一种温度呈梯度式分布的防热结构测温方法

摘要

本发明提供了一种温度呈梯度式分布的防热结构测温方法，其包括：通过在测温端采用偶丝盘旋，对铠装热电偶进行改进以获得新型微型铠装热电偶；通过在新型微型铠装热电偶上涂覆高温胶，将其安装在防热结构上；将安装在防热结构的不同位置不同深度的所有新型微型铠装热电偶的甩线汇聚，统一连接至采集设备；将采集设备的采集端作为测量冷端，直接对热电偶在轨测温进行冷端补偿。综上所述，采用本发明，解决了温度呈梯度分布的防热结构不同位置不同深度的高精度、全过程测温问题、铠装热电偶在防热结构开孔尺寸要求严格、空间狭小条件下的安装问题，支持对防热结构任意深度进行热电偶温度测量，支持对防热结构任意位置布置热电偶进行温度测量。

说明书

技术领域

本发明属于温度呈梯度式分布的防热结构测温技术领域，涉及一种温度呈梯度式分布的防热结构测温方法。

背景技术

返回式航天器(返回器)高速再入大气层，与大气摩擦产生巨大热能，以边界层对流加热和激波辐射两种形式对航天器快速加热，可能使得航天器舱内温度急剧升高。为保持舱内温度满足人员和设备的工作与存储环境要求，返回器必须针对性设计有相应的防热层。

防热层处于返回器的最外部，是返回器的重要防热结构，再入返回过程中直接与大气摩擦，通过烧蚀和隔热等2种方式阻止热量向返回器舱内传递。返回器在再入返回过程中与大气摩擦产生的热能由外向内加热返回舱，因此防热层温度由舱外向舱内依次降低，不同深度的温度呈梯度式分布。

然而，地面采用分析、计算和模拟等方法较难准确获取返回器防热层设计所依据的热流数据，因此在轨详细记录返回过程中防热层不同位置不同深度的温度变化历程，对返回器防热层设计具有重要意义。目前已成功用于神舟系列返回器防热层在轨测温的手段有示温片和晶粒，其中示温片测温范围在260℃以下，晶粒测温范围可达1000℃，但均只能记录防热层经历的最高温度，不能记录防热层的温度变化历程。

热电偶具有测温范围宽(-200℃～2315℃)、结构简单、尺寸小和温度响应灵敏等优点，既适合防热层温度变化范围较宽的在轨测量要求，又能记录防热层温度的变化历程。裸偶测量精度高，但质地柔软，不易固定，且难以控制安装深度，不适合直接用于防热层温度的在轨测量。为使热电偶易于固定和安装深度控制，并适应在轨力学环境，从而成功用于返回器防热层温度的在轨测量，需对裸偶进行加固铠装。铠装热电偶有露端型、接壳型和绝缘型等3种形式，都要求测量端插入恒温区不小于150mm或不小于铠装直径的20倍，在地面大量应用于燃烧炉温度测量。

现有技术中的返回器防热层测温方法和铠装热电偶在测量返回器防热结构特定深度的温度时存在以下缺陷：

1)已有返回器防热层测温方法只能记录防热层所经历过的最高温度，不能记录防热层特定深度的温度变化历程；

2)返回器防热层温度由舱外向舱内降低，呈梯度式分布，不能在轴向方向形成恒温区，满足不了传统铠装热电偶测温时测量端需插入恒温区长度的要求，可能导致较大测温误差；以及

3)返回器防热层厚度有限，器内安装空间狭小，且为防止影响隔热性能在防热层上又不允许开较大的热电偶安装孔，因此要求测温铠装热电偶尺寸小，铠装插入部分可控制。传统铠装热电偶尺寸大，铠装插入部分长，不适合直接用于返回器防热层测温。

发明内容

为了克服现有技术中的测温方法和铠装热电偶测温方法的不足，解决温度呈梯度式分布的防热结构不同位置不同深度的高精度、全过程测温问题，本发明提出了一种温度呈梯度式分布的防热结构测温方法。

