CN116086638A - 一种临近空间温度的高精度原位测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种临近空间温度的高精度原位测量方法,属于临近空间温度测量技术领域。本发明基于复杂的临近空间环境,采用铂薄膜温度传感器实现温度数据的采集,通过仿真分析确定铂薄膜温度传感器的最佳安装位置,采用临空飞艇平台作为空基平台进行探空仪的投放,采集临近空间的温度数据,同步采集大气环境参数数据,并根据临近空间温度原位测量的误差来源,对铂薄膜温度传感器实际测量数据进行补偿,得到高精度的临近空间温度的原位测量值。本发明扩大临近空间温度参数的探测范围;温度测量线性度好,精度高,热滞后小,受辐照影响小;气动热测量温度的影响小;综合误差来源,实现临近空间温度原位测量误差补偿。
Description
技术领域
本发明涉及一种临近空间温度的高精度原位测量方法,属于临近空间温度测量技术领域。
背景技术
临空环境的温度是临近空间(海拔20km-100km,气压范围:5Pa-10000Pa)的重要参数,目前临近空间的温度原位测量大都是通过探空仪在空基平台上下投,探空仪上的温度传感器进行临空温度原位测量。
在探空仪携带温度传感器随探空火箭上升到临近空间特定位置被弹出,以很大的初始速度进行下落,探空仪携带的降落伞打开,由于空气稀薄,探空仪会先加速下落,时速可达几百米每秒。随着海拔降低,气压增大,在降落伞的作用下,探空仪缓慢降速下落。整个过程中,温度传感器暴露在探空仪外,在探空仪高速下落过程中,温度传感器会压缩前方的气体,使气体温度升高,造成气动热。
目前临近空间温度原位测量常常采用珠状热敏电阻温度传感器或铂薄膜温度传感器。珠状热敏电阻温度传感器的体积相对较大,辐照产生的误差较大。铂薄膜温度传感器的体积小,辐照产生的热误差较小,且铂薄膜的大表面积使得与外界更好的热交换。但铂薄膜温度传感器的测温原理是铂的电阻系数随着温度的升高而呈线性变化,随着外界温度的变化,铂的电阻值变化,在一定的电压下,通过测量电流值得出电阻值,从而得到对应的温度;为保证铂薄膜传感器的灵敏度,需要提高铂薄膜温度传感器的电阻值,此时微弱的电阻系数变化能够得到明显的电流变化,但此时铂电阻产生的焦耳热会引起较大的热误差。
目前临近空间的温度原位测量大都是通过探空仪在探空火箭上下投,采用临空飞艇平台作为空基平台进行温度原位探测具有机动控制、带载能力强、浮空时间中等的优势。
临近空间的温度原位测量包括电阻产生的焦耳热,传感器收到太阳辐照产生的辐照热,传感器高速下落对前方空气压缩产生的气动热在内的多种干扰因素,目前大部分临近空间温度测量仅仅考虑太阳辐照引起的误差,缺乏干扰因素的综合分析,使得临近空间温度的测量误差较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种临近空间温度的高精度原位测量方法,基于复杂的临近空间环境,采用铂薄膜温度传感器实现温度数据的采集,通过仿真分析确定铂薄膜温度传感器的最佳安装位置,采用临空飞艇平台作为空基平台进行探空仪的投放,采集临近空间的温度数据,同步采集大气环境参数数据,并根据临近空间温度原位测量的误差来源,对铂薄膜温度传感器实际测量数据进行补偿,得到高精度的临近空间温度的原位测量值。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
本发明的一种临近空间温度的高精度原位测量方法,包括如下步骤:
步骤一确定铂薄膜温度传感器的安装位置;
作为优选,通过Ansys Fluent软件对探空仪以及铂薄膜温度传感器在下投状态下进行气动热分析;
根据气动热分析结果确定铂薄膜温度传感器的安装位置;
步骤二获取临近空间的测量数据;
采用临空飞艇作为空基平台在预定高度定点投放,搭载铂薄膜温度传感器、气压传感器、惯导系统以及通信系统的探空仪在空基平台上弹出下落,同时打开探空仪上的降落伞;
