一種新型熱線熱膜流速計(jì).docx

1、第23卷第1期2009年03月實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)JournalofExperimentsinFluidMechanicsVol.23,No.1Mar.,2009文童編號(hào)：】672-9897(2009)01-0089-05一種新型熱線熱膜流速計(jì)盛森芝，莊永基,劉宗彥（北京大學(xué)力學(xué)系，北京100871）摘要：在剖析傳統(tǒng)熱線熱膜風(fēng)速計(jì)存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了解決這些問(wèn)題的思路、方案和具體的線路模型，形成了預(yù)移相型熱線熱膜流速計(jì)的構(gòu)思”首先對(duì)傳統(tǒng)熱線風(fēng)速計(jì)的物理模型進(jìn)行改進(jìn)，用數(shù)學(xué)方程加以描述并求出其解析解提出一系列設(shè)計(jì)公式，進(jìn)而選擇適當(dāng)?shù)木€路環(huán)節(jié)，編制相應(yīng)的軟件，實(shí)現(xiàn)上述物理模牧、數(shù)學(xué)方程和設(shè)計(jì)公式的要求

2、，形成r具有6大特色的“【FV900A型智能熱線熱膜流速計(jì)”。關(guān)鍵詞：熱線（熱膜）；風(fēng)速計(jì)；預(yù)移相電路；動(dòng)態(tài)響應(yīng)中圖分類(lèi)號(hào):TH815;文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AAnewtypeofhot-wire/filmanemometerSHENGSen-zhi,ZHUANGYong-ji,UUZong-yan(MechanicsDepartment,BeijingUniversity,Beijing100871,China)Abstract:Anewtypeofintelligenthot-wire/filmanemometerwasdevelopedbyanalyzingtheshortcomingsoftra

3、ditionalhot-wire/filmanemometer.Theauthorestablishedamoreprecisedynamicequationofconstant-temperaturehot-wire/filmanemometerwithmainbridgeprephasingcircuitandgaveitsanalyticsolutionandasetofformulaeibrdesign.Threeadjustmentparametersarereduced,thustheadjustingprocedureisgreatlysimplified.Thenewtypeo

4、fanemometercanworkmorestablyforitssynchronousbiascircuitthanthetraditionalanemometer.Anditalsohasotheradvantages.Keywords:hotwire/film;anemometer;prephasingcircuit;dynamicresponse0引言熱線熱膜流速計(jì)（HWFA）是利用熱對(duì)流方程的解/=4+（簡(jiǎn)稱(chēng)King公式）測(cè)量流動(dòng)速度的儀器，式中代表熱耗散，/!和8為常數(shù)，為風(fēng)速。傳統(tǒng)恒溫?zé)峋€風(fēng)速計(jì)（HWA）是上世紀(jì)60年代根據(jù)King公式發(fā)展起來(lái)的，其理論是由美國(guó)柯羅勒多大學(xué)的F

5、reymuth教授建立的。它具有3個(gè)以上的調(diào)節(jié)參量，必須通過(guò)方波試驗(yàn)進(jìn)行多個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)才能使用，故調(diào)節(jié)麻煩，使用不便，難以推廣應(yīng)用。上世紀(jì)80年代末，筆者對(duì)傳統(tǒng)HWA的理論進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其物理模型與實(shí)際悄況出入較大，數(shù)學(xué)方程過(guò)于簡(jiǎn)化，這就導(dǎo)致了調(diào)節(jié)困難，使用不便。為此,提出了預(yù)移相型熱線風(fēng)速計(jì)的模型，建立了更為精確的數(shù)學(xué)方程，求得了解析解并提出一系列設(shè)計(jì)公式。隨后選用了適當(dāng)?shù)碾娮泳€路，編制了相應(yīng)的軟件，形成了具有自身特點(diǎn)的IFV900型熱線熱膜流速計(jì)。2001年，在科技部創(chuàng)新基金的支持下發(fā)展了具有6大特點(diǎn)的IKV900A型智能熱線熱膜流速計(jì)U.2.6）。1傳統(tǒng)熱線風(fēng)速計(jì)的局限性為了正確理解1FV

