真空热试验的温度测量系统_郭赣

第26卷第1期航天器环境工程

2009年2月SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 33真空热试验的温度测量系统

郭赣

（北京卫星环境工程研究所，北京100094）

摘要：文章介绍了航天器真空热试验的温度测量系统，包括热电偶测量系统、无线测量系统和红外摄像测量系统，涉及接触测量和非接触测量、有线传输和无线传输。目前热电偶温度测量系统在国内外真空热试验中居主导地位，应用十分普遍。但国外近几年无线测量系统已得到研制，红外摄像测量系统已得到应用，有的空间机构已计划将新型测量系统列入空间环境模拟器的标准配套设备。航天器温度测量系统的这些发展变化值得业内人士关注，进行必要的技术和设备研发工作，更好地适应未来航天器真空热试验的需要。

关键词：真空热试验；温度测量；热电偶；无线测量；红外摄像

中图分类号：V416.6 文献标识码：A 文章编号：1673-1379(2009)01-0033-04

1 前言

航天器真空热试验是一项非常重要的卫星试验验证工作，其中航天器和试验设备上有关部位的温度是需要监测的核心参数之一。按温度测点所在位置，可分为航天器温度（包括热流计温度）、试验设备温度两部分[1]。

航天器温度测量是对航天器内部和表面所选择部位的测量，它与真空热试验时的航天器有关，不同的航天器有不同的要求，而且要求比较高。热流计温度测量是为计算表面到达或吸收的外热流服务的，包括敏感片温度和热屏温度。

试验设备的温度测量主要有热沉温度，真空低温流程执行机构一些部位的温度，以及试验装置与航天器有接口关系设备的温度。热沉温度测量一般使用铜-康铜热电偶（个别试验设备使用铂电阻）。真空、低温流程部位的温度测量与工业过程温度测量类似，在真空、低温流程系统集成时同步完成。热沉温度、真空低温流程温度测量系统研制完成后，每次真空热试验时可保持不变。试验装置与航天器有接口关系的设备的温度测量一般包括吊挂和支撑系统。这些部位的温度测量通常采用热电偶测量系统（在航天器内部还常用热敏电阻测量进行对比）。与热沉、真空低温流程部位的温度测量不同，因为在真空热试验时，这些部位的温度测点位置、测点数量是要根据参与试验的航天器的不同而改变，需要编制不同的温度测量技术文件和测温电缆敷设图，并据此进行实施。

近几年国内针对一些航天器真空热试验测量准确度不足的问题进行了一些改进；国外除了热电偶温度测量系统之外，已在研制和应用无线测量系统、红外摄像测量系统，有的空间机构计划将新型测量系统列入空间环境模拟器的标准配套设备。应用这些温度测量技术，一是为了提高测量准确度，二是改进测量工作模式和工作条件，使测量从工作准备到数据分析更为方便。因此，本文主要介绍航天器温度测量系统的这些发展变化，提出必要的技术研发工作，以适应未来航天器真空热试验的需要。

2 航天器温度测量的技术要求

卫星热试验的有关标准[2]提出，试验时卫星被测稳态温度在-50～+80℃范围内时，温度测量系统的允许偏差为±0.5℃，测量点数高达数百个甚至上千个。选用的测温传感器必须有合适的测温范围，能在真空环境中使用，适用于表面温度测量，易于安装和互换，灵敏度较高，稳定性好，热惯性小。

该标准提出了对卫星温度的测量范围和允许

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收稿日期：2008-11-06; 修回日期：2008-12-09

作者简介：郭赣（1962-），男，高级工程师。主要从事航天器环境工程的测控技术研究。联系电话：（010）68746649；E-mail：guogan62@。

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偏差，但整个航天器真空热试验需要测量的温度范围更大（-180～+120℃），一些新型航天器对某些仪器设备的测控温准确度提出了更高的要求（±0.1℃），因此在设计和研制航天器真空热试验温度测量系统时需充分考虑具体的技术指标。