作为优选,采用探空仪上携带的两个铂薄膜温度传感器进行临近空间温度的测量,对两个铂薄膜温度传感器的测量数据进行算术平均处理,临近空间温度的测量数据Ta如式(1)所示:
其中,T1、T2分别为两个铂薄膜温度传感器的测量数据;
步骤三获取临近空间环境参数数据;
所述环境参数数据包括:大气压强、空气相对流速、海拔高度、太阳辐照度;
采用探空仪上携带的气压传感器进行大气压强的测量,采用惯导系统进行海拔高度的测量,并通过海拔高度数据确定空气相对流速以及太阳辐照度;
步骤四确定临近空间温度误差;
临近空间温度误差包括:焦耳热误差,气动热误差,辐照热误差;
焦耳热误差如式(2)所示:
其中,Tb为焦耳热误差,U为铂薄膜两端电压,t为作用时间,A1为垂直于导热方向的物体横截面积,RT为铂薄膜电阻值,λ为导热系数;
气动热误差如式(3)所示:
其中,Tc为气动热误差,r为温度修正系数,V为空气相对流速,cP为空气等压比热容;辐照热误差如式(4)所示:
其中,Td为辐照热误差,其中ε为物体的发射率,其值为0~1,减少辐照热的热误差;A3为辐照表面积;σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数,为5.67×10-8W/(m2·K4);Tr为黑体热力学温度;
步骤五确定临近空间温度;
通过误差修正后,临近空间温度T如式(5)所示:
T=Ta-Tb-Tc-Td (5)
还包括步骤六:根据步骤五得到的临近空间温度,相较于未进行温度误差修正前的可靠性极大地增强,经过误差修正后的温度值作为最终的高精度数值,能够应用于后续艇载临近空间大气温度模型的构建,解决临近空间温度相关的工程问题。
有益效果:
1、本发明的一种临近空间温度的高精度原位测量方法,采用临空飞艇作为空基平台携带探空仪进行临近空间温度探测,具有机动控制、带载能力强、浮空时间中等的优势,扩大临近空间温度参数的探测范围。
2、本发明的一种临近空间温度的高精度原位测量方法,采用铂薄膜温度传感器,线性度好,测量精度高;铂薄膜温度传感器具有非常小的热滞后、非常小的结构热传递;铂薄膜温度传感器具有防辐照涂层,减少辐照影响。
3、本发明的一种临近空间温度的高精度原位测量方法,通过模拟分析探空仪在下落过程中气动热的影响,优化铂薄膜温度传感器的位置分布以及铂薄膜方向,减小探空仪气动热对铂薄膜温度传感器的测量温度的影响。
4、本发明的一种临近空间温度的高精度原位测量方法,通过探空仪携带的传感器采集气压、空气相对流速、海拔高度、太阳辐照度,得到焦耳热、气动热、辐照热,以焦耳热、气动热、辐照热作为误差来源,实现临近空间温度原位测量误差补偿,得到更接近实际的临近空间温度值。
附图说明
图1为本发明的一种临近空间温度的高精度原位测量方法流程图;
图2为实施例的探空仪气动热流场示意图;
图3为实施例的温度传感器气动热流场示意图;
图4为实施例的探空仪在降落伞作用下下落过程中示意图;
图5为实施例的铂薄膜温度传感器安装位置示意图;
图6为实施例的第一铂薄膜温度传感器结构示意图;
其中,1-铂薄膜温度传感器,2-探空仪,3-降落伞,11-第一铂薄膜温度传感器,12-第二铂薄膜温度传感器,41-第一联接杆,42-第二联接杆,111-第一铂薄膜,112-正面防辐照涂层,113-侧面防辐照涂层,121-第二铂薄膜;
图7为本发明的一种临近空间温度的高精度原位测量方法的误差补偿的流程图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点,下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1:
实施例应用本发明的一种临近空间温度的高精度原位测量方法,实现临近空间温度原位测量误差补偿,得到高精度的大气温度值,如图1所示,包括以下步骤:
步骤一确定铂薄膜温度传感器的安装位置;
如图2和图3所示,通过Ansys Fluent软件对探空仪和铂薄膜温度传感器在下投状态下,落速为400m/s,进行气动热分析;
