CN102141422A - 适用于小卫星单相流体热控回路的流量-温度一体化测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于小卫星单相流体热控回路的流量-温度一体化测量装置，包括管道结构及敏感元件模块、信号转换及数据处理模块、人机交互模块和通信模块。管道结构及敏感元件模块装配有两个热敏电阻，接入单相流体回路中，流体冲刷热敏电阻时会通过对流换热带走热敏电阻与恒流源相连产生的热量；根据热平衡原理，热敏电阻产生的热量与对流换热量相等，而对流换热量与流体流速、温度有关，因此信号转换和数据处理模块能将接收到的阻值信号转换为流量及温度信号；人机交互和通信模块分别用于测量信号的显示和传输。本装置选用两个热敏电阻作为敏感元件，无运动部件，机械损失小，通过解耦计算能消除流体温度变化对流量测量的影响，测量精度高。

Description

适用于小卫星单相流体热控回路的流量-温度一体化测量装置

技术领域

本发明涉及一种管道流体流量、温度测量装置，更特别的说，是一种适用于小卫星单相流体热控回路的流量-温度一体化测量装置。

背景技术

随着科学技术的发展，航天器在对地应用、月球探测和星际飞行等空间技术领域取得了巨大的成功，其中航天器热控制是航天器开展空间探测活动必不可少的一个技术保障，在航天器整个任务周期经历的复杂空间环境下，通过合理组织航天器内部和外部的热交换来为各种星载机电设备、有效载荷以及航天员搭载舱等空间任务单元提供安全可靠的温度环境。

目前，愈加复杂的空间热环境对航天器热控系统的设计提出了新的挑战。传统的被动式热控制主要依靠选取不同的热控材料和合理的总装布局来处理航天器内外的热交换过程，其本身没有自动调节温度的能力，很难满足航天器设计发展的需求。主动热控技术能够根据外热流或内热源发生的变化，自主调节航天器内部设备的温度，具有更大灵活性和更强的适应能力，因而成为航天器热控技术发展的一个重要方向，并且获得了广泛的研究和应用。。

采用机械泵驱动的单相流体热控回路技术是航天器主动热控技术的一项重要热控手段，它具有结构简单、布置灵活、鲁棒性高、热量排散调节能力强、组织内部换热易、安全可靠性高以及实现在轨维修容易等突出特点。该类型热控系统在美国双子星飞船、国际空间站以及我国神舟系列飞船等新一代功耗水平较高的航天器上已经得到成功应用，并且是未来大型空间试验平台、深空探测以及微小飞行器空间散热的一种重要发展趋势。

在航天器单相流体热控回路系统中，其热控功能主要通过流体泵、温度阀及空间辐射器等可控部件的闭环控制实现，因而，回路内部工质流量与温度等反馈信号的准确实时测量是实现小卫星主动热控工作的先决条件。

在单相流体热控回路系统中，传统的流量测量多采用涡轮流量计和电磁流量计。涡轮流量计通过测量涡轮的转速来测量流量，这种机械式测量方法虽然测量精度高，工作范围宽，但增大了管道内的流阻损失，加大了回路泵的能耗，而且由于其机械运动性，涡轮和轴承容易出现磨损，不能长期保持校准特性；电磁流量计虽然没有可动部件，无机械惯性，但流体工质必须为导电率较高的流体，对流体工质的选择较为苛刻，且其体积和质量都较大，不适合在小卫星上应用。因此，设计并实现一种小体积、轻质量、低流阻的新型流量测量装置已成为微小卫星单相流体热控技术发展的一个迫切需求。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种小卫星单相流体热控回路流量-温度一体化测量装置，其特征在于包括：

管道结构及敏感元件模块，

信号转换及数据处理模块，用于对管道结构及敏感元件模块输出的数据进行数据传递和处理，从而得到所测的流量信号和温度信号。

根据本发明的另一个方面，提供了一种小卫星单相流体热控回路流量-温度一体化测量方法，其特征在于包括：

用一个管道结构及敏感元件模块，通过感应回路中的流体流量、温度信号，产生相应的电信号；

用信号转换及数据处理模块对管道结构及敏感元件模块输出的电信号进行传递和处理，从而得到所测的流量信号和温度信号。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的小卫星单相流体热控回路典型配置结构图。

