[發(fā)明專利]適用于低溫低壓環(huán)境的熱線風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711390019.1
• 申請日: 2017-12-21
• 公開（公告）號: CN108120477B
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李西園;尹曉芳;王潤澤;高慶華;王晶;畢研強(qiáng);李瓊
• 申請（專利權(quán)）人: 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02;B64G5/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種用于低溫低氣壓環(huán)境下的熱線風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)，包括傳感器隔熱板、雙熱線風(fēng)速傳感器、傳感器電纜、控溫管路、電連接器、電橋等，其中，傳感器隔熱板平行于流動方向設(shè)置，控溫管路覆蓋了空間環(huán)模設(shè)備內(nèi)部的全部風(fēng)速傳感器引線，電連接器提供了氣密性電連接功能，可實現(xiàn)從艙內(nèi)低氣壓、低溫環(huán)境到艙外常溫常壓環(huán)境的電路連接，電橋、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)等在空間環(huán)境容器外部實現(xiàn)了對容器內(nèi)風(fēng)速的采集、變送和存儲。本發(fā)明基于現(xiàn)有設(shè)備實現(xiàn)了?100℃以下低溫與1000Pa以下低壓環(huán)境的風(fēng)速測量能力，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，可有效提升低溫、低壓環(huán)境下的風(fēng)速測量精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航天器、航空器地面試驗技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在有風(fēng)熱試驗中，在低溫低氣壓環(huán)境下對風(fēng)速進(jìn)行實時測量、存儲的系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著我國航天任務(wù)的多樣化和成熟化，火星等其他地外行星的探測已經(jīng)逐步開展，為了達(dá)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(huán)境進(jìn)行溫度、壓力、風(fēng)速的復(fù)合模擬。在火星表面，大氣壓力約為700Pa，溫度范圍可達(dá)-120～20℃，風(fēng)速可達(dá)0～15m/s，為了對航天器壽命中的最極端工況進(jìn)行模擬，試驗通常需要在700Pa左右壓力，-100℃左右溫度環(huán)境下對航天器進(jìn)行驗證。此外，平流層飛艇等航空器亦提出了類似的需求。目前常見風(fēng)速傳感器依據(jù)原理可分為熱式、超聲波式、皮托管式、機(jī)械式、激光粒子測速等方式，在地面巡視器的熱試驗中，受限于測量點(diǎn)數(shù)、傳感器大小等限制，使用熱式風(fēng)速儀進(jìn)行測量具有較大優(yōu)勢。

由于熱線、熱球、熱膜式風(fēng)速傳感器的原理主要是通過對敏感頭加熱，在平衡狀態(tài)通過敏感頭溫度、散失熱量(加熱熱量)即可精確計算來流空氣溫度。在低氣壓下，由于對流換熱的比例降低，更大比例的熱量通過輻射形式散失，這就導(dǎo)致了輻射背景溫度的變化亦會導(dǎo)致系統(tǒng)輸出的變化，即熱絲對外輻射的熱量會為系統(tǒng)帶來額外的誤差。此外，由于熱線風(fēng)速探頭的測量普遍采用電橋測量的方式，為了提高測量精度，電橋普遍采用了非等臂的方式，如DANTEC公司常用電橋為1:20比例。在空間環(huán)境模擬設(shè)備中測量風(fēng)時，風(fēng)速傳感器往往具有較長的電纜，線纜、支架電阻與探頭電阻處于同一數(shù)量級，在測量中其變化往往是不可忽略且難以通過試驗手段進(jìn)行標(biāo)定的，隨著試驗中線纜溫度的變化，測量值亦會出現(xiàn)變化，導(dǎo)致了每個工況的傳感器輸出穩(wěn)定時間大幅度延長，即風(fēng)速傳感器線纜電阻引入了額外的誤差。

在歐洲風(fēng)傳項目中，對于低溫的處理是使用了特殊設(shè)計的1:1電橋。盡管該種電橋具有更高的精度和適用范圍，但在實際測試中，由于線纜的溫度平衡時間較長，每次測試的穩(wěn)定時間依然較長，尚未完全解決線纜溫度對測量結(jié)果影響的問題。

因此，設(shè)計和發(fā)明一種可在低溫、低壓環(huán)境下穩(wěn)定、可靠的對風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行測量的設(shè)備具有積極的現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是在低溫低氣壓條件下對當(dāng)前的風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行可靠、可信、穩(wěn)定的測試，減少低溫、低氣壓環(huán)境對熱線式風(fēng)速探頭帶來的額外誤差，為航天器、航空器的地面驗證系統(tǒng)提供有效支撐。

為解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

適用于低溫低壓環(huán)境的熱線風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)，包括雙熱線風(fēng)速傳感器、傳感器隔熱板、傳感器電纜、控溫管路、電連接器、電橋、數(shù)據(jù)采集器及控制儲存裝置，其中，雙熱線風(fēng)速傳感器頂端設(shè)置有傳感器隔熱板，傳感器隔熱板平行于流動的方向設(shè)置，降低雙熱線風(fēng)速傳感器頭對低溫冷背景的輻射換熱量，風(fēng)速傳感器引線經(jīng)過設(shè)置在穿真空法蘭上的氣密連接器與兩組電橋電連接，分別對風(fēng)速傳感器的兩根熱絲進(jìn)行控溫，并輸出電壓信號供測量儀器進(jìn)行測量；測量儀器負(fù)責(zé)對兩電橋輸出的電壓信號進(jìn)行采集與變送，并通過交換機(jī)傳輸給控制儲存裝置進(jìn)行顯示與存儲，控溫管路覆蓋了空間環(huán)模設(shè)備內(nèi)部的全部風(fēng)速傳感器引線，氣密電連接器結(jié)構(gòu)提供了氣密性電連接功能，實現(xiàn)從艙內(nèi)低氣壓、低溫環(huán)境到艙外常溫常壓環(huán)境的電路連接，溫度傳感器粘貼于控溫管路外表面上并通過引線與控溫裝置連接，加熱元件粘貼于控溫管路外表面上，也通過引線連接到控溫裝置上，在空間環(huán)境容器外部實現(xiàn)了對容器內(nèi)風(fēng)速的采集、變送和存儲。