1.                      1    前言

1.1    本文目標(biāo)

恒溫式風(fēng)速儀在流體力學(xué)研究中被廣泛使用的科學(xué)儀器。它利用置于惠斯通電橋中的一個(gè)微小鎢絲探頭來(lái)測(cè)量風(fēng)速變化，具有系統(tǒng)穩(wěn)定、時(shí)間解析度好等特點(diǎn)。系統(tǒng)原理見(jiàn)示意圖1。本文重點(diǎn)介紹風(fēng)速儀的構(gòu)成及使用方法，解釋各個(gè)操作步驟， 并給出示例。

1.2    風(fēng)速儀的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

CTA-04風(fēng)速儀主機(jī)主要功能特點(diǎn)如下:

1)                      CTA-04風(fēng)速儀具有雙通道和四通道兩種機(jī)型。雙通道可以同時(shí)使用2個(gè)單絲探針或1個(gè)雙絲探針;四通道可以同時(shí)使用4個(gè)單絲探針或2個(gè) 雙絲探針;

2)                      通過(guò)485網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)可將多臺(tái)CTA-04組成一套系統(tǒng)，最多可支持256通道同 時(shí)工作;

3)                      探頭工作電阻范圍為0.1-199.9歐姆，設(shè)置精度0.1歐姆;

4)                      輸出調(diào)制電路具有偏置功能，可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行平移;

5)                      輸出調(diào)制電路具有增益功能，設(shè)置5 擋增益，分別是1，2，4，8和16;

6)                      輸出調(diào)制電路內(nèi)置低通濾波器，設(shè)有7 個(gè)可切換的截止頻率，分別是10kHz、 5kHz、 1kHz、500Hz、 100Hz、 10Hz 和1Hz。低通濾波器可關(guān)閉;

7)                      風(fēng)速測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)置方波發(fā)生器，可產(chǎn)生用于測(cè)試頻響的方波。方波頻率1-5000Hz ，缺省值 為500Hz。

在DAQ16數(shù)采儀及CR系列標(biāo)定器及CTALab軟件的配合下，CTA-04系統(tǒng)可:

1)                      設(shè)定風(fēng)速儀冷態(tài)電阻、工作溫度;

2)                      調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡參數(shù);

3)                      調(diào)節(jié)信號(hào)放大、偏置、低通濾波等輸出信號(hào)的后處理參數(shù);

4)                      自動(dòng)標(biāo)定風(fēng)速與輸出電壓的函數(shù)關(guān)系;

5)                      設(shè)定采樣率、采樣數(shù)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存文件目錄、文件名等參數(shù);

6)                      實(shí)現(xiàn)解析X型雙絲探頭、三絲探頭測(cè)量等功能

圖 1 電橋原理示意圖

對(duì)比多孔探針

與畢托管、多孔探針等基于測(cè)壓來(lái)測(cè)速的傳統(tǒng)技術(shù)相比，熱線風(fēng)速儀的優(yōu)勢(shì)在于

1)                      動(dòng)態(tài)測(cè)量能力

風(fēng)速儀具備非常強(qiáng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量能力"不僅能測(cè)量平均速度，更能解析超 過(guò)100kHz的速度動(dòng)態(tài)變化，可以準(zhǔn)確解析各種尺度旋渦帶來(lái)的速度變化，并 測(cè)量能譜、各種長(zhǎng)度及時(shí)間尺度等重要湍流參數(shù)

2)                      近壁測(cè)量能力

因?yàn)樘结樀膸缀纬叨群苄?，可靠近壁面解析近壁區(qū)域速度分布，進(jìn)而獲得湍 流邊界層粘性低層的速度分布等重要信息，捕捉邊界層內(nèi)發(fā)生的各種動(dòng)態(tài)事件

與畢托管及多孔探針相比，風(fēng)速儀的弱點(diǎn)也很明顯

1)                      投資相對(duì)大

風(fēng)速儀售價(jià)大大高于畢托管等以測(cè)壓為基礎(chǔ)的風(fēng)速測(cè)量?jī)x器

2)                      系統(tǒng)更復(fù)雜

一套完整風(fēng)速儀由主機(jī)、數(shù)采卡、標(biāo)定器、探頭等多個(gè)部件組成"與畢 托管測(cè)速系統(tǒng)相比更龐大、復(fù)雜"

3)                      探頭易損

探針的核心部件是裸露的5微米直徑金屬絲，易氧化，輕觸也可造成破損

4)                      對(duì)環(huán)境變化敏感

測(cè)量結(jié)果對(duì)溫度變化非常敏感 (每攝氏度溫變引起2%速度測(cè)量值變化)， 需要復(fù)雜的補(bǔ)償算法進(jìn)行修正，且補(bǔ)償效果有限

