用于测量气流速度的装置和方法与流程

已经有许多用于测量气流的速度的方法。具体地，已知通过使用皮托管来测量气流的速度。这种探针包括面向流动的滞压捕获孔和布置在与流动相切的壁上的静压捕获孔。然后，滞压与静压之间的差值与气体速度的平方成比例。然而，滞压捕获孔由可能被冰或灰尘阻塞或存在维护操作问题的毛细管构成，正因为这个原因皮托管的可靠性可能不足。

还已知通过使用超声脉冲发射探针来测量气流的速度。测量原理基于超声脉冲传输时间的确定。但是这种探针限于小于100m/s(米/秒)的待测量速度。

还已知使用穿过气流的激光束。可根据背散射光的多普勒频移或气体成分的吸收线的波长偏移来评估流动速度。但是这种方法需要激光源、用于使光束朝向流动出口并用于收集返回光的至少一个光学窗口。此外，当流动速度小时，这些光学方法不精确。

另外，还已知离子探针用于测量气流的速度。在第一类这样的探针中，在流动中产生离子，然后从其产生区域的下游收集离子。然后在通过脉冲产生离子的情况下，可由称为离子飞行时间的释放和收集物品之间的时间确定流动速度，或者在连续或几乎连续产生离子的情况下从收集的电流值推导出流动速度。但是，来自第一类的探针需要将离子源放入气流中，这会干扰要测量其速度的流动。

最后，来自第二类的离子探针使用通过(正或负)直流电压极化的细尖端，以在气流中产生离子。对于这些探针中的一些，测量电极位于流的下游，以收集对应于所产生的离子的电荷。然后可将测量电极中的电流值联系至流动速度。对于其他探针，尖端通过负直流电极极化，以产生负电晕放电。在这种情况下，来自电晕放电的脉冲电流值或电晕放电脉冲频率值提供流动速度的测量值。这种离子探针描述于f.d.werner和r.l.geronime的文章“applicationsofthecoronadischargeformeasurementsofdensityandvelocitytransientsinairflow(电晕放电用于测量气流中的密度和速度瞬变的应用)”，1953，pp.53-142和e.t.pierce提出的题为“trichelpulsecoronagasvelocityinstrument(特里切尔脉冲电晕气体速度仪)”的美国专利us3,945,251中。但是这种采用直流电极化的离子探针具有大的滞后，使得连续的测量受到结果漂移的影响，因此难以获得气流速度的可靠值。

从这种情况出发，本发明的目的是提出一种用于测量气流的速度的新型探针，其不具有上述现有探针的缺点。具体地，寻求以下特性：

-测量范围(也被称为测量动态)广泛，可能可控，并允许测量低速和高速流动；

-避免使用毛细管，因为它可能会被阻塞；

-避免使用光学窗口，因为它们可能变脏或不透明或漫射；

-在连续进行的测量期间没有滞后现象；

-操作与用于测量的探针的防冰或除冰系统兼容；以及

-它具有将高压子电路与低压子电路电隔离的结构。

为了达到这些目的或其他目的中的至少一个，本发明的第一方面提出了用于测量气流的速度的装置，其包括：

-刚性探针，意在放置于气流中，其中，探针包括轴向电极和外周电极，该轴向电极具有一个意在与气体接触的暴露端部，其中，该暴露端部具有适于通过尖端效应产生电场强化的曲率半径，该外周电极与轴向电极电隔离，并且该外周电极具有也意在与气体接触，远离轴向电极定位的暴露部分；以及

-电压供应源，具有两个输出端子，这两个输出端子电连接至用于输出端子中的一个的轴向电极和用于输出端子中的另一个的外周电极。

结合本发明，具有适于通过尖端效应产生电场强化的曲率半径的电极端部理解为意指具有小于5mm(毫米)、优选地小于2mm的曲率半径的电极。称为尖端效应的电效应对于本领域技术人员是众所周知的，周知到因此不需要在此描述。当形成尖端的电极端部的曲率半径较小时，这种效应甚至更大。当该曲率半径足够小，低于5mm，优选地低于2mm时，通过尖端几何形状充分增加局部电场，以达到气体的电离电势。

