感器与所述烧蚀碳层的轴线的距离为δr3，且0.4≤δr3/d<0.5。

利用第一温度传感器、第二温度传感器的测量数据计算所述烧蚀碳层靠近第一温度传感器的横截面的温度。所述烧蚀碳层靠近第一温度传感器的横截面的温度tsur为：

其中，t1为第一温度传感器测量的温度，t2为第二温度传感器测量的温度，δx1为第一温度传感器与所述烧蚀碳层最接近的横截面的距离，δx2为第二温度传感器与所述烧蚀碳层最远离的横截面的距离。

一种烧蚀碳层表面温度测量控制装置，包括加热系统、温度采集系统、数据处理及控制系统；

所述加热系统用于加热烧蚀碳层；所述温度采集系统采用权利要求1所述的烧蚀碳层表面温度测量控制方法测量并采集烧蚀碳层内部的温度，然后输出给所述数据处理及控制系统；所述数据处理及控制系统能够控制加热系统的加热功率，并利用权利要求1所述的烧蚀碳层表面温度测量控制方法实时计算烧蚀碳层的表面温度，所述实时计算的烧蚀碳层的表面温度即为烧蚀碳层靠近第一温度传感器的横截面表面的温度。

所述加热系统包括环状加热器、平面加热器、环状加热器电源、平面加热器电源；

所述环状加热器用于加热烧蚀碳层的柱面，所述平面加热器用于加热烧蚀碳层的横截面；根据所述数据处理及控制系统的指令，所述环状加热器电源和平面加热器电源分别用于对所述环状加热器和所述平面加热器供电；

所述环状加热器电源和平面加热器电源输出的加热功率分别能够在相应最大输出功率的0％至100％之间连续调节。

所述数据处理及控制系统包括表面温度设定模块、表面温度计算模块和加热功率控制模块；

所述表面温度设定模块用于设定烧蚀碳层表面温度目标值；所述表面温度计算模块能够利用权利要求1所述的烧蚀碳层表面温度测量控制方法实时计算烧蚀碳层的表面温度；所述加热功率控制模块根据第一温度传感器的测量温度值、第三温度传感器的测量温度值、烧蚀碳层表面温度目标值、实时计算的烧蚀碳层的表面温度控制加热系统的加热功率。

第一温度传感器与所述烧蚀碳层最接近的横截面的距离δx1的取值范围为δx1/l≤0.2；第二温度传感器与所述烧蚀碳层最远离的横截面的距离δx2的取值范围为δx2/l≥0.8。所述第三温度传感器与所述烧蚀碳层的轴线的距离为δr3，且0.4≤δr3/d<0.5。

烧蚀碳层靠近第一温度传感器的横截面的温度tsur为：

其中，t1为第一温度传感器测量的温度，t2为第二温度传感器测量的温度，δx1为第一温度传感器与所述烧蚀碳层最接近的横截面的距离，δx2为第二温度传感器与所述烧蚀碳层最远离的横截面的距离。

实施例：

如图1所示，本发明提出的一种烧蚀碳层表面温度测量控制装置，包括烧蚀碳层试样1、加热系统、温度采集系统、数据处理及控制系统8。烧蚀碳层试样1为薄圆柱体形状，加热系统中的平面加热器6、环状加热器5按照指定的加热功率为烧蚀碳层试样1加热，温度采集系统通过埋置于烧蚀碳层试样1内部的测温热电偶采集烧蚀碳层试样1内部特定位置的实时温度数据并传递给数据处理及控制系统8，数据处理及控制系统8根据实时温度数据计算烧蚀碳层试样1表面温度，并根据计算结果控制加热系统加热功率使烧蚀碳层表面温度达到并恒定于目标值且温度在试样表面均匀分布。

烧蚀碳层试样1通过对树脂基防热复合材料进行惰性气氛热解处理或风洞考核的方式获得，并加工成薄圆柱体形状，其直径厚度比d/l满足5≤d/l≤10。烧蚀碳层试样1内部特定位置开有直径小于1mm的盲孔，用于埋置测温热电偶。

