專利名稱：適用于小衛(wèi)星單相流體熱控回路的流量-溫度一體化測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種管道流體流量、溫度測(cè)量裝置，更特別的說(shuō)，是一種適用于小衛(wèi)星 單相流體熱控回路的流量-溫度一體化測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航天器在對(duì)地應(yīng)用、月球探測(cè)和星際飛行等空間技術(shù)領(lǐng)域 取得了巨大的成功，其中航天器熱控制是航天器開展空間探測(cè)活動(dòng)必不可少的一個(gè)技術(shù)保 障，在航天器整個(gè)任務(wù)周期經(jīng)歷的復(fù)雜空間環(huán)境下，通過(guò)合理組織航天器內(nèi)部和外部的熱 交換來(lái)為各種星載機(jī)電設(shè)備、有效載荷以及航天員搭載艙等空間任務(wù)單元提供安全可靠的 溫度環(huán)境。目前，愈加復(fù)雜的空間熱環(huán)境對(duì)航天器熱控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的 被動(dòng)式熱控制主要依靠選取不同的熱控材料和合理的總裝布局來(lái)處理航天器內(nèi)外的熱交 換過(guò)程，其本身沒(méi)有自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的能力，很難滿足航天器設(shè)計(jì)發(fā)展的需求。主動(dòng)熱控技術(shù) 能夠根據(jù)外熱流或內(nèi)熱源發(fā)生的變化，自主調(diào)節(jié)航天器內(nèi)部設(shè)備的溫度，具有更大靈活性 和更強(qiáng)的適應(yīng)能力，因而成為航天器熱控技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，并且獲得了廣泛的研 究和應(yīng)用。。采用機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)的單相流體熱控回路技術(shù)是航天器主動(dòng)熱控技術(shù)的一項(xiàng)重要熱 控手段，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置靈活、魯棒性高、熱量排散調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、組織內(nèi)部換熱易、安 全可靠性高以及實(shí)現(xiàn)在軌維修容易等突出特點(diǎn)。該類型熱控系統(tǒng)在美國(guó)雙子星飛船、國(guó)際 空間站以及我國(guó)神舟系列飛船等新一代功耗水平較高的航天器上已經(jīng)得到成功應(yīng)用，并且 是未來(lái)大型空間試驗(yàn)平臺(tái)、深空探測(cè)以及微小飛行器空間散熱的一種重要發(fā)展趨勢(shì)。在航天器單相流體熱控回路系統(tǒng)中，其熱控功能主要通過(guò)流體泵、溫度閥及空間 輻射器等可控部件的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)，因而，回路內(nèi)部工質(zhì)流量與溫度等反饋信號(hào)的準(zhǔn)確實(shí) 時(shí)測(cè)量是實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星主動(dòng)熱控工作的先決條件。在單相流體熱控回路系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的流量測(cè)量多采用渦輪流量計(jì)和電磁流量計(jì)。 渦輪流量計(jì)通過(guò)測(cè)量渦輪的轉(zhuǎn)速來(lái)測(cè)量流量，這種機(jī)械式測(cè)量方法雖然測(cè)量精度高，工作 范圍寬，但增大了管道內(nèi)的流阻損失，加大了回路泵的能耗，而且由于其機(jī)械運(yùn)動(dòng)性，渦輪 和軸承容易出現(xiàn)磨損，不能長(zhǎng)期保持校準(zhǔn)特性；電磁流量計(jì)雖然沒(méi)有可動(dòng)部件，無(wú)機(jī)械慣 性，但流體工質(zhì)必須為導(dǎo)電率較高的流體，對(duì)流體工質(zhì)的選擇較為苛刻，且其體積和質(zhì)量都 較大，不適合在小衛(wèi)星上應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種小體積、輕質(zhì)量、低流阻的新型流量測(cè) 量裝置已成為微小衛(wèi)星單相流體熱控技術(shù)發(fā)展的一個(gè)迫切需求。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種小衛(wèi)星單相流體熱控回路流量-溫度一體化 測(cè)量裝置，其特征在于包括
