CN116989972A - 基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高超声速风洞气动热试验测试技术领域，公开了一种基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法。测热试验数据不确定度评估方法针对热电模拟网络测试系统获得的风洞测热试验数据，结合精度极限和和偏差极限对试验数据开展不确定评估。首先，辨识主要误差源、归结误差源的类型；对测热试验数据开展不确定分析，最终通过评估单一误差源和综合所有误差源获得多次重复性测热试验结果的不确定度。测热试验数据不确定度评估方法分类准确、分析全面，适于工程应用。
Description
技术领域
本发明属于高超声速风洞气动热试验测试技术领域，具体涉及一种基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法。
背景技术
高超声速风洞气动热试验通常采用热电模拟网络测试技术，热电模拟网络是基于电路传输线方程与一维瞬态导热方程的相似性，利用电路求解一维瞬态导热方程的方法，用这种方法可以在获得温度测量信号的同时，直接计算得到热流qw，计算公式为：
其中，R和C分别为网络模拟电路的电阻和电容，ρck为传感器材料的热物性参数，在热物性参数的标定中通常将其作为一个整体参数进行标定，αR为热流传感器的电阻温度系数，E0和ΔE(t)分别是测量得到的的初始电压和最终电压差。
在高超声速风洞气动热试验中，需要评估测热试验数据的误差，或者确定误差的可能范围，这样提供的测热试验数据才便于用户使用。在对测热试验数据进行误差分析的基础上，需要对各种因素引起的误差进行估算，估算值即为不确定度。
当前，亟需发展一种基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法。
本发明的基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法，包括以下步骤：
S1.辨识基于热电模拟网络测试的测热试验数据的主要误差源、归结误差源的类型；
主要误差源包括：①热流传感器测量损失误差；②热电模拟网络引起的误差；③热电模拟网络电路电阻(R)和电容(C)标定造成的误差；④传感器材料的热物性参数(ρck)标定造成的误差；⑤热流传感器的电阻温度系数(αR)测量造成的误差；⑥测量初始电压(E0)和最终电压差(ΔE(t))造成的误差；
将①热流传感器测量损失误差、②热电模拟网络引起的误差、③热电模拟网络电路电阻(R)和电容(C)标定造成的误差、④传感器材料的热物性参数(ρck)标定造成的误差归结为系统误差，视为偏差极限向试验结果传递；将⑤热流传感器的电阻温度系数(αR)测量造成的误差、⑥测量初始电压(E0)和最终电压差(ΔE(t))造成的误差归结为随机误差，视为精度极限向试验结果传递；
S2.评估热流传感器测量损失误差造成的不确定度Usensor；
热流传感器利用在底衬材料表面上形成的金属膜或热电偶材料来测量表面瞬时温度变化信号以获得热流数据；高超声速风洞气动热试验过程中，需要进行多次重复试验并获得重复性测热试验数据；
假设重复试验N次，为N次试验获得热流测量值的平均值，传感器金属膜或热电偶材料本身会造成传感器的测量热流值与真实热流值的误差，根据对热传导公式的理论分析，得到在高超声速风洞有效运行时间内，传感器测量值的损失误差σ1，σ1采用百分制，计算得到/>Usensor属于系统误差，Usensor值作为偏差极限向试验结果传递；
S3.热电模拟网络的不确定度UTESN；
在热电模拟网络中，用电阻(R)和电容(C)构造代替传输线的电路网络，以消除分布的电感的影响；最逼近电路网络的是无限节网络，实际网络不可能构造无限多节的RC电路网络，只能用有限节数的网络来模拟，相当于将有限长的传输线分成有限数量的小段，每一小段由串联电阻和接地电容构成RC网络，代替一个热导体薄片，这种设计的模拟网络得到的热流值与理论解会有一定的误差；通过理论分析获得高超声速风洞气动热试验使用的热电模拟网络得到的热流值与相同温度变化条件下的理论计算结果偏差σ2，σ2采用百分制，然后计算得到UTESN属于系统误差，UTESN值作为偏差极限向试验结果传递；