根据本发明，电源产生交替的电压，意指具有交替的负电压值的周期和正电压值的周期，并且该装置还包括：

-检测电路，包括至少一个导电匝和计数器，导电匝围绕电连接器布置，电连接器将探针的电极中的一个连接至供应源的端子中的一个，或者导电匝围绕轴向电极布置，计数器布置成用于对电脉冲计数，电脉冲选择性地在轴向电极的电势小于外周电极的电势的至少一个时间窗口期间，通过感应在匝中产生，

因此，当通过供应源向探针供应交流电压时，由检测电路计数的电脉冲数目构成气流的速度的测量值，其中，电脉冲数目对应于通过气体在轴向电极与外周电极之间出现的放电数目。

这种装置具有以下优点：

-在探针的电极之间使用交流电压消除了可能的滞后行为；

-在包括尖端的轴向电极相对于外周电极负极化期间对电晕放电脉冲计数，将测量操作限于负电晕放电状态，负电晕放电状态与正电晕放电状态不同，其产生规则电流脉冲，对于正电晕放电状态，与外周电极相比，包括尖端的轴向电极将被正极化；

-测量范围非常广泛。具体地，它与飞行器上的使用兼容；以及

-通过感应检测放电脉冲允许电隔离供电电路和检测电路，该供电电路产生待施加在探针的两个电极之间的电压。这导致对用于测量气体的流动速度的装置以及对外部电路的操作安全性。

在根据本发明的装置的各种实施方式中，可单独使用以下配置或改进，或者将它们中的几个组合使用：

-外周电极的暴露部分可具有围绕轴向电极的暴露端部的对称轴的环形形状；

-外周电极的暴露部分可相对于轴向电极的暴露端部凹入，其中，凹入方向与轴向电极的暴露端部相对；以及

-该装置还可包括镇流电阻，该镇流电阻串联连接在探头的电极中的一个与供应源的、连接至该电极的端子之间。这种镇流电阻可有利地布置在探针中。具体地，镇流电阻可围绕轴向电极的一个后端部布置在探针中，与轴向电极的暴露端部相对，并且与轴向电极的该后端部的外周表面电接触。这种布置可用于形成探针的防冰或除冰系统。例如，当镇流电阻由导电材料的圆柱体形成时，探针还可包括导电管，该导电管布置并电连接成与镇流电阻的圆柱体形成电容器。因此，当通过供应源对探针供能时，在电容器中流动的电流通过镇流电阻的圆柱体中的焦耳效应产生适于加热轴向电极的热量。对于探针的这种结构，导电匝还可围绕轴向电极的、未被镇流电阻的圆柱体覆盖的部分布置在探针中，同时与轴向电极隔离。可能地，来自该匝的电脉冲信号可在发送至探针外部之前被放大或变换，以确保该传输可靠。

本发明的第二方面提出了测量气流的速度的方法，其包括以下步骤：

/1/提供刚性探针，该刚性探针包括轴向电极和外周电极，轴向电极具有一个暴露端部，该暴露端部具有适于通过尖端效应产生电场强化的曲率半径，以及外周电极与轴向电极电隔离，并且外周电极具有远离轴向电极定位的暴露部分；

/2/将探针置于气流中，使得轴向电极的暴露端部和外周电极的暴露部分同时与气体接触；以及

/3/在轴向电极与外周电极之间施加电压，以便通过电极之间的气体产生放电。

根据本发明，施加的电压是交流电压，以及该方法还包括以下步骤：

/4/对通过感应在至少一个导电匝中产生的电脉冲进行检测和计数，导电匝围绕用于将交流电压施加至电极的电连接器布置，或者围绕轴向电极布置，并且电脉冲对应于选择性地在轴向电极的电势小于外周电极的电势的至少一个时间窗口期间通过气体的放电；以及