6、900A的優(yōu)點(diǎn)，就必須從剖析傳統(tǒng)熱線風(fēng)速計(jì)的局限性入手。傳統(tǒng)的恒溫?zé)峋€風(fēng)速計(jì)見(jiàn)圖lo其主要特點(diǎn)是配置了一個(gè)直流電橋；熱線熱膜本身占據(jù)了電橋的一臂（Aw）n忽略了分布電容和分布圖1恒溫風(fēng)速計(jì)的核心線路Fig.lThecentercircuitofconstant-temperatureanemometer收精日期：2007-11-08；修訂日期：2008-09-25基金項(xiàng)目：科技部2001年科技中小企業(yè)創(chuàng)新基金作者簡(jiǎn)介：盛森芝（1933-）.男.浙江浦江人，教授.研究方向：流動(dòng)測(cè)拾.E-mail:fb】u函r電感;還配置了一個(gè)高增益放大器。它們共同組成了一個(gè)反饋系統(tǒng)，形成了傳統(tǒng)熱線風(fēng)速計(jì)的核心電

7、路。根據(jù)美國(guó)柯羅拉多大學(xué)Freymuth教授的理論，由上述物理模型出發(fā)，從電橋方程、King公式及放大器方程可推導(dǎo)出恒溫?zé)峋€熱膜風(fēng)速汁的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)方程如下:按圖2所示的系統(tǒng),Freymuth推導(dǎo)出以下系統(tǒng)方程:Af/（PUduT5?忻肅+虬而+“父nMRi>EidE"=況+商瓦I刃+矛1*+2(S1).-1)(1)=況+商瓦L/式中：M=拿號(hào)迂招-另弟j(3)其中G=SRw稱(chēng)之為回路增益；S為反饋系統(tǒng)跨導(dǎo)：火二稱(chēng)之為偏置比，小為電橋平衡時(shí)流過(guò)熱絲為風(fēng)速的偏置電流；C為比熱；m為質(zhì)It;L=為過(guò)熱比;瓦為熱線平均電阻；R。為環(huán)境溫度時(shí)熱線（或熱膜）電阻；瀏.為恒流時(shí)間常數(shù)，其值為哮

8、；百為對(duì)流熱H損耗；/w為加熱電流,其值為A+上；乙為平均加熱電流，小為加熱電流的交流分斌；b、r是與電感電容有關(guān)的棲。這個(gè)方程先天不足，因?yàn)樗雎粤颂结樢€的分布電容和分布電感，實(shí)際上是按直流電橋的模式來(lái)描述整個(gè)系統(tǒng)的。通常，每米電纜具有分布電容Cc=66pF和分布電感£c=0.167mH（國(guó)產(chǎn)SWY-50-5型電纜）,5m長(zhǎng)的電纜就具有330pF的分布電容和0.835/iH的分布電感。這樣大的分布電容和分布電感值就足以引起整個(gè)回路的不穩(wěn)定。*r*r77T圖2含有試驗(yàn)信號(hào)的恒溫風(fēng)速汁Fig.2Thisconstanttemperatureanemometercontaintests

9、ignal其次，F(xiàn)reymuth從最佳頻率響應(yīng)調(diào)節(jié)任務(wù)出發(fā)，分析包含試驗(yàn)信號(hào)的恒溫風(fēng)速計(jì)系統(tǒng)時(shí)，還忽略了與放大器分布電感有關(guān)的量/對(duì)線路的影響。據(jù)查證3本身是很難確定的，因而忽略了/的影響也是不可捉摸的。虬=或也u為放大器輸出電壓玨的微小偏離，u的微小變動(dòng)。式（2）存在以下幾個(gè)問(wèn)題或疑點(diǎn)：（1）根據(jù)Routh穩(wěn)定準(zhǔn)則的要求，此、Af,必須N0,因此rNGMbo在I：I電橋情況下n=1,故r>但r越大，線路越不穩(wěn)定。（2）由于是可變的，可以通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也必須通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)滿(mǎn)足方程的穩(wěn)定要求，故風(fēng)速計(jì)的最佳動(dòng)態(tài)響應(yīng)主要由三階系數(shù)M/G決定，其中M是與熱線有關(guān)的量。根據(jù)（3）式，在系統(tǒng)過(guò)熱比較