分析结果的说明,怎么指导铂薄膜温度传感器的安装位置;
如图4所示,探空仪2上携带两个铂薄膜温度传感器进行临近空间温度的测量,第一铂薄膜温度传感器11以及第二铂薄膜温度传感器12分别通过长度为10cm的第一联接杆41以及长度为10cm的第二联接杆42对称安装在探空仪2外部,以减小探空仪所产生的气动热影响,并使探空仪2受力对称;
如图5所示,第一铂薄膜111以及第二铂薄膜121朝向上方,减小温度传感器本身所产生的气动热影响;
如图6所示,铂薄膜悬空式温度传感器整体尺寸为2000μm×1000μm×500μm,铂薄膜厚度为100nm,温度传感器外表面有防辐照涂层112和防辐照涂层113,涂层厚度为10nm;
步骤二获取临近空间的温度测量数据;
实施例采用模拟仿真的方式实现探空仪2在70km高度的临近空间进行下投过程,探空仪2的初始速度为200m/s,探空仪2下落同时上方降落伞3打开,在海拔63672m处探空仪2下降速度达到最大值328.91m/s;
在不同海拔时,两个铂薄膜温度传感器的测量温度值如表1所示:
表1
海拔/m | 30000 | 40000 | 50000 | 60000 | 63672 | 70000 |
<![CDATA[T<sub>1</sub>]]> | 227.70 | 253.77 | 280.28 | 271.44 | 270.18 | 234.12 |
<![CDATA[T<sub>2</sub>]]> | 227.66 | 253.76 | 280.30 | 271.39 | 270.18 | 234.13 |
其中,T1、T2分别为两个铂薄膜温度传感器的测量数据;
对两个铂薄膜温度传感器的测量数据进行算术平均处理,临近空间温度的测量数据Ta如式(1)所示:
临近空间的温度测量数据如表2所示:
表2
海拔/m | 30000 | 40000 | 50000 | 60000 | 63672 | 70000 |
T/K | 227.68 | 253.77 | 280.29 | 271.42 | 270.18 | 234.13 |
步骤三获取临近空间环境参数数据;
所述环境参数数据包括:大气压强、空气相对流速、海拔高度、太阳辐照度;
采用探空仪上携带的气压传感器进行大气压强的测量,采用惯导系统进行海拔高度的测量,并通过海拔高度数据确定空气相对流速以及太阳辐照度;
步骤四确定临近空间温度误差;
临近空间温度误差包括:焦耳热误差,气动热误差,辐照热误差;
焦耳热误差如式(2)所示:
其中,Tb为焦耳热误差,U为铂薄膜两端电压,t为作用时间,A1为垂直于导热方向的物体横截面积,RT为铂薄膜电阻值,λ为导热系数;
实施例中,焦耳热误差如表3所示:
表3
海拔/m | 30000 | 40000 | 50000 | 60000 | 63672 | 70000 |
Tb/K | 0.47 | 0.55 | 0.63 | 0.90 | 1.11 | 1.77 |
气动热误差如式(3)所示:
其中,Tc为气动热误差,r为温度修正系数,V为空气相对流速,cP为空气等压比热容;
实施例中,气动热误差如表4所示:
表4
海拔/m | 30000 | 40000 | 50000 | 60000 | 63672 | 70000 |
<![CDATA[T<sub>c</sub>/K]]> | 0.54 | 2.14 | 8.98 | 25.02 | 33.84 | 14.82 |
辐照热误差如式(4)所示:
其中,Td为辐照热误差,其中ε为物体的发射率,其值为0~1,减少辐照热的热误差,A3为辐照表面积,σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数,σ=5.67×10-8W/(m2·K4),Tr为黑体热力学温度;
实施例中,辐照热误差如表5所示:
表5
海拔/m | 30000 | 40000 | 50000 | 60000 | 63672 | 70000 |
