CN112665630A - 一种气压自动校准设备的温度压力调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气压自动校准设备的温度压力调节系统，所述温度压力调节系统包括密闭的空腔、温度调节系统、压力调节系统、散热系统控制器，所述空腔由至少四个侧壁围成，所述温度调节系统包括设置在所述侧壁外壁的半导体制冷单元，所述半导体制冷单元根据通过其的电流方向制冷或制热，所述压力调节系统包括压力补偿装置和与所述空腔连接的真空泵，所述散热系统与所述侧壁接触，所述控制器与所述温度调节系统、所述压力调节系统和所述散热系统连接。本发明提供的气压自动校准设备的温度压力调节系统利用PLC可编程控制技术、TEC温度控制技术、电容压差仪压力模块技术实现了天空探测器的温度压力自动校准系统。

Description

一种气压自动校准设备的温度压力调节系统

技术领域

本发明涉及天空探测器组件校准系统，特别涉及一种气压自动校准设备的温度压力调节系统。

背景技术

低地球轨道航天器会受到由中性气体(分子和原子)和带电粒子所组成的轨道人气环境的影响。虽然在300至600公里高度范围内，大气密度己十分低，但在航天器运行速度下会产生足够大的相对通量密度，它对航天器所形成的阻力效应,会直接影响航天器的运行轨道、姿态和寿命；而低地球轨道高度范围内高层大气成分要是原子氧，它与航天器表面的相互作用，会造成对航天器表面材料的剥蚀、老化、耗损和污染等影响。因此需要使用探测器进行在轨的直接监测。

通常采用直接测量压力和温度的方法来获得大气密度，而大气成分则实质上是采用了以四极滤质器为核心的探测器。这些探测器均需在地面上进行标定,取得探测器所必须建立的校准特性，因此建立了超高真空活性气体校准系统，用于O₂、N₂和He灵敏度的校准(总压和分压)、图样系数的校准、探测器的稳定性研究等。传统的温度、压力校准系统在温度调节方面通常采用干冰降温和电阻加热，在压力调节上采用泵抽降压和加压泵加压，这种系统在测试工作时温度、压力达到设定数值的驰豫时间很长，工作效率低，另外，工作环境充满气化的二氧化碳和高分贝噪音，对工作人员产生较大的身体伤害。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种气压自动校准设备的温度压力调节系统，效率高、可自动校准，不需要工作人员忍受恶劣的工作环境。具体方案如下：

本发明提供了一种气压自动校准设备的温度压力调节系统，所述温度压力调节系统包括

空腔，所述空腔由至少四个侧壁围成；

温度调节系统，所述温度调节系统包括设置在所述侧壁外壁的半导体制冷单元，所述半导体制冷单元根据通过其的电流方向制冷或制热；

压力调节系统，所述压力调节系统包括压力补偿装置和与所述空腔连接的真空泵；

散热系统，所述散热系统与所述侧壁接触；

控制器，所述控制器与所述温度调节系统、所述压力调节系统和所述散热系统连接。

进一步地，所述散热系统包括与冷水机连接的水冷铜管，所述水冷铜管部分地与所述侧壁的外壁接触。

进一步地，所述半导体制冷单元设置在所述水冷铜管与所述侧壁之间，所述半导体制冷单元的数量为多个，相邻的半导体制冷单元之间设有间隔区。

进一步地，所述半导体制冷单元呈二级制冷设置。

进一步地，所述空腔内设置有一个或多个温度传感器，所述温度传感器与所述控制器连接，所述控制器根据所述温度传感器的探测结果调整通过所述半导体制冷单元的电流的大小与方向。

进一步地，所述压力调节系统包括与所述控制器连接的电容压差仪，所述电容压差仪用于探测所述空腔中的气压，所述控制器根据所述电容压差仪的探测结果对真空泵和所述压力补偿装置进行控制。

进一步地，所述温度压力调节系统至少包括以下的5个稳定温度校准点：40℃±0.2℃、20℃±0.2℃、0℃±0.2℃、-20℃±0.2℃、-35℃±0.2℃，以及与所述5个温度校准点分别对应的5个稳定气压校准点：950hPa±0.03hPa、700hPa±0.03hPa、500hPa±0.03hPa、200hPa±0.03hPa、5hPa±0.03hPa。

进一步地，所述温度压力调节系统包括第一调节模式，所述第一调节模式为：当所述控制器控制所述温度调节系统使得所述空腔中的温度从第一温度校准点向第二温度校准点变化时，若第一温度校准点高于第二温度校准点，则变化用时为8～12分钟；若第一温度校准点低于所述第二温度校准点，则变化用时为4～6分钟。

