CN110531106A - 低温、低气压环境下风速测量系统及风速测量方法 - Google Patents

低温、低气压环境下风速测量系统及风速测量方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种低温、低气压环境下风速测量系统及风速测量方法，风速测量系统包括热球风速传感器、真空毫伏信号变送器、环境温度传感器、环境压力传感器、串口服务器、终端设备、数据采集仪器和空间环境模拟设备，真空毫伏信号变送器上设有温度传感器和薄膜电加热器，温度传感器用于获取真空毫伏信号变送器的运转温度，薄膜电加热器用于控制真空毫伏信号变送器的运转温度。终端设备根据环境温度传感器数据、环境压力传感器数据和热球风速传感器输出信号，基于标定数据进行三元函数插值获得低气压下的风速值。本发明可靠性高，结构简单，可实现‑60℃以下低温，103Pa～105Pa低真空环境下的风速测量。

Description

低温、低气压环境下风速测量系统及风速测量方法
技术领域
本发明一般涉及航天器地面试验技术领域，具体涉及一种低温、低气压环境下风速测量系统及风速测量方法。
背景技术
随着航空、航天领域任务的多样化，平流层探测、行星表面探测任务提出了对低真空、低温环境下风速测量的需求，一般而言压力范围可达103～105Pa，温度范围可低至-60℃以下，为了在地面达到性能测试、验证等目的，在地面试验中对当前风速进行原位测量是试验中必须解决的难点问题之一。
目前针对低真空、低温环境下的风速测量工作主要包括：
通过动压原理进行测量，由于动压和风速间可直接进行换算，通过皮托管、五孔探针等可对风速进行测量，由于需要将测量压力的管路引入容器外进行测量，其系统较为复杂，难以对多点风速进行测量；
通过超声原理进行测量，由于声速仅和温度、气体成分相关，通过超声传感器可以对低气压风速进行测量，但往往需要对换能器进行重新设计，且体积同样较大，不适合于多点测量；
热线风速测量，标定后可以用低真空、低温下的风速测量，但成本较高；
文氏管测量，一般仅用于风速基准源，无法作为试验中的多点测量。
热球风速传感器是目前工业中常用的热式风速传感器之一，其具有结构简单，成本低等特点，广泛应用于常温、常压下的风速测量领域。在低真空、低温下使用热球风速传感器对风速进行测量的主要技术难点在于：首先热球风速传感器往往使用热电偶进行测量，线缆的延长、穿舱密封会造成额外的误差，影响电偶测量精度，进而影响风速换算。其次与热球风速传感器配合使用的测量仪表的运转温度会受到低温、低压环境的影响，存在较大的测量偏差，降低热球风速仪在试验中的可靠性。因此，设计和发明一种用于低真空、低温环境下使用的热风速测量系统具有积极的现实意义。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种低温、低气压环境下风速测量系统及风速测量方法。
为了克服现有技术的不足，本发明所提供的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种低温、低气压环境下风速测量系统，其特殊之处在于，包括设于空间环境模拟设备内的热球风速传感器、真空毫伏信号变送器、环境温度传感器和环境压力传感器，以及设于空间环境模拟设备外的串口服务器、终端设备和数据采集仪器；
所述真空毫伏信号变送器用于获取输出电压，所述输出电压为热球风速传感器输出的毫伏级电压，所述环境温度传感器用于获取环境温度，所述环境压力传感器用于获取环境压力，所述串口服务器用于将所述输出电压值传输至所述终端设备并存储，所述数据采集仪器用于将所述环境温度和所述环境压力传输至所述终端设备并存储；
所述串口服务器为RS485串口服务器，所述真空毫伏信号变送器通过RS485电缆与所述串口服务器电连接；所述真空毫伏信号变送器上设有温度传感器和薄膜电加热器，所述温度传感器用于获取所述真空毫伏信号变送器的运转温度，所述薄膜电加热器用于控制所述真空毫伏信号变送器的运转温度。