图2是根据本发明的一个实施例的流量-温度一体化测量装置工作示意图。

图3是根据本发明的一个实施例的管道结构及敏感元件示意图。

图4是根据本发明的一个实施例的测量装置数值计算流程图。

附图标号：

1.热源 2A.微通道换热器 2B.微通道换热器 3.温度传感器

4.泵 5.压差传感器 6.调节阀 7.辐射器 8.流量计

9.流体回路管道 10管道结构及敏感元件 101.管道结构

102A.NTC热敏电阻

102B.PTC热敏电阻 11.信号转换及数据处理模块 111.恒流源

112.信号调节及放大电路 113.AD信号转换电路 114.数据处理单元

12.人机交互模块 121.显示单元 122.设定单元 13.通信模块

具体实施方案

为了满足微小卫星单相流体热控回路系统发展的需求，本发明设计实现了一种新型流量-温度一体化测量装置。该测量装置采用热敏电阻作为敏感元件，热敏电阻具有体积小、机械加工简单、灵敏度高、稳定性好以及使用寿命长等特点。将热敏电阻加工成圆盘形形状，作为敏感探针置于流体回路管道中，并与恒流源构成闭合电路，产生一定的热功率。当流体横掠热敏电阻时，通过对流换热实现热敏电阻与流体之间的热量交换，根据热平衡原理和对流换热的准则关系，可以推导出工质温度、流量与阻值变化之间的关系，从而实现流量、温度的数值测量。这种测量装置在保证单相流体回路热控系统稳态性能良好的情况下，可以同时测量出流量和温度信号，提高了小卫星热控制的响应速度，消除了传统流量计结构复杂、受空间环境影响大，故障因素多的弱点，对提高热控系统的整体可靠性具有十分重要的意义。

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，一般小卫星上的热源1主要是电子设备发热；机械泵3驱动单相流体回路中的工质在回路管道9内流动，热源设备将产生的热量通过第一微通道换热器2A换热给流体回路中的流体工质，流体温度升高；当高温流体流经辐射散热器7部件时，又通过第二微通道换热器2B将热量传递给辐射器7，辐射器7将接收的热量以辐射散热的形式排散到空间。所述回路中的热源1是指小卫星上的发热设备，流体工质选用去离子水，泵5选择微型直流泵，阀6是流量调节阀，辐射器7用于空间辐射散热。其中温度传感器3和流量计8可以置于回路结构中任意需要测量的点，用于测量流体的温度和流量，压差传感器4用于测量泵的压差。

根据本发明的一个实施例，上述单相流体回路系统即单相流体回路地面验证系统包括流体部件(机械泵、流体传输管道、阀)和传热部件(发热设备、微通道换热器、辐射器)两类部件。

根据本发明的一个实施例，上述机械泵5是流体强迫对流的动力，用于驱动流体在回路管道9内流动。

根据本发明的一个实施例，上述热源1用来表示航天器上的电子设备或发热设备，辐射器7用来进行空间散热。

根据本发明的一个实施例，上述微通道换热器2A、2B分别用于热源1和流体、流体和辐射器7之间的热量交换。

根据本发明的一个实施例，上述阀6是典型的管路流量调节部件，通过开度调节实现其所在管道支路的流量控制。

根据本发明的一个实施例，上述温度传感器3用于采集回路系统中各测点温度信号，根据测量需要可布置多个测量点。

根据本发明的一个实施例，上述流量计8用于采集回路干路或者支路的流体流量信号，根据测量需要可在干路或支路流体管道或者支路中多点布置。

图2所示的是根据本发明的一个实施例的小卫星单相流体热控回路流量-温度一体化测量装置，该装置包括管道结构及敏感元件模块10、信号转换及数据处理模块11、人机交互模块12和通信模块13。管道结构及敏感元件模块10用于方便的将测量装置接入回路管道9中，并且对所接入位置开展流量、温度的一体化测量工作；信号转换及数据处理模块11用于对管道结构及敏感元件模块10采集的信号进行处理和变换，得到测量装置所需测量的流量、温度值；人机交互模块12用于测量结果的输出和测量装置的标定；通信模块13用于将测量装置与外部控制器连接。