进一步地，所述温度压力调节系统包括第二调节模式，所述第二调节模式为：当所述控制器控制所述温度调节系统使得所述空腔中的温度向第三温度校准点变化时，若空腔中的温度与第三温度校准点之间的温差达到第一阈值，则变化用时1～4分钟。

进一步地，所述第一阈值为1℃～3℃。

本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：

A.利用PLC可编程控制技术、TEC温度控制技术、电容压差仪压力模块技术实现了天空探测器的温度压力自动校准系统。

B.调节温度时有多种调节模式供选择，使得调温调压时温度、气压尽可能分布均匀。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的温度压力调节系统的局部示意图；

图2是本发明实施例提供的温度压力调节系统的局部俯视图。

其中，附图标记分别为：1-压力传感器、2-温度传感器、3-水冷铜管、4-半导体制冷单元、5-抽气孔、6-空腔。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本发明的一个实施例中，如图1、图2所示，提供了一种气压自动校准设备的温度压力调节系统，所述温度压力调节系统包括

空腔6，所述空腔6由至少四个侧壁围成，在附图1和附图2中，所述空腔6是由下壁和四个侧壁围成的长方体形的空间；在其它一些实施例中，空腔6也可以为其它形状。

温度调节系统，所述温度调节系统包括设置在所述侧壁外壁的半导体制冷单元4，所述半导体制冷单元4根据通过其的电流方向制冷或制热，所述半导体制冷单元4呈二级制冷设置，即，所述半导体制冷单元由外制冷片和内制冷片相叠加而成，所述内制冷片与所述侧壁的外壁接触，所述外制冷片的泵热能力高于所述内制冷片的泵热能力；所述外制冷片的冷面与所述内制冷片的热面相接触，或者，所述外制冷片的热面与所述内制冷片的冷面相接触，即，外制冷片能够将内制冷片的温度传走，从而参与调节内制冷片的温度；所述控制器根据所述内制冷片的工作电压调节所述外制冷片的工作电压，两者之间的比值与预设的比例系数一致。两个半导体制冷片的形状优选相同，以使得其完全贴合；

压力调节系统，所述压力调节系统包括压力补偿装置和通过抽气孔5与所述空腔6连接的真空泵，所述真空泵用来将气体从所述空腔6中抽出以降压，所述压力补偿装置用来向所述空腔6中通氮气，以使得所述空腔6中压力升高；

散热系统，所述散热系统与所述侧壁接触；

控制器，所述控制器与所述温度调节系统、所述压力调节系统和所述散热系统连接。

在本发明的一个实施例中，所述散热系统包括与冷水机连接的水冷铜管3，所述水冷铜管3部分地与所述侧壁的外壁接触；四个侧壁上均设置由有水冷铜管3，在冷水机的作用下冷水通过水冷铜管3，使得所述空腔降温，所述冷水机与控制器连接并受控制器控制。

在本发明的一个实施例中，所述半导体制冷单元4设置在所述水冷铜管3与所述侧壁之间，所述半导体制冷单元4的数量为多个，相邻的半导体制冷单元4之间设有间隔区；如图1、图2所示，所示的半导体制冷单元4为矩形，优选为正方形，水冷铜管3与侧壁贴合的面为长方形，且长方形的宽度使得水冷铜管3恰好覆盖半导体制冷单元4，从而使得半导体制冷单4元降温；如前所述，半导体制冷单元4为二级制冷设置，相当于外制冷片将内制冷片的热量传给水冷铜管，因此水冷铜管3与半导体制冷单元4贴合、覆盖半导体制冷单元4是必要的，这样降温可靠、效率高。设置在相邻半导体制冷单元的间隔区由绝热材料填充，防止多个半导体制冷单元4之间互相影响。

为了使空腔中的温度分布尽可能均匀，四个侧壁上对应地设置有半导体制冷单元。

在本发明的一个实施例中，所述空腔6内设置有一个或多个温度传感器2，所述温度传感器2与所述控制器连接，所述控制器根据所述温度传感器2的探测结果调整通过所述半导体制冷单元的电路的大小与方向，从而使得半导体制冷单元制冷或制热，进而调控空腔中的温度。空腔中的温度传感器2也应该尽可能对称、均匀地设置，以更准确地测得温度。

在本发明的一个实施例中，所述压力调节系统包括一个或多个与所述控制器连接的压力传感器1，优选压力传感器1为电容压差仪，所述电容压差仪用于探测所述空腔中的气压，所述控制器根据所述电容压差仪的探测结果对真空泵和所述压力补偿装置进行控制。