5)                      探頭需要經(jīng)常標(biāo)定，使用便利性差

風(fēng)速儀需要設(shè)定冷態(tài)電阻、過(guò)熱比、系統(tǒng)平衡參數(shù)，另外，需要進(jìn)行方  波測(cè)試以獲得最佳頻響，風(fēng)速儀需要依靠其他測(cè)速儀器 (如畢托管等) 進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)量易受溫度、濕度等多種因素的影響，傳統(tǒng)的標(biāo)定結(jié)果只  能在一定時(shí)間內(nèi)有效，無(wú)法做到一次標(biāo)定，長(zhǎng)時(shí)間使用。

盡管具有以上弱點(diǎn)，因在動(dòng)態(tài)測(cè)量方面的優(yōu)勢(shì)，風(fēng)速儀依然被大量采用。

1.3    航風(fēng)風(fēng)速儀的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

與品牌風(fēng)速儀相比，岳陽(yáng)航風(fēng)產(chǎn)品具有如下特點(diǎn)

(1) 航風(fēng)風(fēng)速儀具有后發(fā)優(yōu)勢(shì)，吸納更新的電子技術(shù)，使系統(tǒng)更可靠;

(2) 獨(dú)立開(kāi)發(fā)了若干新測(cè)量技術(shù)，提高了易用性;

(3) 為用戶提供更及時(shí)的技術(shù)支持，長(zhǎng)期、可靠的售后服務(wù);

(4) 可為用戶提供免費(fèi)的軟件升級(jí)服務(wù);

(5) 具有良好的性價(jià)比。

2.                      2    系統(tǒng)組成

表 1: 一套CTA04航風(fēng)風(fēng)速儀系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置

2.1  CTA04主機(jī)

標(biāo)配產(chǎn)品，主機(jī)分為雙通道和四通道兩種，圖2a或2-b一臺(tái)電腦可以連 接多臺(tái)主機(jī)，比如，一套六通道系統(tǒng)可以由一臺(tái)四通道主機(jī)加一臺(tái)雙通道主 機(jī)組成，一套12通道系統(tǒng)由3臺(tái)四通道主機(jī)組成，具體參數(shù)見(jiàn)表2

2.2  DAQ16 數(shù)據(jù)采集儀

標(biāo)配產(chǎn)品。數(shù)采儀內(nèi)置一臺(tái)NI USB6211數(shù)據(jù)采集卡，圖2-c 。具體參數(shù)見(jiàn)表3。除采集卡外，數(shù)采儀還內(nèi)置一個(gè)壓差傳感器，測(cè)壓范圍±2.0kPa ，精度為量程的±0.1% ;

2.3  HW1A單絲探頭

標(biāo)配產(chǎn)品，見(jiàn)圖2-d。該探頭敏感單元為5μm直徑鎢絲、長(zhǎng)約1.5mm。 探針 總長(zhǎng)度 約90mm ，其 中頭部雙支架長(zhǎng)度 約11mm ，探針主體長(zhǎng)80mm、直徑2.6mm。敏感單元通過(guò)焊接置于兩個(gè)支架尖處，正對(duì)來(lái)流。探針尾部有兩 根柔性導(dǎo)線，長(zhǎng)約20cm。導(dǎo)線尾部為迷你香蕉頭公頭，通過(guò)CB02A 線與熱 線風(fēng)速儀Probe端口相連。

表 2: CTA04風(fēng)速儀主機(jī)參數(shù)

表 3: DAQ16數(shù)采儀參數(shù)

2.4  CR04手動(dòng)標(biāo)定器

風(fēng)速儀的輸出為模擬電壓，需要經(jīng)過(guò)標(biāo)定過(guò)程才能將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為流速。標(biāo) 定需要在一系列已知風(fēng)速的環(huán)境下，記錄電壓輸出的均值。通常要求標(biāo)定環(huán)境湍流度小，即風(fēng)速隨時(shí)間變化不大。

CR04手動(dòng)標(biāo)定器的組成部分見(jiàn)圖3， 細(xì)節(jié)見(jiàn)表4。它主要由如下幾個(gè)部分組成

?                      CR04M手動(dòng)標(biāo)定器，圖3a

射流裝置出口直徑15mm ，出口速度范圍2-60 m/s ，湍流度小于0.5% ，靜壓  腔設(shè)有總壓采集口。射流裝置的背板是空氣入口，通過(guò)塑料波紋管 (圖3d) 連接至風(fēng)機(jī)出 口。 射流裝置下方設(shè)有測(cè)壓孔，通過(guò)測(cè)壓軟管 (圖3g， 內(nèi)  徑2mm硅膠軟管)與DAQ16數(shù)采儀的標(biāo)定器測(cè)壓口 (圖2c，H端)相連。射  流裝置內(nèi)設(shè)有整流裝置，收縮段收縮比100:1。

?                      手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，圖3a

手動(dòng)轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)，與射流裝置安裝成一體，探針軸向與射流方向偏角(Roll) 范 圍±90o ，探針可繞軸向旋轉(zhuǎn)角度(Cone)范圍0 - 360o 。調(diào)節(jié)分辨率5o 。 角度 的定義見(jiàn)第K節(jié);