进一步地，所述真空毫伏信号变送器所采用的电容器为钽电容器。进一步地，风速测量系统还包括设于所述空间环境模拟设备外的第一供电电源、第二供电电源和第三供电电源，所述第一供电电源通过第一电源接线与所述热球风速传感器电连接，所述第二供电电源通过第二电源接线与所述薄膜电加热器电连接，所述第三供电电源通过第三电源接线与所述真空毫伏信号变送器电连接，所述第一供电电源为程控电源。
进一步地，其中所述第一电源接线、所述第二电源接线、所述第三电源接线和所述RS485电缆均包括处于所述空间环境模拟设备内的第一部分和处于所述空间环境模拟设备外的第二部分，所述第一电源接线、所述第二电源接线、所述第三电源接线和所述RS485电缆的第一部分与第二部分通过第一穿墙电连接器连接。
进一步地，所述第一电源接线、所述第二电源接线、所述第三电源接线和所述RS485电缆的第一部分均为由聚四氟乙烯制成的耐低温线缆。
进一步地，所述环境温度传感器通过第一信号线与所述数据采集仪器电连接，所述环境压力传感器通过第二信号线与所述数据采集仪器电连接，所述温度传感器通过第三信号线与所述数据采集仪器电连接。
进一步地，所述第一信号线、所述第二信号线和所述第三信号线均包括处于所述空间环境模拟设备内的第一部分和处于所述空间环境模拟设备外的第二部分，所述第一信号线、所述第二信号线和所述第三信号线的第一部分与第二部分通过第二穿墙电连接器连接。
进一步地，风速测量系统还包括交换机，所述交换机用于为所述程控电源、所述数据采集仪器、所述串口服务器与所述终端设备联网。
第二方面，本发明提供一种低温、低气压环境下风速测量方法，其特殊之处在于，所述方法包括：
步骤S10：读取标定数据，所述标定数据包括每个标定温度和标定压力下，真空毫伏信号变送器输出电压到风速的对应数组u[n]，V[n]；
步骤S20：根据环境温度传感器读取当前温度，根据环境压力传感器读取当前压力，根据真空毫伏信号变送器读取输出电压；
步骤S30：若当前温度和当前压力改变，执行步骤S40；若当前温度和当前压力未改变，执行步骤S60；
步骤S40：从所述标定温度T1、T2、T3…Tn中选取与所述当前温度最接近的Ti、Ti+1，从所述标定压力P1、P2、P3…Pn中选取与所述当前压力最接近的Pi-1，Pi，Pi+1；
步骤S50：对所述标定压力采取二次插值，对所述标定温度采取线性插值，获得所述当前温度和所述当前压力下所述输出电压到所述风速的对应数组u[n]，V[n]并存储；
步骤S60：步骤S60：在u[n]数组中查找与当前风速传感器输出电压最接近的ui，ui+1，通过线性插值获得当前风速v并保存，返回步骤S20。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的风速测量系统通过对所述标定压力采取二次插值，对所述标定温度采取线性插值，获得当前温度和当前压力下输出电压到所述风速的对应关系，基于当前输出电压可实时对风速进行测量。热球风速仪包括热球风速传感器和真空毫伏信号变送器，所述真空毫伏信号变送器用于获取输出电压，真空毫伏信号变送器通过RS485电缆与所述串口服务器电连接，通过RS-485电缆进行传输，可以减少弱信号在长距离传输中的损失。所述真空毫伏信号变送器上设有温度传感器和薄膜电加热器，所述温度传感器用于获取所述真空毫伏信号变送器的运转温度，所述薄膜电加热器用于控制所述真空毫伏信号变送器的运转温度。通过控制真空毫伏信号变送器的运转温度，能够降低真空毫伏信号变送器测量偏差，提高热球风速仪在试验中的可靠性。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的风速测量系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的热球风速传感器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的风速测量方法的流程框图。