/5/由电脉冲的计数结果推导出气流的速度值。

优选地，来自流的气体包括至少一种具有显著电负性的化合物(例如，空气)，以便在供电电压的负半周期期间从轴向电极获得更稳定的负电晕放电。

优选地，探针可相对于气流进行定向，使得轴向电极的暴露端部转向流的上游方向，并且轴向电极的该暴露端部的对称轴平行于气流。

还优选地，对电脉冲的计数可在几个连续的时间窗口上继续，其中，每个时间窗口均包括在轴向电极的电势相对于外周电极的电势的负半周期中，时间窗口彼此独立。

又优选地，可计算单个时间窗口内连续的两个电脉冲之间的平均时间，或计算单个时间窗口内的电脉冲的平均频率。然后，可由平均时间或平均频率推导出气流的速度值。

可能地，气流速度的计算可由校准阶段和称为有用测量的测量阶段产生。在这种情况下，可通过使用公式u＝u1·(n0-n)/(n0-n1)来计算气流的速度，其中，n0是当气流速度为零时执行的第一校准测量所计数的第一电脉冲数目，n1是当气流速度为非零并且等于u1时执行的第二校准测量所计数的第二电脉冲数目，n是为有用测量所计数的第三电脉冲数目，以及u是在有用测量期间的气流的速度值。为此目的，对于校准测量和有用测量两者，在探针的两个电极之间施加的交流电压是相同的。

根据本发明的第二方面的方法可通过使用符合第一方面的装置来实施。具体地，当该装置包括探针中的镇流电阻和用于与平衡电阻形成电容器的管时，可通过修改由供应源产生的交流电压的频率或形状来调节在镇流电阻中消耗的加热功率。因此，供应源具有两个功能：产生负电晕放电，以及探针的防冰或除冰，以避免电绝缘冰层覆盖轴向电极的暴露端部。

最后，符合本发明的方法可在飞行器上实施，该飞行器适于相对于该飞行器外部的空气移动，形成前面提到的流动气体。为此目的，探针刚性地附接至飞行器，以便保持在飞行器外部的气流中。在这种应用中，探针的外周电极可有利地电连接至飞行器的地，使得该外周电极的电势保持为等于飞行器的地的电势。

参考附图，本发明的其他细节和优点将在非限制性实施例的以下描述中显而易见，其中：

-图1是根据本发明的测量装置的示意图；

-图1a是图1的部分的放大图；

-图2a至图2d是要组合读取的一系列时间图，示出了根据本发明的测量装置的操作；以及

-图3是符合本发明的优选实施方式的探针的截面图。

出于清楚的原因，这些图中所示的元件的尺寸不对应于实际尺寸或实际尺寸比例。此外，图1和3中所示的相同附图标记表示相同或具有相同功能的元件。

在本说明书中，负电晕放电应理解为当相对于外周电极向具有小曲率半径的电极施加负电压时，该电极附近的气体的电离。当气体是电负性时(例如，空气)，由这种负电晕放电产生的电流脉冲被称为特里切尔(trichel)脉冲。每个脉冲均持续几十纳秒，幅度为几毫安，并且具有几十千赫兹脉冲的重复频率。当相对于外周电极对具有小曲率半径的电极施加正电压时，产生特性不同的正电晕放电。

如图1中所示，探针s包括轴向电极1和外周电极2。轴向电极1具有对称轴a-a并且容纳在电绝缘的外壳3中。轴向电极1的一个端部1p暴露在外壳3的外部，以便与探针s外部的气体接触。图1a示出了轴向电极1的暴露端部1p的放大图。该暴露端部1p具有平行于轴线aa的尖端形状，其曲率半径r1小于5mm，优选地小于2mm。轴向电极1是导电材料，优选为当暴露于等离子体时耐原子磨损和粉碎的合金。

外周电极2可具有环形形状，该环形形状也具有作为对称轴的轴线a-a。它远离轴向电极1布置，具体地相对于轴线a-a径向布置。外周电极2也由导电材料制成并具有暴露部分2p，该暴露部分2p意在与轴向电极1同时地与探针s外部的气体接触。对于如图1中所示的探针s的配置，外周电极2可通过至少一个臂3’保持在相对于轴向电极1的固定位置，臂3’设计成用于通过允许气体在外壳3与外周电极2之间通过而不干扰或最小可能地干扰探针s周围的外部气流ec。臂3’还设计成用于将外周电极2与轴向电极1电隔离，同时如下所述，还允许外周电极2电连接至探针s的供电端子。

