一种常压高低温试验时产品温度控制系统及方法
【专利摘要】一种常压高低温试验时产品温度控制系统，用于对试验产品温度分布的温度精确控制，该温控系统包括环境模拟箱、加热片、铂电阻、隔热组件、数据采集和控制装置，以及供电电源。环境模拟箱为试验产品提供满足要求的环境温度，同时避免冷凝水的影响；多个加热片串并联形成加热回路，供电后为端框法兰提供热量；铂电阻实现端框法兰相应区域温度值测量；隔热组件用于减小试验产品向较低温度环境的漏热，提供加热回路热量的利用率，减小加热片热量对外界环境的影响；数据采集和控制装置采集铂电阻温度值，并将温度测量值与设定的温度阈值进行比较判断，来控制控温回路的通断，加热片的供电的通断；程控电源根据数据采集和控制装置的指令来为加热片供电。
【专利说明】
一种常压高低温试验时产品温度控制系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及常压高低温试验时产品温度控制问题，具体涉及一种常压高低温试验时实现结构温度分布精确控制的温控系统。
【背景技术】
[0002]在航天领域，飞行器在正式发射之前必须要经过充分的地面试验验证和考核，对于大型结构和机构的对接、分离、展开和收敛等关键动作，通常首先在常温常压下对上述关键动作进行功能和性能的地面试验，进一步在高低温环境下进行热环境适应性的地面试验，目前高低温试验时产品多处于同一高温或低温状态。实际在轨运行时，大型结构和机构受空间外热流的影响，不同位置之间会存在较大的温差，随着航天事业的发展，大型结构和机构在飞行器上的应用越来越广泛，大温差所带来结构、机构的热变形和热应力对关键动作的影响日益引起设计人员的关注，除开展充分的仿真分析外，非常有必要在实现结构体大温差状态下开展高低温，特别是常压高低温地面试验，对结构和机构产品的动作功能和性能进行更为有效的考核。目前常压高低温试验通常将产品放置在环境模拟箱内，通入相应温度的氮气，而将箱内环境和产品温度统一控制在要求温度范围内，产品不同位置不存在较大温差。有的试验系统为实现产品局部的温度差异，在相应部位附近再设置送风管道，送入不同温度氮气，直接吹向产品局部位置，但该系统中送入不同温度的氮气会影响箱内环境温度状态，而且局部吹风方式很难对规定区域进行有效的温度控制，特别是实现多个区域的不同温度控制，需要设置多根送风管路，系统过于复杂，并且各区之间不同温度的氮气会相互影响，很难实现温度的精确控制。
【发明内容】
[0003]针对现有技术的不足，为了实现大型结构和机构在具有温度分布条件下，开展常压高低温试验，提升现有试验系统的适应能力，本发明提供了一种常压高低温试验时实现结构温度分布精确控制的温控系统。
[0004]本发明一方面为一种常压高低温试验时产品温控系统，用于对试验产品温度分布的温度精确控制，所述温控系统包括:
环境模拟箱，根据试验产品尺寸和动作包络范围，以及试验温度需求，选定相应尺寸和满足高低温环境模拟要求的高低环境模拟箱，通过送入和排出不同温度的氮气，实现环境模拟箱内氮气置换和环境温度的控制；
加热回路/加热片，加热片粘贴在广品结构表面规定的区域内，通过线路的串并联关系联成加热回路，通电提供热量，满足相应区域温升要求；
铂电阻，粘贴在产品结构表面相应区域规定的位置上，用于结构相应区域温度的测量；隔热组件，包覆在需要控温的结构外表面，用于降低环境模拟箱内氮气与产品表面的换热，从而减小产品向环境的漏热，若结构表面需粘贴加热片，先粘贴加热片，再包覆隔热组件，隔热组件同时可以减小加热片热量对环境的影响； 温度采集和控制装置，与所述加热回路和所述铂电阻相连，所述数据采集和控制装置采集所述铂电阻的温度值，将温度值与设定的温度阈值进行判断来控制所述加热回路供电的通断；
供电电源，根据温度采集和控制装置的控制指令，为加热回路供电。
[0005]—些实施例中，所述加热回路/加热片，粘贴在试验产品相应区域表面上，根据区域的外形尺寸设计的加热片，可实现粘贴区域严格控制，从而对加热区域可以实现精确控制。
[0006]—些实施例中，所述加热片采用聚酰亚胺康铜箔电加热片。
[0007]一些实施例中，所述铂电阻采用PtlOO型铂电阻。
[0008]—些实施例中，所述隔热组件采用若干单元依次叠加的多层隔热材料。