<![CDATA[T<sub>d</sub>/K]]> | 0.02 | 0.03 | 0.03 | 0.05 | 0.06 | 0.09 |
步骤五确定临近空间大气环境的实际温度值;
如图7所示,基于焦耳热误差,气动热误差,辐照热误差,对于临近空间的温度测量数据,通过误差修正后,临近空间温度T如式(5)所示:
T=Ta-Tb-Tc-Td (5)
实施例中,通过误差补偿得到的大气原位的测量温度值如表6所示:
表6
海拔/m | 30000 | 40000 | 50000 | 60000 | 63672 | 70000 |
T/K | 226.65 | 251.05 | 270.65 | 245.45 | 235.17 | 217.45 |
通过模拟仿真结果,焦耳热、辐照热、气动热都能对铂薄膜温度传感的温度原位测量造成较为明显的误差,经过本发明方法的误差补偿,能较为有效的进行临近空间温度原位测量数据的处理,获得高精度的温度测量值。
以上所述的具体描述,对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种临近空间温度的高精度原位测量方法,其特征在于:基于复杂的临近空间环境,采用铂薄膜温度传感器实现温度数据的采集,通过仿真分析确定铂薄膜温度传感器的最佳安装位置,采用临空飞艇平台作为空基平台进行探空仪的投放,采集临近空间的温度数据,同步采集大气环境参数数据,并根据临近空间温度原位测量的误差来源,对铂薄膜温度传感器实际测量数据进行补偿,得到高精度的临近空间温度的原位测量值,具体包括如下步骤:
步骤一 确定铂薄膜温度传感器的安装位置;
根据气动热分析结果确定铂薄膜温度传感器的安装位置;
步骤二 获取临近空间的测量数据;
采用临空飞艇作为空基平台在预定高度定点投放,搭载铂薄膜温度传感器、气压传感器、惯导系统以及通信系统的探空仪在空基平台上弹出下落,同时打开探空仪上的降落伞;
采用探空仪上携带的两个铂薄膜温度传感器进行临近空间温度的测量,对两个铂薄膜温度传感器的测量数据进行算术平均处理,临近空间温度的测量数据Ta如式(1)所示:
其中,T1、T2分别为两个铂薄膜温度传感器的测量数据;
步骤三 获取临近空间环境参数数据;
所述环境参数数据包括:大气压强、空气相对流速、海拔高度、太阳辐照度;
采用探空仪上携带的气压传感器进行大气压强的测量,采用惯导系统进行海拔高度的测量,并通过海拔高度数据确定空气相对流速以及太阳辐照度;
步骤四 确定临近空间温度误差;
临近空间温度误差包括:焦耳热误差,气动热误差,辐照热误差;
焦耳热误差如式(2)所示:
其中,Tb为焦耳热误差,U为铂薄膜两端电压,t为作用时间,A1为垂直于导热方向的物体横截面积,RT为铂薄膜电阻值,λ为导热系数;
气动热误差如式(3)所示:
其中,Tc为气动热误差,r为温度修正系数,V为空气相对流速,cP为空气等压比热容;
辐照热误差如式(4)所示:
其中,Td为辐照热误差,其中ε为物体的发射率,其值为0~1,减少辐照热的热误差;A3为辐照表面积;σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数;Tr为黑体热力学温度;
步骤五 确定临近空间温度;
通过误差修正后,临近空间温度T如式(5)所示:
T=Ta-Tb-Tc-Td (5)
还包括步骤六:根据步骤五得到的临近空间温度,相较于未进行温度误差修正前的可靠性极大地增强,经过误差修正后的温度值作为最终的高精度数值,能够应用于后续艇载临近空间大气温度模型的构建,解决临近空间温度相关的工程问题。
2.如权利要求1所述的一种临近空间温度的高精度原位测量方法,其特征在于:通过Ansys Fluent软件对探空仪以及铂薄膜温度传感器在下投状态下进行气动热分析。
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