图3显示了根据本发明的管道结构及敏感元件模块10的一个实施例，其中热敏电阻102A、102B均被加工成圆盘形探针形状，并且完全内嵌入管道结构101中，热敏电阻引脚与外部恒流源111相连，产生一定的热功率。管道结构101的制作材料选用有机玻璃，外形加工成管道形状，两端口装配有螺栓接口管道结构101的设置是用于方便将敏感元件接入流体回路管道9中，从而开展测量工作。

根据本发明的一个实施例，上述管道及敏感元件模块10中，敏感元件同时采用NTC-负温度系数热敏电阻102A和PTC-正温度系数热敏电阻102B，两个热敏电阻均与恒流源相连构成闭合电路，产生一定的热功率。当流体流经管道结构101并外掠热敏电阻102A、102B时，热敏电阻102A、102B均会与流体之间产生对流换热过程，热敏电阻产生的热量会被流体带走，其换热过程遵循能量守恒原理。由热敏电阻与流体对流换热时遵循的能量守恒与对流换热准则关系式，可以同时测出回路中流体的温度和流量。

根据本发明的一个实施例，所述流体温度变化范围为10～60℃，热敏电阻的选型可以在该范围选择合适的型号。

本发明的一种小卫星单相流体热控回路流量-温度一体化测量装置，温度传感器和流量传感器输出的相关信息在信号转换及数据处理模块11中进行数据传递和处理，通过信号转换及数据处理模块11可以得到所测的流量、温度信号及变化趋势，并作为测量装置的显示结果。信号调节及放大电路112用于接收热敏电阻产生的电压变化信号，电压信号经放大器放大后，传递给AD信号转换电路113。所述的AD信号转换电路113用于将接收到的放大电压信号转换成数字信号，传递给数据处理单元114。所述的数据处理单元114包括电压-阻值-温度信号转换单元和电压-阻值-流量信号转换单元，其将接收到的数字信号通过算法算出装置所需的测量值。所述的测量电路可以内嵌在微小卫星的SST系列单片机或者DSP处理器等职能芯片上。

在根据本发明的一个实施例中，所述测量装置的人机交互模块12包括温度、流量数值显示单元121和数值设定单元122。温度、流量数值显示单元121主要用于显示测量装置最后的测量结果，可以将温度、流量的数值分别用两个显示单元显示，也可以在同一显示单元中读数。

在根据本发明的一个具体实施例中，所述显示单元121采用数码管。

在根据本发明的一个实施例中，数值设定单元122主要用于连接标定装置。在测量过程中，根据标定出的传感器的动态、静态响应指标，进行相关的人工参数设定，以提高测量精度。

在根据本发明的一个实施例中，通信模块13通过采用CAN总线接口或者RS232串行通讯接口与外部控制设备进行连接，实现该流量-温度一体化测量装置的测量数据传输。

参考图4所示的是根据本发明的一个实施例的数据处理过程。上述NTC-热敏电阻102A的阻值跟温度的关系可以描述为

$R_{\mathrm{NT}}=R_{{\mathrm{NT}}_0}\exp \left[B_N({1/T}_N-{1/T}_0)\right]---\left(1\right)$

式中，R_NT是热敏电阻102A发热时候的电阻值，R_NT0是热敏电阻102A基准温度T₀时的电阻值，B_N为热敏电阻102A的材料常数，T_N为热敏电阻102A发热时候的温度。

根据本发明的一个实施例，上述PTC-热敏电阻102B的阻值跟温度的关系可以描述为

$R_{\mathrm{PT}}=R_{{\mathrm{PT}}_0}\exp \left[B_P(T_P-T_0)\right]---\left(2\right)$