[0009]—些实施例中，所述多层材料每个单元包括一层双面镀铝聚酯薄膜和一层锦纶网。
[0010]一些实施例中，供电电源采用150V/5A直流程控电源。
[0011]本发明另一方面为一种常压高低温试验时产品温控方法，采用如上所述的温控系统，由环境模拟箱提供试验产品温度分布中最低的基础温度，试验产品局部不同区域的温升由粘贴在相应区域的加热回路来实现，同时加热回路、测温铂电阻、数据采集和控制装置构成的温度闭环控制系统，保证了局部温度的精确控制，所述常压高低温试验时产品温控方法包括以下步骤:
将试验产品放置在环境模拟箱中，关闭箱门后，首先利用氮气对箱内的空气进行置换，避免空气中水蒸气凝结成水，对产品造成影响，随后将环境模拟箱中环境温度控制到试验产品温度分布中最低温度以下；
在环境模拟箱中环境温度向要求的温度变化过程中，试验产品相应区域上设置的铂电阻对对应区域的温度进行测量，设置在环境模拟箱外的数据采集和控制系统采集铂电阻的测量信息，并以温度的形式显示在屏幕上；
所述数据采集和控制系统采集铂电阻上的温度值后，将温度值与设定的温度阈值进行判断，采用PID控制方法控制与其连接的供电电源的开启/关闭；
设置在试验产品上的加热回路根据供电电源的供电状态，为试验产品设定区域提供相应的热量，包覆在试验产品外表面的隔热材料具有较小的导热系数，可以减少试验产品向较低温度环境的漏热，提供加热回路热量的利用率，减小加热片热量对外界环境的影响。[0012 ]进一步，所述步骤I)中将环境模拟箱中环境温度控制到试验产品温度分布中最低温度以下5?10°C。
[0013]优选的，所述试验产品上加热片、铂电阻、供电电源、数据采集和控制系统对试验产品相应区域温度构成闭环控制。
[0014]本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果:本发明采用环境模拟室提供基础低温，局部设置加热回路提供热量满足局部温升要求的控温思路，试验产品控温区域外表面包覆隔热材料，大大减小试验产品与箱内环境的相互影响，该措施即减少了试验产品的漏热，同时试验产品上的加热片热量对环境温度几乎没有影响。试验产品上加热片粘贴区域可以严格控制，则试验产品的加热区域可以实现精确控制。试验产品上加热片、铂电阻、供电电源、数据采集和控制系统对试验产品相应区域温度构成闭环控制，则试验产品上相应区域的温度可实现精确控制。
[0015]
【附图说明】
[0016]结合附图，以飞行器舱段高低温分离试验温控系统为例，通过下文的详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中:
图1为本发明提供的常压高低温分离试验的温控系统的组成示意图；
图2为分离面端框加热片和多层隔热材料实施示意图；
图3为分离面端框加热片和铂电阻布局示意图(端框为局部示意，端框分为8个区域)。
[0017]
【具体实施方式】
[0018]参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。
[0019]图中符号说明:1_环境模拟箱，2-加热回路线缆，3-测温铂电阻线缆，4-数据采集和控制装置，5-供电电源，6-加热片，7-多层隔热材料，8-铂电阻，9-加热片引线，I O-铂电阻引线，A-飞行器下舱体，B-飞行器上舱体，C-分离面，D-停放支架，E-下舱体上端框，F-上舱体下端框
参考图1-图3，本发明提供了一种常压高低温试验时产品温控系统，用于对试验产品温度分布的精确控制，该温控系统包括环境模拟箱1、加热回路(多个加热片5串并联而成)、铂电阻7、多层隔热材料6以及数据采集和控制装置4。
[0020]具体的，飞行器2个舱段通过端框法兰的形式连接，法兰周向均匀布置多个火工品连接点，通过火工品起爆实现舱段的分离，法兰由于所处空间热环境不同，周向会存在较大的温差，温差带来的热变形和热应力，会影响火工品动作从而影响舱段分离，因此需要实现端框法兰周向温度分布的控制。
[0021 ]在本实施例中，根据舱段分离产品的尺寸和温度控制要求，选定环境模拟箱I，环境模拟箱I通过送入和排出不同温度的氮气，实现环境模拟箱内氮气置换和环境温度的控制。在相应工况下，将环境模拟箱I的环境温度控制为比产品各区域中最低温度低5?10°C。