图中：101-热球风速传感器，1011-热球敏感头，1012-热球传感器支架，1013-电连接器，1014-电加热丝，1015-热电偶，102-真空毫伏信号变送器，103-环境温度传感器，104-环境压力传感器，105-串口服务器，106-终端设备,107-数据采集仪器，108-温度传感器，109-薄膜电加热器，110-第一供电电源，111-第二供电电源，112-第三供电电源，113-第一电源接线，114-第二电源接线，115-第三电源接线，116-RS485电缆，117-第一信号线，118-第二信号线，119-第三信号线，120-交换机，20-空间环境模拟设备，201-容器，202-热沉，203-风扇，30-第一穿墙电连接器，40-第二穿墙电连接器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如背景技术中提到的，热球风速传感器是目前工业中常用的热式风速传感器之一，其具有结构简单，成本低等特点，广泛应用于常温、常压下的风速测量领域。在低真空、低温下使用热球风速传感器对风速进行测量的主要技术难点在于：与热球风速传感器配合使用的测量仪表的运转温度会受到低温环境的影响，存在较大的测量偏差，降低热球风速仪在试验中的可靠性。
因此减小或消除低温环境对测量仪表的影响，提高测量仪表的测量精度将成为提高热球风速仪在试验中可靠性的改进方向。本申请实施例提供一种低温、低气压环境下风速测量系统及风速测量方法来有效解决上述问题。
参见图1，本发明还提供一种低温、低气压环境下风速测量系统，包括设于空间环境模拟设备20内的热球风速传感器101、真空毫伏信号变送器102、环境温度传感器103和环境压力传感器104，以及设于空间环境模拟设备20外的串口服务器105、终端设备106和数据采集仪器107；
所述真空毫伏信号变送器102用于获取输出电压，所述输出电压为热球风速传感器101输出的毫伏级电压，所述环境温度传感器103用于获取环境温度，所述环境压力传感器104用于获取环境压力，所述串口服务器105用于将所述输出电压传输至所述终端设备106并存储，所述数据采集仪器107用于将所述环境温度和所述环境压力传输至所述终端设备106并存储；
所述串口服务器105为RS485串口服务器，所述真空毫伏信号变送器102通过RS485电缆116与所述串口服务器105电连接；所述真空毫伏信号变送器102上设有温度传感器108和薄膜电加热器109，所述温度传感器108用于获取所述真空毫伏信号变送器102的运转温度，所述薄膜电加热器109用于控制所述真空毫伏信号变送器102的运转温度。
需要说明的是，空间环境模拟设备20包括容器201、热沉202和风扇203。热沉202一般由管板结构拼接而成，其内表面涂覆高吸收率的黑漆，使其吸收率能达到0.9以上，管内通入气氮进行调温，整个热沉202的温度可在-100℃～30℃的区间内调整，模拟星球表面的温度边界。容器201为真空容器，而热沉202安装在真空容器内，容器201的真空度可由机组进行控制，可达50～105Pa。风扇203也安装在容器201内，用于对试验中的风速进行模拟。
参见图2，热球风速传感器101的具体结构包括热球敏感头1011、热球传感器支架1012和电连接器1013，热球敏感头1011内设有电加热丝1014和热电偶1015，电加热丝1014和热电偶1015通过各自接线与电连接器1013相连，热电偶1015的热端位于热球敏感头1011的内部，热电偶1015的冷端位于热球敏感头的外部，热球传感器支架1012提供热球敏感头1011、电加热丝1014以及热电偶1015的安装接口。热电偶1015包括第一段和第二段，其中第一段的材质选取镍铬合金，第二段的材质选取镍硅合金，当热电偶的热端与热电偶的冷端之间存在温差时，热电偶的两根接线间存在一定的毫伏级热电势，可通过真空毫伏变送器进行采集。需要说明的是，热球敏感头1011为陶瓷制球体，直径约为0.6mm～1mm。