例如，轴向电极1可以是钨(w)、钼(mo)或不锈钢，以及外周电极可以是不锈钢或铝(al)合金。

可利用供电电路4在轴向电极1与外周电极2之间施加电压。供电电路4包括电压供应源5和可选的镇流电阻6。来自供应源5的标记为ht的用于高电压的第一输出端子连接至轴向电极1，以及来自供应源5的标记为g的第二输出端子连接至外周电极2。优选地，端子g可连接至用于探针s的支撑件av的地面。在这种情况下，探针s可通过柱m刚性地附接至支撑件av，并且支撑件av可包含供电电路4。对于这种配置，电连接器10通过柱m将轴向电极1连接至供电源5的端子ht，以及外周电极2通过臂3’、绝缘外壳3和柱m连接至端子g。对于航空应用，探针s的支撑件av可以是飞行器，例如飞机，以及用于流ec的气体是飞机周围的周围空气。然后，探针s的目标是允许测量气流ec相对于支撑件av的速度。优选地，探针s相对于流ec进行定向，使得轴线a-a平行于流，轴向电极1的暴露端部1p朝向流的上游进行定向。

例如，镇流器6的电阻可包括在1mω(兆欧)与100mω之间，例如，几十兆欧。

在这种具有两个电极，其中一个电极的曲率半径小于另一个电极的曲率半径的系统中，在电极之间施加电势差导致具有较小的曲率半径的电极附近的电场集中。通过增加两个电极之间的绝对电势差，集中在具有较小曲率半径的电极前面的电场可超过气体的击穿阈值。然后，在电子雪崩电离气体的原子和/或分子期间通过气体发生放电，从而形成正电荷(即，阳离子)和负电荷(即，主要是电子)的等离子体。该放电的性质由气体的性质决定，包括其密度、温度和化学组成以及在两个电极之间施加的电压的极性。

当气体是空气时，放电的拓扑结构和行为根据施加的电压的极性而非常不同。当具有较小曲率半径的电极被正极化时，产生等离子体细丝形式的正电晕放电，其从具有较小曲率半径的该电极传播。这些具有随机空间和时间分布的等离子体细丝在电极的闭合供电电路中产生电脉冲。

但是，当具有较小曲率半径的电极相对于另一电极负极化时，产生规则或接近规则的一系列特里切尔电脉冲形式的负电晕放电。每个脉冲均对应于小曲率半径电极附近的离子物类的形成。这些脉冲的时间分布窄，并受最大频率的限制。当在两个电极之间施加的电压低于下阈值时，脉冲是不规则的。当施加的电压超过上阈值时，出现几乎连续放电的状态。在上和下这两个阈值之间，通过气体的放电脉冲的频率取决于在两个电极之间施加的电压值、气体(包括其电负性值和其湿度)、气流ec的速度、最小曲率半径处的电极材料、其几何形状(包括其曲率半径和其表面粗糙度)、以及环境电场。

通过气体形成每个放电脉冲是通过电子雪崩进行的，电子雪崩在电场最大的空间中(意指在具有最小曲率半径的电极附近)引发。这种雪崩开始于在电极尖端附近通过场效应发射或由阳离子对电极的撞击触发引发的二次发射而形成电子引发位点。在负电晕放电中，这些电子被从电极尖端发出的电场从电极尖端排斥。同时，它们被加速并与气体原子或分子碰撞。这些电子中具有足够能量的部分继续产生电离碰撞，每个电离碰撞均产生另外的电子和另外的阳离子。因此，当电子远离具有小曲率半径的电极移动时，产生被称为雪崩的电子数量的指数倍增。由于两种现象，此雪崩接下来停止。当电子云远离具有小曲率半径的电极移动时，由该电极产生的电场减小，从而减少在新碰撞时电子的能量。另外，在气体中形成自由电荷产生静电屏蔽，该静电屏蔽使由具有小曲率半径的电极产生的电场衰减。因此，这些电子所经受的电场将变得太弱，并且电子将结合至气体原子或分子，具体地，在空气的情况下结合至分子氧(o2)，以形成阴离子。因此，由于电场的残余部分，由两个电极收集由先前放电产生的阳离子和阴离子之后，才可能再次形成新的雪崩，并因此形成新的放电脉冲。然后，具体地由文献“numericalstudiesoftrichelpulsesinairflows(气流中的特里切尔脉冲的数值研究)”f.c.deng,l.y.ye和k.c.song,j.phys.d.appl.phys.,vol.46,no.42,p.425,202,oct.2013，可知气流ec改变了这种离子收集所需的时间，且因此改变了雪崩重复的频率，该频率意指两个电极之间出现的放电的频率。

