数字化技术及虚拟仪器在传统热线风速仪中的应用

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1、http://www.paper.edu.cn1数字化技术及虚拟仪器在传统热线风速仪中的应用刘江，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

2、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：O353.51．引言DANTEC公司56C型恒温热线风速仪（ConstantTemperatureAnemometer，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，

3、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/DCard）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

4、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2.1CTA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

5、的函数关系，利用此关系测量风速的方法称为恒温[1,2]法。恒温式热线风速仪的工作模式即由此演化而来。2.2CTA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）1http://www.paper.edu.cn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

6、态响应方程基于Freymuth模型，这是1969[3]年由美国科罗拉多大学Freymuth教授提出的纯电阻线路模型。动态特性调试的关键是系[4,5,6]统频率最佳化调节，通过方波试验（SquareWaveTesting，SWT）来实现。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ηtFig.1Transientresponseofstepwave(singlesquarewave)图中曲线1、2、3代表三

7、个不同的解。三条曲线从峰值降到3％的点分别为（t1，t2，t3）＝（8.37，5.80，4.80），相应频率值为⎛111⎞fff123,,=⎜,,⎟（1）1.5ttt1.51.3⎟⎝123⎠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。2.3CTA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.2SketchmapofstructureoftraditionalModel56CCTAsystem56C系统主要由探针系统（Probe）、多通道CTA系统

8、、信号分析设备（SignalAnalysisEquipment，SAE）、扩展总线单元（BusExpansionKit，BEK）、并行通讯单元（ParallelCommunicationKit，PCK）和用户终端（UserEnd）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