数字化技术和虚拟仪器在传统热线风速仪中的应用.pdf

数字化技术及虚拟仪器在传统热线风速仪中的应用1 刘江，王元，鲁庆华 西安交通大学生态环境与现代农业工程中心，陕西西安(710049) Email:liujiang@ 摘 要：数字化采集技术和计算机控制与处理系统应用到传统56C型热线风速仪中,实现了 原有系统的数字化改造。引入虚拟仪器概念，使改造后系统硬件集成度高，调节快速高效， 频响达30kHz。该系统在风洞实验和射流实验中分别与新型MiniCTA热线风速仪和LDV进行 对比实验。结果表明：改造系统能够对风速和湍流度产生正确响应，具有良好的性能曲线； 使用该系统测量风速信号频率，在其频响范围内结果可信。数字化改造可改善该系统测量结 果的准确度和再现性，提高实验效率，为其它仪器数字化改造打下良好的基础。 关键词 热线风速仪；数字化采集技术；虚拟仪器；LDV 中图分类号：O353.5 1．引言 DANTEC 公司 56C 型恒温热线风速仪（Constant Temperature Anemometer，CTA ）可用 于平均流速、湍流度和雷诺应力等流场参数的测量。该系统内置信号分析设备，通讯软件由 DANTEC 公司 RT11 系统支持，配备并行通讯板与 PC 机相连。但由于该系统属上世纪八十 年代产品，存在如下缺点：（1）测得信号先要通过内置信号分析设备处理，系统集成度低， 采用硬件模块处理信号，成本过高，且与当前先进的软件处理模式相悖；（2 ）信号分析器件 老化，影响数据处理精度；（3 ）与微机通讯方式复杂，自带软件系统陈旧，不仅处理过程繁 琐，且功能较少，过多依靠手动调节，实验效率低。因此，经可行性分析后决定对该系统进 行改造，利用 PC 机通过模/数采集卡（A/D Card ）与 56C 系统建立联机通信，借助虚拟仪 器技术，形成以 PC 机为控制中心，外围采用 AD 卡扩展的数字化测量系统。经改造后，该 系统在风洞实验和射流实验中分别与新型MiniCTA 热线风速仪系统和LDV 系统进行对比测 试。结果表明数字化 56C 系统可快速准确获得流场数据，提高测量精度。 2 ．恒温式热线风速仪系统原理及构成 2.1 CTA 静态特性 稳态情况下，按照热平衡原理，热线被流动带走的热应等于热线中产生的热。在排除热 传导、热对流耗散的情况下，加热电流在金属丝中产生的热量应等于流动所耗散的热量。热 平衡过程中涉及到风速、加热电流、线温度（或线电阻）三个基本量。当线温（或线阻）保 持恒定时，线电流和风速之间建立了确定的函数关系，利用此关系测量风速的方法称为恒温 法。恒温式热线风速仪的工作模式即由此演化而来[1,2] 。 2.2 CTA 动态特性 非定常流场中，热线和流体介质间的热交换处于不平衡状态，反映在电信号上是有振幅 1 资助基金项目：教育部博士点基金（20030698004）， 国家、新疆自治区“十五”攻关重大项目（2004BA901A21,200433121） 1 衰减和相位滞后，这种现象称为热惯性。热惯性问题可通过电子线路的补偿解决，使得热线 和周围流体间的热交换处于准平衡状态。CTA 动态响应方程基于 Freymuth 模型，这是 1969 年由美国科罗拉多大学 Freymuth 教授提出的纯电阻线路模型[3] 。动态特性调试的关键是系 [4,5,6] 。将方波电压 统频率最佳化调节，通过方波试验（Square Wave Testing，SWT）来实现 信号加入到系统输入端，调节电路，使得系统输出呈现图 1 所示波形，进而测得相应 t 值， 由式 1 求出 CTA 截止频率。 图 1 阶跃波（单个方波）的瞬态响应ηt Fig.1 Transient response of step wave (single square