S4.评估热电模拟网络电阻(R)标定误差引起的不确定度UR和电容(C)标定误差引起的不确定度UC；
热电模拟网络中，电阻(R)和电容(C)随着热电模拟网络设计完成并需进行定期维护标定误差，SR为电阻(R)的N次标定测试的标准差，SC为电容(C)的N次标定测试的标准差，为N次电阻(R)标定示值的平均值，/>为N次电容(C)标定示值的平均值，则电阻(R)的标定误差引起的不确定度为/>同理，电容(C)的标定误差引起的不确定度为UR和UC属于系统误差，UR值和UC值作为偏差极限向试验结果传递；
S5.评估热流传感器的热物性参数(ρck)标定误差造成的不确定度Uρck；
热流传感器的热物性参数(ρck)需要进行批次标定，假设Sρck为热物性参数(ρck)的N次标定的标准差，为N次热物性参数(ρck)标定示值的平均值，则热物性参数(ρck)标定引起的不确定度为/>Uρck属于系统误差，Uρck值作为偏差极限向试验结果传递；
S6.评估热流传感器的电阻温度系数(αR)测量误差引起的不确定
高超声速风洞气动热试验过程中，每次试验前需要测量热流传感器的电阻温度系数αR值，为N次热流传感器的电阻温度系数(αR)的标准差，则热流传感器的电阻温度系数(αR)读数引起的不确定度为/>式中，K为设定置信度条件下的范围系数，在95％的置信度下，K＝2；/>属于随机误差，/>值作为精度极限向试验结果传递；
S7.评估初始电压(E0)测量误差引起的不确定度和最终电压差(ΔE(t))测量误差引起的不确定度U△E(t)；
高超声速风洞气动热试验过程中，每次试验需要测量初始电压(E0)和最终电压差(ΔE(t))值，为N次初始电压(E0)读数的标准差，S△E(t)为N次最终电压差(ΔE(t))读数的标准差，则初始电压(E0)的不确定度为/>最终电压差(ΔE(t))的不确定度为/>式中，K为设定置信度条件下的范围系数，在95％的置信度下，K＝2；/>和U△E(t)为随机误差，/>和U△E(t)值作为精度极限向试验结果传递；
S8.评估多次重复测热试验数据总的偏差极限
多次重复性测热试验结果总的偏差极限为：
S9.评估多次重复测热试验数据总的精度极限
多次重复性测热试验结果总的精度极限为：
S10.评估多次重复测热试验数据的不确定度
多次重复性测热试验结果的不确定度为：
本发明的基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法是针对采用热电模拟网络测试系统进行的高超声速风洞气动热试验获得的测热试验数据开展的试验数据不确定度评估，通过辨识主要误差源、归结误差源的类型对测热试验数据开展不确定分析，最终通过评估单一误差源和综合所有误差源获得多次重复性测热试验结果的不确定度。
本发明的基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法分类准确、分析全面，适于工程应用。
附图说明
图1为本发明的基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法的流程图；
图2为某锥形模型三次重复试验的母线热流曲线图；
图3为某锥形模型三次重复试验的平均热流曲线图及其不确定度带。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1所示，本发明的基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法，包括以下步骤：
S1.辨识基于热电模拟网络测试的测热试验数据的主要误差源、归结误差源的类型；
主要误差源包括：①热流传感器测量损失误差；②热电模拟网络引起的误差；③热电模拟网络电路电阻(R)和电容(C)标定造成的误差；④传感器材料的热物性参数(ρck)标定造成的误差；⑤热流传感器的电阻温度系数(αR)测量造成的误差；⑥测量初始电压(E0)和最终电压差(ΔE(t))造成的误差；
