CN108120477A - 适用于低温低压环境的热线风速风向测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于低温低气压环境下的热线风速风向测量系统，包括传感器隔热板、双热线风速传感器、传感器电缆、控温管路、电连接器、电桥等，其中，传感器隔热板平行于流动方向设置，控温管路覆盖了空间环模设备内部的全部风速传感器引线，电连接器提供了气密性电连接功能，可实现从舱内低气压、低温环境到舱外常温常压环境的电路连接，电桥、数据采集器、计算机等在空间环境容器外部实现了对容器内风速的采集、变送和存储。本发明基于现有设备实现了‑100℃以下低温与1000Pa以下低压环境的风速测量能力，结构简单，可靠性高，可有效提升低温、低压环境下的风速测量精度。

Description

适用于低温低压环境的热线风速风向测量系统

技术领域

本发明属于航天器、航空器地面试验技术领域，具体涉及一种在有风热试验中，在低温低气压环境下对风速进行实时测量、存储的系统。

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。在火星表面，大气压力约为700Pa，温度范围可达-120～20℃，风速可达0～15m/s，为了对航天器寿命中的最极端工况进行模拟，试验通常需要在700Pa左右压力，-100℃左右温度环境下对航天器进行验证。此外，平流层飞艇等航空器亦提出了类似的需求。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，在地面巡视器的热试验中，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、散失热量(加热热量)即可精确计算来流空气温度。在低气压下，由于对流换热的比例降低，更大比例的热量通过辐射形式散失，这就导致了辐射背景温度的变化亦会导致系统输出的变化，即热丝对外辐射的热量会为系统带来额外的误差。此外，由于热线风速探头的测量普遍采用电桥测量的方式，为了提高测量精度，电桥普遍采用了非等臂的方式，如DANTEC公司常用电桥为1:20比例。在空间环境模拟设备中测量风时，风速传感器往往具有较长的电缆，线缆、支架电阻与探头电阻处于同一数量级，在测量中其变化往往是不可忽略且难以通过试验手段进行标定的，随着试验中线缆温度的变化，测量值亦会出现变化，导致了每个工况的传感器输出稳定时间大幅度延长，即风速传感器线缆电阻引入了额外的误差。

在欧洲风传项目中，对于低温的处理是使用了特殊设计的1:1电桥。尽管该种电桥具有更高的精度和适用范围，但在实际测试中，由于线缆的温度平衡时间较长，每次测试的稳定时间依然较长，尚未完全解决线缆温度对测量结果影响的问题。

因此，设计和发明一种可在低温、低压环境下稳定、可靠的对风速、风向进行测量的设备具有积极的现实意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在低温低气压条件下对当前的风速、风向进行可靠、可信、稳定的测试，减少低温、低气压环境对热线式风速探头带来的额外误差，为航天器、航空器的地面验证系统提供有效支撑。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

适用于低温低压环境的热线风速风向测量系统，包括双热线风速传感器、传感器隔热板、传感器电缆、控温管路、电连接器、电桥、数据采集器及控制储存装置，其中，双热线风速传感器顶端设置有传感器隔热板，传感器隔热板平行于流动的方向设置，降低双热线风速传感器头对低温冷背景的辐射换热量，风速传感器引线经过设置在穿真空法兰上的气密连接器与两组电桥电连接，分别对风速传感器的两根热丝进行控温，并输出电压信号供测量仪器进行测量；测量仪器负责对两电桥输出的电压信号进行采集与变送，并通过交换机传输给控制储存装置进行显示与存储，控温管路覆盖了空间环模设备内部的全部风速传感器引线，气密电连接器结构提供了气密性电连接功能，实现从舱内低气压、低温环境到舱外常温常压环境的电路连接，温度传感器粘贴于控温管路外表面上并通过引线与控温装置连接，加热元件粘贴于控温管路外表面上，也通过引线连接到控温装置上，在空间环境容器外部实现了对容器内风速的采集、变送和存储。