?                      風(fēng)機(jī)，圖3c

高壓風(fēng)機(jī)一臺(tái)，供電220VAC， 500W。

?                      變頻器，圖3b

用來(lái)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?？稍谧詣?dòng)和手動(dòng)定速兩個(gè)模式下工作。設(shè)置方法見(jiàn)附錄 第G節(jié)。

?                      定制電源線，圖3e

連接風(fēng)機(jī)、變頻器及電源。線的一段為四接頭，與風(fēng)機(jī)相連 (長(zhǎng)的黃綠先接 地，其他紅綠黑三線接電機(jī)三相接頭，通常已經(jīng)接好);線的另一段為六線 接頭接變頻器，具體見(jiàn)第3.3節(jié));

?                      變頻器控制線，圖3f

該線一端為BNC 接頭，另一端為裸線。該線連接變頻器 (FV ，GND插口) 與數(shù)據(jù)采集儀模擬電壓輸出 (AO)端口，用來(lái)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。軟件可以通  過(guò)AO 端口發(fā)送模擬電壓 (0-10V)來(lái)控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速的自動(dòng)  標(biāo)定。變頻器也可以設(shè)為手動(dòng)模式，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)前面板上的電位器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。具體操作見(jiàn)附錄第G節(jié)。

2.5  TM02移測(cè)架

TM02移測(cè)架 (圖4)是精確控制探頭位置以輔助測(cè)量流場(chǎng)速度分布的工具，組成部分見(jiàn)表6。

?                      滑動(dòng)模組

航風(fēng)TM02模 組采 用雙 線軌 絲杠滑 臺(tái)方 案。 行程 范 圍200-500mm ，定位 精度0.1mm/500mm。 水平 負(fù)載10kg ，垂直 負(fù)載5kg。 根據(jù)用戶的 需求可 選1到3支。

?                      運(yùn)動(dòng)控制器，圖4e與4d

內(nèi)含三個(gè)獨(dú)立工作的步進(jìn)電機(jī)控制器。 與CR05 標(biāo)定器的自動(dòng)標(biāo)定器通用 (可只采購(gòu)一臺(tái))。運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)TypeC 數(shù)據(jù)線，圖2h，連接電腦，并通過(guò) 步進(jìn)電機(jī)控制線，(圖4c)與步進(jìn)電機(jī)相連。運(yùn)動(dòng)控制器接收電腦串口發(fā)出 的命令，控制步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作。

圖 4:  一套典型的移測(cè)架由1臺(tái)控制器、3臺(tái)模組、導(dǎo)線及連接件組成

表 6: TM02移測(cè)架組成部分

3.                      3   附錄

A    航風(fēng)探頭

航風(fēng)提供了多種探頭來(lái)滿足客戶的不同測(cè)量需求。其中,對(duì)常用的HW1A和HW2A探

頭的描述見(jiàn)表1。絕對(duì)大多數(shù)客戶會(huì)選擇這兩種探頭。所有可選探頭見(jiàn)表A.1。部分照片見(jiàn)圖A.1。

圖 A.1:  部分航風(fēng)探頭照片

表 A.1: 幾款常用的航風(fēng)探頭

(a) HW1A

(b) HW1D

(c) HW2A

圖 A.2:  主要幾種探頭幾何尺寸

B    FTDI軟件:串口線驅(qū)動(dòng)程序

FTDI軟件是驅(qū)動(dòng)USB-串口通訊線路的重要軟件。

下載后解壓,并運(yùn)行CDM v2.23.00 WHQL Certi?ed.exe 文件,您將依次看到如下提示: 選擇Extract 、確定、運(yùn)行程序、Extract 、下一頁(yè)、我接受、下一頁(yè)、完成。具體過(guò)程  見(jiàn)圖B.1。

圖 B.1:  安裝FTDI軟件過(guò)程示例

FTDI驅(qū)動(dòng)程序安裝好之后,接好USB-串 口線?打開(kāi)電腦的設(shè)備管理器可以看到熱線風(fēng)速儀主機(jī)對(duì)應(yīng)的串口設(shè)備號(hào)COM3  (該編號(hào)第一次設(shè)定后不會(huì)再變)，見(jiàn)圖B.2

圖 B.2:  FTDI軟件安裝后在“設(shè)備管理器" 中檢查設(shè)備COM號(hào)

C    CTALab軟件安裝

CTALab軟件是熱線風(fēng)速儀的重要組成部分,其安裝過(guò)程見(jiàn)圖C.1。該軟件主要功 能包括:

•  通過(guò)串 口與熱線風(fēng)速儀主機(jī)通信,設(shè)置工作參數(shù)、開(kāi)啟關(guān)閉電橋、讀取主機(jī)狀 態(tài);

•  指揮標(biāo)定器對(duì)熱線探頭和熱線通道進(jìn)行標(biāo)定;

•  與數(shù)據(jù)采集儀通信,設(shè)置采集參數(shù),采集保存數(shù)據(jù),顯示主要統(tǒng)計(jì)量;

•  與移測(cè)架及轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)通信,控制移測(cè)架位置及轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)角度。