将①热流传感器测量损失误差、②热电模拟网络引起的误差、③热电模拟网络电路电阻(R)和电容(C)标定造成的误差、④传感器材料的热物性参数(ρck)标定造成的误差归结为系统误差，视为偏差极限向试验结果传递；将⑤热流传感器的电阻温度系数(αR)测量造成的误差、⑥测量初始电压(E0)和最终电压差(ΔE(t))造成的误差归结为随机误差，视为精度极限向试验结果传递；
S2.评估热流传感器测量损失误差造成的不确定度Usensor；
热流传感器利用在底衬材料表面上形成的金属膜或热电偶材料来测量表面瞬时温度变化信号以获得热流数据；高超声速风洞气动热试验过程中，需要进行多次重复试验并获得重复性测热试验数据；
假设重复试验N次，为N次试验获得热流测量值的平均值，传感器金属膜或热电偶材料本身会造成传感器的测量热流值与真实热流值的误差，根据对热传导公式的理论分析，得到在高超声速风洞有效运行时间内，传感器测量值的损失误差σ1，σ1采用百分制，计算得到/>Usensor属于系统误差，Usensor值作为偏差极限向试验结果传递；
S3.热电模拟网络的不确定度UTESN；
在热电模拟网络中，用电阻(R)和电容(C)构造代替传输线的电路网络，以消除分布的电感的影响；通过理论分析获得高超声速风洞气动热试验使用的热电模拟网络得到的热流值与相同温度变化条件下的理论计算结果偏差σ2，σ2采用百分制，然后计算得到UTESN属于系统误差，UTESN值作为偏差极限向试验结果传递；
S4.评估热电模拟网络电阻(R)标定误差引起的不确定度UR和电容(C)标定误差引起的不确定度UC；
热电模拟网络中，电阻(R)和电容(C)随着热电模拟网络设计完成并需进行定期维护标定误差，SR为电阻(R)的N次标定测试的标准差，SC为电容(C)的N次标定测试的标准差，为N次电阻(R)标定示值的平均值，/>为N次电容(C)标定示值的平均值，则电阻(R)的标定误差引起的不确定度为/>同理，电容(C)的标定误差引起的不确定度为UR和UC属于系统误差，UR值和UC值作为偏差极限向试验结果传递；
S5.评估热流传感器的热物性参数(ρck)标定误差造成的不确定度Uρck；
热流传感器的热物性参数(ρck)需要进行批次标定，假设Sρck为热物性参数(ρck)的N次标定的标准差，为N次热物性参数(ρck)标定示值的平均值，则热物性参数(ρck)标定引起的不确定度为/>Uρck属于系统误差，Uρck值作为偏差极限向试验结果传递；
S6.评估热流传感器的电阻温度系数(αR)测量误差引起的不确定
高超声速风洞气动热试验过程中，每次试验前需要测量热流传感器的电阻温度系数αR值，为N次热流传感器的电阻温度系数(αR)的标准差，则热流传感器的电阻温度系数(αR)读数引起的不确定度为/>式中，K为设定置信度条件下的范围系数，在95％的置信度下，K＝2；/>属于随机误差，/>值作为精度极限向试验结果传递；
S7.评估初始电压(E0)测量误差引起的不确定度和最终电压差(ΔE(t))测量误差引起的不确定度U△E(t)；
高超声速风洞气动热试验过程中，每次试验需要测量初始电压(E0)和最终电压差(ΔE(t))值，为N次初始电压(E0)读数的标准差，S△E(t)为N次最终电压差(ΔE(t))读数的标准差，则初始电压(E0)的不确定度为/>最终电压差(ΔE(t))的不确定度为/>式中，K为设定置信度条件下的范围系数，在95％的置信度下，K＝2；/>和U△E(t)为随机误差，/>和U△E(t)值作为精度极限向试验结果传递；
S8.评估多次重复测热试验数据总的偏差极限
多次重复性测热试验结果总的偏差极限为：
S9.评估多次重复测热试验数据总的精度极限
多次重复性测热试验结果总的精度极限为：
S10.评估多次重复测热试验数据的不确定度
多次重复性测热试验结果的不确定度为：
实施例1：
本实施例的基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法针对某锥形模型母线上12个测点的测热试验数据开展。
该高超声速风洞气动热试验的流场条件为：来流马赫数M∞＝8.7，来流总压P0＝9.1MPa，来流总温T0＝1180K，来流单位雷诺数Re∞/L＝6.5×106/m，进行了3次重复试验。