[0022]在本实施例中，在下舱体上端框E和上舱体下端框F周向相应区域(通过计算分析的温度分布情况进行区域划分)表面粘贴加热片5，其中下舱体上端框E粘贴在下表面，上舱体下端框F粘贴在上表面，各区域的多个加热片通过串并联形成相应区域的加热回路，加热回路/加热片5通电后为相应区域的端框法兰提供热量，实现相应区域法兰的温度控制目标。加热片5采用聚酰亚胺康铜箔电加热片，当然加热片也可采用其他形式的加热片，可根据具体情况而定，此处不作限制。飞行器2个舱段对接，分离面上产品安装后，将加热片5通过GD414硅橡胶粘贴在端框法兰相应区域的表面上，当然加热片5也可通过其他形式粘贴到分离机构的外壳上，此处不作限制。加热片设计时根据粘贴区域形状、尺寸，在不影响其他产品安装的基础上，尽量使加热片覆盖整个加热区域，并且尽量避开孔洞。同时加热片阻值设计要与供电电源相匹配，即尽可能用足电源的加热功率，例如电源为150V/5A的电源，加热回路的阻值尽量设计在30 Ω左右，根据回路中多个加热片的串并联关系，确定每个加热片的阻值。
[0023]在本实施例中，测温铂电阻选用PtlOO型铂电阻，该铂电阻可在-200°0100°C温度范围内可靠使用，可以适应舱段分离高温工况和低温工况试验的温度要求。当然测温铂电阻7也可选择其他形式的铂电阻，可根据具体情况而定，此处不作限制。飞行器2个舱段对接，分离面上产品安装后，将测温铂电阻7通过GD414硅橡胶粘贴在端框法兰相应控温区域的中心位置上，测温铂电阻7实现对控温区域温度值的测量，当然测温铂电阻7的位置以及粘接方式也可通过其他形式来实现，可根据具体情况而定，此处不作限制。
[0024]在本实施例中，环境模拟箱I外部设置有数据采集和控制装置4和供电电源5，数据采集和控制装置4通过铂电阻线缆3与铂电阻引线10相连，数据采集和控制装置4、供电电源5和加热回路通过加热回路线缆2串联形成控温回路，数据采集和控制装置采集铂电阻8的温度值，将采集到的温度值与设定的温度阈值进行判断，若采集的温度值低于温度阈值的下限，则接通控温回路，加热片5通电加热，若采集的温度值高于温度阈值的上限，则断开控温回路，加热片5断电停止加热;其中，温度阈值根据各控温区域的温度要求设定，通常阈值范围为[要求值-10C，要求值+10C ]，此处不作限制。
[0025]在本实施例中，隔热组件7为若干单元依次叠加的多层隔热组件，具体的隔热组件I采用30单元的多层材料叠加而成，每一单元的多层材料包括一层6μπι双面镀铝聚酯薄膜和一层锦纶网，当然隔热组件7材料可根据具体情况而定，此处只为举例，不作限制。隔热组件7包覆于框体法兰粘贴加热片的表面上，隔热组件7可以减少试验产品向较低温度环境的漏热，提供加热回路热量的利用率，减小加热片热量对外界环境的影响。
[0026]本发明还提供了一种常压高低温条件下实现结构温度分布的温控系统，采用了如上所述的控温装置，具体步骤如下:
I)将试验产品放置在环境模拟箱中，环境模拟箱实现不同工况下低于产品各区域最低要求温度的环境温度控制。
[0027]2)在框体法兰相应区域上安装加热片，并将区域内的多个加热片通过串并联形成加热回路，加热回路供电后为框体法兰提供热量；
3)在框体法兰相应区域中心位置上安装铂电阻，所述铂电阻对相应区域框体法兰的温度值进行测量；
4)在环境模拟箱外部设置数据采集和控制装置、供电电源，该数据采集和控制装置采集铂电阻的温度值后，将温度值与设定的温度阈值进行判断，若采集的温度值低于温度阈值的下限，则控温回路接通，加热片通电加热，若采集的温度值高于温度阈值的上限，则控温回路断开，加热片断电停止加热；
5)在框体法兰的加热片粘贴表面外包覆隔热组件，减少试验产品向较低温度环境的漏热，提供加热回路热量的利用率，减小加热片热量对外界环境的影响；
