数字化技术及虚拟仪器在传统热线风速仪中的应用

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@stu.xjtu.edu.cn

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

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资助基金项目：教育部博士点基金（20030698004），

国家、自治区“十五”攻关重大项目（2004BA901A21,200433121）

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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统频率最佳化调节，通过方波试验（Square Wave Testing，SWT）来实现[4,5,6]。将方波电压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 wave)

图中曲线1、2、3代表三个不同的解。三条曲线从峰值降到3％的点分别为（t1，t2，，相应频率值为 t3）＝（8.37，5.80，4.80）

⎛111⎞f1,f2,f3=⎜,,⎟ （1）

⎟1.5t1.5t1.3t123⎠⎝

最大截止频率值发生在曲线3，这条曲线就是方波试验的理论基础。 2.3 CTA系统基本构成

图2为原有56C系统结构示意图。

图2 传统56C型热线风速仪系统结构示意图

Fig.2 Sketch map of structure of traditional Model 56C CTA system

56C系统主要由探针系统（Probe）、多通道CTA系统、信号分析设备（Signal Analysis Equipment，SAE）、扩展总线单元（Bus Expansion Kit，BEK）、并行通讯单元（Parallel Communication Kit，PCK）和用户终端（User End）组成。多通道CTA系统由CTA模块、线化器、信号调节器、平均值单元组成，核心部件是基于Freymuth模型的CTA模块，线化器、信号调节器和平均值单元用于对CTA模块输出的模拟量电压信号进行调节处理。信号分析设备主要用于信号的数字化转换以及数据处理任务。扩展总线单元负责各设备之间的通讯。并行通讯单元连接SAE与用户终端。用户终端实现微机与热线风速仪系统的连接通讯和数据传输。

3．56C型热线风速仪数字化改造

3.1系统改造

对56C系统各单元分析可知：首先，多通道CTA系统中线化器、信号调节器、平均值

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单元仍采用传统模拟式硬件模块，在信号处理过程中，输入、输出和中间运算量都是模拟信号，功能单一、分析速度慢、分析精度不高；其次，系统采用信号分析设备（SAE）处理数据，相比微机软件处理，设备造价高，且随硬件老化会造成性能大幅下降；再次，各单元间通讯方式复杂，不利于系统快速搭建，需配备专用设备接口及配套通讯协议，通用性差；最后，软件控制系统和处理数据能力较差，硬件模块分散复杂，集成度低，数据处理和仪器控制任务多由硬件完成，造成手动操作过多，降低了实验效率。这种传统设备组成结构和运行方式已不适应现代流动测试的需要，必须重新设计改造，方可继续发挥作用。改造方案如下：仅保留原系统的CTA模块，将测得模拟信号直接输入AD卡；通过调试，将MiniCTA系统的控制软件移植到数字化56C系统中，实现多数功能模块软件控制和微机信号处理；原有系统的方波试验需外接示波器进行，改造后引入虚拟仪器概念，借助AD卡并利用配套软件，设计虚拟数字示波器完成方波调节[7]。图3为系统改造示意图。

图3 数字化56C型热线风速仪系统示意图 Fig.3 Sketch map of digitized 56C CTA system

系统AD卡采用NI公司PCI-6023E数据采集卡，模拟量输入通道为单端16路或差分8路，输入范围为±0.05V～±10V，模数转换分辨率为12位，最高采样率200 kSample/sec。

虚拟仪器是利用PC机加上配套硬件和应用软件，形成既有传统仪器功能，又具有其它特殊功能的新型仪器。它用PC机中的硬件、软件资源取代一般智能仪器，减少了设备，降低了仪器成本。与一般智能仪器和自动测量系统相比，其微机参与程度最深[8]。在改造系统中设计加入虚拟示波器模块，主要是由于热线的SWT和便于观察测量信号波形。传统56C型系统的方波测试使用普通电子示波器，调试过程复杂，测量精度不高。因此，作者将虚拟数字示波器引入到改造系统中。该数字示波器以PC机为核心，通过PCI-6023E数据采集卡，完成被测信号的波形显示和信号测量，并存储数据以作进一步分析。在虚拟示波器软件界面中，用户可实现示波器控制与采样参数设置。图4A为虚拟示波器的操作界面。由波形发生器产生一组方波信号，频率为3000Hz，将此信号输入虚拟示波器中，B图为波形放大图。

图4 虚拟数字示波器 Fig.4 Virtual digital oscillograph

3.2 数字化56C系统性能测试

为检测56C系统数字化改造效果，将改造系统与MiniCTA系统在风洞中进行风场对比测试（见图5）。同时，在测量喷嘴射流流场中，改造系统与LDV系统也进行测量比较（见图6）。

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实验步骤如下：

（1）分别使用电子示波器和虚拟数字示波器，对数字化56C系统进行方波测试，确定系统

最佳频响；

（2）对两套热线风速仪系统分别进行标定；

（3）使用两套系统在风洞内不同稳态风速下测量，采样频率10kHz，采样时长10sec； （4） 在风洞中产生正弦变化阵风，使用两套系统测量，采样频率10kHz，采样时长400sec； （5）针对稳定风速的喷嘴射流，分别使用56C系统与LDV系统延喷嘴轴线测量。56C系