表1给出了该锥形模型母线上12个测点测热试验数据(热流单位：kW/m2)及不确定度(单位：kW/m2)，表中各列含义分别为：测点编号、第1车测热试验数据(qw_Run1)、第2车测热试验数据(qw_Run2)、第3车测热试验数据(qw_Run3)、三车测热试验数据平均值测热试验数据的不确定度/> 和/>
表1
图2给出了某锥形模型三次重复试验的母线热流曲线图，图中“qw_run1”、“qw_run2”、“qw_run3”分别为三车重复性试验的热流测量值，可以看出，各测点热流值在三车重复性试验时均有不同程度的波动，但是整体规律还是基本一致。
图3给出了某锥形模型三次重复试验的平均热流曲线图及其不确定度带，图中“qw”表示三车重复性试验的热流平均值，“qw+|Uqw|”和“qw-|Uqw|”分别指不确定度带的上限值和下限值，可以看出，图中给出的不确定度带可以反应出三车重复性测热试验数据的不确定性。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的高超声速气动热地面风洞试验测试技术领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例表例。
Claims (9)
1.基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.辨识基于热电模拟网络测试的测热试验数据的主要误差源、归结误差源的类型；
S2.评估热流传感器测量损失误差造成的不确定度Usensor；
S3.评估热电模拟网络的不确定度UTESN；
S4.评估热电模拟网络电阻(R)标定误差引起的不确定度UR和电容(C)标定误差引起的不确定度UC；
S5.评估热流传感器的热物性参数(ρck)标定误差造成的不确定度Uρck；
S6.评估热流传感器的电阻温度系数(αR)测量误差引起的不确定
S7.评估初始电压(E0)测量误差引起的不确定度和最终电压差(ΔE(t))测量误差引起的不确定度UΔE(t)；
S8.评估多次重复测热试验数据总的偏差极限
S9.评估多次重复测热试验数据总的精度极限
S10.评估多次重复测热试验数据的不确定度
2.根据权利要求1所述的基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法，其特征在于，所述的S1的辨识基于热电模拟网络测试的测热试验数据的主要误差源、归结误差源的类型，具体内容如下：
主要误差源包括：①热流传感器测量损失误差；②热电模拟网络引起的误差；③热电模拟网络电路电阻(R)和电容(C)标定造成的误差；④传感器材料的热物性参数(ρck)标定造成的误差；⑤热流传感器的电阻温度系数(αR)测量造成的误差；⑥测量初始电压(E0)和最终电压差(ΔE(t))造成的误差；
将①热流传感器测量损失误差、②热电模拟网络引起的误差、③热电模拟网络电路电阻(R)和电容(C)标定造成的误差、④传感器材料的热物性参数(ρck)标定造成的误差归结为系统误差，视为偏差极限向试验结果传递；将⑤热流传感器的电阻温度系数(αR)测量造成的误差、⑥测量初始电压(E0)和最终电压差(ΔE(t))造成的误差归结为随机误差，视为精度极限向试验结果传递。
3.根据权利要求2所述的基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法，其特征在于，所述的S2的评估热流传感器测量损失误差造成的不确定度Usensor，具体内容如下：
热流传感器利用在底衬材料表面上形成的金属膜或热电偶材料来测量表面瞬时温度变化信号以获得热流数据；高超声速风洞气动热试验过程中，需要进行多次重复试验并获得重复性测热试验数据；
假设重复试验N次，为N次试验获得热流测量值的平均值，传感器金属膜或热电偶材料本身会造成传感器的测量热流值与真实热流值的误差，根据对热传导公式的理论分析，得到在高超声速风洞有效运行时间内，传感器测量值的损失误差σ1，σ1采用百分制，计算得到/>Usensor属于系统误差，Usensor值作为偏差极限向试验结果传递。