式中，R_PT是热敏电阻102B发热时候的电阻值，R_PT0是热敏电阻102B基准温度T₀时的电阻值，B_P为热敏电阻102B的材料常数，T_P为热敏电阻102B发热时候的温度。

因此，根据式(1)和式(2)可以分别得到热敏电阻102A与热敏电阻102B发热时，温度与阻值的关系式

$T_N=B_N{[\ln (R_{\mathrm{NT}}/R_{{\mathrm{NT}}_0})+B_N/T_0]}^{-1}---\left(3\right)$

$T_P=B_P^{-1}[\ln (R_{\mathrm{PT}}/R_{{\mathrm{PT}}_0})+B_P{T}_0]---\left(4\right)$

因此，根据关系式(3)和(4)可以分别求解得到热敏电阻102A与热敏电阻102B被流体冲刷前的温度T_N和T_P。

根据本发明的一个实施例，上述测量装置遵循的能量守恒原理，即热敏电阻外接恒流源产生的热功率与流体对流换热带走的热量之间遵循能量守恒描述为

I²R_T＝hA(T-T_f)                                    (5)

式中，I为恒流源提供的稳定电流的值，R_T是热敏电阻温度为T时的阻值，h为热敏电阻与流体对流换热时的换热系数，T_f为流体的温度。

因此根据本发明的一个实施例，上述测量装置中热敏电阻102A、102B分别满足方程

I²R_NT＝h_NA_N(T_N-T_f)                                (6)

I²R_PT＝h_PA_P(T_P-T_f)                                (7)

根据本发明的一个实施例，上述回路流体流经管道及敏感元件模块10时，流体会冲刷热敏探头102A、102B，并通过对流换热的方式带走探头外接恒流源产生的热量。在本发明中，在进行数值计算时，将热敏探头102A、102B近似成球体形状，因此根据流体外掠球体的对流换热准则关系式

Nu＝2+(0.4Re^1/2+0.06Re^2/3)Pr^0.4(η_∞/η_w)^1/4      (8)

式中，普朗克数Pr＝v/a，雷诺数Re＝ud_H/v，努谢尔数Nu＝hd_H/λ，d_H为圆盘

探头的水力直径，λ为导热系数，u为流速，v为运动粘度，a为扩散系数。

根据式(8)可以分别推导出两个热敏探头与流体进行对流换热时，换热系数与流速之间的函数关系式

h_N＝f₁(u)                            (9)

h_P＝f₂(u)                            (10)

在本发明中，将换热系数与流速之间的函数关系(9)、(10)分别代入流体与热敏电阻之间的对流换热遵循能量守恒方程(6)、(7)，并联立求解，可以获得流速u和流体温度T_f的数值，从而实现本发明装置的流量-温度一体化测量。

根据本发明的一个实施例，上述测量装置采用两个热敏电阻作为敏感元件，通过采集电压信号、信号转换、信号处理和输出等一系列测量过程，实现了小卫星单相流体热控回路流量-温度的一体化测量，该测量装置既实现了流量、温度两个信号的同步实时测量，又减少了单传感器使用引起的流量测量误差，提高了流体回路流量的测量精度。

根据本发明的小卫星单相流体热控回路流量-温度一体化测量装置的优点包括：

(1)流量-温度一体化测量装置可以同时实现流体回路中各所需点温度和流量的实时测量，相对于传统的流量计和温度传感器分离式应用设计，该测量装置具有更高的集成度，体积和质量均大大减小，更加适合在体积和重量要求苛刻的微小卫星上安装应用。

(2)本发明的流量-温度一体化测量装置没有普通流量计的内置旋转部件，因此不会由于机械作用对流体回路产生阻力影响，可以大幅度减少系统的阻力损失，从而降低单相流体热控回路泵的能耗。这种低能耗的测量装置特别适合在小卫星或星际探测等能源较为紧张的飞行任务中应用；

(3)该流量-温度一体化测量装置的敏感测量元件由NTC、PTC两个不同阻值-温度特性的热敏电阻构成，NTC、PTC两个热敏电阻联合使用，通过两个能量守恒方程的联立求解和解耦计算，不仅可以实现流量、温度两个测量信号获取，而且能够降低单传感器测量的误差，进而取得更高的测量精度；