此外，已知两个电极之间存在的瞬时电压的变化、电极中感应的电流的变化和流ec的速度的变化可引起平均放电电流的滞后。

考虑到这些观察，本发明提出使用：

-用于使两个电极相对于彼此极化的交流电压，以便抑制可能的滞后，滞后可能干扰具有该电压符号的规则反转的测量；以及

-将测量限于具有较小曲率半径的电极相对于另一电极负极化的时段内，以便与正电晕放电相比，从负电晕放电的更好的规律性中受益。

在这些条件下，电流脉冲出现在供电电路4中，并且因此出现在轴向电极1和电连接器10中，脉冲频率或两个连续脉冲之间的平均时间取决于流ec的速度。更具体地，如果轴向电极1的暴露尖端1p朝向流ec的上游定向，则当流ec的速度变得更大时，两个连续脉冲之间的持续时间增加。

根据本发明的另一特征，通过感应检测这种脉冲，以避免将供电电路4连接至用于检测负电晕放电电流的电路径的连续性。这种检测电路7包括至少一个导电匝8或可能是检测线圈形式的几个匝，该匝围绕电连接器10并连接至标记为compt的脉冲计数器9。因此，可通过在电连接器10中通过的放电脉冲来对通过感应在匝8中感应的电脉冲计数。例如，匝8可以以本领域技术人员已知的罗哥夫斯基(rogowski)线圈的形式实现。

为了从先前针对交替的电极极化电压和负电晕放电的极化电压给出的优点受益，根据本发明，脉冲的检测和计数被限于时间窗口fn内，在该时间窗口fn期间轴向电极1的电势小于外周电极2的电势。为此，时间窗口fn包括在由源5输送的电压为负的时间段中。在本领域技术人员的行话中，这些时间段称为交流电压的负半周期。

图2a示出了标记为vht的电压的变化，该电压由源5根据标记为t的时间进行输送。优选地，这些变化可以是周期性的，但可具有任意形式。电压vht的峰值可包括在1kv(千伏)与20kv之间，并且当气流ec是空气时，其频率可以是几百赫兹的数量级。an表示电压vht的负半周期。

图2b示出了用于激活对由电路7检测到的脉冲的计数的可能信号。标记为arm的该激活信号授权对时间窗口fn内的脉冲进行计数，这些时间窗口fn包括在电压vht的负半周期an中。tfn表示每个时间窗口fn的持续时间。

在电压vht的每个正半周期期间，存在于轴向电极1的端部1p前面的剩余负电荷和正电荷被中和。以这种方式，可在没有初始寄生电荷的情况下启动新的脉冲计数窗口fn。

图2c是由电路7检测到的标记为i的电脉冲的时间分布的示例。这些脉冲i在电压的正半周期期间以及在负半周期期间均产生，但在负半周期中的那些足够规则以获得动ec的速度的可靠测量。图2c表示例如存在于导电匝8的端部之间并且标记为v方向的电压的绝对值。

最后，图2d示出了当在电压vht的两个连续的负半周期期间连续执行计数时计数脉冲i的结果的进展。在计数时间的最后一个时间窗口fn结束之后读取计数结果，然后在开始用于新的脉冲计数的新时间窗口fn之前应用标记为raz的计数复位。

在现象学上，当如图1所示，当探针s朝向流ec的上游定向时，根据以下关系：t＝α/(β·vht-u)＝tfn/n，检测到的两个连续脉冲之间的平均时间t是流ec的速度u的递增函数，其中，α和β是两个正的常数，它们取决于电极1和电极2的几何形状、气体以及探头s相对于流ec的可能倾斜度，以及其中，tfn又是时间窗口fn的持续时间，以及n是在一个时间窗口fn期间计数的脉冲i数目。为了获得更精确的结果，可如图2d所示，在几个连续的时间窗口fn期间对脉冲i连续计数，然后将计数结果除以总计数的时间窗口fn的数目。

