CN107462743B - 适用于低气压下的风速标定装置及标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种适用于地外行星和高空低气压下的风速传感器标定装置，包括具有模拟低气压环境能力的低压环模装置，低压环模装置内设置有支撑结构，支撑结构上依次设置运动机构和低压环模装置变径管道，低压环模装置变径管道包括风道一和风道二，运动机构包括一位于风道一内往复运动的活塞，待测风速传感器设置在风道二的风速出口，活塞运动在风道一内产生风速，通过风道一和风道二的变径比控制待测风速传感器的测试条件。本发明具有准确可靠、实施便捷等特点，可以提供标准风场，解决了在低气压、不同温度下稳定标定风速的要求，满足了相关型号的需求。
Description
技术领域
本发明属于航天器地面热试验技术领域，具体涉及到低气压环境下的风场环境模拟，特别是在地面模拟火星表面风速环境时，通过活塞运动方式建立可知风场，标定低气压下风速传感器及流量计。
背景技术
随着我国航天任务的多样化和成熟化，火星等其他地外行星的探测已经逐步开展，为了达到对着陆器、巡视器等星表航天器的全面验证及模型修正等目的，需要对星表环境进行温度、压力、风速的复合模拟，除常见的压力、温度环境外，一般还需要对气体成分、风速进行模拟。另外，高空飞艇的控制需要得知当地风速，此种情况下也需要测量高空低气压下的风速大小。目前常用的风速测量方法主要有动压机械式风速仪、热线热膜风速仪、超声风速仪、离子流动风速仪、激光多普勒风速仪。在地面巡视器热试验中，受限于测量点数、传感器大小等限制，使用热式风速仪进行测量具有较大优势。
由于热线、热球、热膜式风速传感器原理主要是通过对敏感头加热，在平衡状态通过敏感头温度、散失热量(加热热量)即可精确计算来流空气温度，其原理决定了气体压力、流体温度变化较大时，其输出电压也会发生变化。需要对温度、压力、风速传感器输出参数进行精确地测量，在不同的温度、压力、风速环境下对风速传感器进行标定、测试，获得不同温度、压力环境下传感器输出参数和风速的之间函数关系。
目前NASA、ESA、JAXA等机构均开展了风速传感器在低气压下使用的标定研究，其主要使用低气压风洞，或在热真空容器中搭建风道，使用引射的方式进行标定，其系统较为复杂。清华大学、北京航空航天大学等高校也开展了低气压下的风速标定研究，但主要针对于航空领域，压力一般在10000Pa，温度一般在室温左右，无法对火星环境(700Pa，-120～30℃左右)进行模拟。另外，目前存在的最主要问题是，所建立的风场还需要另外一种传感器来测量风场的速度，再由测量后的风场标定需要标定的风速传感器，这种标定方式引入的误差较多，其精度受制于测量风场速度的传感器精度。
因此，设计和发明一种可在不同压力、气体温度下对风速传感器进行标定的装置对于提高航天器试验水平具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一个稳定、均匀的压力、温度、风速可知的流场，满足未来火星探测器试验用风速传感器的标定、测试需求。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：
适用于地外行星低气压下的风速传感器标定装置，包括具有模拟低气压环境能力的低压环模装置，低压环模装置内设置有支撑结构，支撑结构上依次设置运动机构和低压环模装置变径管道，低压环模装置变径管道包括风道一和风道二，风道一的直径大于风道二的直径，运动机构包括一位于风道一内往复运动的活塞，待测风速传感器设置在风道二的风速出口，活塞运动在风道一内产生风速，通过风道一和风道二的变径比控制待测风速传感器的测试条件，低压环模装置通过外置的电缆法兰与控制模块和数据采集模块连接，以分别对运动机构和待测风速传感器进行控制和数据采集，同时通过外置的压力控制法兰与压力控制系统连接以控制低压环模装置内的气压。
其中，低压环模装置内部周向布置有热沉，以控制其内部的温度分布。
其中，运动机构还包括控制电机、连杆活塞机构，控制电机实现活塞的往复运动。
其中，控制模块用于控制电机转动并对风速传感器的敏感头供电。
其中，待标定风速传感器为热式风速传感器。
进一步地，热式风速传感器包括热线、热球或热膜风速传感器。
进一步地，风道一的直径在0.1m～2m之间；风道二的直径在0.02m以下；
其中，低压环模装具有3m以上的试验段直径。
其中，地外行星为火星。
其中，压力精密调节设备包括低压环模装置内的真空规，低压环模装置外的真空泵、管路、PLC设备，根据标定精确调整低压环模装置内的压力范围。
本发明的适用于火星等低气压下的风速及流量传感器标定装置，相对于传统低气压风洞式标定装置具有准确可靠、实施便捷等特点，可以提供标准风场，解决了在低气压、不同温度下稳定标定风速的要求，满足了相关型号的需求。
附图说明
图1是适用于地外行星及高空低气压下的风速传感器标定装置的结构示意图。
图中101大直径的风道一，102为小直径风道二，103为活塞，104为连接活塞和电机的推杆，105为电机，106为待标定的风速传感器，107为具有热沉的低压环模装置，108为热沉，109装置的支撑结构，110为控制模块和数据采集模块，111为压力控制系统，112为压力控制法兰及管道，113为电缆法兰。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的适用于火星低气压下的风速传感器标定装置进行详细说明，但该描述仅仅示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。
