空间两相流体装置地检系统设计
黄 宇1，陈 鸣1，颜 奕1，何振辉1，3，王自鑫2，3
（1.中山大学 物理学院，广东 广州510275；2.中山大学 电子与信息工程学院，广东 广州511400；3.中山大学空间技术中心，广东 珠海519082）
设计了一种空间两相流体回路实验装置地检系统，用以在地面上模拟两相流体实验过程，验证两相实验装置的可靠性和稳定性。针对两相流体的相变过程和输运过程特点，提出一种新型的差分式热电偶测温方案和基于大功率H桥的Peltier控温解决方案。以STM32F4芯片为控制核心，搭建由传感器模块和执行器模块等组成的硬件系统，并完成LabVIEW监控平台的开发。对地检系统和两相装置进行地面联调，实测表明该系统稳定可靠。
两相回路；地检系统；差分式热电偶；LabVIEW
随着我国航天事业蓬勃发展，载人航天工程已经进入空间站阶段，计划2018-2022年陆续发射空间站的核心舱和两个实验舱，空间站上将开展一批前沿科学与应用任务，其中包括两相流体实验。该实验重点研究微重力下液体的蒸发冷凝相变动力学以及两相流体输运等基础问题。由于目前对在轨微重力情况下的相变换热机理以及相关关键技术的研究还不成熟[1]，因此有必要在进行空间搭载实验前开展地面验证实验，通过地面实验验证两相流体回路平台的可行性和可靠性，建立两相流体回路的空间运行特征库和可靠的空间两相流体回路数学模型，为进行空间科学实验积累经验。
两相回路流体装置工作原理如图1所示，存储于储液器中的R134a（1，1，1，2-四氟乙烷）工质在液泵动力作用下，流经气液分离器和冷凝台，带走制冷片热面的热量，之后流过冷排出口处，通过散热风扇排出所携带热量，从而实现两相流体循环。
图1 两相流体装置工作原理图
图2 电控系统结构图
1.1 热电偶测温设计
(a)T型热电偶 (b)差分热电偶
图3 热电偶测温原理示意图
1.2 TEC驱动设计
TEC是一种利用特殊半导体材料的珀尔帖效应实现对目标制冷或制热的半导体制冷器[3-8]。与压缩制冷和吸收制冷相比，热电制冷不仅结构简单、噪音小、无需制冷剂及足够环保，而且制冷功率线性可控，被广泛应用于精密控温场合。
图4 H桥驱动电路示意图
该结构在上桥臂用功率调节模块取代传统H桥MOS管，解决TEC驱动电流不稳定和MOS管无法完全导通问题，D1与T1形成正向导通回路，D2与T2形成反向导通回路，通过比例积分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）算法[9-11]控制上桥臂功率调节模块从而控制TEC制冷或制热功率，实现高精度恒温控制。
2 电控系统硬件设计
2.1 主控器模块设计
2.2 信号调理电路设计
2.2.1 电压信号调理电路
2.2.2 电流信号调理电路
设计电流信号调理电路如图5所示，选择精密运放以及匹配的电容电阻组成二阶滤波电路，实现信号调理。
图5 电流信号调理电路示意图
由于电流信号无法直接进行AD转换，所以设计通过电阻R1将4~20 mA电流信号转换成0.6~3 V电压，D1为钳位二极管组，防止瞬间过压进行电压钳位，以保护电路正常工作。
2.3 控制电路设计
控制电路的设计方案分为开关控制和脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制。开关控制即使能控制，可简单满足执行器开和关状态切换；PWM控制即功率控制，通过不同占空比PWM控制输出不同电压，进而控制输出功率。
3 电控系统软件设计
电控系统的软件控制流程框图如图 6所示。
图6 软件控制流程图
通过LabVIEW实现数据实时采集、处理、显示和存储，并对执行器进行精确、有效控制。
4 电控系统验证
图7为电控系统实物图，测试实验在室温下进行。为了保证实验过程中测温数据可靠，避免系统自然散热产生的温度误差，测温点附近全部采用发泡EVA材质的保温棉进行保温，提高数据可靠性。测试实验包括加热稳定性测试和温控准确性测试。测试过程温度采集数据如图 8、图9所示。
图7 电控系统实物图
从图8可以看出，初始阶段系统加热较慢，导致温升曲线线性度较差，这主要是由于传热作用具有滞后性，200 s后系统加热趋于稳定，说明系统整体加热稳定性较好。图9表明，在各个控温点，系统能够实现对温度的控制，达到稳定后能将温度控制在控温目标范围0.5 ℃内，控温波动整体较小。
(a)8%占空比加热升温曲线
(b)2%占空比加热升温曲线
图8 加热稳定性测试
图9 控温准确性测试
5 结语
针对空间两相流体回路实验，通过总体设计、硬件设计、软件设计和系统联调，完成了基于LabVIEW的地面验证电控系统的设计和开发。该系统有效完成了对两相流体回路系统实验数据的实时测量、分析、记录、保存以及对回路系统温度的精确快速控制。在实际平台联调过程中，电控系统运行正常，控制测量精度高。
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