真空毫伏信号变送器102内部为全固态器件，所采用的电容器为钽电容器，无电解电容，可以在真空下长期使用，真空毫伏信号变送器102在低气压、低温环境下采集热电偶1015信号后，通过RS485电缆116发送至所述串口服务器105，解决了信号的10m以上长距离、气密传输问题。薄膜型加热器以聚酰亚胺为基材，在上面平铺康铜箔，通过印刷的方式在版面上产生回路。终端设备106包括但不限于计算机，也可以采用平板电脑或其他设备，优选的终端设备106是计算机。风速测量系统还包括交换机120，所述交换机120用于为所述数据采集仪器107、所述串口服务器105与所述终端设备106联网，具体为交换机120通过网线与终端设备106联网。
风速测量系统还包括设于所述空间环境模拟设备20外的第一供电电源110、第二供电电源111和第三供电电源112，所述第一供电电源110通过第一电源接线113与所述热球风速传感器101电连接，所述第二供电电源111通过第二电源接线114与所述薄膜电加热器109电连接，所述第三供电电源112通过第三电源接线115与所述真空毫伏信号变送器102电连接，所述第一供电电源110为程控电源，所述程控电源同样通过交换机120与所述终端设备106联网。使用程控电源，可以根据使用环境的压力范围对热球风速传感器101的施加功率进行调整，优化传感器的灵敏度和使用寿命。
所述环境温度传感器103通过第一信号线117与所述数据采集仪器107电连接，所述环境压力传感器104通过第二信号线118与所述数据采集仪器107电连接，所述温度传感器通过第三信号线119与所述数据采集仪器107电连接。所述串口服务器105为RS485串口服务器，所述真空毫伏信号变送器102通过RS485电缆116与所述串口服务器105电连接，通过RS-485电缆进行传输，可以减少弱信号在长距离传输中的损失。
在上述实施例的基础上，所述第一电源接线113、所述第二电源接线114、所述第三电源接线115和所述RS485电缆116均包括处于所述空间环境模拟设备20内的第一部分和处于所述空间环境模拟设备20外的第二部分，所述第一电源接线113、所述第二电源接线114、所述第三电源接线115和所述RS485电缆116的第一部分与第二部分通过第一穿墙电连接器30连接。优选的，所述第一电源接线113、所述第二电源接线114、所述第三电源接线115和所述RS485电缆116的第一部分均为由聚四氟乙烯制成的耐低温线缆。
在上述实施例的基础上，所述第一信号线117、所述第二信号线118和所述第三信号线119均包括处于所述空间环境模拟设备20内的第一部分和处于所述空间环境模拟设备20外的第二部分，所述第一信号线117、所述第二信号线118和所述第三信号线119的第一部分与第二部分通过第二穿墙电连接器40连接。
在各电源接线和各信号线穿过空间环境模拟设备20的容器201时，第一穿墙电连接器30和第二穿墙电连接器40能够保证容器201的密封性，不会影响容器201内部的真空度。
参见图3，其示出了根据本申请实施例的低温、低气压环境下风速测量方法的示例性流程图，该方法可以由如图1所示的装置实现。
在步骤S10中，读取标定数据，所述标定数据包括每个标定温度和标定压力下，真空毫伏信号变送器102输出电压到风速的对应数组u[n]，V[n]；
在步骤S20中，根据环境温度传感器103读取当前温度，根据环境压力传感器104读取当前压力，根据真空毫伏信号变送器102读取输出电压；
在步骤S30中，若当前温度和当前压力改变，执行步骤S40；若当前温度和当前压力未改变，执行步骤S60；
在步骤S40中，从所述标定温度T1、T2、T3…Tn中选取与所述当前温度最接近的Ti、Ti+1，从所述标定压力P1、P2、P3…Pn中选取与所述当前压力最接近的Pi-1，Pi，Pi+1；
在步骤S50中，对所述标定压力采取二次插值，对所述标定温度采取线性插值，获得所述当前温度和所述当前压力下所述输出电压到所述风速的对应数组u[n]，V[n]并存储；
在步骤S60中，在u[n]数组中查找与当前风速传感器输出电压最接近的ui，ui+1，通过线性插值获得当前风速v并保存，返回步骤S20。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种低温、低气压环境下风速测量系统，其特征在于，包括设于空间环境模拟设备内的热球风速传感器、真空毫伏信号变送器、环境温度传感器和环境压力传感器，以及设于空间环境模拟设备外的串口服务器、终端设备和数据采集仪器；