10、大，速度也較高時(shí),M值很小。而J/C是與電路有關(guān)的量，其值要很小才行，因?yàn)閍越大線路的穩(wěn)定性越差。只有Mo2/G較小時(shí)，風(fēng)速計(jì)才能工作在較高的頻率上。（3）方程式左端的變鼠為u,代表了放大器輸出電壓Eb的微小偏離，方程式右端的變量為。，代表了風(fēng)速的微小變動(dòng)，這兩個(gè)變量之間是什么關(guān)系？怎么定量？方程又怎么解？（4）方程推導(dǎo)過(guò)程中仍然認(rèn)為電橋的熱線臂是純電阻，其分布電容、分布電感不起作用，這不符合事實(shí)。實(shí)際上freymuth從恒溫風(fēng)速計(jì)的最佳頻率響應(yīng)調(diào)節(jié)出發(fā)分析方程（2）以后，提出了方波試驗(yàn)的調(diào)節(jié)方法，認(rèn)為只要調(diào)節(jié)增益G,放大器偏置電壓Eb，放大器增益帶寬乘積們以及穩(wěn)定電路和電纜微調(diào)就可做到使方程

11、等式兩邊保持平衡。正因?yàn)檫@樣，美國(guó)TSI公司的1050型就選擇電纜微調(diào)、放大器偏置電壓玨和穩(wěn)定電路3者來(lái)調(diào)節(jié)最佳頻率響應(yīng)。而丹麥Danlec公司的55M型，則是由調(diào)節(jié)電感微調(diào)，。值,放大器增益，放大器帶寬4個(gè)參量來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳頻率響應(yīng)的。但是這些參量之間存在著固有的聯(lián)系，而怯都與a、r等不易測(cè)得的交流分量相關(guān)，所以調(diào)整其中的一個(gè)參量就會(huì)影響另外的參量，從而會(huì)改變系統(tǒng)方程之間的平衡狀態(tài)。例如當(dāng)G改變時(shí)，.虬就會(huì)改變，也會(huì)發(fā)生改變，增益帶寬乘積也會(huì)發(fā)生改變，原有的平衡就會(huì)被打破。再例如，調(diào)節(jié)電感微調(diào)，就會(huì)改變，增益帶寬乘積B也會(huì)改變，系統(tǒng)平衡同樣會(huì)被打破。這就是傳統(tǒng)熱線熱膜流速計(jì)調(diào)節(jié)上的致命弱點(diǎn)

12、，也是方波試驗(yàn)中難以克服的根本性問(wèn)題調(diào)節(jié)十分麻煩，使用極為不便。圖3探針臂等效電路Fig.3Theequivalentcircuitofprobearm2預(yù)移相型的提出“上面已經(jīng)說(shuō)明傳統(tǒng)的HWFA是由流體流動(dòng)造成的強(qiáng)迫對(duì)流熱交換、電橋、放大器電子線路共同構(gòu)成的混合系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作在高增益、寬頻帶、深反饋的條件下，整個(gè)系統(tǒng)非常容易發(fā)生自激振蕩。Frey-muth雖然建立了物理模型，數(shù)學(xué)上也推導(dǎo)了動(dòng)態(tài)方程，還給出了最佳頻率響應(yīng)的方波試驗(yàn)調(diào)節(jié)法。但是他的物理模型離實(shí)際情況比較遠(yuǎn)，數(shù)學(xué)描述過(guò)于簡(jiǎn)單，調(diào)試方法和調(diào)節(jié)步驟過(guò)于復(fù)雜。這就迫使我們必須從物理模型上重:新進(jìn)行研究,進(jìn)而從數(shù)學(xué)上嚴(yán)格描述，提出解決上