其中，传感器隔热板为一组高反射率隔热板，分别安装在传感器探头的两侧，平行于探测风速的方向，即平行于传感器探头两根热丝的方向。

其中，隔热板为低导热率材料构成，两面粘贴或电镀高反射率涂层。

其中，双热线风速传感器在空间环境模拟设备内部的引线位于控温管路内，控温管路上设置有加热片和铂电阻，通过容器外的控温设备进行控温，可维持控温管路内的电缆在恒定温度内，降低电缆阻值变化带来的额外误差。

进一步地，根据空间环境模拟设备的大小和结构，设置多组控温管路，分别对不同热环境下的管路进行控温。

其中，控温设备的选取包括但并不限于控温仪、PLC、单片机、程控电源。

其中，气密电连接器结构依次包括气密电连接器、穿墙插头、电连接器，构成了电连接线路的联通，并保证了空间环境模拟设备的密封。

其中，风速风向传感器引线为两组同轴屏蔽线缆。

其中，控温管路为铝制金属管，从空间环境模拟设备法兰延伸至风速传感器所在位置，通常为多段管路连接。

本发明的用于低温、低气压环境下的热线风速风向测量系统，基于现有的双热线型风速风向测量系统，具有成本低，实施便捷等特点，解决了低温低压环境为风速传感器和电桥带来的额外误差，具有在低温低压环境稳定、可靠工作的能力，满足了相关航天器试验的需求。

附图说明

图1为本发明的适用于低温低压环境的热线风速风向测量系统示意图；

其中：201为双热线型风速传感器探头；202为风速风向传感器引线；203为气密电连接器；204为穿墙插头；205为电连接器；206-1和206-1为两组电桥，207:为测量仪器；208为交换机208；209为控制储存设备进行显示与存储；301为一组隔热板；401为控温管路；402为温度传感器；403为温度传感器引线；404为加热元件；405为加热元件引线；控温设备406；

图2显示了本发明的一种实际使用环境；

其中：101为空间环境模拟设备；102为气氮调温热沉；103为风机扇叶，其中101空间环境模拟设备可提供稳定的压力环境，102调温热沉可提供稳定的气体和背景温度，风机扇叶用于模拟低气压下的风速环境，三者为航天器试验提供边界，本发明可对其模拟的风速进行测量，并反馈给系统进行修正；

图3显示了本发明的测量系统中热线测量部分的全电路连接示意图；

其中：201为双线风速传感器；210-1为风速热线敏感头支架；210-2为敏感头支架电连接器，一般为BNC同轴电连接器；211为风速传感器的容器外电缆；212为BNC同轴电连接器。

图4为本发明的一具体实施方式的实时隔热板布置方式示意图；

其中：301-1为上隔热板；301-2为下隔热板。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的一种适用于火星等极低气压下的风速传感器标定系统进行详细说明，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。

