1.                      1    前言

1.1    本文目標

恒溫式風速儀在流體力學研究中被廣泛使用的科學儀器。它利用置于惠斯通電橋中的一個微小鎢絲探頭來測量風速變化，具有系統穩定、時間解析度好等特點。系統原理見示意圖1。本文重點介紹風速儀的構成及使用方法，解釋各個操作步驟， 并給出示例。

1.2    風速儀的特點與優勢

CTA-04風速儀主機主要功能特點如下:

1)                      CTA-04風速儀具有雙通道和四通道兩種機型。雙通道可以同時使用2個單絲探針或1個雙絲探針;四通道可以同時使用4個單絲探針或2個 雙絲探針;

2)                      通過485網絡，系統可將多臺CTA-04組成一套系統，最多可支持256通道同 時工作;

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

4)                      輸出調制電路具有偏置功能，可以對輸出電壓進行平移;

5)                      輸出調制電路具有增益功能，設置5 擋增益，分別是1，2，4，8和16;

6)                      輸出調制電路內置低通濾波器，設有7 個可切換的截止頻率，分別是10kHz、 5kHz、 1kHz、500Hz、 100Hz、 10Hz 和1Hz。低通濾波器可關閉;

7)                      風速測試系統內置方波發生器，可產生用于測試頻響的方波。方波頻率1-5000Hz ，缺省值 為500Hz。

在DAQ16數采儀及CR系列標定器及CTALab軟件的配合下，CTA-04系統可:

1)                      設定風速儀冷態電阻、工作溫度;

2)                      調節系統動態平衡參數;

3)                      調節信號放大、偏置、低通濾波等輸出信號的后處理參數;

4)                      自動標定風速與輸出電壓的函數關系;

5)                      設定采樣率、采樣數、數據儲存文件目錄、文件名等參數;

6)                      實現解析X型雙絲探頭、三絲探頭測量等功能

圖 1 電橋原理示意圖

對比多孔探針

與畢托管、多孔探針等基于測壓來測速的傳統技術相比，熱線風速儀的優勢在于

1)                      動態測量能力

風速儀具備非常強的動態測量能力"不僅能測量平均速度，更能解析超 過100kHz的速度動態變化，可以準確解析各種尺度旋渦帶來的速度變化，并 測量能譜、各種長度及時間尺度等重要湍流參數

2)                      近壁測量能力

因為探針的幾何尺度很小，可靠近壁面解析近壁區域速度分布，進而獲得湍 流邊界層粘性低層的速度分布等重要信息，捕捉邊界層內發生的各種動態事件

與畢托管及多孔探針相比，風速儀的弱點也很明顯

1)                      投資相對大

風速儀售價大大高于畢托管等以測壓為基礎的風速測量儀器

2)                      系統更復雜

一套完整風速儀由主機、數采卡、標定器、探頭等多個部件組成"與畢 托管測速系統相比更龐大、復雜"

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)                      對環境變化敏感

測量結果對溫度變化非常敏感 (每攝氏度溫變引起2%速度測量值變化)， 需要復雜的補償算法進行修正，且補償效果有限

5)                      探頭需要經常標定，使用便利性差

風速儀需要設定冷態電阻、過熱比、系統平衡參數，另外，需要進行方  波測試以獲得最佳頻響，風速儀需要依靠其他測速儀器 (如畢托管等) 進行標定，測量易受溫度、濕度等多種因素的影響，傳統的標定結果只  能在一定時間內有效，無法做到一次標定，長時間使用。

盡管具有以上弱點，因在動態測量方面的優勢，風速儀依然被大量采用。

1.3    航風風速儀的特點與優勢

與品牌風速儀相比，岳陽航風產品具有如下特點

(1) 航風風速儀具有后發優勢，吸納更新的電子技術，使系統更可靠;

(2) 獨立開發了若干新測量技術，提高了易用性;

(3) 為用戶提供更及時的技術支持，長期、可靠的售后服務;

(4) 可為用戶提供免費的軟件升級服務;

(5) 具有良好的性價比。

2.                      2    系統組成

表 1: 一套CTA04航風風速儀系統的標準配置

2.1  CTA04主機

標配產品，主機分為雙通道和四通道兩種，圖2a或2-b一臺電腦可以連 接多臺主機，比如，一套六通道系統可以由一臺四通道主機加一臺雙通道主 機組成，一套12通道系統由3臺四通道主機組成，具體參數見表2

2.2  DAQ16 數據采集儀

標配產品。數采儀內置一臺NI USB6211數據采集卡，圖2-c 。具體參數見表3。除采集卡外，數采儀還內置一個壓差傳感器，測壓范圍±2.0kPa ，精度為量程的±0.1% ;