管道結(jié)構(gòu)及敏感元件模塊，信號(hào)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理模塊，用于對(duì)管道結(jié)構(gòu)及敏感元件模塊輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù) 傳遞和處理，從而得到所測(cè)的流量信號(hào)和溫度信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種小衛(wèi)星單相流體熱控回路流量-溫度一體 化測(cè)量方法，其特征在于包括用一個(gè)管道結(jié)構(gòu)及敏感元件模塊，通過(guò)感應(yīng)回路中的流體流量、溫度信號(hào)，產(chǎn)生相 應(yīng)的電信號(hào)；用信號(hào)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)管道結(jié)構(gòu)及敏感元件模塊輸出的電信號(hào)進(jìn)行傳遞 和處理，從而得到所測(cè)的流量信號(hào)和溫度信號(hào)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的小衛(wèi)星單相流體熱控回路典型配置結(jié)構(gòu)圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的流量-溫度一體化測(cè)量裝置工作示意圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的管道結(jié)構(gòu)及敏感元件示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的測(cè)量裝置數(shù)值計(jì)算流程圖。附圖標(biāo)號(hào)1.熱源2A.微通道換熱器2B.微通道換熱器3.溫度傳感器4.泵5.壓差傳感器6.調(diào)節(jié)閥7.輻射器8.流量計(jì)9.流體回路管道10管道結(jié)構(gòu)及敏感元件101.管道結(jié)構(gòu)102A. NTC 熱敏電阻102B.PTC熱敏電阻11.信號(hào)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理模塊111.恒流源112.信號(hào)調(diào)節(jié)及放大電路113. AD信號(hào)轉(zhuǎn)換電路114.數(shù)據(jù)處理單元12.人機(jī)交互模塊121.顯示單元122.設(shè)定單元13.通信模塊
具體實(shí)施方案為了滿足微小衛(wèi)星單相流體熱控回路系統(tǒng)發(fā)展的需求，本發(fā)明設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種新 型流量-溫度一體化測(cè)量裝置。該測(cè)量裝置采用熱敏電阻作為敏感元件，熱敏電阻具有體 積小、機(jī)械加工簡(jiǎn)單、靈敏度高、穩(wěn)定性好以及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。將熱敏電阻加工成圓盤 形形狀，作為敏感探針置于流體回路管道中，并與恒流源構(gòu)成閉合電路，產(chǎn)生一定的熱功 率。當(dāng)流體橫掠熱敏電阻時(shí)，通過(guò)對(duì)流換熱實(shí)現(xiàn)熱敏電阻與流體之間的熱量交換，根據(jù)熱平 衡原理和對(duì)流換熱的準(zhǔn)則關(guān)系，可以推導(dǎo)出工質(zhì)溫度、流量與阻值變化之間的關(guān)系，從而實(shí) 現(xiàn)流量、溫度的數(shù)值測(cè)量。這種測(cè)量裝置在保證單相流體回路熱控系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能良好的情 況下，可以同時(shí)測(cè)量出流量和溫度信號(hào)，提高了小衛(wèi)星熱控制的響應(yīng)速度，消除了傳統(tǒng)流量 計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受空間環(huán)境影響大，故障因素多的弱點(diǎn)，對(duì)提高熱控系統(tǒng)的整體可靠性具有十 分重要的意義。下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。