13、面所述問(wèn)題的新方法o1992年莊永基和盛森芝提出了預(yù)移相線路模型并根據(jù)這個(gè)模型制成了IFV-900流速測(cè)量系統(tǒng)。這個(gè)模型基于以下幾點(diǎn)考慮：（1）假定探針引線電纜的分布參數(shù)是引起高頻穩(wěn)定性問(wèn)題的主要因素；（2）力求采用簡(jiǎn)單的補(bǔ)償措施，以便從數(shù)學(xué)上得出實(shí)際可分析的動(dòng)態(tài)方程和調(diào)節(jié)元參最的解析解；（3）盡可能提高放大器的設(shè)計(jì)品質(zhì)來(lái)彌補(bǔ)其時(shí)間滯后以及由。、丁等引起的問(wèn)題。首先考慮具有電纜分布參數(shù)的探針臂等效電路（圖3）,其中R.、Lc、Cc分別代表電纜電阻、分布電感和分布電容，R,為探針工作電阻。由電路分析可知，Lc>Cc引起的槽路截止頻率分別為:/cut（Zc）=式中的七=R,+尺,假定使用國(guó)產(chǎn)

14、電纜SWY-50-5型，則可按66.71pF,人=0.1671?算出電纜分布參數(shù)。再取典型值/?,=40Q,心=10Q,就可算出截止頻率/cu,（心），/碩（。），并列表如下：表1電纜分布參數(shù)及其截止頻率值Table1Parametersofcabledistributionandcut-offvalue電纜長(zhǎng)度（m）5102050Ct/pF33067013303300/«.,（C）/kllz6000030000150006000Mh0.841.73.38.4"O/kHz1900950480190由上表看到，兀所引起的截止頻率要比G所引起的截止頻率低得多。G引起的截止頻率遠(yuǎn)

15、在傳統(tǒng)HWFA頻率響應(yīng)200kHz的范圍之外。故可以斷定Lc的影響比Cc大得多，有理由設(shè)想可以略去Cc的影響，而僅僅考慮心作電橋補(bǔ)償。根據(jù)以上分析，筆者提出如圖4所示的預(yù)移相線路模型。圖中扁為的預(yù)移相電感;Lx=Lc+Lo，L2為唯一的調(diào)節(jié)補(bǔ)償元件；G以及槽路分布電容皆略去不汁。匕2對(duì)電壓有微分作用，因而對(duì)放大器時(shí)間滯后有補(bǔ)償作用。由于本模型的主要特點(diǎn)是人為增加了電感對(duì)橋路的超前移相量,故稱(chēng)之為預(yù)移相型。3IFV.900A型預(yù)移相型智能熱線熱膜流速計(jì)的6大特點(diǎn)1991年以北京大學(xué)力學(xué)系盛森芝教授為首的研制小組，根據(jù)上述預(yù)移相型原理制成了新型IEV900型流速測(cè)量系統(tǒng)。2001年科技部撥款支持發(fā)

16、展了這個(gè)系統(tǒng)，進(jìn)而產(chǎn)生了新的“IFV900A型智能熱線熱膜流速計(jì)”，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，具有以下6大特點(diǎn)：圖5IFV900A型的結(jié)構(gòu)框圈Fig.5Thestructureblockdiagramof1FV900Amodel(1)采用了預(yù)移相線路模型，具有五階非齊次動(dòng)態(tài)方程，并給出了嚴(yán)格的解析解，理論依據(jù)比傳統(tǒng)HWFA可靠且更接近真實(shí)情況，同時(shí)減少了傳統(tǒng)HW-FA的3個(gè)以上的調(diào)節(jié)參量，免除了方波試驗(yàn)的麻煩，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，操作方便，利于推廣應(yīng)用。調(diào)節(jié)時(shí)間從每通道半小時(shí)縮短為2min,使用效率提高了10倍以上。與Freymuth的方法類(lèi)似，由熱線熱膜的動(dòng)態(tài)方程、橋路方程和一階傳遞函數(shù)C/(l+rs)描

17、述的放大器方程3者聯(lián)合得出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程如下：卻+【斜+始早恨+旭加3+%】+音d+r+d務(wù)+2dd+；+rd+；，夫?其中其中朱+Mct2t2+rA?+A?2*+阮/京制=制1g會(huì)+斜+副1+Mcc會(huì),Mcc(r+d+d)+MccUdat+0+&)朱+McKid金Lid=居+A,+瓦，Rid=K+R方砒，g2(Z1)G阪"=Mcjl+割解出上述方程，并獲得以下一系列設(shè)計(jì)公式："=婦囹；i=£/(/?+R,);7=ho/d)，6(1.45,2.95);,=(£i/&),6(0.025,0.782)；M'cr/.i=e07/r,6(