在本发明的一个实施例中，所述温度压力调节系统至少包括以下的5个稳定温度校准点：40℃±0.2℃、20℃±0.2℃、0℃±0.2℃、-20℃±0.2℃、-35℃±0.2℃，以及与所述5个温度校准点分别对应的5个稳定气压校准点：950hPa±0.03hPa、700hPa±0.03hPa、500hPa±0.03hPa、200hPa±0.03hPa、5hPa±0.03hPa。

在本发明的一个实施例中，所述温度压力调节系统包括第一调节模式，所述第一调节模式为：当所述控制器控制所述温度调节系统使得所述空腔中的温度从第一温度校准点向第二温度校准点变化时，若第一温度校准点高于第二温度校准点，则变化用时为8～12分钟；若第一温度校准点低于所述第二温度校准点，则变化用时为4～6分钟。第一调节模式也可以称为快速模式，目的是快速地使得空腔中的温度达到目标温度。但是快速改变温度、压力会使得温度和压力的分布不均匀，因此本发明的实施例还包括慢速模式，即下面提高的第二调节模式。

在本发明的一个实施例中，所述温度压力调节系统包括第二调节模式，即慢速模式，所述第二调节模式为：当所述控制器控制所述温度调节系统使得所述空腔中的温度向第三温度校准点变化时，若空腔中的温度与第三温度校准点之间的温差达到第一阈值，则变化用时1～4分钟。即，当实际温度接近目标温度时，减小制冷或制热的功率，使得实际温度慢慢接近目标温度，避免了高功率制冷或制热时实际温度超过目标温度、为了得到目标温度而使得实际温度来回震荡的情况。

快速模式与慢速模式结合，实际温度与目标温度差距较大时采用高功率制热或制冷，差距较小时低功率制热或制冷，既能够尽可能快地达到目标温度，又提供了足够的弛豫时间，避免温度在目标温度附近来回振荡，此方案较为节能、安全，也能使得空腔中的温度、压力分布较为均匀。

在本发明的一个实施例中，所述第一阈值为1℃～3℃中的某个值，可选取此范围内的任一值以适应不同的需要。

在本发明的一个实施例中，整个系统结构由开放的内腔体和外腔体组成，内腔体包括所述的空腔和围成所述空腔的侧壁。内腔体置于外腔体中，系统密封由外腔体实现。

在本发明的一个实施例中，提供了一种气压自动校准设备的可调温度、压力系统，包括以下步骤：通过半导体制冷片(TEC)的输入电压极性的变换分别对校准系统的真空腔体进行加热、制冷，制冷片采用两级叠加排布，通过铂电阻温度传感器2和三菱温度模块进行温度取样和控制，采用微型干泵和钢瓶氮气通过电动碟阀和电容压差仪分别进行减压、加压和设定压力控制，TEC热侧通过冷水机的循环水的冷端出口水的泵抽冷水散热，所有控制流程由PLC控制模块完成。

四组两级TEC模块分别安装在内腔体的四个外侧壁，四组TEC模组分别独立供电，四组TEC模组的外侧紧贴水冷矩形铜管，铜管内通有冷水机泵出的循环冷却水。

温度测量和控制采用如下策略完成，具体方法是：在内腔距离四个内侧壁中心距离为3cm-8cm处分别安装一个Pt温度传感器2用于温度测量，Pt温度传感器输出端连接到三菱温度控制模块信号输入端，三菱温度控制模块输出信号用于控制四组紧贴内腔体外侧的四组TEC模块的工作电压，四组外侧的TEC模块工作电压通过优选工作参数得到的比列系数利用电压比例模块与内侧TEC模块工作电压自适应调制。

升压通过电动碟阀控制的钢瓶氮气实现，降压通过电动碟阀控制的干泵抽气完成，设定压力由电容压差仪采样和控制。

系统至少可获得40℃±0.2℃、20℃±0.2℃、0℃±0.2℃、-20℃±0.2℃、-35℃±0.2℃可控稳定温度校准点，在每个温度校准点下可获得950hPa±0.03hPa、700hPa±0.03hPa、500hPa±0.03hPa、200hPa±0.03hPa、5hPa±0.03hPa稳定气压校准点。

获得每个温度校准点的温度的升、降温过程中的温度变化率分快速和慢速两种模式：快速指从一个温度校准点向另一个温度校准点过渡时间，温升约5分钟，温降约10分钟；慢速指到达一个温度校准点之前1℃～3℃向温度校准点过渡时间。校准的温度点、压力点设定值可调，相邻温度段的变化速率可调。