參見圖1所示，一般小衛(wèi)星上的熱源1主要是電子設(shè)備發(fā)熱；機(jī)械泵3驅(qū)動(dòng)單相流 體回路中的工質(zhì)在回路管道9內(nèi)流動(dòng)，熱源設(shè)備將產(chǎn)生的熱量通過(guò)第一微通道換熱器2A換 熱給流體回路中的流體工質(zhì)，流體溫度升高；當(dāng)高溫流體流經(jīng)輻射散熱器7部件時(shí)，又通過(guò)第二微通道換熱器2B將熱量傳遞給輻射器7，輻射器7將接收的熱量以輻射散熱的形式排 散到空間。所述回路中的熱源1是指小衛(wèi)星上的發(fā)熱設(shè)備，流體工質(zhì)選用去離子水，泵5選 擇微型直流泵，閥6是流量調(diào)節(jié)閥，輻射器7用于空間輻射散熱。其中溫度傳感器3和流量 計(jì)8可以置于回路結(jié)構(gòu)中任意需要測(cè)量的點(diǎn)，用于測(cè)量流體的溫度和流量，壓差傳感器4用 于測(cè)量泵的壓差。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述單相流體回路系統(tǒng)即單相流體回路地面驗(yàn)證系統(tǒng) 包括流體部件(機(jī)械泵、流體傳輸管道、閥)和傳熱部件(發(fā)熱設(shè)備、微通道換熱器、輻射 器)兩類部件。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述機(jī)械泵5是流體強(qiáng)迫對(duì)流的動(dòng)力，用于驅(qū)動(dòng)流體 在回路管道9內(nèi)流動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述熱源1用來(lái)表示航天器上的電子設(shè)備或發(fā)熱設(shè) 備，輻射器7用來(lái)進(jìn)行空間散熱。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述微通道換熱器2A、2B分別用于熱源1和流體、流體 和輻射器7之間的熱量交換。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述閥6是典型的管路流量調(diào)節(jié)部件，通過(guò)開度調(diào)節(jié) 實(shí)現(xiàn)其所在管道支路的流量控制。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述溫度傳感器3用于采集回路系統(tǒng)中各測(cè)點(diǎn)溫度信 號(hào)，根據(jù)測(cè)量需要可布置多個(gè)測(cè)量點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述流量計(jì)8用于采集回路干路或者支路的流體流量 信號(hào)，根據(jù)測(cè)量需要可在干路或支路流體管道或者支路中多點(diǎn)布置。圖2所示的是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的小衛(wèi)星單相流體熱控回路流量-溫度一 體化測(cè)量裝置，該裝置包括管道結(jié)構(gòu)及敏感元件模塊10、信號(hào)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理模塊11、人 機(jī)交互模塊12和通信模塊13。管道結(jié)構(gòu)及敏感元件模塊10用于方便的將測(cè)量裝置接入回 路管道9中，并且對(duì)所接入位置開展流量、溫度的一體化測(cè)量工作；信號(hào)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理模 塊11用于對(duì)管道結(jié)構(gòu)及敏感元件模塊10采集的信號(hào)進(jìn)行處理和變換，得到測(cè)量裝置所需 測(cè)量的流量、溫度值；人機(jī)交互模塊12用于測(cè)量結(jié)果的輸出和測(cè)量裝置的標(biāo)定；通信模塊 13用于將測(cè)量裝置與外部控制器連接。圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的管道結(jié)構(gòu)及敏感元件模塊10的一個(gè)實(shí)施例，其中熱敏電 阻102A、102B均被加工成圓盤形探針形狀，并且完全內(nèi)嵌入管道結(jié)構(gòu)101中，熱敏電阻引腳 與外部恒流源111相連，產(chǎn)生一定的熱功率。管道結(jié)構(gòu)101的制作材料選用有機(jī)玻璃，外形 加工成管道形狀，兩端口裝配有螺栓接口管道結(jié)構(gòu)101的設(shè)置是用于方便將敏感元件接入 流體回路管道9中，從而開展測(cè)量工作。