如图1为本发明的适用于低温低压环境的热线风速风向测量系统系统示意图，如图2为其一种具体使用环境的系统图，包括空间环境模拟设备101、气氮调温热沉102、风扇风机103、传感器隔热板301、双热线风速传感器201、风速风向传感器引线202、控温管路401、电连接器、电桥、数据采集器及控制储存装置209，其中，气氮调温热沉102沿着空间环境模拟设备101轴向设置在设备内壁附近，风扇风机103设置在空间环境模拟设备内的一侧，提供了试验环境所需的风速边界，用于测试风速的双热线风速传感器201垂直风速设置在环境模拟设备内，其顶端设置有传感器隔热板301，传感器隔热板301平行于流动的方向设置，降低双热线风速传感器对低温冷背景的辐射换热量，风速传感器引线202经过设置在穿真空法兰上的气密连接器203,204,205与两组电桥206-1,206-2电连接，分别对风速传感器的两根热丝进行控温，并输出电压信号供测量仪器进行测量；测量仪器负责对两电桥输出的电压信号进行采集与变送，并通过交换机传输给控制储存装置209进行显示与存储，控温管路301覆盖了空间环模设备内部的全部风速传感器引线，气密电连接器结构提供了气密性电连接功能，实现从舱内低气压、低温环境到舱外常温常压环境的电路连接，温度传感器402粘贴于控温管路301外表面上并通过引线与控温装置406连接，加热元件粘贴于控温管路301外表面上，也通过引线连接到控温装置406上，在空间环境容器外部实现了对容器内风速的采集、变送和存储。其中101为空间环境模拟设备，提供了试验环境所需的压力，102为气氮调温热沉，提供了试验环境所需的温度背景，103为风机扇叶，101、102、103构成了低气压、低温、风速下的特殊航天器、航空器的测试环境，是本发明的主要适用环境。201为双热线型风速传感器探头，以Dantec公司X型双热线风速仪为例，其具有两根相互垂直的热线，除具有风速的测量能力外，还具有一个平面内0～90°风向的测量能力；202为风速风向传感器引线，为两组同轴屏蔽线缆，其中一端为BNC连接头，与风速传感器201连接，另一端为气密电连接器203；气密电连接器203、穿墙插头204、电连接器205构成了电连接线路的联通，并保证了101空间环境模拟设备的密封，在一种典型的实施方式中，203可以选取Y27-2255TKLW电连接器，204可以选取Y27A-2255ZJB4H穿墙密封插头，205可以选取Y27III-2255TK1L电连接器；206-1和206-1为两组电桥，分别对风速传感器的两根热丝进行控温，并输出0-5V信号供测量仪器207进行测量；测量仪器207负责对电桥输出的0-5V信号进行采集与变送，并通过交换机208传输给远程计算机209进行显示与存储。在一种典型的实时方式中，电桥206可以选取Dantec公司的MinCTA型电桥，测量仪器可以选取NI公司的PXI架构采集设备，搭载NI PXI-e 4302 32通道电压采集板卡，可将0-5V电压信号进行采集、变送。其中301为一组隔热板，安装于平行于两组热线的方向，可隔绝90％以上的热线低温冷背景的热辐射，达到提升风速测量精度的目的。

如图3所示，图2显示了热线测量部分的全电路连接，由于两根热线的测量回路相同，以其中一根热线的电路连接为例，其中201为双线风速传感器，210-1为风速热线敏感头支架，210-2为敏感头支架电连接器，一般为BNC同轴电连接器，202为传感器引线，401为控温管路，203为气密电连接器，204为穿墙电连接器，205为容器外电连接器，其中201、210-1、210-2、202、401、203安装于空间环境模拟设备101内部，204安装于101外侧法兰上，203、204、205互相连接起到电路穿墙密封的作用，211为风速传感器的容器外电缆，一段连接至205容器外电连接器，另一端为BNC同轴电连接器212，206-1为电桥内控制器，206-2、206-3为电桥内固定电阻，206-4为可调电阻，206-5为电桥内连接线，206-6为电桥电连接器，206-1、206-2、206-3、206-4、206-5、206-6构成了电桥内电路，在一种典型的实施方式中，电桥和传感器通过BNC电连接器206-6与212连接，固定电阻206-3与206-2电阻比为1：20，电阻206-4设置约为热丝201目标温度的20倍，电桥控制器通过调整电桥电压实线E1、E2点的电势差为0，将热线201的温度控制至目标值，通过测量施加电压，可计算当前热线附近风速。

图4为本发明的一典型的实时方式隔热板布置方式，其中双线风速探头201安装于风速探头支架210上，上下隔热板301-1、301-2分别安装于支架上，表面覆盖有高反射材料，热线风速探头线长约为3mm，隔热板为聚四氟乙烯材料，长宽约为100mm，表面粘贴单面镀铝膜，距离探头约为50mm，可隔绝探头对外的辐射热量90％以上。其中401为控温管路，为铝制金属管，从空间环境模拟设备法兰延伸至风速传感器所在位置，通常为多段管路连接；402为温度传感器，粘贴于控温管路表面；403为温度传感器引线；404为加热元件，粘贴于控温管路401表面，405为加热元件引线，其中403、405均通过穿墙电连接器203、204、205连接至控温设备406，由控温设备对管路401进行控温。在一种典型的实施方式中，401为截面矩形的铝制管路，由四段构成，每段表面分别粘贴铂电阻402，薄膜电加热器404，403温度传感器引线为3线聚四氟乙烯电缆，405加热元件线为两根聚四氟乙烯线，控温设备406为控温仪，可根据铂电阻温度控制当前薄膜电加热器的输出，维持控温管路401的温度在设定范围内。

