一种新型热线热膜流速计.docx

1、第23卷第1期2009年03月实验流体力学JournalofExperimentsinFluidMechanicsVol.23,No.1Mar.,2009文童编号：】672-9897(2009)01-0089-05一种新型热线热膜流速计盛森芝，庄永基,刘宗彦（北京大学力学系，北京100871）摘要：在剖析传统热线热膜风速计存在问题的基础上，提出了解决这些问题的思路、方案和具体的线路模型，形成了预移相型热线热膜流速计的构思”首先对传统热线风速计的物理模型进行改进，用数学方程加以描述并求出其解析解提出一系列设计公式，进而选择适当的线路环节，编制相应的软件，实现上述物理模牧、数学方程和设计公式的要求

2、，形成r具有6大特色的“【FV900A型智能热线热膜流速计”。关键词：热线（热膜）；风速计；预移相电路；动态响应中图分类号:TH815;文献标识码：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引言热线热膜流速计（HWFA）是利用热对流方程的解/=4+（简称King公式）测量流动速度的仪器，式中代表热耗散，/!和8为常数，为风速。传统恒温热线风速计（HWA）是上世纪60年代根据King公式发展起来的，其理论是由美国柯罗勒多大学的F

5、reymuth教授建立的。它具有3个以上的调节参量，必须通过方波试验进行多个参数调节才能使用，故调节麻烦，使用不便，难以推广应用。上世纪80年代末，笔者对传统HWA的理论进行分析，发现其物理模型与实际悄况出入较大，数学方程过于简化，这就导致了调节困难，使用不便。为此,提出了预移相型热线风速计的模型，建立了更为精确的数学方程，求得了解析解并提出一系列设计公式。随后选用了适当的电子线路，编制了相应的软件，形成了具有自身特点的IFV900型热线热膜流速计。2001年，在科技部创新基金的支持下发展了具有6大特点的IKV900A型智能热线热膜流速计U.2.6）。1传统热线风速计的局限性为了正确理解1FV

6、900A的优点，就必须从剖析传统热线风速计的局限性入手。传统的恒温热线风速计见图lo其主要特点是配置了一个直流电桥；热线热膜本身占据了电桥的一臂（Aw）n忽略了分布电容和分布图1恒温风速计的核心线路Fig.lThecentercircuitofconstant-temperatureanemometer收精日期：2007-11-08；修订日期：2008-09-25基金项目：科技部2001年科技中小企业创新基金作者简介：盛森芝（1933-）.男.浙江浦江人，教授.研究方向：流动测拾.E-mail:fb】u函r电感;还配置了一个高增益放大器。它们共同组成了一个反馈系统，形成了传统热线风速计的核心电

7、路。根据美国柯罗拉多大学Freymuth教授的理论，由上述物理模型出发，从电桥方程、King公式及放大器方程可推导出恒温热线热膜风速汁的动态数学方程如下:按图2所示的系统,Freymuth推导出以下系统方程:Af/（PUduT5?忻肃+虬而+“父nMRi>EidE"=况+商瓦I刃+矛1*+2(S1).-1)(1)=况+商瓦L/式中：M=拿号迂招-另弟j(3)其中G=SRw称之为回路增益；S为反馈系统跨导：火二称之为偏置比，小为电桥平衡时流过热丝为风速的偏置电流；C为比热；m为质It;L=为过热比;瓦为热线平均电阻；R。为环境温度时热线（或热膜）电阻；浏.为恒流时间常数，其值为哮

8、；百为对流热H损耗；/w为加热电流,其值为A+上；乙为平均加热电流，小为加热电流的交流分斌；b、r是与电感电容有关的栖。这个方程先天不足，因为它忽略了探针引线的分布电容和分布电感，实际上是按直流电桥的模式来描述整个系统的。通常，每米电缆具有分布电容Cc=66pF和分布电感£c=0.167mH（国产SWY-50-5型电缆）,5m长的电缆就具有330pF的分布电容和0.835/iH的分布电感。这样大的分布电容和分布电感值就足以引起整个回路的不稳定。*r*r77T图2含有试验信号的恒温风速汁Fig.2Thisconstanttemperatureanemometercontaintests