2.3  HW1A單絲探頭

標配產品，見圖2-d。該探頭敏感單元為5μm直徑鎢絲、長約1.5mm。 探針 總長度 約90mm ，其 中頭部雙支架長度 約11mm ，探針主體長80mm、直徑2.6mm。敏感單元通過焊接置于兩個支架尖處，正對來流。探針尾部有兩 根柔性導線，長約20cm。導線尾部為迷你香蕉頭公頭，通過CB02A 線與熱 線風速儀Probe端口相連。

表 2: CTA04風速儀主機參數

表 3: DAQ16數采儀參數

2.4  CR04手動標定器

風速儀的輸出為模擬電壓，需要經過標定過程才能將電壓信號轉化為流速。標 定需要在一系列已知風速的環境下，記錄電壓輸出的均值。通常要求標定環境湍流度小，即風速隨時間變化不大。

CR04手動標定器的組成部分見圖3， 細節見表4。它主要由如下幾個部分組成

?                      CR04M手動標定器，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  腔設有總壓采集口。射流裝置的背板是空氣入口，通過塑料波紋管 (圖3d) 連接至風機出 口。 射流裝置下方設有測壓孔，通過測壓軟管 (圖3g， 內  徑2mm硅膠軟管)與DAQ16數采儀的標定器測壓口 (圖2c，H端)相連。射  流裝置內設有整流裝置，收縮段收縮比100:1。

?                      手動轉臺，圖3a

手動轉角機構，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 ，探針可繞軸向旋轉角度(Cone)范圍0 - 360o 。調節分辨率5o 。 角度 的定義見第K節;

?                      風機，圖3c

高壓風機一臺，供電220VAC， 500W。

?                      變頻器，圖3b

用來控制風機轉速。可在自動和手動定速兩個模式下工作。設置方法見附錄 第G節。

?                      定制電源線，圖3e

連接風機、變頻器及電源。線的一段為四接頭，與風機相連 (長的黃綠先接 地，其他紅綠黑三線接電機三相接頭，通常已經接好);線的另一段為六線 接頭接變頻器，具體見第3.3節);

?                      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) 與數據采集儀模擬電壓輸出 (AO)端口，用來控制風機轉速。軟件可以通  過AO 端口發送模擬電壓 (0-10V)來控制轉速，實現自動調節風速的自動  標定。變頻器也可以設為手動模式，通過轉動前面板上的電位器調節風機轉速。具體操作見附錄第G節。

2.5  TM02移測架

TM02移測架 (圖4)是精確控制探頭位置以輔助測量流場速度分布的工具，組成部分見表6。

?                      滑動模組

航風TM02模 組采 用雙 線軌 絲杠滑 臺方 案。 行程 范 圍200-500mm ，定位 精度0.1mm/500mm。 水平 負載10kg ，垂直 負載5kg。 根據用戶的 需求可 選1到3支。

?                      運動控制器，圖4e與4d

內含三個獨立工作的步進電機控制器。 與CR05 標定器的自動標定器通用 (可只采購一臺)。運動控制器通過TypeC 數據線，圖2h，連接電腦，并通過 步進電機控制線，(圖4c)與步進電機相連。運動控制器接收電腦串口發出 的命令，控制步進電機做出相應的動作。

圖 4:  一套典型的移測架由1臺控制器、3臺模組、導線及連接件組成

表 6: TM02移測架組成部分

3.                      3   附錄

A    航風探頭

航風提供了多種探頭來滿足客戶的不同測量需求。其中,對常用的HW1A和HW2A探

頭的描述見表1。絕對大多數客戶會選擇這兩種探頭。所有可選探頭見表A.1。部分照片見圖A.1。

圖 A.1:  部分航風探頭照片

表 A.1: 幾款常用的航風探頭

(a) HW1A

(b) HW1D

(c) HW2A

圖 A.2:  主要幾種探頭幾何尺寸

B    FTDI軟件:串口線驅動程序

FTDI軟件是驅動USB-串口通訊線路的重要軟件。

下載后解壓,并運行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、運行程序、Extract 、下一頁、我接受、下一頁、完成。具體過程  見圖B.1。

圖 B.1:  安裝FTDI軟件過程示例

FTDI驅動程序安裝好之后,接好USB-串 口線?打開電腦的設備管理器可以看到熱線風速儀主機對應的串口設備號COM3  (該編號第一次設定后不會再變)，見圖B.2

圖 B.2:  FTDI軟件安裝后在“設備管理器" 中檢查設備COM號

C    CTALab軟件安裝

CTALab軟件是熱線風速儀的重要組成部分,其安裝過程見圖C.1。該軟件主要功 能包括:

•  通過串 口與熱線風速儀主機通信,設置工作參數、開啟關閉電橋、讀取主機狀 態;

•  指揮標定器對熱線探頭和熱線通道進行標定;

•  與數據采集儀通信,設置采集參數,采集保存數據,顯示主要統計量;

•  與移測架及轉角機構通信,控制移測架位置及轉角機構角度。