所述真空毫伏信号变送器用于获取输出电压，所述输出电压为热球风速传感器输出的毫伏级电压，所述环境温度传感器用于获取环境温度，所述环境压力传感器用于获取环境压力，所述串口服务器用于将所述输出电压传输至所述终端设备并存储，所述数据采集仪器用于将所述环境温度和所述环境压力传输至所述终端设备并存储；
所述串口服务器为RS485串口服务器，所述真空毫伏信号变送器通过RS485电缆与所述串口服务器电连接；所述真空毫伏信号变送器上设有温度传感器和薄膜电加热器，所述温度传感器用于获取所述真空毫伏信号变送器的运转温度，所述薄膜电加热器用于控制所述真空毫伏信号变送器的运转温度。
2.根据权利要求1所述的低温、低气压环境下风速测量系统，其特征在于，所述真空毫伏信号变送器所采用的电容器为钽电容器。
3.根据权利要求1或2所述的低温、低气压环境下风速测量系统，其特征在于，还包括设于所述空间环境模拟设备外的第一供电电源、第二供电电源和第三供电电源，所述第一供电电源通过第一电源接线与所述热球风速传感器电连接，所述第二供电电源通过第二电源接线与所述薄膜电加热器电连接，所述第三供电电源通过第三电源接线与所述真空毫伏信号变送器电连接，所述第一供电电源为程控电源。
4.根据权利要求3所述的低温、低气压环境下风速测量系统，其特征在于，所述第一电源接线、所述第二电源接线、所述第三电源接线和所述RS485电缆均包括处于所述空间环境模拟设备内的第一部分和处于所述空间环境模拟设备外的第二部分，所述第一电源接线、所述第二电源接线、所述第三电源接线和所述RS485电缆的第一部分与第二部分通过第一穿墙电连接器连接。
5.根据权利要求4所述的低温、低气压环境下风速测量系统，其特征在于，所述第一电源接线、所述第二电源接线、所述第三电源接线和所述RS485电缆的第一部分均为由聚四氟乙烯制成的耐低温线缆。
6.根据权利要求1所述的低温、低气压环境下风速测量系统，其特征在于，所述环境温度传感器通过第一信号线与所述数据采集仪器电连接，所述环境压力传感器通过第二信号线与所述数据采集仪器电连接，所述温度传感器通过第三信号线与所述数据采集仪器电连接。
7.根据权利要求6所述的低温、低气压环境下风速测量系统，其特征在于，所述第一信号线、所述第二信号线和所述第三信号线均包括处于所述空间环境模拟设备内的第一部分和处于所述空间环境模拟设备外的第二部分，所述第一信号线、所述第二信号线和所述第三信号线的第一部分与第二部分通过第二穿墙电连接器连接。
8.根据权利要求1所述的低温、低气压环境下风速测量系统，其特征在于，还包括交换机，所述交换机用于为所述程控电源、所述数据采集仪器、所述串口服务器与所述终端设备联网。
9.一种低温、低气压环境下风速测量方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S10：读取标定数据，所述标定数据包括每个标定温度和标定压力下，真空毫伏信号变送器输出电压到风速的对应数组u[n]，V[n]；
步骤S20：根据环境温度传感器读取当前温度，根据环境压力传感器读取当前压力，根据真空毫伏信号变送器读取输出电压；
步骤S30：若当前温度和当前压力改变，执行步骤S40；若当前温度和当前压力未改变，执行步骤S60；
步骤S40：从所述标定温度T1、T2、T3…Tn中选取与所述当前温度最接近的Ti、Ti+1，从所述标定压力P1、P2、P3…Pn中选取与所述当前压力最接近的Pi-1，Pi，Pi+1；
步骤S50：对所述标定压力采取二次插值，对所述标定温度采取线性插值，获得所述当前温度和所述当前压力下所述输出电压到所述风速的对应数组u[n]，V[n]并存储；
步骤S60：在u[n]数组中查找与当前风速传感器输出电压最接近的ui，ui+1，通过线性插值获得当前风速v并保存，返回步骤S20。
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