[发明专利]一种基于有限元模型的行波管内部温度软测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于行波管内部温度软测量的方法，属于行波管热状态监测与分析领域。

背景技术

行波管作为高功率宽频带的微波源和重要的微波信号放大器应用于众多领域，已成为雷达、电子对抗、卫星通信等电子设备的重要微波电子器件，具有不可替代的地位。在国防设备上，行波管被誉为武器装备的“心脏”，是非常重要的国防基础设备。行波管的应用领域及其重要性决定了它必须具有非常高的稳定性和可靠性，它直接关系着相关设备的使用寿命。

行波管的温度分布和散热性能对行波管的工作稳定性和可靠性产生很大影响，并且直接影响行波管的工作寿命。行波管的局部温度最高可达700℃以上，在如此的高温状态下，组成行波管的材料的物理性质与化学性质都可能会发生一定程度的变化，所以准确有效的行波管内部温度场热状态的测量，对于行波管热性能分析至关重要。但是，在行波管内部温度的实时测量方面遇到了严重困难。因为行波管是种高端精密器件，其内部的电磁场环境极为复杂，若在其中放置温度传感器会遇到以下困难：一方面，传感器极有可能受到其中高速电子注的影响而无法测量，另一方面，传感器也可能会干扰行波管内部电子注和电磁场的分布，直接导致行波管无法正常工作。即使在行波管在安装温度传感器后还可以正常使用，可是行波管是按严格设计的精密器件，要将温度传感器放置于行波管内部，需要打开行波管安置后再重新装配，或者需要特别定制的行波管才能实现，具有很高的工艺要求，实施难度大，实施成本高，并且这些方法也难以推广至大批量行波管的检测。行波管设计人员苦于缺少便捷有效的行波管内部温度场测量方法，无法直观地了解行波管运行时实际的热状态，严重制约着行波管热性能分析的研究进展，为行波管的优化设计带来极大不便。

发明内容

技术问题：针对行波管研究人员亟需行波管运行时其内部温度数据，却又难以在其内部安装温度传感器的难题，本发明提供了一种可用来估计行波管运行时内部温度值，便于行波管研究人员直观地了解行波管运行时的热状态，为行波管的优化设计提供了很大便利的基于有限元模型的行波管内部温度软测量方法。

技术方案：本发明中以行波管管壳多点温度数据作为辅助变量，建立行波管有限元热模型，通过迭代逼近法修正模型参数后，通过有限元仿真计算得到行波管内部温度估计值。软测量是一种利用较易测量的辅助变量和离线分析信息，依据某种最优数学关系，由辅助变量去估计不可测或难测量的主导变量的测量方法。软测量的关键主要有3点：1、辅助变量的选取；2、软测量模型的建立；3、模型参数的修正。本发明中以行波管管壳多点温度数据作为辅助变量，建立行波管有限元软测量热模型，通过迭代逼近法修正模型参数后，对行波管内部温度进行软测量，该方法的整体框图如图1所示。

之所以选择行波管管壳温度作为辅助变量，是因为根据行波管的结构和运行原理，管壳温度不仅测量方便，不需要对行波管进行任何改造，可进行实时连续测量，并且与行波管内部温度有着直接的密切联系。在本发明中为了提高内部温度软测量的准确性，使用了多点温度测量的方法，将多个温度传感器按照一定顺序安装在行波管管壳的特定位置后，同时采集行波管管壳表面多个位置的温度值，为行波管内部温度的估计提供较为全面完整的管壳温度分布信息。采集到行波管管壳表面多点温度值后，本发明建立了行波管有限元软测量热模型，对行波管内部温度进行软测量。

本发明的基于有限元模型的行波管内部温度软测量方法，包括以下步骤：

1）对行波管进行多点分布式测量，采集行波管管壳同一时刻的多点温度值，得到行波管管壳多点温度测量值矩阵；

2）建立行波管等比例有限元热模型，在模型管壳上设置与实际测量时相同的管壳温度测量点，通过有限元分析计算，得到管壳多点温度模拟值矩阵T；在模型中设置多个热源加载面，构成热源分布矩阵X。

3）通过行波管等比例有限元热模型仿真数据导出管壳多点温度模拟值矩阵T与热源分布矩阵X的函数关系式，即T=G(X)；

4）建立管壳多点温度测量值与行波管有限元热模型对应点温度模拟值之间误差平方和的目标函数，并设置目标函数的约束条件C(X)，C(X)表示各个测量点真实温度值与模拟温度值之间的误差允许范围；

5）以所述目标函数取得全局最小值为停止条件，通过迭代法求解，得到热源分布最优解X^*；

6）将所述热源分布最优解X^*加载到行波管有限元热模型中，通过有限元仿真计算得到行波管内部温度。