本发明提供了一种温度呈梯度式分布的防热结构测温方法，用于对温度呈梯度式分布的防热结构的不同位置不同深度进行高精度、全过程测温，该方法包括以下步骤：步骤一，通过在测温端采用偶丝盘旋，对铠装热电偶进行改进，从而获得尺寸小、测温端为平面、插入深度可灵活控制的新型微型铠装热电偶；步骤二，通过在新型微型铠装热电偶上涂覆高温胶，将新型微型铠装热电偶安装在防热结构上；步骤三，将安装在防热结构的不同位置不同深度的所有新型微型铠装热电偶的甩线汇聚，从而统一连接至采集设备；以及步骤四，将采集设备的采集端作为所有新型微型铠装热电偶的测量冷端，从而直接对新型微型铠装热电偶的在轨测温进行补偿。

在本发明中，防热结构的温度呈梯度式分布并且相同位置相同深度形成了平面恒温区，以及对防热结构的指定深度进行测量时，新型微型铠装热电偶的测温端插入特定深度对应的平面恒温区，使得新型微型铠装热电偶的测量端所处平面恒温区的长度不小于150mm或不小于测量端直径的20倍，从而适合被安装在空间狭小且防热层开孔尺寸要求严的防热结构中，同时还精确控制了测温深度。

具体地，在步骤二中执行：在防热结构的指定位置开好用于安装新型微型铠装热电偶的结构孔；在新型微型铠装热电偶的测温端涂覆与防热结构相同材料的高温胶；将新型微型铠装热电偶垂直插入至结构孔内，并按照测温深度控制插入长度；以及在新型微型铠装热电偶的铠装热电偶头部与防热结构之间的缝隙，涂覆针对性高温胶，从而固定新型微型铠装热电偶与防热结构的相对位置。

其中，高温胶用于确保测温端与被测对象之间的紧密接触并控制新型微型铠装热电偶的测温深度，以及针对性高温胶用于固定新型微型铠装热电偶与防热结构的相对位置，从而使 连接件不易松动且满足力学环境并保证测温深度不变化。

在本发明中，新型微型铠装热电偶采用甩线设计方式，从而利用甩线和走线的方式来支持新型微型铠装热电偶布置在防热结构的任意位置并按要求完成指定位置的测温。

在步骤三中执行：将所有新型微型铠装热电偶的甩线沿着舱内内壁走线至指定位置处；在指定位置处，统一采用插针插孔的形式与转接电缆连接；以及采用接插件的形式，将转接电缆的另一端与采集设备连接，其中，转接电缆与新型微型铠装热电偶的甩线采用的是相同材质。

在步骤四中执行：将采集设备的采集端作为所有新型微型铠装热电偶的测量冷端；采用热敏电阻，测量新型微型铠装热电偶的测量冷端的温度；以及采用热敏电阻在测量冷端的测量温度直接对新型微型铠装热电偶的测温进行补偿，从而对器上的所有新型微型铠装热电偶采用唯一测量冷端的处理。

其中，采集设备的采集端为采集设备内部的采编板热电偶信号的输入处。

优选地，在步骤四中，冷端补偿的过程为：将新型微型铠装热电偶的在轨测量温度与冷端热敏电阻的测量温度相加，得到防热结构指定位置指定深度的最终温度。

因此，相对于现有技术，本发明的技术方案具有以下的有益效果：

1)新型微型铠装热电偶测温端采用偶丝盘旋设计，工作时测温端处于平面恒温场内，满足了热电偶测温时测量端需插入恒温区长度不小于150mm或不小于测量端直径20倍的要求，解决了温度呈梯度分布的防热结构特定深度热电偶测温问题；

2)新型微型铠装热电偶尺寸小、安装简单、易于固定、可插入长度能灵活控制，解决了铠装热电偶在防热结构开孔尺寸要求严格、空间狭小条件下的安装问题，并可根据测温深度要求控制插入深度，支持对防热结构任意深度进行热电偶温度测量；以及