图1为适用于地外行星和高空低气压下的风速传感器标定装置，其中该标定装置包括内部四周设置有热沉108控制其内部的温度分布的低压环模装置107，低压环模装置采用了3m以上试验段直径的设备，为试验提供了压力隔绝的环境，环境为氮气环境，低压环模装置设置有压力控制系统，包括装置(容器)内的真空规，装置(容器)外的真空泵、管路、PLC设备等，根据设定精确调整容器内的压力范围。其中，压力控制系统111通过压力控制法兰112及管道经与装置内外的部件连接，低压环模装置108内设置有支撑结构109，支撑结构109上依次设置运动机构和低压环模装置变径管道，低压环模装置变径管道包括直径1m的风道一101和直径0.02m的风道二102，风道一101的直径大于风道二102的直径，运动机构包括一位于风道一101内往复运动的活塞103，待测热球式风速传感器106设置在风道二102的风速出口，活塞103运动通过电机105驱动的推杆104推力作用下在风道一101内产生风速，通过风道一101和风道二102的变径比控制待测热球式风速传感器106的测试条件，低压环模装置通过外置的电缆法兰113与控制模块和数据采集模块110连接，以分别对运动机构和待测热球式风速传感器106进行控制和数据采集，同时通过外置的压力控制法兰112与压力控制系统111连接以控制低压环模装置108内的气压。
待测风速传感器还可以是热线或热膜风速传感器，能够形成新的实施方式，例如，以远大仪表的QDF-6风速仪为例，其中共有四根引线，两根为热电偶毫伏信号，两根为供电信号。电机与低压环模装置外的控制系统连接，连接推杆与活塞实现恒定速度直线运动，低压环模装置内部通过调整气氮温度和热沉可根据需要调整至-120～30℃的范围，可以模拟不同的环境温度；低压气体可以是单一气体，也可以是一定比例混合的气体；
采用上述标定装置进行的试验标定流程一般如下：
a、系统安装，出口管的长度采取两种方案。一是满足流场充分发展要求，一般可以为直径的20倍以上，调整活塞与出口管的直径、电机速度，可以实现0～40m/s的风速模拟；二是出口管与风道一之间的收缩段满足如下公式要求。
式中，R1、R2、和R分别为收缩段进口、出口及任意x处的截面半径，
L为收缩段长度。
b、低气压环模设备开机，一般需要关闭系统大门，打开相应阀门，开启真空泵，由程序控制至预定压力；
c、建立所需温度背景，通过调温热沉系统调整容器内气体温度至预定温度值；
d、设定电机速度，活塞运动速度＝风速/N2；
e、记录风速传感器输出电压信号参数值与相应活塞运动速度，然后活塞回位，进行下一工况标定；
f、关闭调温热沉；
g、关闭真空系统；
h、数据处理。
通过上述步骤可建立在恒定气压、温度下，风速传感器不同电压信号所对应的风速大小，即v＝f(u,p,T)，如在火星着陆器试验中、高空风速仪标定中，即可根据测量的电压信号，气压、温度得到相应的风速值。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.适用于地外行星和高空低气压下的风速传感器标定装置，包括具有模拟低气压环境能力的低压环模装置，低压环模装置内设置有支撑结构，支撑结构上依次设置运动机构和低压环模装置变径管道，低压环模装置变径管道包括风道一和风道二，风道一的直径大于风道二的直径，运动机构包括一位于风道一内往复运动的活塞，待测风速传感器设置在风道二的风速出口，活塞运动在风道一内产生风速，通过风道一和风道二的变径比控制待测风速传感器的测试条件，低压环模装置通过外置的电缆法兰与控制模块和数据采集模块连接，以分别对运动机构和待测风速传感器进行控制和数据采集，同时通过外置的压力控制法兰与压力控制系统连接以控制低压环模装置内的气压；
其中，所述风道一的收缩段满足如下公式要求，即
式中，R1为收缩段进口的截面半径，R2为收缩段出口的截面半径，R为收缩段进口和收缩段出口之间任意x处的截面半径，x的取值为距离收缩段进口的长度，
，L为收缩段长度。
2.如权利要求1所述的风速传感器标定装置，其中，低压环模装置内部周向布置有热沉，以控制其内部的温度分布。
3.如权利要求1所述的风速传感器标定装置，其中，运动机构还包括控制电机、连杆活塞机构，电机可实现活塞的往复运动。
4.如权利要求1所述的风速传感器标定装置，其中，控制模块用于控制电机转动并对风速传感器的敏感头供电。
5.如权利要求1所述的风速传感器标定装置，其中，待标定风速传感器为热式风速传感器或其它类型满足尺寸要求的传感器。
6.如权利要求1-5任一项所述的风速传感器标定装置，其中，热式风速传感器包括热线、热球或热膜风速传感器。
7.如权利要求1-5任一项所述的风速传感器标定装置，其中，风道一的直径在0.1m~2m之间；风道二的直径在0.02m以下。
8.如权利要求1-5任一项所述的风速传感器标定装置，其中，低压环模装具有3m以上的试验段直径。
9.如权利要求1-5任一项所述的风速传感器标定装置，其中，地外行星为火星。
10.如权利要求1-5任一项所述的风速传感器标定装置，其中，压力精密调节设备包括低压环模装置内的真空规，低压环模装置外的真空泵、管路、PLC设备，根据标定精确调整低压环模装置内的压力范围。
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