曹建 尚宇 張?zhí)?北京航天試驗技術(shù)研究所，北京 100074)

1 系統(tǒng)簡介

無論是在實驗室的低溫技術(shù)研究時，或是在實際工程應(yīng)用中，真空絕熱管路均是一種常見設(shè)備，其原理是在管路內(nèi)的夾層中，絕熱空間保持1.0×10-2Pa以下壓強的真空度，這樣就可以消除氣體的對流傳熱和絕大部分殘余氣體導(dǎo)熱，以到達良好的絕熱效果，用于在特定管路部位阻隔熱量傳遞，可用于防止管路內(nèi)熱量散失，或者防止管內(nèi)介質(zhì)被外部熱量影響。某航天單位在某型號裝備研制生產(chǎn)過程中，從國外某公司進口了一根液氫輸液管及其管路附件。該輸液管為不銹鋼材質(zhì)的真空絕熱管路[1]，真空度優(yōu)于1.0×10-2Pa，管路通徑為DN25，管路工作壓力小于1.4MPa(表壓)，管路正常工作時溫度區(qū)間約為16K～25K，液氫輸液量約為10g/s。液氫是由高純氫氣經(jīng)過降溫而得到的液體，是一種無色、無味的高能低溫液體燃料，一個大氣壓下的正常氫沸點為20.37K(零下252.78℃)，所以其所用管路工作溫度極低。液氫廣泛應(yīng)用于航天發(fā)射領(lǐng)域和可再生能源系統(tǒng)研究。

2 改造原因

根據(jù)該管路的技術(shù)規(guī)格及使用條件，外方提供了該輸液管內(nèi)介質(zhì)壓力及溫度的經(jīng)驗函數(shù)關(guān)系式，作為聯(lián)鎖報警的限制條件。管路示意圖如圖1所示。

圖1 真空絕熱液氫輸液管示意圖

圖1中，用于低溫環(huán)境的壓力傳感器讀數(shù)為P1，單位為bar(絕壓)，用于低溫測量的貼壁式溫度變送器讀數(shù)為T1，單位為K，外方提供的T1限制條件為：

式中：a、b、c為函數(shù)關(guān)系式的經(jīng)驗參數(shù)。

由于該函數(shù)關(guān)系式中a、b、c均為浮點數(shù)，且存在冪運算，所以在現(xiàn)場的單片機編程或后續(xù)PLC編程中，存在計算不便或計算速度較慢的問題[2-4]，嚴(yán)重影響聯(lián)鎖報警條件的響應(yīng)速度。另外，由于壓力傳感器的單位不是國際標(biāo)準(zhǔn)單位，在后續(xù)的校準(zhǔn)、維修或更換過程中，如果換用常用的國產(chǎn)壓力傳感器，單位為MPa(表壓)，會導(dǎo)致該聯(lián)鎖報警條件失效。因此，需要對該聯(lián)鎖報警條件進行優(yōu)化改進。

3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)該真空絕熱管的使用條件，以0.0002MPa為遞增步長，列出了在使用范圍內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)，并進行單位換算；根據(jù)換算后的bar壓力單位數(shù)值，代入經(jīng)驗公式(1)，得到了對應(yīng)壓力數(shù)值下的溫度報警上限(該數(shù)據(jù)進行了非密化處理)。隨后，分別以MPa單位壓力值為橫坐標(biāo)、溫度報警上限為縱坐標(biāo)做出數(shù)據(jù)圖。

4 數(shù)據(jù)擬合

經(jīng)觀察，發(fā)現(xiàn)該函數(shù)關(guān)系的線性較好，因此擬用直線擬合的方法對該數(shù)據(jù)進行參數(shù)估計[5-6]，直線擬合函數(shù)形式為(2)式所示：

式中：P為壓力值(MPa，表壓)；Ta為溫度報警上限(K)；α，β為線性擬合參數(shù)。

線性參數(shù)估計的計算方法如(3)、(4)式所示：

式中：P為壓力值(MPa，表壓)；P為所有壓力數(shù)值的平均值(MPa，表壓)；Ta為溫度報警上限(K)；Ta為所有溫度報警上限數(shù)值的平均值(K)；N為數(shù)據(jù)點的個數(shù)，在本文中取值為3001；α，β為線性擬合參數(shù)。

將實際數(shù)值代入(3)、(4)式，經(jīng)過計算，α，β的取值分別近似為5.2855和25.4296，計算數(shù)據(jù)及擬合數(shù)據(jù)作圖如圖2所示。上述壓力數(shù)據(jù)處理及溫度報警上限擬合過程數(shù)據(jù)見表1。

經(jīng)過多次迭代試差，最終確定α，β的取值分別為5.3和25.3，改進后的擬合數(shù)據(jù)如圖3所示。由圖3可知，改進后的直線擬合數(shù)據(jù)與溫度報警上限計算數(shù)據(jù)吻合較好，在管路使用的壓力范圍內(nèi)，所有擬合數(shù)據(jù)均不大于計算數(shù)據(jù)，符合報警上限設(shè)定條件；且最大擬合誤差約為0.17K，滿足工業(yè)使用的精度要求[7]。

表1 壓力數(shù)據(jù)處理及溫度報警上限擬合過程數(shù)據(jù)列表

圖2 壓力值和溫度報警上限初始擬合結(jié)果

圖3 壓力值和溫度報警上限改進后的擬合結(jié)果

5 結(jié)語

經(jīng)過優(yōu)化改進，該液氫輸液管的溫度報警上限得到了快速而準(zhǔn)確的設(shè)定，在現(xiàn)場通過單片機加裝了報警指示燈，同時在PLC控制系統(tǒng)的遠程上位機中設(shè)置了聯(lián)鎖報警。經(jīng)過長時間的運行考核，該溫度報警未出現(xiàn)漏報或誤報的現(xiàn)象，有力地支持了型號研制和科研生產(chǎn)工作，取得了良好的效果。后續(xù)運行中，壓力傳感器更換為國產(chǎn)品牌，節(jié)約了生產(chǎn)成本，縮短了備件的供貨周期。