(4)采用的敏感元件热敏电阻不但灵敏度高、体积小、稳定性好以及使用寿命长，能够满足航天器对可靠性的要求，而且成本低廉、装配简单，较为容易推广应用。

Claims (10)

1.小卫星单相流体热控回路流量-温度一体化测量装置，其特征在于包括：

管道结构及敏感元件模块(10)，

信号转换及数据处理模块(11)，用于对管道结构及敏感元件模块(10)输出的数据进行数据传递和处理，从而得到所测的流量信号和温度信号。

2.根据权利要求1的小卫星单相流体热控回路流量-温度一体化测量装置，其特征在于进一步包括：

人机交互模块(12)，

通信模块(13)。

3.根据权利要求2的小卫星单相流体热控回路流量-温度一体化测量装置，其特征在于：

所述人机交互模块(12)包括：

温度、流量数值显示单元(121)，用于显示所测量的温度、流量的数值；

数值设定单元(122)用于连接一个标定装置，根据标定出的管道结构及敏感元件模块(10)的动态、静态响应指标，进行相关的人工参数设定，

所述管道结构及敏感元件模块(10)包括：

管道结构101，用于方便的将敏感元件接入流体回路中，

所述敏感元件，用于测出回路中流体的温度和流量。

4.根据权利要求3的小卫星单相流体热控回路流量-温度一体化测量装置，其特征在于所述敏感元件包括：

NTC-负温度系数热敏电阻(102A)，

PTC-正温度系数热敏电阻(102B)，

其中所述NTC-负温度系数热敏电阻(102A)和所述PTC-正温度系数热敏电阻(102B)均与一个恒流源相连从而构成闭合电路，以产生一定的热功率，用于由所述NTC-负温度系数热敏电阻(102A)和所述PTC-正温度系数热敏电阻(102B)与流体对流对流换热时遵循的能量守恒与对流换热准则关系式，可以同时测出回路中流体的温度和流量。

5.根据权利要求1-4的小卫星单相流体热控回路流量-温度一体化测量装置，其特征在于所述小卫星包括：

发热的电子设备构成的热源(1)；

机械泵(3)，用于驱动单相流体回路中的流体工质在回路管道(9)内流动，

所述回路管道(9)，

一个第一微通道换热器(2A)，用于使所述热源(1)产生的热量通过所述微通道换热器(2A)换热给所述回路管道(9)中的流体工质，

辐射散热器(5)，

一个第二微通道换热器(2B)，用于当所述流体工质流经辐射散热器(7)时，通过第二微通道换热器(2B)将热量传递给辐射器(7)，从而由辐射器(7)将接收的热量以辐射散热的形式排散到空间。

6.小卫星单相流体热控回路流量-温度一体化测量方法，其特征在于包括：

用一个管道结构及敏感元件模块(10)，通过感应回路中的流体流量、温度信号，产生相应的电信号；

用信号转换及数据处理模块(11)对管道结构及敏感元件模块(10)输出的电信号进行传递和处理，从而得到所测的流量信号和温度信号。

7.根据权利要求6的小卫星单相流体热控回路流量-温度一体化测量方法，其特征在于进一步包括：

用温度、流量数值显示单元(121)显示所测量的温度、流量的数值；

用数值设定单元(122)连接一个标定装置，根据标定出的管道结构及敏感元件模块(10)的动态、静态响应指标，进行相关的人工参数设定，

用管道结构(101)将敏感元件接入流体回路中，

用所述敏感元件测出回路中流体的温度和流量。

8.根据权利要求7的小卫星单相流体热控回路流量-温度一体化测量方法，其特征在于进一步包括：

使一个NTC-负温度系数热敏电阻(102A)和一个PTC-正温度系数热敏电阻(102B)均与一个恒流源相连从而构成闭合电路，以产生一定的热功率，

由所述NTC-负温度系数热敏电阻(102A)和所述PTC-正温度系数热敏电阻(102B)与流体对流对流换热时遵循的能量守恒与对流换热准则关系式，同时测出回路中流体的温度和流量。