9、ignal其次，Freymuth从最佳频率响应调节任务出发，分析包含试验信号的恒温风速计系统时，还忽略了与放大器分布电感有关的量/对线路的影响。据查证3本身是很难确定的，因而忽略了/的影响也是不可捉摸的。虬=或也u为放大器输出电压珏的微小偏离，u的微小变动。式（2）存在以下几个问题或疑点：（1）根据Routh稳定准则的要求，此、Af,必须N0,因此rNGMbo在I：I电桥情况下n=1,故r>但r越大，线路越不稳定。（2）由于是可变的，可以通过调节来实现，也必须通过调节来满足方程的稳定要求，故风速计的最佳动态响应主要由三阶系数M/G决定，其中M是与热线有关的量。根据（3）式，在系统过热比较

10、大，速度也较高时,M值很小。而J/C是与电路有关的量，其值要很小才行，因为a越大线路的稳定性越差。只有Mo2/G较小时，风速计才能工作在较高的频率上。（3）方程式左端的变鼠为u,代表了放大器输出电压Eb的微小偏离，方程式右端的变量为。，代表了风速的微小变动，这两个变量之间是什么关系？怎么定量？方程又怎么解？（4）方程推导过程中仍然认为电桥的热线臂是纯电阻，其分布电容、分布电感不起作用，这不符合事实。实际上freymuth从恒温风速计的最佳频率响应调节出发分析方程（2）以后，提出了方波试验的调节方法，认为只要调节增益G,放大器偏置电压Eb，放大器增益带宽乘积们以及稳定电路和电缆微调就可做到使方程

11、等式两边保持平衡。正因为这样，美国TSI公司的1050型就选择电缆微调、放大器偏置电压珏和稳定电路3者来调节最佳频率响应。而丹麦Danlec公司的55M型，则是由调节电感微调，。值,放大器增益，放大器带宽4个参量来实现系统的最佳频率响应的。但是这些参量之间存在着固有的联系，而怯都与a、r等不易测得的交流分量相关，所以调整其中的一个参量就会影响另外的参量，从而会改变系统方程之间的平衡状态。例如当G改变时，.虬就会改变，也会发生改变，增益带宽乘积也会发生改变，原有的平衡就会被打破。再例如，调节电感微调，就会改变，增益带宽乘积B也会改变，系统平衡同样会被打破。这就是传统热线热膜流速计调节上的致命弱点

12、，也是方波试验中难以克服的根本性问题调节十分麻烦，使用极为不便。图3探针臂等效电路Fig.3Theequivalentcircuitofprobearm2预移相型的提出“上面已经说明传统的HWFA是由流体流动造成的强迫对流热交换、电桥、放大器电子线路共同构成的混合系统。该系统工作在高增益、宽频带、深反馈的条件下，整个系统非常容易发生自激振荡。Frey-muth虽然建立了物理模型，数学上也推导了动态方程，还给出了最佳频率响应的方波试验调节法。但是他的物理模型离实际情况比较远，数学描述过于简单，调试方法和调节步骤过于复杂。这就迫使我们必须从物理模型上重:新进行研究,进而从数学上严格描述，提出解决上

13、面所述问题的新方法o1992年庄永基和盛森芝提出了预移相线路模型并根据这个模型制成了IFV-900流速测量系统。这个模型基于以下几点考虑：（1）假定探针引线电缆的分布参数是引起高频稳定性问题的主要因素；（2）力求采用简单的补偿措施，以便从数学上得出实际可分析的动态方程和调节元参最的解析解；（3）尽可能提高放大器的设计品质来弥补其时间滞后以及由。、丁等引起的问题。首先考虑具有电缆分布参数的探针臂等效电路（图3）,其中R.、Lc、Cc分别代表电缆电阻、分布电感和分布电容，R,为探针工作电阻。由电路分析可知，Lc>Cc引起的槽路截止频率分别为:/cut（Zc）=式中的七=R,+尺,假定使用国产

14、电缆SWY-50-5型，则可按66.71pF,人=0.1671?算出电缆分布参数。再取典型值/?,=40Q,心=10Q,就可算出截止频率/cu,（心），/硕（。），并列表如下：表1电缆分布参数及其截止频率值Table1Parametersofcabledistributionandcut-offvalue电缆长度（m）5102050Ct/pF33067013303300/«.,（C）/kllz6000030000150006000Mh0.841.73.38.4"O/kHz1900950480190由上表看到，兀所引起的截止频率要比G所引起的截止频率低得多。G引起的截止频率远