加热系统包括环状加热器5、平面加热器6、环状加热器电源13、平面加热器电源12。环状加热器5与烧蚀碳层试样1的柱面接触，在烧蚀碳层试样1内部形成由试样边缘向轴线方向径向传导的传热热流；平面加热器6与烧蚀碳层试样1下表面接触，在烧蚀碳层试样1内部形成由试样下表面向试样上表面方向轴向传导的传热热流。环状加热器电源13、平面加热器电源12输出的加热功率可在最大输出功率的0％至100％之间连续调节。环状加热器电源13、平面加热器电源12分别与数据处理及控制系统8中的加热功率控制模块10通过信号连接，按照加热功率控制模块10指定的加热功率输出比例为环状加热器5、平面加热器6供电加热。

温度采集系统包括三个测温热电偶和温度信号采集装置7。三个测温热电偶分别埋置于烧蚀碳层试样1内部不同位置，其中第一测温热电偶2埋置于烧蚀碳层试样1轴线接近上表面处，与烧蚀碳层试样1上表面距离为δx1；第二测温热电偶3埋置于烧蚀碳层试样1轴线接近下表面处，与烧蚀碳层试样1上表面距离为δx2；第三测温热电偶4位于烧蚀碳层试样1边缘接近上表面处，与烧蚀碳层试样1轴线、上表面距离分别为δr3、δx3。上述三个测温热电偶在烧蚀碳层试样1中的埋置位置满足以下要求：第一测温热电偶2埋置位置与烧蚀碳层试样1上表面距离与烧蚀碳层试样1总厚度之比δx1/l满足：δx1/l≤0.2；第二测温热电偶3埋置位置与烧蚀碳层试样1上表面距离与烧蚀碳层试样1总厚度之比δx2/l满足：δx2/l≥0.8；第三测温热电偶4埋置位置与烧蚀碳层试样1轴线距离与烧蚀碳层试样1直径之比δr3/d满足：0.4≤δr3/d<0.5，且第三测温热电偶4距离烧蚀碳层试样1上表面距离δx3与第一测温热电偶2距离烧蚀碳层试样1上表面距离δx1相等。第一测温热电偶2、第二测温热电偶3、第三测温热电偶4分别与温度信号采集装置7通过信号连接，温度信号采集装置7将采集处理后的实时温度数据传递至数据处理及控制系统8中的表面温度计算模块9进行进一步数据计算。

数据处理及控制系统8包括表面温度设定模块11、表面温度计算模块9和加热功率控制模块10。表面温度设定模块11可通过计算机或人机交互界面输入烧蚀碳层表面温度目标值，并将该目标值传递给加热功率控制模块10。表面温度计算模块9与温度采集系统中的温度信号采集装置7通过信号连接并获取三个测温热电偶的实时温度数据，根据第一测温热电偶2、第二测温热电偶3温度数据计算烧蚀碳层表面温度，并将表面温度计算结果和第一、第三测温热电偶温度数据传递给加热功率控制模块10。表面温度计算模块9采用的烧蚀碳层表面温度计算方法为：表面温度计算模块9根据第一测温热电偶2实时温度t1、第二测温热电偶3实时温度t2、第一测温热电偶2埋置位置距离烧蚀碳层试样1上表面距离δx1、第二测温热电偶3埋置位置距离烧蚀碳层试样1上表面距离δx2按下式计算烧蚀碳层试样表面温度tsur：

加热功率控制模块10分别与平面加热器电源12、环状加热器电源13通过信号连接，根据烧蚀碳层表面温度计算结果对平面加热器电源12的输出功率实施控制，使烧蚀碳层试样表面温度达到并恒定在目标值。当烧蚀碳层试样1表面温度达到目标值并保持稳定后，加热功率控制模块10根据第一测温热电偶2、第三测温热电偶4温度数据对环状加热器电源13的输出功率实施控制，使第一测温热电偶2、第三测温热电偶4的温度相等。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。