9.根据权利要求8的小卫星单相流体热控回路流量-温度一体化测量方法，器特征在于所述同时测出回路中流体的温度和流量的步骤包括：

把上述NTC-热敏电阻(102A)的阻值跟温度的关系描述为

$R_{\mathrm{NT}}=R_{{\mathrm{NT}}_0}\exp \left[B_N({1/T}_N-{1/T}_0)\right]---\left(1\right)$

式中，R_NT是热敏电阻(102A)发热时候的电阻值，R_NT0是热敏电阻(102A)基准温度T₀时的电阻值，B_N为热敏电阻(102A)的材料常数，T_N为热敏电阻(102A)发热时候的温度。

把上述PTC-热敏电阻(102B)的阻值跟温度的关系可以描述为

$R_{\mathrm{PT}}=R_{{\mathrm{PT}}_0}\exp \left[B_P(T_P-T_0)\right]---\left(2\right)$

式中，R_PT是热敏电阻(102B)发热时候的电阻值，R_PT0是热敏电阻(102B)基准温度T₀时的电阻值，B_P为热敏电阻(102B)的材料常数，T_P为热敏电阻(102B)发热时候的温度。

根据式(1)和式(2)分别得到热敏电阻(102A)与热敏电阻(102B)发热时，温度与阻值的关系式

$T_N=B_N{[\ln (R_{\mathrm{NT}}/R_{{\mathrm{NT}}_0})+B_N/T_0]}^{-1}---\left(3\right)$

$T_P=B_P^{-1}[\ln (R_{\mathrm{PT}}/R_{{\mathrm{PT}}_0})+B_P{T}_0]---\left(4\right)$

根据关系式(3)和(4)分别求解得到热敏电阻(102A)与热敏电阻(102B)被流体冲刷前的温度T_N和T_P，

把所述恒流源产生的热功率与流体对流换热带走的热量之间遵循能量守恒描述为

I²R_T＝hA(T-T_f)                                (5)

式中，I为恒流源提供的稳定电流的值，R_T是热敏电阻温度为T时的阻值，h为热敏电阻与流体对流换热时的换热系数，T_f为流体的温度，

其中上述测量装置中热敏电阻(102A、102B)分别满足方程

I²R_NT＝h_NA_N(T_N-T_f)                            (6)

I²R_PT＝h_PA_P(T_P-T_f)                            (7)

且流体外掠球体的对流换热准则关系表示为

Nu＝2+(0.4Re^1/2+0.06Re^2/3)Pr^0.4(η_∞/η_w)^1/4  (8)

式中，普朗克数Pr＝v/a，雷诺数Re＝ud_H/v，努谢尔数Nu＝hd_H/λ，d_H为圆盘探头的水力直径，λ为导热系数，u为流速，v为运动粘度，a为扩散系数，根据式(8)分别推导出两个热敏探头与流体进行对流换热，其中换热系数与流速之间的函数关系为

h_N＝f₁(u)                                     (9)

h_P＝f₂(u)                            (10)

将换热系数与流速之间的函数关系(9)、(10)分别代入流体与热敏电阻之间的对流换热遵循能量守恒方程(6)、(7)，并联立求解，从而获得流速u和流体温度T_f的数值，从而实现本发明装置的流量-温度一体化测量。

10.根据权利要求6-9的小卫星单相流体热控回路流量-温度一体化测量方法，其特征在于所述小卫星包括：

发热的电子设备构成的热源(1)；

机械泵(3)，用于驱动单相流体回路中的流体工质在回路管道(9)内流动，

所述回路管道(9)，

一个第一微通道换热器(2A)，用于使所述热源(1)产生的热量通过所述微通道换热器(2A)换热给所述回路管道(9)中的流体工质，

辐射散热器(7)，

一个第二微通道换热器(2B)，用于当所述流体工质流经辐射散热器(7)时，通过第二微通道换热器(2B)将热量传递给辐射器(7)，从而由辐射器(7)将接收的热量以辐射散热的形式排散到空间。

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