CN107907706A - 适用于低气压下的热膜风速风向测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于火星等极低气压环境下风速测量系统，其包括加热棒，套管，多组热电偶热端，公用冷端及相应引线，加热用电源，压力传感器，数据采集模块，风速计算模块组成，在低气压下，通过恒热流方式控制加热棒对套筒进行加热，使用采集模块测量传感器表面均匀分布的多个热电偶温差，并结合当前绝对压力以计算当前的风速、风向信息。相对于现有工业用风速传感器，本发明可以直接工作于低气压下，且具有风速、风向的同步测试能力，结构简单，可靠性高。

Description

适用于低气压下的热膜风速风向测量系统

技术领域

本发明属于风速测量技术，具体涉及到一种基于热膜原理，可在低气压下对风速、风向进行测量的系统。

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。目前常见风速传感器依据原理可分为热式、超声波式、皮托管式、机械式、激光粒子测速等方式，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。

热线、热球、热膜式风速传感器的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、环境压力、散失热量(加热热量)、气体成分即可计算来流气体速度，但是由于换热关系靠经验关联式往往尚存一定误差，实际使用中通常在不同压力、风速条件下进行标定。

目前各大宇航机构均开展了低气压下的风速测量研究，早期NASA使用了热丝对风速进行测量，并在周边布置温度传感器测量尾迹方向以测定风速，但这种方式精度较低，且传感器抗力学环境性能较差，JAXA、ESA在试验中使用了Kanomax公司的热线风速传感器，但其为热线结构，在低气压下由于传热较小，容易产生烧毁，且抗力学环境性能较差；小猎犬2号使用了定制的三片式热膜式风速传感器，具有风速、风向测量能力，但结构较为复杂，需要三路电桥式测量电路；此外，近些年国外亦发展了超声式风速传感器，但其对换能器的低气压设计要求较高，尚未在型号中应用。清华大学、北京航空航天大学等高校亦曾开展低气压下的风速标传感器研究，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，缺乏对火星 (700Pa，-120～30℃左右)等压力低于2000pa的低气压环境的测量能力。

因此，设计和发明一种可在不同压力特别是压力低于2000Pa的低气压压力、不同气体温度进行风速测量的设备具有积极的现实意义。

发明内容

本发要解决的技术问题是对低气压下的风速、风向进行有效的测量，传感器的信号满足测量设备精度要求，且传感器具有一定的力学强度，不易在特殊环境下损坏，满足地面特种试验、平流层及行星表面的风速测量要求，并根据需求具有一定的扩充能力。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

适用于低气压(气压低于2000Pa)下的热膜风速风向测量系统，主要包括风速传感器部分、薄膜规压力传感器，数据采集模块，加热用电源，风速换算模块，其中风速传感器部分包括加热棒、外套筒、多组热电偶热端和公共的热电偶冷端，外套筒套设在加热棒外周上，多组热电偶热端固定在外套筒的外表面上，多组热电偶热端通过热电偶材料A连接到数据采集模块的毫伏测量通道+端，公共热电偶冷端放置于低气压环境流场中，并通过热电偶材料B分别连接到多组热电偶热端上，公共热电偶冷端通过公共的热电偶线连接到数据采集模块的毫伏测量通道-端，薄膜规压力传感器与数据采集模块的4-20Ma通道连接，。在测试中，通过加热用电源对加热棒施加恒功率的热流，热量通过外套筒传递至套筒外侧，受风速对流的影响，套筒表面必然存在温度梯度，即均匀分布的多组热电偶上的温度，通过数据采集模块对其上的多组热电偶及一套薄膜规压力传感器进行采集、变送后，由风速换算模块根据标定数据进行插值，计算出当前环境下的风速度、风向。0。

其中，加热棒为圆柱形单边引线加热棒，由加热用电源进行恒功率加热；

其中，加热棒可以由电热丝、加热膜等方式代替进行加热。

其中，外套筒为一体化结构，导热系数较低以增大表面的温度梯度，加热棒安装于套筒内部，间隙使用导热硅脂填充，确保加热原件所有热量均匀传递至套筒上。

其中，多组热电偶热端，根据风向精度需要，为3～12个。

其中，多组热电偶热端的固定方式为喷涂，粘结等工艺，所有热电偶共用一个冷端，安装于环境中，温度为环境温度，通过测量每个冷/热端温差可知外套筒每点与环境温度的差值，用于计算风速，风向。

其中，压力测量使用薄膜规压力传感器，也可以使用电阻规等方式，其输出为4-20mA信号。

其中，数据采集模块为多路毫伏信号采集器及单路4-20mA采集器，通过测量每路热电偶冷/热端的电势差给出传感器与环境温差，并对4-20mA信号的薄膜规信号进行采集，温度和压力信号均被传递至风速换算模块。