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述管道及敏感元件模塊10中，敏感元件同時(shí)采用 NTC-負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻102A和PTC-正溫度系數(shù)熱敏電阻102B，兩個(gè)熱敏電阻均與恒流 源相連構(gòu)成閉合電路，產(chǎn)生一定的熱功率。當(dāng)流體流經(jīng)管道結(jié)構(gòu)101并外掠熱敏電阻102A、 102B時(shí)，熱敏電阻102A、102B均會(huì)與流體之間產(chǎn)生對(duì)流換熱過(guò)程，熱敏電阻產(chǎn)生的熱量會(huì) 被流體帶走，其換熱過(guò)程遵循能量守恒原理。由熱敏電阻與流體對(duì)流換熱時(shí)遵循的能量守 恒與對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式，可以同時(shí)測(cè)出回路中流體的溫度和流量。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述流體溫度變化范圍為10 60°C，熱敏電阻的選型可以在該范圍選擇合適的型號(hào)。本發(fā)明的一種小衛(wèi)星單相流體熱控回路流量-溫度一體化測(cè)量裝置，溫度傳感器 和流量傳感器輸出的相關(guān)信息在信號(hào)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理模塊11中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和處理，通 過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理模塊11可以得到所測(cè)的流量、溫度信號(hào)及變化趨勢(shì)，并作為測(cè)量裝 置的顯示結(jié)果。信號(hào)調(diào)節(jié)及放大電路112用于接收熱敏電阻產(chǎn)生的電壓變化信號(hào)，電壓信 號(hào)經(jīng)放大器放大后，傳遞給AD信號(hào)轉(zhuǎn)換電路113。所述的AD信號(hào)轉(zhuǎn)換電路113用于將接 收到的放大電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳遞給數(shù)據(jù)處理單元114。所述的數(shù)據(jù)處理單元114 包括電壓-阻值-溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換單元和電壓-阻值-流量信號(hào)轉(zhuǎn)換單元，其將接收到的數(shù) 字信號(hào)通過(guò)算法算出裝置所需的測(cè)量值。所述的測(cè)量電路可以內(nèi)嵌在微小衛(wèi)星的SST系列 單片機(jī)或者DSP處理器等職能芯片上。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述測(cè)量裝置的人機(jī)交互模塊12包括溫度、流量 數(shù)值顯示單元121和數(shù)值設(shè)定單元122。溫度、流量數(shù)值顯示單元121主要用于顯示測(cè)量裝 置最后的測(cè)量結(jié)果，可以將溫度、流量的數(shù)值分別用兩個(gè)顯示單元顯示，也可以在同一顯示 單元中讀數(shù)。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，所述顯示單元121采用數(shù)碼管。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)值設(shè)定單元122主要用于連接標(biāo)定裝置。在測(cè) 量過(guò)程中，根據(jù)標(biāo)定出的傳感器的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，進(jìn)行相關(guān)的人工參數(shù)設(shè)定，以提高 測(cè)量精度。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通信模塊13通過(guò)采用CAN總線接口或者RS232 串行通訊接口與外部控制設(shè)備進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)該流量-溫度一體化測(cè)量裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)傳 輸。參考圖4所示的是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的數(shù)據(jù)處理過(guò)程。上述NTC-熱敏電 阻102A的阻值跟溫度的關(guān)系可以描述為Rjvt — RNT 0
