一种临近空间温度的高精度原位测量方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。空间温度原位测量误差补偿。空间温度原位测量误差补偿。

【技术实现步骤摘要】
一种临近空间温度的高精度原位测量方法


[0001]本专利技术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


技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。

技术实现思路

[0007]本专利技术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。
[0008]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0009]本专利技术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：
[0010]步骤一确定铂薄膜温度传感器的安装位置；
[0011]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；
[0012]根据气动热分析结果确定铂薄膜温度传感器的安装位置；
[0013]步骤二获取临近空间的测量数据；
[0014]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；
[0015]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T
a
如式(1)所示：
[0016][0017]其中，T1、T2分别为两个铂薄膜温度传感器的测量数据；
[0018]步骤三获取临近空间环境参数数据；
[0019]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；
[0020]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；
[0021]步骤四确定临近空间温度误差；
[0022]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；
[0023]焦耳热误差如式(2)所示：
[0024][0025]其中，T
b
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，R
T
为铂薄膜电阻值，λ为导热系数；
[0026]气动热误差如式(3)所示：
[0027][0028]其中，T
c
为气动热误差，r为温度修正系数，V为空气相对流速，c
P
为空气等压比热容；辐照热误差如式(4)所示：
[0029][0030]其中，T
d
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)；T
r
为黑体热力学温度；
[0031]步骤五确定临近空间温度；
[0032]通过误差修正后，临近空间温度T如式(5)所示：
[0033]T＝T
a
‑
T
b
‑
T
c
‑
T
d (5)
[0034]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。
[0035]有益效果：
[0036]1、本专利技术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。
[0037]2、本专利技术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。
[0038]3、本专利技术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。
[0039]4、本专利技术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
[0040]图1为本专利技术的一种临近空间温度的高精度原位测量方法流程图；
[0041]图2为实施例的探空仪气动热流场示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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T
a
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，T
b
...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡纯，王国俨，李中翔，郑德智，张军，
申请(专利权)人：北京理工大学长三角研究院嘉兴，
类型：发明
国别省市：