基于現場總線和智能變送器的風洞氣流參數測量系統研制

馬寶峰,王 兵,鄧學鎣

(北京航空航天大學流體力學教育部重點實驗室,北京 100191)

0 引 言

對于低速風洞實驗而言,按相似模擬的要求,需要模擬的主要相似參數為來流雷諾數。按定義,來流雷諾數與來流風速、密度、粘性系數和模型特征尺度相關,其中密度和粘性系數又與來流溫度和環境大氣壓有關。對于常規低速風洞,通常是通過改變風速和模型尺度來改變雷諾數的,如果研究對象對雷諾數不太敏感,可以假定來流密度和粘性系數是一常數。這一假定一般來說不會引起太大誤差,因為低速風洞發熱量相對不大,溫升相對較小。但是對一些對雷諾數十分敏感的流動現象,這一小的溫差也會對實驗結果產生定量甚至定性的改變,例如對圓柱繞流、旋成體大迎角的雷諾數研究等,因而有必要在計算雷諾數時考慮溫度乃至大氣壓的影響。這就需要對來流風速、溫度及環境大氣壓等氣流參數進行測量,以得到更為精確的雷諾數。

氣流參數各物理量的傳統測量裝置通常包括以下四部分：氣流參數測量探頭、與測量量相關的傳感器、信號調理器(放大、模擬濾波等)、A/D轉換器、計算機[1]。氣流參數測量探頭根據空氣動力原理制成,用于感知氣流參數,稱一次儀器。而傳感器等采集設備稱二次儀器,通常將傳感器和信號調理器集成在一個設備內,稱為變送器,變送器出來的信號都是經過放大、濾波等調理后的標準信號,一般為1～5V或0～40mA。變送器的信號一般為模擬信號,需經過A/D轉換后由計算機采集。

隨著集成電路技術的發展,傳統變送器逐漸被智能變送器所取代。所謂智能變送器是指以DSP(Digital signal processor)芯片為核心[2],將傳統測量裝置的四部分功能集成在一個設備里的現代儀器(有些變送器不包括傳感器,如溫度變送器)。DSP芯片在變送器中的作用類似于CPU在計算機中的功能,只是DSP的指令更側重于對數字信號的處理操作。在智能變送器中,傳感器測得的微弱模擬信號先經過放大電路放大,再通過A/D轉換電路轉換為數字信號。一旦轉換為數字信號,以DSP芯片為核心的信號處理電路便可以對信號進行各種操作,例如,數字濾波、量程遷移等等。處理完的信號可以直接以數字量傳給計算機,也可以再通過D/A轉換轉為模擬信號輸給其它模擬控制裝置。同時,計算機也可以發命令給變送器,進行一些采集參數的設置。智能變送器與計算機之間相互傳遞信息,遵循現場總線協議[3,4]。目前,世界主要的測控設備生產商已發展了多種現場總線協議。其中 Hart(Highway Addressable Remote Transducer)通信協議是一種既支持新型智能儀表的數字信號又兼容傳統模擬信號的現場總線協議,這是目前在智能變送器領域使用較多的總線協議[5,6]。

根據筆者的實踐經驗,目前在風洞氣流參數采集中,很多使用者仍將智能變送器當作傳統變送器使用,按傳統方式采集數據;而且,關于智能變送器在風洞中的應用也未見公開報道。所以,筆者將介紹在北航D4風洞中研制開發的一套簡單實用的氣流參數測量系統,該系統基于智能儀器和現場總線,可測量來流風速、溫度和環境大氣壓?；诓杉膩砹黠L速、溫度和環境大氣壓數據,可進一步計算得到較為精確的來流雷諾數。這樣計算得到的雷諾數由于考慮了溫度和壓力的影響,比僅僅考慮來流速度計算得到的雷諾數更為精確,這對很多對雷諾數變化敏感的流動現象的研究十分重要。