综上所述，本发明提供了一种常压高低温试验时产品温控系统，用于对试验产品温度分布的温度精确控制，该温控系统包括环境模拟箱、加热片、铂电阻、隔热组件、数据采集和控制装置，以及供电电源。环境模拟箱为试验产品提供满足要求的环境温度，同时避免冷凝水的影响；多个加热片串并联形成加热回路，供电后为端框法兰提供热量;铂电阻实现端框法兰相应区域温度值测量；隔热组件用于减小试验产品向较低温度环境的漏热，提供加热回路热量的利用率，减小加热片热量对外界环境的影响;数据采集和控制装置采集铂电阻温度值，并将温度测量值与设定的温度阈值进行比较判断，来控制控温回路的通断，加热片的供电的通断;程控电源根据数据采集和控制装置的指令来为加热片供电。本发明可实现试验产品上加热片粘贴区域可以严格控制，则试验产品的加热区域可以实现精确控制。试验产品上加热片、铂电阻、供电电源、数据采集和控制系统对试验产品相应区域温度构成闭环控制，则试验产品上相应区域的温度可实现精确控制。本发明由高低温环境模拟箱提供基础低温，加热回路/加热片配合相应的高功率供电电源为试验产品提供足够热量，试验产品控温区域外表面包覆隔热材料，大大减小试验产品与箱内环境的相互影响，则可实现试验产品大温差的温度控制。
[0028]本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神或范围。尽管也已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的发明精神和范围之内作出变化和修改。
【主权项】
1.一种常压高低温试验时产品温度控制系统，在常压高低温试验时实现结构温度分布的精确控制，其特征在于，包括: 环境模拟箱，通过送入和排出不同温度的氮气，实现环境模拟箱内氮气置换空气和环境温度的控制； 加热回路/加热片，粘贴在广品结构表面规定的区域内的加热片，通过线路的串并联关系联成加热回路，通电提供热量，满足相应区域温升要求； 铂电阻，粘贴在产品结构表面相应区域规定的位置上，用于结构相应区域温度的测量； 隔热组件，包覆在需要控温的结构外表面，用于降低环境模拟箱内氮气与产品表面的换热； 温度采集和控制装置，与所述加热回路和所述铂电阻相连，所述温度采集和控制装置采集所述铂电阻的温度值，将温度值与设定的温度阈值进行判断来控制所述加热回路供电的通断； 供电电源，根据温度采集和控制装置的控制指令，为加热回路供电。2.根据权利要求1所述的常压高低温试验时产品温度控制系统，其特征在于，所述加热回路/加热片，粘贴在试验产品相应区域表面上，根据区域的外形尺寸设计的加热片，可实现粘贴区域严格控制，从而对加热区域可以实现精确控制。3.根据权利要求1所述的常压高低温试验时产品温度控制系统，其特征在于，所述加热片采用聚酰亚胺康铜箔电加热片。4.根据权利要求1所述的常压高低温试验时产品温度控制系统，其特征在于，所述铂电阻采用PtlOO型铂电阻。5.根据权利要求1所述的常压高低温试验时产品温度控制系统，其特征在于，所述隔热组件采用若干单元依次叠加的多层隔热组件。6.根据权利要求5所述的试验产品温度控制系统，其特征在于，所述多层组件的每个单元包括一层双面镀铝聚酯薄膜和一层锦纶网。7.根据权利要求1所述的常压高低温试验时产品温度控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)将试验产品放置在环境模拟箱中，关闭箱门后，首先利用氮气对箱内的空气进行置换，随后将环境模拟箱中环境温度控制到试验产品温度分布中最低温度以下； 2)在环境模拟箱中环境温度向要求的温度变化过程中，试验产品相应区域上设置的铂电阻对对应区域的温度进行测量，设置在环境模拟箱外的数据采集和控制系统采集铂电阻的测量信息，并以温度的形式显示在屏幕上； 3)所述数据采集和控制系统采集铂电阻上的温度值后，将温度值与设定的温度阈值进行判断，采用PID控制方法，控制与其连接的供电电源的开启/关闭； 4)设置在试验产品上的加热回路根据供电电源的供电状态，为试验产品设定区域提供相应的热量，包覆在试验产品外表面的隔热材料具有较小的导热系数。8.根据权利要求7所述的常压高低温试验时产品温度控制方法，其特征在于，所述步骤I)中将环境模拟箱中环境温度控制到试验产品温度分布中最低温度以下5?10°C。9.根据权利要求7所述的常压高低温试验时产品温度控制方法，其特征在于，所述试验产品上加热片、铂电阻、供电电源、数据采集和控制系统对试验产品相应区域温度构成闭环 bο Π HI ]7 Γ
【文档编号】G05D23/24GK106054978SQ201610571268
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月20日
【发明人】李鹏, 钟伟, 王金童, 秦彦, 禹志, 胡震宇, 唐杰
【申请人】上海宇航系统工程研究所