其中，风速换算模块采用MCU、FPGA、计算机等硬件形式，通过预先标定的数据给出计算的风速、风向信息。

本发明的适用于低气压下的热膜风速风向测量系统，相比于现有工业产品，具有较强的耐力、热性能，具有低压下的可靠工作能力，较现有热线系统可靠性更高，且结构简单，成本较低，解决了在低气压、不同温度下稳定风速测量的要求，满足了相关型号的需求。

附图说明

图1是本发明一种适用于低气压下的热膜风速风向测量系统组成图，

图中101为圆柱形单边引线加热棒，102为外套筒，103(a)，103(b)，103(c)， 103(d)，103(e)，103(f)为套筒表面安装的6个热电偶热端，101、102、103 组成了传感器探头部分；

图中201为加热棒的加热线缆，202为加热用电源，201、202构成了传感器的加热系统；

图中301为热电偶材料A，301(a)，301(b)，301(c)，301(d)， 301(e)，301(f)共六根，分别连接至6个热电偶热端，图中为了辨识度省略为3根；302为热电偶材料B，共计302(a)，302(b)，302(c)，302(d)，302(e)，302(f)六根，分别连接至6个热电偶热端，图中为了辨识度省略为3根；303为热电偶冷端，放置于低气压环境流场中，304 为热电偶公用线，其材料为热电偶材料A，此处热电偶材料A\热电偶材料B 由热电偶选型而定，一般使用T型(铜-康铜)，也可以使用K型，其中301 (a)，301(b)，301(c)，301(d)，301(e)，301(f)与热电偶公用线304分别连接至数据采集模块305，薄膜规压力传感器306通过线缆309 与305数据采集模块间连接，308为风速换算模块，其与数据采集模块305 间通过电缆307连接。

图2为本发明的低气压下的热膜风速风向测量系统用于环境模拟设备中的使用状态图。

图3显示了最为接近压力下不同速度的表面温度分布图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的适用于低气压下的热膜风速风向测量系统进行详细说明，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是本发明的适用于低气压下的热膜风速风向测量系统组成图，图中 101为加热棒，可对套筒表面进行恒热流、恒温的加热，选取阻值随温度变化较小的产品，102为外套筒，为了在表面产生较大的温度梯度，其由较低导热系数的材质制造，103(a)，103(b)，103(c)，103(d)，103(e)，103(f)为套筒表面安装的6个热电偶热端，通过喷涂、粘结等方式安装于外套筒102表面，101、102、103组成了传感器探头部分；

图中201为加热棒的加热线缆，其使用耐真空、低温的聚四氟乙烯电缆， 202为加热用电源，可以为恒电压、恒电流或恒功率的开关电源，在测试中也可以使用程控电源，201与202构成了该风速、风向测量系统中的加热控制系统；

图中301为热电偶材料A，共计六根301(a)，301(b)，301(c)， 301(d)，301(e)，301(f)，分别连接至6个热电偶热端图中，为了辨识度省略为3根，302为热电偶材料B，共计六根302(a)，302(b)，302 (c)，302(d)，302(e)，302(f)，分别连接至6个热电偶热端图中，为了辨识度省略为3根，303为热电偶冷端，放置于低气压环境流场中，304 为热电偶公用线，其热电偶材料为热电偶材料A，此处热电偶材料A\热电偶材料B由热电偶选型而定，使用T型(铜-康铜)，多组热电偶热端通过热电偶材料A连接到数据采集模块mV测量通道+端，公共热电偶冷端放置于低气压环境流场中，并通过热电偶材料B分别连接到多组热电偶热端上，公共热电偶冷端通过公共的热电偶线连接到数据采集模块的mV测量通道-端，通过测量模块可精确测量热电偶热端103(abcdef)与热电偶冷端303之间的热电势，由此可得各个每个热端与冷端间的温差，其中306为薄膜规压力传感器，输出为4-20ma信号，通过线缆309与305数据采集模块间连接，由其进行采集，最后所有数据汇总至308为风速换算模块，当已知环境压力、各个热端与冷端温差时，可确定当前的风速和风向。

图2为一种具体的实施方式，其中401为环境模拟设备，其内部为低气压环境，402为法兰，101加热棒、102外套筒、103(abcdef)热电偶热端、303 热电偶冷端、302(abcdef)热电偶线安装于低气压环境模拟设备内部；