1 氣流參數測量系統硬件的選型和集成

1.1 氣流參數測量探頭選型

風速測量探頭采用皮托管,這是風洞來流速度測量最常用的方式。系統所用皮托管為法國Kimo公司生產,校準系數1.0015,安裝氣流偏角小于10°時,測量誤差小于1%。皮托管是通過測量來流總壓和靜壓進而間接得到來流風速,用皮托管探測來流總、靜壓不存在實質困難,因而選型也比較簡單。

對于大氣壓測量因為是測量靜止空氣,不需要測量探頭,壓力測量傳感器直接通大氣。

1.2 傳感器及數據采集設備選型

選擇壓力和溫度變送器時,為了利用智能設備和現場總線的優勢,所選差壓變送器和溫度變送器都為帶DSP芯片的智能變送器,支持Hart通信協議。其中差壓變送器為塞爾瑟斯公司生產的V10系列智能壓力變送器,精度0.075%。溫度變送器為Siemens公司的Sitrans-TK/TK-H型智能溫度變送器,并定做了裝配式四線制熱電阻作為溫度測量傳感器,精度±0.2°C。此外,測量大氣壓的儀器若使用通常的工業用絕壓變送器并不適合,這類儀器是用來測量一定范圍的絕對壓力,而大氣壓測量要求測量的是在一較大壓力值附近的波動。本系統選用振筒式氣壓儀為北京力龍威華測控技術有限公司生產的LQY-1型高精度振筒氣壓儀,精度為±30Pa。該氣壓儀一般用于民用機場的氣壓數據測量,靈敏度很高,可感受從地面到人胸前這樣高度導致的氣壓差,本系統將該設備引入到風洞的環境氣壓測量。

1.3 測量系統硬件連接

圖1 氣流參數測量系統硬件連接圖Fig.1 Hardware connection for measurement system of airflow parameter

氣流參數的測量硬件通常包括：氣流參數測量探頭、傳感器和數據采集電路。測量系統硬件連接圖如圖1所示。來流風速測量采用皮托管作為測量探頭獲得總靜壓,總靜壓差經差壓變送器轉換為Hart信號。來流溫度測量以裝配式熱電阻作為測量傳感器和探頭,該探頭位于風洞穩定段以測量來流溫度,熱電阻出來的模擬信號經溫度變送器轉為Hart信號,溫度變送器在物理連接上位于熱電阻探頭的頂端口蓋內。差壓和溫度變送器出來的Hart信號所包含的數字量信息是以正弦形式存在的模擬信號(頻移鍵控技術),并非數字方波形式,不能被計算機直接采集,需要通過Hart適配器將以模擬形式存在的數字信號轉化為計算機可接受的數字信號。Hart適配器的作用類似于撥號上網用的調制解調器,即將串口發出的數字信號轉化成智能變送器能識別的 Hart信號,同時也可以將智能變送器發出的Hart信號轉化成串口能識別的數字信號。與適配器相連后,智能差壓和溫度變送器之間是并聯關系,而Hart適配器與主機之間通過串口COM1相連,發送和接收數據的波特率為 1200 bps。振筒式大氣壓計通過串口COM2與微機直接相連,大氣壓計是以觸發方式不斷的以ASCII碼數據格式向微機串口發送大氣壓值,發送數據的波特率為9600 bps。振筒式氣壓儀與目前正在發展的硅諧振式氣壓儀同屬于數字傳感器[7],精度很高。

2 氣流參數測量系統軟件設計

2.1 現場總線協議-HART協議解析

系統軟件部分涉及到的難點主要在于對Hart通信協議的解析,因為Hart協議是由Hart基金會制定的,只有加入基金會成為會員,才會獲得Hart協議的文本,從而知道如何發送通信命令,該協議文本對外界是不公開的。智能變送器廠商只會提供現成的采集軟件,不會提供協議本身。本系統開發時參照極少量公開發表的 Hart協議信息[8],并經過自己的測試和推測,成功的實現了本系統的Hart通信。