在一典型的航天器有风低气压试验中，试验流程如下：

1.预标定，可通过旋转、风洞等方式对传感器进行标定，对不同压力、温度下的风速、风向传感器输出进行标定，一般标定试验至少应该覆盖最极端使用环境的范围，由标定获得V＝f(mv,p,t)的函数；

2.系统安装，连接所有容器内及容器外电连接器，关闭空间环境模拟设备大门，并所有电路连接进行初步测试；

3.建立低气压环境，通过真空泵抽除空间环境模拟设备内部的空气，并根据需要通入二氧化碳、氮气或其他气体，使压力达到预定要求；

4.开启控温管路，设定温度为室温环境，使传感器测量链路处于室温环境，打开热线风速仪电桥与相应测试仪器进行测试，电桥可将热线探头表面控至设定温度；

5.开启低温背景、开启风机，模拟航天器试验所需的环境；

6.开始试验测试，当需要对风速、风向进行测量时，关注当前控温管路温度值，当控温管路温度值为室温环境时，当前的测量结果是可信的，分别读取两路热丝的输出值，可换算出当前探头的附近的风速与风向，并由测试计算机进行显示与保存；

7.试验结束后，关闭相应测试系统，热沉恢复至室温，容器复压至一个大气压，打开容器撤收相应设备。

8.可在隔绝传感器对低温冷背景的辐射的基础上尽可能较小对流场本身的影响，可有效减少传感器探头对低温背景的辐射换热，降低了系统误差。

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.适用于低温低压环境的热线风速风向测量系统，包括双热线风速传感器、传感器隔热板、传感器电缆、控温管路、电连接器、电桥、数据采集器及控制储存装置，其中，双热线风速传感器设置有传感器隔热板，传感器隔热板平行于流动的方向设置，降低双热线风速传感器头对低温冷背景的辐射换热量，风速传感器引线经过设置在穿真空法兰上的气密连接器与两组电桥电连接，分别对风速传感器的两根热丝进行控温，并输出电压信号供测量仪器进行测量；测量仪器负责对两电桥输出的电压信号进行采集与变送，并通过交换机传输给控制储存装置进行显示与存储，控温管路覆盖了空间环模设备内部的全部风速传感器引线，气密电连接器结构提供了气密性电连接功能，实现从舱内低气压、低温环境到舱外常温常压环境的电路连接，温度传感器粘贴于控温管路外表面上并通过引线与控温装置连接，加热元件粘贴于控温管路外表面上，也通过引线连接到控温装置上，在空间环境容器外部实现了对容器内风速的采集、变送和存储。

2.如权利要求1所述的热线风速风向测量系统，其中，传感器隔热板为一组高反射率隔热板，分别安装在传感器探头的两侧，平行于探测风速的方向，即平行于传感器探头两根热丝的方向。

3.如权利要求1所述的热线风速风向测量系统，其中，隔热板为低导热率材料构成，两面粘贴或电镀高反射率涂层。

4.如权利要求1-3任一项所述的热线风速风向测量系统，其中，双热线风速传感器在空间环境模拟设备内部的引线位于控温管路内，控温管路上设置有加热片和铂电阻，通过容器外的控温设备进行控温，可维持控温管路内的电缆在恒定温度内，降低电缆阻值变化带来的额外误差。

5.如权利要求1-3任一项所述的热线风速风向测量系统，其中，根据空间环境模拟设备的大小和结构，设置多组控温管路，分别对不同热环境下的管路进行控温。

6.如权利要求1-3任一项所述的热线风速风向测量系统，其中，控温设备包括但并不限于控温仪、PLC、单片机、程控电源。

7.如权利要求1-3任一项所述的热线风速风向测量系统，其中，气密电连接器结构依次包括气密电连接器、穿墙插头、电连接器，构成了电连接线路的联通，并保证了空间环境模拟设备的密封。

8.如权利要求1-3任一项所述的热线风速风向测量系统，其中，风速风向传感器引线为两组同轴屏蔽线缆。

9.如权利要求1-3任一项所述的热线风速风向测量系统，其中，控温管路为铝制金属管，从空间环境模拟设备法兰延伸至风速传感器所在位置，通常为多段管路连接。