15、在传统HWFA频率响应200kHz的范围之外。故可以断定Lc的影响比Cc大得多，有理由设想可以略去Cc的影响，而仅仅考虑心作电桥补偿。根据以上分析，笔者提出如图4所示的预移相线路模型。图中扁为的预移相电感;Lx=Lc+Lo，L2为唯一的调节补偿元件；G以及槽路分布电容皆略去不汁。匕2对电压有微分作用，因而对放大器时间滞后有补偿作用。由于本模型的主要特点是人为增加了电感对桥路的超前移相量,故称之为预移相型。3IFV.900A型预移相型智能热线热膜流速计的6大特点1991年以北京大学力学系盛森芝教授为首的研制小组，根据上述预移相型原理制成了新型IEV900型流速测量系统。2001年科技部拨款支持发

16、展了这个系统，进而产生了新的“IFV900A型智能热线热膜流速计”，其结构框图如图5所示，具有以下6大特点：图5IFV900A型的结构框圈Fig.5Thestructureblockdiagramof1FV900Amodel(1)采用了预移相线路模型，具有五阶非齐次动态方程，并给出了严格的解析解，理论依据比传统HWFA可靠且更接近真实情况，同时减少了传统HW-FA的3个以上的调节参量，免除了方波试验的麻烦，调节简单，操作方便，利于推广应用。调节时间从每通道半小时缩短为2min,使用效率提高了10倍以上。与Freymuth的方法类似，由热线热膜的动态方程、桥路方程和一阶传递函数C/(l+rs)描

17、述的放大器方程3者联合得出系统的动态方程如下：却+【斜+始早恨+旭加3+%】+音d+r+d务+2dd+；+rd+；，夫?其中其中朱+Mct2t2+rA?+A?2*+阮/京制=制1g会+斜+副1+Mcc会,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，并获得以下一系列设计公式："=妇囹；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为本线路模型的时间常数；A=扁+儿；其设计曲线和频率特性如图6、7所示。(2) 提出了动态偏置的新概念和同步偏置的新线路(获美国专利)，使偏置电压Eb总是正比于输出电压E,确保了Eb总是随流速的变化而变化。这样一来，即使流速脉动加大，系统仍然保持稳定工作，确保了系统不会自激，克服了传统风速计随时可能失去稳定的弊病。实现动态偏置的具体方案是如图8所示的同步偏置线路。图8同步偏置线路椎图Fig.8Theblockdiagramofsynchr

19、onousbias上述偏置线路要实现的目标就是完成下述公式:瓦=汨M+号何（3）系统利用CPU控制操作处理技术，实现了一系列智能化操作功能，革除了传统风速计面板上的所有开关、旋钮、按钮，把传统HWFA的一系列手动操作改成了电脑自动操作，不仅大大提高了自动化程度，从而极大地节省了操作时间，而且更重要的是摆脱了对人的主观因素，包括学识、操作技巧、实践经验的依赖，从而使操作过程成为客观化的寻求真理的过程。图9智能化功能示意图Fig.9Intelligentfunctionschematicdiagram本系统的智能化功能包括以下各点：系统硬件的自动诊断;偏置电压的自动调节；过热比的自动调整；探针冷电

20、阻的自动测量；探针工作电阻的自动测最;探针电流的过载保护。（4）系统稳定性好，不自激振荡的频带很宽，一般可达700kHz以上，比传统HWFA的200kHz宽35倍，极大地改善了动态性能，使高频流动的测量成为可能（见图2）。（5）系统配置了WindowsNT平台上的多功能多用途的先进软件包，大大地扩大了仪器的使用范围。而且还提供了开放性用户接口，用户可以自由发展自己的专用数据处理软件包，从根本上解放了用户的创造能力。（6）制成了WPC-2003型010m/s宽范围的先进水探针校准器，校准区流动稳定，背景湍流度低（1%）,温度效应小，能标定三维水探针。还研制成DS-I型新型（利用变频器、风菜、溅射薄膜压力计等新技术）气探针校准器，校准区流态稳定，背景湍流度低于0.2%,能在1120m/s范围内标定一维、二维、三维探针。4结论预移相型恒温风速计IFV-900A型的研制是成功的。与传统热线风速计相比，无论从理论上、调试技术上、稳定性上，都有着重大的发展。详情请见表2。*2性能比较Table2Performancecompari