2.2 程序流程

系統的采集程序采用VC6.0開發,主要分為三部分：主程序、差壓和溫度智能變送器采集程序(Hart通信和串口通信程序)、大氣壓計采集程序(串口通信程序)。軟件的主程序流程框圖如圖2(a)所示。程序運行以后,首先判斷差壓變送器連接是否成功,如果成功,則采集皮托管總靜壓差;然后判斷溫度變送器連接狀況,如果連接成功,則采集來流溫度值;最后采集環境大氣壓值。除采集氣流參數值外,通過主程序還可以對智能變送器通過Hart協議設置采集參數。

差壓和溫度變送器具體的數據采集程序(Hart通信程序)流程圖如圖2(b)所示,兩個變送器采集流程類似,因而只給出一個流程圖。變送器通過適配器以Hart協議與微機通信,通信的方式是問答式的,給出采集請求,智能變送器便會給出測量值。

大氣壓計采集程序(串口通信程序)的流程圖如圖2(c)所示。大氣壓計是以觸發的方式不斷的以ASCII碼的數據格式向微機串口發送大氣壓值,微機每次接收到的大氣壓值由八位ASCII碼組成。大氣壓計采集程序就是通過串口接收大氣壓計發送的ASCII碼,并將其轉化為浮點數形式的大氣壓值。

圖2 氣流參數采集程序流程圖Fig.2 Flow chart of acquisition for airflow parameters

3 氣流參數測量系統的應用

3.1 雷諾數的計算

3.2 在旋成體雷諾數效應研究中的適用性

通過以上氣流參數的測量,可以得到精確的來流雷諾數。本節給出季節溫度和氣壓波動對來流雷諾數測量的影響,并給出了該影響對旋成體大迎角雷諾數研究的影響大小,從而進一步具體說明了以上參數測量的重要性。中國北方冬季氣溫低、氣壓高,而夏季溫度高、氣壓低。根據本實驗室監測的結果,實驗室冬季風洞內最低氣溫可達到 7℃,環境氣壓101700Pa;而夏季風洞內溫度可達40℃,環境氣壓99000Pa。按該數據,利用以上雷諾數計算公式,可得圖3所示雷諾數的差異,其中橫軸為來流風速,縱軸為計算的雷諾數,雷諾數計算的參考長度取本實驗一旋成體模擬直徑(D=200mm)。

圖3 冬夏來流雷諾數的變化Fig.3 The variation of freestream Re at winner and summer

圖4 旋成體截面壓力分布隨雷諾數的變化[9]Fig.4 The variation of pressure distributions with Re[9]

圖4給出了一旋成體模型在大迎角下截面壓力分布隨雷諾數的變化,可見在上述雷諾數計算差異的范圍內,壓力分布已有較大變化?？梢妼饬鲄颠M行測量以得到精確的來流雷諾數對本實驗研究有重要意義。

4 結 論

在北航D4低速風洞中基于智能變送器和數字式振筒氣壓儀,實現了一套簡單實用的氣流參數測量系統。該系統變送器部分通過Hart協議實現通信。實踐證明,通過Hart通信的方式進行氣流參數采集有諸多優勢。差壓和溫度變送器通過Hart適配器與計算機相連,計算機通過串口與適配器實行通信,從而不需要在微機上再裝A/D采集卡。并且通信方式為數字通信,從而保證信號具有更強的抗干擾能力。其次,通過Hart通信的方式,還可以對系統的重要參數(比如量程、溫度傳感器的線路補償方式)進行設置和得到系統已有的參數設置,這是A/D采集卡方式進行采集不能實現的。此外,系統中的振筒式氣壓儀由于其基于數字式傳感器原理,不需A/D轉換,即可由計算機直接采集,不僅精度高,也給采集數據帶來了很大方便。最后,在氣流參數采集的基礎上,實現了來流雷諾數的精確計算,給出了因為溫度、大氣壓的變化導致雷諾數計算的差異性,并分析了該差異對旋成體大迎角雷諾數效應研究的影響。

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