exp[凡(l/rw-l/r0)](J)式中，Rnt是熱敏電阻102A發(fā)熱時(shí)候的電阻值，Rnto是熱敏電阻102A基準(zhǔn)溫度Ttl 時(shí)的電阻值，Bn為熱敏電阻102A的材料常數(shù)，Tn為熱敏電阻102A發(fā)熱時(shí)候的溫度。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述PTC-熱敏電阻102B的阻值跟溫度的關(guān)系可以描 述為RPT = RPT0 eXP[5P (TP -^O)](2)式中，Rpt是熱敏電阻102B發(fā)熱時(shí)候的電阻值，Rpto是熱敏電阻102B基準(zhǔn)溫度Ttl 時(shí)的電阻值，Bp為熱敏電阻102B的材料常數(shù)，Tp為熱敏電阻102B發(fā)熱時(shí)候的溫度。因此，根據(jù)式⑴和式⑵可以分別得到熱敏電阻102A與熱敏電阻102B發(fā)熱時(shí)， 溫度與阻值的關(guān)系式 Tn = BN[ln(Rnt/Rnto ) + Bn/T0\1( 3 )Tp =3-/1^(1^/1^)+ BpT0](4)因此，根據(jù)關(guān)系式(3)和(4)可以分別求解得到熱敏電阻102A與熱敏電阻102B 被流體沖刷前的溫度In和TP。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述測(cè)量裝置遵循的能量守恒原理，即熱敏電阻外接恒流源產(chǎn)生的熱功率與流體對(duì)流換熱帶走的熱量之間遵循能量守恒描述為I2Rt = hA (T-Tf)(5)式中，I為恒流源提供的穩(wěn)定電流的值，Rt是熱敏電阻溫度為T時(shí)的阻值，h為熱 敏電阻與流體對(duì)流換熱時(shí)的換熱系數(shù)，Tf為流體的溫度。因此根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述測(cè)量裝置中熱敏電阻102A、102B分別滿足方 程I2Rnt = hNAN (VTf)(6)I2Rpt = hpAp (Tp-Tf)(7)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述回路流體流經(jīng)管道及敏感元件模塊10時(shí)，流體會(huì) 沖刷熱敏探頭102A、102B,并通過(guò)對(duì)流換熱的方式帶走探頭外接恒流源產(chǎn)生的熱量。在本發(fā) 明中，在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，將熱敏探頭102A、102B近似成球體形狀，因此根據(jù)流體外掠球體 的對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式 Nu = 2+ (0. 4Re1/2+0. 06Re2/3) Pr0.4 ( η / η w)1/4(8)式中，普朗克數(shù)ft· = v/a，雷諾數(shù)Re = udH/v，努謝爾數(shù)Nu = hdH/λ，dH為圓盤探頭的水力直徑，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，u為流速，ν為運(yùn)動(dòng)粘度，a為擴(kuò)散系數(shù)。根據(jù)式(8)可以分別推導(dǎo)出兩個(gè)熱敏探頭與流體進(jìn)行對(duì)流換熱時(shí)，換熱系數(shù)與流 速之間的函數(shù)關(guān)系式hN = (U)(9)hp = f2(u)(10)在本發(fā)明中，將換熱系數(shù)與流速之間的函數(shù)關(guān)系(9)、(10)分別代入流體與熱敏 電阻之間的對(duì)流換熱遵循能量守恒方程(6)、(7)，并聯(lián)立求解，可以獲得流速u和流體溫度 Tf的數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明裝置的流量-溫度一體化測(cè)量。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述測(cè)量裝置采用兩個(gè)熱敏電阻作為敏感元件，通過(guò) 采集電壓信號(hào)、信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理和輸出等一系列測(cè)量過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了小衛(wèi)星單相流體熱控 回路流量-溫度的一體化測(cè)量，該測(cè)量裝置既實(shí)現(xiàn)了流量、溫度兩個(gè)信號(hào)的同步實(shí)時(shí)測(cè)量， 又減少了單傳感器使用引起的流量測(cè)量誤差，提高了流體回路流量的測(cè)量精度。