3 热电偶温度测量系统

3.1 热电偶温度测量系统的组成

热电偶温度测量系统一般由测温热电偶、测温线缆和电连接器、温度参考点、测量仪器、计算机数据处理系统组成。

选用最多的热电偶是T型铜-康铜热电偶，ESTEC、INTESPACE、IABG以及日本、印度、巴西都是如此[3-5]。除了T型热电偶，INTESPACE还选用了铬-铝热电偶（K型），ESTEC、IABG等试验中心还用了铂电阻、热敏电阻。国内也是使用T 型铜-康铜热电偶，用热敏电阻进行比对。

热电偶温度测量系统有多种不同的测量线路结构。测量仪器可安装在真空室内或者室外。温度测量仪器完全放在真空室外时，热电偶测量线路结构有公用参考点和非公用参考点两种接法。

采用非公用参考点接法时，每对热电偶保留自己独立的正负极，其正负极通过空心管或密封插座穿过室壁，正负极引线通过真空室外的参考点（冷端）直接接入测量仪器的两个测量端口；公用参考点接法是设置热电偶的公用负极参考点（根据其安装在真空室内外不同，又分别称为内置或外置公用参考点），将热电偶的负极集合在一起，通过公用负极参考点与正极所用相同材料的引线相连，多对热电偶的正极与一个通过公用参考点的负极分别接入测量仪器的测量端口[2]。公用参考点的温度可以是固定的，也可以是缓变的。

国外许多空间环境模拟器（如INTESPACE的空间环境模拟器）采用了非公用参考点接法，测量电缆、电连接器对应地采用了与热电偶的正负极相同的材料；国内则用内置公用参考点方法替代了非公用参考点接法（独立的正负极方法），但测量电缆、电连接器与热电偶的正负极材料没有对应一致。为提高测量准确度，采取措施在测量线路连接点处尽可能保持温度的均匀性。公用负极参考点方法可成倍提高测量线缆、电连接器和测量仪器的利用率，并在一定程度上降低热损失的影响。

另有空间模拟器把测量仪器的一部分放在了真空室内，使用了温度数据数字化收集单元，具体位置在运动模拟器的固定支架上，通过滑环将热电偶的电信号、铂电阻和热敏电阻信号、可变温度参考信号采集到数字化收集单元。数字化收集单元在真空室内的数据处理部分包括多路处理、模/数转换、数字化处理、原始数据发送、修正系数处理、数据管理，并采用MIL1553B总线通信将温度数据传送到真空室外，在真空室外完成数据修正。数字化收集器可在真空度为10-5 Pa的环境下工作。

随着电子技术、计算机技术和网络技术的迅猛发展，可供选择的数据测量仪器品牌比较多，国内在不同阶段就采用了输力强、惠普和安捷伦等多家公司的产品。从测量准确度和速率方面来看，数据测量仪器本身都能提供保障。

3.2 热电偶温度测量系统的不足

虽然热电偶温度测量系统应用十分普遍，但在真空热试验的应用中还有其不足之处。

热电偶温度测量是基于热电效应的，并受中间导体定则和中间温度定则的支撑和约束。由于热电势信号很小（mV级），如信号采集处理单元安装在真空室外，连接测量点和信号处理单元间的热偶电缆又比较长，噪声就会对高精度的测量产生不利影响。而且真空热试验的温度场比较复杂，测量线路的材料和工艺如得不到正确的处理，就会有附加热电势的干扰。

热电偶的数量比较大，一般有数百个，有时为了进行仔细的分析评估，甚至达到上千个。热偶线虽然尽可能集束成捆、多层包裹，但热偶线引起的热损失也难以忽略，这些热损失降低了温度测量的准确度。

目前，热电偶粘贴位置图、从测量点到真空室外的电缆敷设图的编制与试验前的实施都是件既费时又费钱的事。而使用无线温度传感器，技术图纸编制比较简单，据此布置传感器也比较方便。只要把传感器固定在需监测温度的位置表面就可以了，节约了热试验准备期间的成本。

针对热电偶测量系统存在的问题，国外进行了