统采样频率10kHz，采样时长10sec。LDV系统设定采样时间为10sec, 采样点数为2000。

图5 风洞实验平台 图6 喷嘴射流实验平台

Fig.5 Experiment rig of wind tunnel Fig.6 Experiment rig of injection stream

4．实验结果及分析

4.1 数字化56C系统频响分析

通过调节数字化56C系统的电缆微调、带宽电路和放大器增益来实现频率最佳化调节，使得系统输出图1所示波形3，得到相应t值，由公式(1)求出风速仪的截止频率。分别使用电子示波器和虚拟数字示波器对系统分别进行方波调节，如图7所示。电子示波器需调节参数过多，使用复杂，且读数误差较大；利用虚拟示波器，参数多由软件选择，方波响应数据存贮至硬盘，随后分析计算系统最佳频率响应。在SWT中，电子示波器需20分钟以上时间调试，且对频率响应的计算显得粗糙和费时；虚拟数字示波器约5分钟即可完成波形调节，数据存贮至硬盘，根据公式(1)即可精确计算系统频响为30kHz（30769Hz）。此频率上限对于研究一般湍流问题已足够，表明56C系统数字化改造后频响得以保证。

图7 SWT对比图 图8 热线风速仪标定曲线

Fig.7 Contrast of SWT Fig.8 Calibration curve of HWA

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4.2 数字化56C系统测速分析

4.2.1 风洞实验

测速前先对两套热线风速仪系统进行电压－速度标定，见图8。两条标定曲线对比表明，数字化56C系统能够对风速变化产生正确响应，得到良好的性能曲线。标定完成后，将热线探头固定于风洞中，在9组不同风速下分别使用两套系统测速，结果见图9。A图为速度绝对值比较，B图为速度相对误差对比。两套仪器测速相对误差基本在±1％以内，表明数字化56C系统具有良好的测速性能。

图9 测速对比图

Fig.9 Contrast of velocity measurement

图10 风速频谱图

Fig.10 Frequency spectrum of velocity fluctuation

对风速序列进行频谱分析。图10是两种来流条件下风速频谱图。纵轴为风速序列快速傅立叶变换后的无量纲值，表征信号能量分布，横轴为频率。定常来流下，频谱曲线分布趋势符合良好，两条曲线上风速脉动的频率峰值出现在同一位置；正弦来流下，两条曲线均在正弦频率处出现最值。图10结果表明使用数字化56C系统测量风速信号频率，在其频响范围（30kHz）内结果可信。 4.2.2 喷嘴射流实验

目前比较精确的流场测试手段有LDV 、P IV和热线风速仪。其中LDV是利用激光多普勒效应测速的仪器, 其最大优点是非接触性、不干扰流场、有较高的空间分辨率和快速动态响应[2]。因此，在使用数字化56C系统对一喷嘴射流测量时，同时使用LDV测量，并对结果比较。实验所用圆形射流喷口直径为14mm，射流轴向定为x方向。沿射流轴线11个点测量，结果如图11、12。

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图11 LDV与56C测速对比图

Fig. 11 Contrast of velocity measurement by LDV and 56C

图12 LDV与56C测湍流度对比图

Fig.12 Contrast of turbulence intensity measurement by LDV and 56C

图11(A)中，两套仪器测量平均速度基本一致，速度曲线趋势统一。表明56C系统测量结果能够反映流场的真实情况。将平均速度差值用最小二乘法进行曲线拟合，得到HW与LDV试验结果的关系如(2)式,曲线见图11(B)。利用该差值关系曲线能有效地将热线测量结果向LDV结果靠近。

uLDV−uHWA=Δu=0.124+0.16285⋅x−0.007⋅x (2) 图12是LDV与56C系统测量湍流度对比图，表明56C与LDV在结果上是统一的，56C系统测量湍流度结果可靠。对湍流度差值使用最小二乘法拟合，得到公式(3)，见图12(B)。

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TuLDV−TuHWA=ΔTu=0.56592+0.00533⋅e(x/1.372) (3)

由图11、12知：随射流轴向位置推移，平均速度和湍流度发生不同程度的变化。在04范围后，平均速度变化剧烈，湍流度急剧增加，射流与环境空气充分卷吸掺混。因此，可将射流分为两个区域,即04为湍流区。LDV与56C系统均很好地反映了这种物理现象，趋势符合一致，表明56C的数字化改造可行。

5．结论

（1）将数字化采集技术和计算机控制与处理系统应用到传统56C系统中,仅保留56C系统

原有的CTA模块，引入虚拟仪器概念，实现了该系统的数字化改造。改造后系统搭建快捷，调节快速高效，频响达30kHz。

（2）在风洞实验和喷嘴射流实验中，数字化56C系统分别与MiniCTA和LDV进行对比实

验。结果表明：数字化56C系统能够对风速和湍流度产生正确响应，得到良好的性能曲线；对两种来流条件的风速序列进行频谱分析，证明使用数字化56C系统测量风速信号频率，在其频响范围内结果是可信赖的。

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参考文献

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Application of Digitization Techniques and Virtual

instrument in Traditional CTA

LIU Jiang，WANG Yuan，LU Qing-hua

The Center for Environment and Modern Agriculture Engineering, Xi'an Jiaotong University,

Xi'an 710049, China

Abstract

The traditional Model 56C constant temperature anemometry system has been rebuilt successfully through applying digitized data acquisition technique and computer control system. A new concept of virtual instrument is introduced, which makes the rebuilt system great integration and its adjustment high speed and efficiency. The frequency response can be achieved as high as 30 kHz. Compared with advanced MiniCTA system used in the wind tunnel experiments and with LDV system employed in the experiment of injection stream, the rebuilt one presents accurate response to the velocity and turbulence intensity, and has good performance curve. The measurement of the wind frequency by using the system shows a good reliability in the range of frequency response. The results indicate that the digitized rebuilt system can improve the accuracy, reappearance and efficiency of experiments，and establishes a good foundation for the digitized rebuilding of other instruments. Key words: hot-wire anemometer; digitized data acquisition; virtual instrument; LDV

作者简介：刘江，男，1980年生，博士研究生，主要研究方向为风沙动力学。

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