根據(jù)本發(fā)明的小衛(wèi)星單相流體熱控回路流量-溫度一體化測(cè)量裝置的優(yōu)點(diǎn)包括(1)流量-溫度一體化測(cè)量裝置可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)流體回路中各所需點(diǎn)溫度和流量的 實(shí)時(shí)測(cè)量，相對(duì)于傳統(tǒng)的流量計(jì)和溫度傳感器分離式應(yīng)用設(shè)計(jì)，該測(cè)量裝置具有更高的集 成度，體積和質(zhì)量均大大減小，更加適合在體積和重量要求苛刻的微小衛(wèi)星上安裝應(yīng)用。(2)本發(fā)明的流量-溫度一體化測(cè)量裝置沒(méi)有普通流量計(jì)的內(nèi)置旋轉(zhuǎn)部件，因此 不會(huì)由于機(jī)械作用對(duì)流體回路產(chǎn)生阻力影響，可以大幅度減少系統(tǒng)的阻力損失，從而降低 單相流體熱控回路泵的能耗。這種低能耗的測(cè)量裝置特別適合在小衛(wèi)星或星際探測(cè)等能源 較為緊張的飛行任務(wù)中應(yīng)用；(3)該流量-溫度一體化測(cè)量裝置的敏感測(cè)量元件由NTC、PTC兩個(gè)不同阻值-溫 度特性的熱敏電阻構(gòu)成，NTC、PTC兩個(gè)熱敏電阻聯(lián)合使用，通過(guò)兩個(gè)能量守恒方程的聯(lián)立求 解和解耦計(jì)算，不僅可以實(shí)現(xiàn)流量、溫度兩個(gè)測(cè)量信號(hào)獲取，而且能夠降低單傳感器測(cè)量的 誤差，進(jìn)而取得更高的測(cè)量精度；(4)采用的敏感元件熱敏電阻不但靈敏度高、體積小、穩(wěn)定性好以及使用壽命長(zhǎng)，能夠滿足航天器對(duì)可靠性的要求，而且成本低廉、裝配簡(jiǎn)單，較為容易推廣應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.小衛(wèi)星單相流體熱控回路流量-溫度一體化測(cè)量裝置，其特征在于包括 管道結(jié)構(gòu)及敏感元件模塊(10)，信號(hào)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理模塊(11)，用于對(duì)管道結(jié)構(gòu)及敏感元件模塊(10)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn) 行數(shù)據(jù)傳遞和處理，從而得到所測(cè)的流量信號(hào)和溫度信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的小衛(wèi)星單相流體熱控回路流量-溫度一體化測(cè)量裝置，其特征在 于進(jìn)一步包括人機(jī)交互模塊(12)， 通信模塊(13)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的小衛(wèi)星單相流體熱控回路流量-溫度一體化測(cè)量裝置，其特征在于所述人機(jī)交互模塊(1 包括溫度、流量數(shù)值顯示單元(121)，用于顯示所測(cè)量的溫度、流量的數(shù)值； 數(shù)值設(shè)定單元(12 用于連接一個(gè)標(biāo)定裝置，根據(jù)標(biāo)定出的管道結(jié)構(gòu)及敏感元件模塊 (10)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，進(jìn)行相關(guān)的人工參數(shù)設(shè)定， 所述管道結(jié)構(gòu)及敏感元件模塊(10)包括 管道結(jié)構(gòu)101，用于方便的將敏感元件接入流體回路中， 所述敏感元件，用于測(cè)出回路中流體的溫度和流量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的小衛(wèi)星單相流體熱控回路流量-溫度一體化測(cè)量裝置，其特征在 于所述敏感元件包括NTC-負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(102A)， PTC-正溫度系數(shù)熱敏電阻(102B)，其中所述NTC-負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(102A)和所述PTC-正溫度系數(shù)熱敏電阻(102B) 均與一個(gè)恒流源相連從而構(gòu)成閉合電路，以產(chǎn)生一定的熱功率，用于由所述NTC-負(fù)溫度系 數(shù)熱敏電阻(102A)和所述PTC-正溫度系數(shù)熱敏電阻(102B)與流體對(duì)流對(duì)流換熱時(shí)遵循 