在本发明的一个实施例中，提供了一种气压自动校准设备的可调温度、压力系统，系统包括半导体加热、制冷系统、热池(冷水机)、真空及压力发生和控制系统(泵、压差仪、压力补偿装置)、PLC控制系统等组成。具体组成单元有Hi-Tec半导体芯片、传热系统、热池、保温隔热组件、干泵、电容压差仪、氮气压力补偿系统、PLC温度压力控制系统、高精度直流电源。该系统可获得压力、温度可连续或分级调节的环境系统，可控稳定温度校准点：40℃±0.2℃、20℃±0.2℃、0℃±0.2℃、-20℃±0.2℃、-35℃±0.2℃，在每个温度校准点下可获得的稳定气压校准点：950hPa±0.03hPa、700hPa±0.03hPa、500hPa±0.03hPa、200hPa±0.03hPa、5hPa±0.03hPa，每个温度校准点的温度变化率分快速慢速两种模式：快速指从一个温度校准点向另一个温度校准点过渡时间，温升约5分钟，温降约10分钟；慢速指到达一个温度校准点之前1℃～3℃向温度校准点过渡时间，约3分钟或更长，以保证每个气压传感器的温度达到规定值，校准的温度点、气压点设定值可调，相邻温度段的变化速率可调。

本发明利用PLC可编程控制技术、TEC温度控制技术、电容压差仪压力模块技术提供了天空探测器的温度压力自动校准系统。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气压自动校准设备的温度压力调节系统，其特征在于，所述温度压力调节系统包括

密闭的空腔(6)，所述空腔(6)由至少四个侧壁围成；

温度调节系统，所述温度调节系统包括设置在所述侧壁外壁的半导体制冷单元(4)，所述半导体制冷单元(4)根据通过其的电流方向制冷或制热；

压力调节系统，所述压力调节系统包括压力补偿装置和与所述空腔连接的真空泵；

散热系统，所述散热系统与所述侧壁接触；

控制器，所述控制器与所述温度调节系统、所述压力调节系统和所述散热系统连接。

2.如权利要求1所述的温度压力调节系统，其特征在于，所述散热系统包括与冷水机连接的水冷铜管(3)，所述水冷铜管(3)部分地与所述侧壁的外壁接触。

3.如权利要求2所述的温度压力调节系统，其特征在于，所述半导体制冷单元(4)设置在所述水冷铜管(3)与所述侧壁之间，所述半导体制冷单元(4)的数量为多个，相邻的半导体制冷单元(4)之间设有间隔区，间隔区由绝热材料填充。

4.如权利要求1所述的温度压力调节系统，其特征在于：

所述半导体制冷单元(4)由外制冷片和内制冷片相叠加而成，所述内制冷片与所述侧壁的外壁接触，所述外制冷片的泵热能力高于所述内制冷片的泵热能力；

所述外制冷片的冷面与所述内制冷片的热面相接触，或者，所述外制冷片的热面与所述内制冷片的冷面相接触；

所述控制器根据所述内制冷片的工作电压调节所述外制冷片的工作电压。

5.如权利要求1所述的温度压力调节系统，其特征在于，所述空腔(6)内设置有一个或多个温度传感器(2)，所述温度传感器(2)与所述控制器连接，所述控制器根据所述温度传感器(2)的探测结果调整通过所述半导体制冷单元(4)的电流的大小与方向。

6.如权利要求1所述的温度压力调节系统，其特征在于，所述压力调节系统包括与所述控制器连接的电容压差仪，所述电容压差仪用于探测所述空腔(6)中的气压，所述控制器根据所述电容压差仪的探测结果对真空泵和所述压力补偿装置进行控制。

7.如权利要求1所述的温度压力调节系统，其特征在于，所述温度压力调节系统至少包括以下的5个稳定温度校准点：40℃±0.2℃、20℃±0.2℃、0℃±0.2℃、-20℃±0.2℃、-35℃±0.2℃，以及与所述5个温度校准点分别对应的5个稳定气压校准点：950hPa±0.03hPa、700hPa±0.03hPa、500hPa±0.03hPa、200hPa±0.03hPa、5hPa±0.03hPa。

8.如权利要求4所述的温度压力调节系统，其特征在于，所述温度压力调节系统包括第一调节模式，所述第一调节模式为：当所述控制器控制所述温度调节系统使得所述空腔中的温度从第一温度校准点向第二温度校准点变化时，若第一温度校准点高于第二温度校准点，则变化用时为8～12分钟；若第一温度校准点低于所述第二温度校准点，则变化用时为4～6分钟。

9.如权利要求4所述的温度压力调节系统，其特征在于，所述温度压力调节系统包括第二调节模式，所述第二调节模式为：当所述控制器控制所述温度调节系统使得所述空腔中的温度向第三温度校准点变化时，若空腔中的温度与第三温度校准点之间的温差达到第一阈值，则变化用时1～4分钟。

10.如权利要求9所述的温度压力调节系统，其特征在于，所述第一阈值为1℃～3℃。

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