3)新型微型铠装热电偶采用甩线设计，采用汇聚后统一连接至采集设备的走线方式，同时利用采集端作为唯一测温冷端，支持对防热结构任意位置布置热电偶进行温度测量。

附图说明

图1是根据本发明的温度呈梯度式分布的防热结构测温方法的流程图；

图2是本发明具体实施方式所涉及的新型微型铠装热电偶的三维外观示意图；

图3是本发明具体实施方式所涉及的新型微型铠装热电偶的结构剖面示意图，其中示出了新型微型铠装热电偶的内部结构；

图4是本发明具体实施方式所涉及的热偶测温端焊点及热偶丝的盘旋俯视示意图，其中示出了俯视视角下的新型微型铠装热电偶测温端的测温焊点及热电偶丝盘旋状态；

图5是本发明具体实施方式所涉及的热偶测温端焊点及热偶丝的盘旋侧视示意图，其中示出了侧视视角下的新型微型铠装热电偶测温端的测温焊点及热电偶丝盘旋状态；

图6是本发明具体实施方式所涉及的新型微型铠装热电偶在返回器防热层的安装示意图，其中示出了新型微型铠装热电偶在返回器防热层的安装最终状态；以及

图7是本发明具体实施方式所涉及的器上铠装热电偶与采编单元的连接及冷端处理的示意图，其中示出了器上铠装热电偶与采编单元连接关系及冷端处理方式。

具体实施方式

应了解，防热层是返回式航天器(返回器)重要防热结构，在再入返回过程中其温度由舱外向舱内依次降低，不同深度的温度呈梯度式分布。在轨测量防热层不同位置不同深度的温度变化历程对于返回器防热层设计具有重要意义。本发明提出的温度呈梯度式分布的防热结构测温方法，克服了现有测温方法和传统铠装热电偶的缺点，解决了温度呈梯度式分布的防热结构不同位置不同深度的高精度、全过程测温问题，可用于返回器防热层的在轨测温。

如图1所示，本发明的温度呈梯度式分布的防热结构测温方法的具体实施过程如下：

铠装热电偶改进

防热结构的温度呈梯度式分布，但相同位置相同深度可形成平面恒温区，因此对传统铠装热电偶进行改进，在测温端采用偶丝盘旋设计，制作一种尺寸小、测量端面为平面、插入深度可灵活控制的新型微型铠装热电偶，使其对防热结构特定深度进行测温时测量端需插入恒温区长度不小于150mm或不小于测量端直径20倍的要求，又适合在空间狭小、防热层开孔尺寸要求严格的防热结构中安装，同时能精确控制测温深度。

铠装热电偶安装

在防热结构上安装新型微型铠装热电偶的步骤如下：

在防热结构的指定位置开好供铠装热电偶安装的结构孔，其深度需比测量深度长稍长；

在铠装热电偶测量端面涂覆与防热结构相同材料的高温胶，然后垂直插入至安装孔内，按照测温深度控制好插入长度；

在铠装热电偶头部与防热结构之间缝隙涂覆针对性高温胶，固定其与防热结构的相对位置。

在铠装热电偶涂覆与防热结构相同材料的高温胶的安装方式既可确保测温端与被测对象紧密接触，又能控制铠装热电偶的测温深度。采用针对性高温胶固定铠装热电偶与防热结构之间的相对位置，使其不易松动且既满足力学环境，又保证测温深度不变化。

甩线走线

新型微型铠装热电偶采用甩线设计，将安装在防热结构不同位置不同深度的所有热电偶甩线汇聚后，统一连接至采集设备。这种甩线设计及走线方式可支持热电偶布置在防热结构的任意位置，并按照要求完成指定位置的测温。

冷端补偿

以采集端为测量冷端，并采用热敏电阻测量冷端的温度，直接对热电偶的测温进行补偿，实现了器上所有测温热电偶采用唯一测温冷端的处理方式，可简化系统配置，优化资源使用。

自此，就实现了温度呈梯度式分布的防热结构不同位置不同深度的高精度、全过程测温。

接下来，将参考附图2-7、以返回器防热层2个不同位置(大底、侧壁)、同一位置2个不同深度的在轨测温为例，对本发明的具体实施方式进行进一步的说明。

第一步，根据测量深度及开孔尺寸设计并制作新型微型铠装热电偶(三维外观如图2所示，结构剖面如图3所示)，测温端采用偶丝盘旋设计，该热电偶包括外部铠装套管、内部填充材料、热偶丝和热电偶测温端，具体介绍如下。

