低温、低气压环境下风速测量系统及风速测量方法技术方案

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。本发明专利技术可靠性高，结构简单，可实现‑60℃以下低温，10

Wind speed measurement system and method in low temperature and low pressure environment

The application discloses a wind speed measurement system and a wind speed measurement method under low temperature and low pressure environment. The wind speed measurement system includes a thermal ball wind speed sensor, a vacuum millivolt signal transmitter, an ambient temperature sensor, an ambient pressure sensor, a serial port server, a terminal device, a data acquisition instrument and a space environment simulation device. The vacuum millivolt signal transmitter is provided with a temperature sensor The temperature sensor is used to obtain the operating temperature of the vacuum millivolt signal transmitter, and the membrane electric heater is used to control the operating temperature of the vacuum millivolt signal transmitter. According to the data of the ambient temperature sensor, the ambient pressure sensor and the output signal of the hot sphere wind speed sensor, the terminal equipment interpolates the three-dimensional function based on the calibration data to obtain the wind speed value under low pressure. The invention has the advantages of high reliability, simple structure, low temperature below \u2011 60 \u2103, 10

【技术实现步骤摘要】
低温、低气压环境下风速测量系统及风速测量方法
本专利技术一般涉及航天器地面试验
，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。
技术介绍
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，设计和专利技术一种用于低真空、低温环境下使用的热风速测量系统具有积极的现实意义。
技术实现思路
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，本专利技术所提供的技术方案是：第一方面，本专利技术提供一种低温、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，本专利技术提供一种低温、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，本专利技术的有益效果是：本专利技术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为本专利技术实施例提供的风速测量系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的热球风速传感器的结构示意图；图3为本专利技术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-电本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李西园，纪欣言，赵志纲，封宝华，尹晓芳，刘佳彬，陈时雨，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11