4.根据权利要求3所述的基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法，其特征在于，所述的S3的评估热电模拟网络的不确定度UTESN，具体内容如下：
在热电模拟网络中，用电阻(R)和电容(C)构造代替传输线的电路网络，以消除分布的电感的影响；通过理论分析获得高超声速风洞气动热试验使用的热电模拟网络得到的热流值与相同温度变化条件下的理论计算结果偏差σ2，σ2采用百分制，然后计算得到UTESN属于系统误差，UTESN值作为偏差极限向试验结果传递。
5.根据权利要求4所述的基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法，其特征在于，所述的S4的评估热电模拟网络电阻(R)标定误差引起的不确定度UR和电容(C)标定误差引起的不确定度UC，具体内容如下：
热电模拟网络中，电阻(R)和电容(C)随着热电模拟网络设计完成并需进行定期维护标定误差，SR为电阻(R)的N次标定测试的标准差，SC为电容(C)的N次标定测试的标准差，为N次电阻(R)标定示值的平均值，/>为N次电容(C)标定示值的平均值，则电阻(R)的标定误差引起的不确定度为/>同理，电容(C)的标定误差引起的不确定度为UR和UC属于系统误差，UR值和UC值作为偏差极限向试验结果传递。
6.根据权利要求5所述的基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法，其特征在于，所述的S5的评估热流传感器的热物性参数(ρck)标定误差造成的不确定度Uρck，具体内容如下：
热流传感器的热物性参数(ρck)需要进行批次标定，假设Sρck为热物性参数(ρck)的N次标定的标准差，为N次热物性参数(ρck)标定示值的平均值，则热物性参数(ρck)标定引起的不确定度为/>Uρck属于系统误差，Uρck值作为偏差极限向试验结果传递。
7.根据权利要求6所述的基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法，其特征在于，所述的S6的评估热流传感器的电阻温度系数(αR)测量误差引起的不确定具体内容如下：
高超声速风洞气动热试验过程中，每次试验前需要测量热流传感器的电阻温度系数αR值，为N次热流传感器的电阻温度系数(αR)的标准差，则热流传感器的电阻温度系数(αR)读数引起的不确定度为/>式中，K为设定置信度条件下的范围系数，在95％的置信度下，K＝2；/>属于随机误差，/>值作为精度极限向试验结果传递。
8.根据权利要求7所述的基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法，其特征在于，所述的S7的评估初始电压(E0)测量误差引起的不确定度和最终电压差(ΔE(t))测量误差引起的不确定度UΔE(t)，具体内容如下：
高超声速风洞气动热试验过程中，每次试验需要测量初始电压(E0)和最终电压差(ΔE(t))值，为N次初始电压(E0)读数的标准差，SΔE(t)为N次最终电压差(ΔE(t))读数的标准差，则初始电压(E0)的不确定度为/>最终电压差(ΔE(t))的不确定度为式中，K为设定置信度条件下的范围系数，在95％的置信度下，K＝2；/>和UΔE(t)为随机误差，/>和UΔE(t)值作为精度极限向试验结果传递。
9.根据权利要求8所述的基于热电模拟网络测试的测热试验数据不确定度评估方法，其特征在于，所述的S8的评估多次重复测热试验数据总的偏差极限S9的评估多次重复测热试验数据总的精度极限/>S10的评估多次重复测热试验数据的不确定度/>对应的具体内容分别如下：
多次重复性测热试验结果总的偏差极限为：
多次重复测热试验数据总的精度极限为：
多次重复测热试验数据的不确定度为：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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