[發明專利]適用于低氣壓下的熱膜風速風向測量系統

有效

• 申請號: 201711103662.1
• 申請日: 2017-11-10
• 公開（公告）號: CN107907706B
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發明（設計）人: 李西園;高慶華;畢研強;王晶;侯雅琴;文晶;廖韜;林博穎
• 申請（專利權）人: 北京衛星環境工程研究所
• 主分類號: G01P5/10
• 分類號: G01P5/10;G01P13/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提出了一種適用于火星等極低氣壓環境下風速測量系統，其包括加熱棒，套管，多組熱電偶熱端，公用冷端及相應引線，加熱用電源，壓力傳感器，數據采集模塊，風速計算模塊組成，在低氣壓下，通過恒熱流方式控制加熱棒對套筒進行加熱，使用采集模塊測量傳感器表面均勻分布的多個熱電偶溫差，并結合當前絕對壓力以計算當前的風速、風向信息。相對于現有工業用風速傳感器，本發明可以直接工作于低氣壓下，且具有風速、風向的同步測試能力，結構簡單，可靠性高。

技術領域

本發明屬于風速測量技術，具體涉及到一種基于熱膜原理，可在低氣壓下對風速、風向進行測量的系統。

背景技術

隨著我國航天任務的多樣化和成熟化，火星等其他地外行星的探測已經逐步開展，為了達到對著陸器、巡視器等星表航天器的全面驗證及模型修正等目的，需要對星表環境進行溫度、壓力、風速的復合模擬，除常見的壓力、溫度環境外，一般還需要對氣體成分、風速進行模擬。目前常見風速傳感器依據原理可分為熱式、超聲波式、皮托管式、機械式、激光粒子測速等方式，在地面巡視器熱試驗中，受限于測量點數、傳感器大小等限制，使用熱式風速儀進行測量具有較大優勢。

熱線、熱球、熱膜式風速傳感器的原理主要是通過對敏感頭加熱，在平衡狀態通過敏感頭溫度、環境壓力、散失熱量(加熱熱量)、氣體成分即可計算來流氣體速度，但是由于換熱關系靠經驗關聯式往往尚存一定誤差，實際使用中通常在不同壓力、風速條件下進行標定。

目前各大宇航機構均開展了低氣壓下的風速測量研究，早期NASA使用了熱絲對風速進行測量，并在周邊布置溫度傳感器測量尾跡方向以測定風速，但這種方式精度較低，且傳感器抗力學環境性能較差，JAXA、ESA在試驗中使用了Kanomax公司的熱線風速傳感器，但其為熱線結構，在低氣壓下由于傳熱較小，容易產生燒毀，且抗力學環境性能較差；小獵犬2號使用了定制的三片式熱膜式風速傳感器，具有風速、風向測量能力，但結構較為復雜，需要三路電橋式測量電路；此外，近些年國外亦發展了超聲式風速傳感器，但其對換能器的低氣壓設計要求較高，尚未在型號中應用。清華大學、北京航空航天大學等高校亦曾開展低氣壓下的風速標傳感器研究，但主要針對于航空領域，壓力一般在10000Pa，溫度一般在室溫左右，缺乏對火星(700Pa，-120～30℃左右)等壓力低于2000pa的低氣壓環境的測量能力。

因此，設計和發明一種可在不同壓力特別是壓力低于2000Pa的低氣壓壓力、不同氣體溫度進行風速測量的設備具有積極的現實意義。

發明內容

本發要解決的技術問題是對低氣壓下的風速、風向進行有效的測量，傳感器的信號滿足測量設備精度要求，且傳感器具有一定的力學強度，不易在特殊環境下損壞，滿足地面特種試驗、平流層及行星表面的風速測量要求，并根據需求具有一定的擴充能力。

為解決上述問題，本發明采用的技術方案如下：

適用于低氣壓(氣壓低于2000Pa)下的熱膜風速風向測量系統，主要包括風速傳感器部分、薄膜規壓力傳感器，數據采集模塊，加熱用電源，風速換算模塊，其中風速傳感器部分包括加熱棒、外套筒、多組熱電偶熱端和公共的熱電偶冷端，外套筒套設在加熱棒外周上，多組熱電偶熱端固定在外套筒的外表面上，多組熱電偶熱端通過熱電偶材料A連接到數據采集模塊的毫伏測量通道+端，公共熱電偶冷端放置于低氣壓環境流場中，并通過熱電偶材料B分別連接到多組熱電偶熱端上，公共熱電偶冷端通過公共的熱電偶線連接到數據采集模塊的毫伏測量通道-端，薄膜規壓力傳感器與數據采集模塊的4-20mA通道連接。在測試中，通過加熱用電源對加熱棒施加恒功率的熱流，熱量通過外套筒傳遞至套筒外側，受風速對流的影響，套筒表面必然存在溫度梯度，即均勻分布的多組熱電偶上的溫度，通過數據采集模塊對其上的多組熱電偶及一套薄膜規壓力傳感器進行采集、變送后，由風速換算模塊根據標定數據進行插值，計算出當前環境下的風速度、風向。

其中，加熱棒為圓柱形單邊引線加熱棒，由加熱用電源進行恒功率加熱。

其中，加熱棒可以由電熱絲、加熱膜等方式代替進行加熱。