301(abcdef)热电偶热端连接线及304热电偶冷端连接线、201加热棒加热电缆及309真空规线缆通过容器壁上法兰402导出至容器外,其中所有容器内电缆均采用耐真空、低温的聚四氟乙烯电缆；

202加热用电源、305数据采集模块、308风速换算模块均安装于测试容器外；

在试验中，首先由加热用电源对加热棒进行加热，使所有热电偶热端与冷端保持一定的温差，这个功率和传感器体积大小有关，一般为1-5W左右，在试验中，其保持恒功率施加。由于外套筒102内部被加热，在流场中，受气体对流换热的影响，其表面一定存在一定的温度梯度，根据计算，圆柱表面的温度分布形式如图3所示，其中迎风面由于对流换热系数较大，温度较低，而驻点处温度达到最低，背风面由于边界层分离，对流换热系数较小，两侧温度较高。在不同的风速、压力条件下，温度分布的形状也会产生一定的变化，此时可通过预标定的数据对温度、压力传感器的测量值进行计算，换算产生风速和风向。

由于热电偶冷端303放置于风场中，其温度可以被认为为环境温度，而每个热电偶热端103(abcdef)与冷端303的热电势mv信号可唯一表示其温差，同时，薄膜规压力传感器306可测得当前的环境压力，并换算至4-20mA信号传递至数据采集模块305，数据采集模块305具有6路的mv电动势采集及一路4-20mA信号的测量能力，通过其采集可得6路热电偶的电势差毫伏值和压力传感器的输出毫安值。其中信号类型并不局限于毫伏信号和 4-20mA信号，可根据传感器类型不同而选择。

风速换算模块内部存储了不同压力、不同风速条件下表面温度分布，首先，系统选取最为接近压力下的两组标定数据，通过插值方式，形成在该压力下的不同速度的表面温度分布，即图3，将现有多组温度数据与之对比，可得当前风向，选取最接近数据插值后，可得当前风速

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 (9)

1.适用于低气压下的热膜风速风向测量系统，主要包括风速传感器部分、薄膜规压力传感器，数据采集模块，加热用电源，风速换算模块，其中风速传感器部分包括加热棒、外套筒、多组热电偶热端和公共的热电偶冷端，外套筒套设在加热棒外周上，多组热电偶热端固定在外套筒的外表面上，多组热电偶热端通过热电偶材料A分别连接到数据采集模块的毫伏测量通道+端，公共热电偶冷端放置于低气压环境流场中，并通过热电偶材料B分别连接到多组热电偶热端上，公共热电偶冷端通过公共的热电偶线连接到数据采集模块的毫伏测量通道-端，薄膜规压力传感器与数据采集模块的4-20Ma通道连接，在测试中，通过加热用电源对加热棒施加恒功率的热流，热量通过外套筒传递至套筒外侧，受风速对流的影响，套筒表面必然存在温度梯度，即均匀分布的多组热电偶上的温度，通过数据采集模块对其上的多组热电偶及一套薄膜规压力传感器进行采集、变送后，由风速换算模块根据标定数据进行插值，计算出当前环境下的风速度、风向。

2.如权利要求1所述的热膜风速风向测量系统，其中，加热棒为圆柱形单边引线加热棒，由加热用电源进行恒功率加热。

3.如权利要求1所述的热膜风速风向测量系统，其中，加热棒由电热丝、加热膜方式代替进行加热。

4.如权利要求1所述的热膜风速风向测量系统，其中，外套筒为一体化结构，加热棒安装于套筒内部，间隙使用导热硅脂填充，确保加热元件所有热量均匀传递至套筒上。

5.如权利要求1所述的热膜风速风向测量系统，其中，多组热电偶热端，根据风向精度需要，为3～12个。

6.如权利要求1所述的热膜风速风向测量系统，其中，多组热电偶热端的固定方式为喷涂或粘结工艺，所有热电偶共用一个冷端，安装于环境中，温度为环境温度，通过测量每个冷/热端温差确定外套筒每点与环境温度的差值，用于计算风速，风向。

7.如权利要求1所述的热膜风速风向测量系统，其中，压力测量使用薄膜规压力传感器，或使用电阻规方式，其输出为4-20mA信号。

8.如权利要求1所述的热膜风速风向测量系统，其中，数据采集模块为多路毫伏信号采集器及单路4-20mA采集器，通过测量每路热电偶冷/热端的电势差给出传感器与环境温差，并对4-20mA信号的薄膜规信号进行采集，温度和压力信号均被传递至风速换算模块。

9.如权利要求1-8任一项所述的热膜风速风向测量系统，其中，风速换算模块采用MCU、FPGA或计算机形式，通过预先标定的数据给出计算的风速、风向信息。