的能量守恒與對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式，可以同時(shí)測(cè)出回路中流體的溫度和流量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4的小衛(wèi)星單相流體熱控回路流量-溫度一體化測(cè)量裝置，其特征 在于所述小衛(wèi)星包括發(fā)熱的電子設(shè)備構(gòu)成的熱源(1)；機(jī)械泵(3)，用于驅(qū)動(dòng)單相流體回路中的流體工質(zhì)在回路管道(9)內(nèi)流動(dòng)， 所述回路管道(9)，一個(gè)第一微通道換熱器(2A)，用于使所述熱源(1)產(chǎn)生的熱量通過(guò)所述微通道換熱器 (2A)換熱給所述回路管道(9)中的流體工質(zhì)， 輻射散熱器(5)，一個(gè)第二微通道換熱器(2B)，用于當(dāng)所述流體工質(zhì)流經(jīng)輻射散熱器(7)時(shí)，通過(guò)第二 微通道換熱器OB)將熱量傳遞給輻射器(7)，從而由輻射器(7)將接收的熱量以輻射散熱 的形式排散到空間。
6.小衛(wèi)星單相流體熱控回路流量-溫度一體化測(cè)量方法，其特征在于包括用一個(gè)管道結(jié)構(gòu)及敏感元件模塊(10)，通過(guò)感應(yīng)回路中的流體流量、溫度信號(hào)，產(chǎn)生相 應(yīng)的電信號(hào)；用信號(hào)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理模塊(11)對(duì)管道結(jié)構(gòu)及敏感元件模塊(10)輸出的電信號(hào)進(jìn)行 傳遞和處理，從而得到所測(cè)的流量信號(hào)和溫度信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的小衛(wèi)星單相流體熱控回路流量-溫度一體化測(cè)量方法，其特征在 于進(jìn)一步包括用溫度、流量數(shù)值顯示單元(121)顯示所測(cè)量的溫度、流量的數(shù)值； 用數(shù)值設(shè)定單元(12 連接一個(gè)標(biāo)定裝置，根據(jù)標(biāo)定出的管道結(jié)構(gòu)及敏感元件模塊 (10)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，進(jìn)行相關(guān)的人工參數(shù)設(shè)定， 用管道結(jié)構(gòu)(101)將敏感元件接入流體回路中， 用所述敏感元件測(cè)出回路中流體的溫度和流量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的小衛(wèi)星單相流體熱控回路流量-溫度一體化測(cè)量方法，其特征在 于進(jìn)一步包括使一個(gè)NTC-負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(102A)和一個(gè)PTC-正溫度系數(shù)熱敏電阻(102B)均 與一個(gè)恒流源相連從而構(gòu)成閉合電路，以產(chǎn)生一定的熱功率，由所述NTC-負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(102A)和所述PTC-正溫度系數(shù)熱敏電阻(102B)與 流體對(duì)流對(duì)流換熱時(shí)遵循的能量守恒與對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式，同時(shí)測(cè)出回路中流體的溫度 和流量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的小衛(wèi)星單相流體熱控回路流量-溫度一體化測(cè)量方法，器特征在 于所述同時(shí)測(cè)出回路中流體的溫度和流量的步驟包括把上述NTC-熱敏電阻(102A)的阻值跟溫度的關(guān)系描述為Rjvt — RNT 0exp[凡(l/rw-l/r0)](J)式中，Rnt是熱敏電阻(102A)發(fā)熱時(shí)候的電阻值，Rnto是熱敏電阻(102A)基準(zhǔn)溫度Ttl 時(shí)的電阻值， 為熱敏電阻(102A)的材料常數(shù)，Tn為熱敏電阻(102A)發(fā)熱時(shí)候的溫度。 把上述PTC-熱敏電阻(102B)的阻值跟溫度的關(guān)系可以描述為 WMBP(TP _TJ\(2)式中，Rpt是熱敏電阻(102B)發(fā)熱時(shí)候的電阻值，Rpto是熱敏電阻(102B)基準(zhǔn)溫度Ttl 時(shí)的電阻值，~為熱敏電阻(102B)的材料常數(shù)，Tp為熱敏電阻(102B)發(fā)熱時(shí)候的溫度。