通常对于本发明，当使用这种现象学关系时，常数α和β可通过使用具有与有用测量相同的气体的校准序列、在校准序列期间探针s相对于流ec与对于有用测量相同的取向、以及由源5产生的相同交流电压v来确定。这样的校准系统可包括以下两个测量：

-在第一校准测量期间，流ec的速度为零(u＝0)，并且所计数的脉冲数目为n0。然后，α/(β·vht)＝tfn/n0，且然后

-在第二校准测量期间，流ec的速度为非零，已知且等于u1，以及所计数的脉冲数目为n1。然后，α/(β·vht-u1)＝tfn/n1。

因此，对于有用测量，流ec的速度u由以下关系给出：u＝u1·(n0-n)/(n0-n1)，其中，n是为有用测量而计数的脉冲i数目。校准序列可初始执行一次，或者当可通过使用其他方法获知速度u时在连续的有用测量之间重复几次。这样的其他方法可以是例如gps测量，或当支撑件av是飞行器时为不同类型的机载传感器，具体地皮托管型探针。

根据本发明的装置的测量动态可通过施加在电极1与电极2之间的交流电压vht的幅度来控制。实际上，该动态由每个时间窗口fn中的脉冲i的平均数目控制，时间窗口fn本身是交流电压vht的递增函数。因此，对于流ec的小的速度值u(例如每秒十米的量级)，可获得良好的灵敏度，并且对于高的速度值u(例如每秒几百米的量级)，也可获得良好的灵敏度。

与可能对电磁干扰敏感的模拟测量不同，本发明的另一优点在于所获取的测量信号的数字特性。

图3示出了根据本发明的速度测量装置的替代实施例。在该实施例中，外周电极2布置在绝缘外壳3的外表面上，相对于轴向电极1的端部1p朝向气流ec的下游凹入。

镇流电阻6可容纳在探针s中，并且由低导电率材料的圆柱体形成，该圆柱体围绕轴向电极1的后部，与其暴露端部1p相对。该圆柱体可与轴向电极1的后部电接触，并且其自身可通过其后端部连接至来自源5的电连接器10。有利地，导电材料的管11可围绕镇流电阻6的圆柱体布置，其中，电绝缘材料层12位于镇流电阻6的圆柱体与管11之间。然后，管11电连接至地面g。以这种方式，镇流电阻6的圆柱体和管11形成圆柱形电容器。当探针s由源5供应交流电压时，在镇流电阻6的圆柱体中和该电容器中流动的电流通过电阻加热而在镇流电阻6的圆柱体内产生热量。如果外壳3的电绝缘材料也是绝热的，则探针s的配置使在镇流电阻6的圆柱体中产生的热量集中在轴向电极1上。这种加热可用于确保在轴向电极1的暴露端部1p上不形成冰，或者使冰融化。然后可通过改变交流电压的随时间变化的频率或形状来调节轴向电极1的加热功率，具体地通过改变该交流电压的上升沿的斜率而不改变专门用于对脉冲i计数的时间窗口的持续时间来调节轴向电极1的加热功率。实际上，穿过由镇流电阻6圆柱体和管11形成的电容器的电流可以以这种方式改变，以改变轴向电极1的加热功率。这种加热轴向电极1的模式独立于通过气体在电极1和电极2中通过的放电电流的存在和平均强度。例如，镇流电阻6的圆柱体的材料可以是导电树脂或石墨(c)，以及管11可以是铝(al)合金或导电金属。中间层12可以是聚合物，诸如击穿电压大于电压vht的最大绝对值的聚四氟乙烯(ptfe)、或绝缘陶瓷，以及外壳3可以是聚合物或陶瓷。

检测电路7的匝8可围绕轴向电极1布置在外壳3内，位于轴向电极1的暴露端部1p与镇流电阻6的圆柱体的前端部之间。由于这样的布置，通过气体的放电脉冲的检测不受可用于加热轴向电极1的电流的干扰。

这种实施方式的优点是其紧凑性。实际上，探针s可成形为直径约1cm且长几厘米的圆柱体。

应当理解，可通过相对于上面详细描述的实施方式改变其次要方面来再现本发明。具体地，检测电路的脉冲计数器可通过是否结合积分器以多种方式实现。此外，请记得，在两个电极之间施加的交流电压不必是正弦的。