18、0.0025,0.153);T=I汨I"+2*e=(VM；eo"碧素芒j敦1+(&+R)元J"扣翎甲=1Re)/RjMb為本線路模型的時(shí)間常數(shù)；A=扁+兒；其設(shè)計(jì)曲線和頻率特性如圖6、7所示。(2) 提出了動(dòng)態(tài)偏置的新概念和同步偏置的新線路(獲美國(guó)專(zhuān)利)，使偏置電壓Eb總是正比于輸出電壓E,確保了Eb總是隨流速的變化而變化。這樣一來(lái)，即使流速脈動(dòng)加大，系統(tǒng)仍然保持穩(wěn)定工作，確保了系統(tǒng)不會(huì)自激，克服了傳統(tǒng)風(fēng)速計(jì)隨時(shí)可能失去穩(wěn)定的弊病。實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)偏置的具體方案是如圖8所示的同步偏置線路。圖8同步偏置線路椎圖Fig.8Theblockdiagramofsynchr

19、onousbias上述偏置線路要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)就是完成下述公式:瓦=汨M+號(hào)何（3）系統(tǒng)利用CPU控制操作處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一系列智能化操作功能，革除了傳統(tǒng)風(fēng)速計(jì)面板上的所有開(kāi)關(guān)、旋鈕、按鈕，把傳統(tǒng)HWFA的一系列手動(dòng)操作改成了電腦自動(dòng)操作，不僅大大提高了自動(dòng)化程度，從而極大地節(jié)省了操作時(shí)間，而且更重要的是擺脫了對(duì)人的主觀因素，包括學(xué)識(shí)、操作技巧、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的依賴(lài)，從而使操作過(guò)程成為客觀化的尋求真理的過(guò)程。圖9智能化功能示意圖Fig.9Intelligentfunctionschematicdiagram本系統(tǒng)的智能化功能包括以下各點(diǎn)：系統(tǒng)硬件的自動(dòng)診斷;偏置電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)；過(guò)熱比的自動(dòng)調(diào)整；探針冷電

20、阻的自動(dòng)測(cè)量；探針工作電阻的自動(dòng)測(cè)最;探針電流的過(guò)載保護(hù)。（4）系統(tǒng)穩(wěn)定性好，不自激振蕩的頻帶很寬，一般可達(dá)700kHz以上，比傳統(tǒng)HWFA的200kHz寬35倍，極大地改善了動(dòng)態(tài)性能，使高頻流動(dòng)的測(cè)量成為可能（見(jiàn)圖2）。（5）系統(tǒng)配置了WindowsNT平臺(tái)上的多功能多用途的先進(jìn)軟件包，大大地?cái)U(kuò)大了儀器的使用范圍。而且還提供了開(kāi)放性用戶(hù)接口，用戶(hù)可以自由發(fā)展自己的專(zhuān)用數(shù)據(jù)處理軟件包，從根本上解放了用戶(hù)的創(chuàng)造能力。（6）制成了WPC-2003型010m/s寬范圍的先進(jìn)水探針校準(zhǔn)器，校準(zhǔn)區(qū)流動(dòng)穩(wěn)定，背景湍流度低（1%）,溫度效應(yīng)小，能標(biāo)定三維水探針。還研制成DS-I型新型（利用變頻器、風(fēng)菜、濺射薄膜壓力計(jì)等新技術(shù)）氣探針校準(zhǔn)器，校準(zhǔn)區(qū)流態(tài)穩(wěn)定，背景湍流度低于0.2%,能在1120m/s范圍內(nèi)標(biāo)定一維、二維、三維探針。4結(jié)論預(yù)移相型恒溫風(fēng)速計(jì)IFV-900A型的研制是成功的。與傳統(tǒng)熱線風(fēng)速計(jì)相比，無(wú)論從理論上、調(diào)試技術(shù)上、穩(wěn)定性上，都有著重大的發(fā)展。詳情請(qǐng)見(jiàn)表2。*2性能比較Table2Performancecompari