外部铠装套管

外部铠装套管包括平底、侧壁和头部，其中平底和侧壁为金属套管，头部包括金属套管和聚四氟套管，金属套管材料为K36L。平底金属套管厚度为0.1mm，其他部分金属套管厚度为0.15mm。平底外部平面在测温时直接接触被测恒温平面场，其内部平面覆盖着热电偶测温端，既是被测恒温场与偶丝测温端的导热桥梁，又是热电偶测温端的保护屏障。侧壁金属套管是铠装热电偶的支撑骨架，嵌入在头部金属套管内，测温时插入到防热层指定深度，h为可插入防热层的深度，可根据测量要求灵活制作，具体信息见如下的表1，表1给出了新型微型铠装热电偶的可插入防热层深度及甩线长度信息。

表1

另外，头部用于固定铠装热电偶，当铠装热电偶插入防热层后，露出于防热层，与返回器结构固连，并作为热偶丝的出线通道。聚四氟套管用于保护热偶丝出线，长度为20mm，既防止其与金属套管摩擦折断，又隔离其与金属套管的电导通性。

内部填充材料

铠装热电偶内部采用绝缘材料填充。侧壁金属套管内部的填充材料为99.4％的氧化镁(MgO)粉，头部金属套管内部为无机陶瓷高温胶。填充材料既用于固定套管内部热偶丝， 也用于填充偶丝之间缝隙，隔离偶丝之间和偶丝与金属套管之间的电导通性。

热偶丝

热偶丝材料选用镍铬～镍硅偶丝，直径为0.25mm，组成K型热偶，符合GB/T 2614的相关要求，测温范围可达1300℃以上。

热偶测温端

热电偶测温端由测温焊点和盘旋状偶丝组成，直径小于3mm，紧密贴合在平底内部平面上，与侧壁金属套管隔离。测温焊点将镍铬～镍硅偶丝焊接在一起，形成测温热端。为满足热电偶测温时测量端需插入恒温区长度不小于150mm或不小于铠装直径20倍的要求，将热偶丝盘旋在焊点周围，形成螺旋测量端，其俯视和侧视示意分别如图4和图5所示。热偶丝盘旋时，确保偶丝不搭接，盘旋部分偶丝长度不小于20倍偶丝直径，即不小于5mm。

第二步，将4支新型微型铠装热电偶在返回器的侧壁和大底的指定位置进行安装，1、2号热电偶安装在侧壁防热层上、3、4号热电偶安装在大底防热层上。安装时，先在铠装热电偶平底处涂抹上与防热层材料一样的高温胶，然后插入至预先开好的安装孔内，头部与防热层的间隙控制好1mm，然后采用GD414高温胶填充头部与防热层的间隙，并稍许掩盖部分头部。铠装热电偶安装后最终状态示意如图6所示。

第三步，将4支新型铠装热电偶的甩线沿着舱内内壁走线至指定位置处，统一采用插针插孔的形式与转接电缆连接，转接电缆另外一端采用接插件的形式与采集设备连接，转接电缆与热电偶甩线采用相同材质。器上铠装热电偶与采编单元连接示意如图7所示。

第四步，以采编单元内部采编板热电偶信号输入处作为所有热电偶的冷端，并布置好热敏电阻，用于测量冷端的温度。冷端位置及热敏布置示意如图7所示。

第五步，冷端补偿处理，假定在轨新型铠装热电偶测量温度为T1，冷端热敏电阻测量温度为T0，则防热层指定位置指定深度的最终温度为T＝T1+T0。

综上所述，采用本发明，满足了热电偶测温时测量端需插入恒温区长度不小于150mm或不小于测量端直径20倍的要求，解决了温度呈梯度分布的防热结构的特定深度热电偶测温问题，并且新型微型铠装热电偶尺寸小、安装简单、易于固定、可插入长度能灵活控制，解决了铠装热电偶在防热结构开孔尺寸要求严格、空间狭小条件下的安装问题，并可根据测温深度要求控制插入深度，支持对防热结构任意深度进行热电偶温度测量。另外，采用甩线设计，采用汇聚后统一连接至采集设备的走线方式，同时利用采集端作为唯一测温冷端，支持对防热结构任意位置布置热电偶进行温度测量。

本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。