根據(jù)式(1)和式(2)分別得到熱敏電阻(102A)與熱敏電阻(102B)發(fā)熱時(shí)，溫度與阻 值的關(guān)系式Tn = Bn [In (Rnt /Rnto ) + Bn/T0\1(3)Tp =B-P1[\U(RPT/Rpiii) +BpT0](4)根據(jù)關(guān)系式(3)和(4)分別求解得到熱敏電阻(102A)與熱敏電阻(102B)被流體沖刷 前的溫度In和TP，把所述恒流源產(chǎn)生的熱功率與流體對(duì)流換熱帶走的熱量之間遵循能量守恒描述為 I2Rt = hA (T-Tf)(5)式中，I為恒流源提供的穩(wěn)定電流的值，Rt是熱敏電阻溫度為T時(shí)的阻值，h為熱敏電 阻與流體對(duì)流換熱時(shí)的換熱系數(shù)，Tf為流體的溫度，其中上述測(cè)量裝置中熱敏電阻(102A、102B)分別滿足方程 I2Rnt = hNAN(TN"Tf)(6)I2Rpt = hpAp (Tp-Tf)(7)且流體外掠球體的對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)系表示為 Nu = 2+ (0. 4Re1/2+0. 06Re2/3) Pr0.4 ( η / η w)1/4 (8)式中，普朗克數(shù)ft" = v/a，雷諾數(shù)Re = udH/v，努謝爾數(shù)Nu = hdH/λ，dH為圓盤探頭的 水力直徑，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，u為流速，ν為運(yùn)動(dòng)粘度，a為擴(kuò)散系數(shù)，根據(jù)式⑶分別推導(dǎo)出 兩個(gè)熱敏探頭與流體進(jìn)行對(duì)流換熱，其中換熱系數(shù)與流速之間的函數(shù)關(guān)系為 hN = (u)(9)hp = f2(u)(10)將換熱系數(shù)與流速之間的函數(shù)關(guān)系(9)、(10)分別代入流體與熱敏電阻之間的對(duì)流換 熱遵循能量守恒方程(6)、(7)，并聯(lián)立求解，從而獲得流速u和流體溫度Tf的數(shù)值，從而實(shí) 現(xiàn)本發(fā)明裝置的流量-溫度一體化測(cè)量。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-9的小衛(wèi)星單相流體熱控回路流量-溫度一體化測(cè)量方法，其特征 在于所述小衛(wèi)星包括發(fā)熱的電子設(shè)備構(gòu)成的熱源(1)；機(jī)械泵(3)，用于驅(qū)動(dòng)單相流體回路中的流體工質(zhì)在回路管道(9)內(nèi)流動(dòng)， 所述回路管道(9)，一個(gè)第一微通道換熱器(2A)，用于使所述熱源(1)產(chǎn)生的熱量通過(guò)所述微通道換熱器 (2A)換熱給所述回路管道(9)中的流體工質(zhì)， 輻射散熱器(7)，一個(gè)第二微通道換熱器(2B)，用于當(dāng)所述流體工質(zhì)流經(jīng)輻射散熱器(7)時(shí)，通過(guò)第二 微通道換熱器OB)將熱量傳遞給輻射器(7)，從而由輻射器(7)將接收的熱量以輻射散熱 的形式排散到空間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于小衛(wèi)星單相流體熱控回路的流量-溫度一體化測(cè)量裝置，包括管道結(jié)構(gòu)及敏感元件模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理模塊、人機(jī)交互模塊和通信模塊。管道結(jié)構(gòu)及敏感元件模塊裝配有兩個(gè)熱敏電阻，接入單相流體回路中，流體沖刷熱敏電阻時(shí)會(huì)通過(guò)對(duì)流換熱帶走熱敏電阻與恒流源相連產(chǎn)生的熱量；根據(jù)熱平衡原理，熱敏電阻產(chǎn)生的熱量與對(duì)流換熱量相等，而對(duì)流換熱量與流體流速、溫度有關(guān)，因此信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理模塊能將接收到的阻值信號(hào)轉(zhuǎn)換為流量及溫度信號(hào)；人機(jī)交互和通信模塊分別用于測(cè)量信號(hào)的顯示和傳輸。本裝置選用兩個(gè)熱敏電阻作為敏感元件，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，機(jī)械損失小，通過(guò)解耦計(jì)算能消除流體溫度變化對(duì)流量測(cè)量的影響，測(cè)量精度高。
文檔編號(hào)G01F1/68GK102141422SQ20101061735
公開日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者劉東曉, 周湘杰, 李明敏, 李運(yùn)澤, 楊群, 王浚 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)