基于復(fù)合熱膜技術(shù)的低風(fēng)速及湍流測量

宋巍巍, 韓 杰, 陳天毅, 周 平

( 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計及測試技術(shù)研究所， 四川 綿陽 621000)

基于復(fù)合熱膜技術(shù)的低風(fēng)速及湍流測量

宋巍巍*, 韓 杰, 陳天毅, 周 平

( 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計及測試技術(shù)研究所， 四川 綿陽 621000)

針對復(fù)合熱膜應(yīng)用于低風(fēng)速和湍流強(qiáng)度測量方法進(jìn)行了研究。風(fēng)洞在進(jìn)行低風(fēng)速測量時普遍存在輸出靈敏度不高的問題，采用增加熱膜與環(huán)境溫度差的方法，提高了熱膜敏感探頭在低速范圍的輸出靈敏度，實現(xiàn)了2m/s內(nèi)的風(fēng)速和湍流準(zhǔn)確測量?？紤]到氣體溫度對熱膜探頭輸出信號的影響，對溫度補償方法和補償電路進(jìn)行了研究，通過對電路的合理設(shè)計，實現(xiàn)了溫差的精確控制。對熱膜結(jié)構(gòu)、尺寸和器件進(jìn)行合理匹配，實現(xiàn)了復(fù)合熱膜敏感探頭的微型化設(shè)計。采用MEMS技術(shù)，通過最大限度減小加熱電阻和測量電阻的尺寸，達(dá)到了較好的響應(yīng)頻率。測試結(jié)果表明，該復(fù)合熱膜敏感探頭可以滿足低風(fēng)速和湍流度的測試需求。

熱膜；敏感探頭；溫度補償；湍流強(qiáng)度；動態(tài)特性

0 引 言

低風(fēng)速是農(nóng)業(yè)、氣象、環(huán)境保護(hù)、人工小環(huán)境等科學(xué)研究中的重要研究對象[1-5]。熱線測量技術(shù)自20世紀(jì)60年代以來，一直是流體測速領(lǐng)域的主要技術(shù)之一[6]。但熱線敏感元件容易斷裂、破損和污染，維護(hù)成本高，限制了熱線風(fēng)速儀的使用環(huán)境。針對以上的熱線特性，Ling等人引入了熱膜作為研究湍流度的工具，熱膜具有不易氧化和損壞，熱電特性穩(wěn)定的特點[7-8]，可在工業(yè)環(huán)境中長期可靠使用。

在國內(nèi)風(fēng)洞試驗測試領(lǐng)域，使用熱膜進(jìn)行低風(fēng)速測試還處在起步階段，主要原因是熱膜風(fēng)速計在風(fēng)洞

低風(fēng)速測試中普遍存在靈敏度較低的問題，影響測試精度。本研究的動因是，在國內(nèi)某低速風(fēng)洞進(jìn)行多點低風(fēng)速和湍流度陣列測量時，存在熱線設(shè)備昂貴、維護(hù)困難和費用高的問題，無法滿足多點測試的需求。為了解決上述問題，針對復(fù)合熱膜敏感探頭和測量電路進(jìn)行了研究，重點解決了復(fù)合熱膜敏感探頭溫度補償電路和靈敏度較低的問題，實現(xiàn)了風(fēng)洞低風(fēng)速的多點高精度測量，且該復(fù)合熱膜敏感探頭具有體積小、價格低和使用安裝方便的特點。

1 熱膜探頭工作原理

熱膜探頭基于對流換熱原理，將熱膜探頭置于被測氣體中，熱膜與被測氣體之間將進(jìn)行自然對流換熱和強(qiáng)制對流換熱?？諝忪o止或流速很低時，空氣自然對流傳熱達(dá)到熱平衡；當(dāng)氣流流動時，氣流與熱膜傳感器電阻的換熱過程以強(qiáng)迫對流的形式為主[9]。換熱量與很多因素有關(guān)，這些因素包括熱膜和氣體的溫差、氣體速度、氣體溫度、氣體組分、氣體壓力等[10]。在低速風(fēng)洞中，溫差、氣體溫度、氣體組分、氣體壓力等影響因素基本固定時，對流換熱量就與流速呈一定的函數(shù)關(guān)系，利用這個原理即可進(jìn)行氣體的流速測量。熱膜的熱交換量和加熱量關(guān)系如以下公式所示：

(1)

式中：B、C是與自然對流、熱傳導(dǎo)和熱輻射有關(guān)的常數(shù)；m為與雷諾數(shù)有關(guān)的系數(shù)[11]。當(dāng)被測介質(zhì)為組分含量固定的氣體時，ρ、λf、η、A和d等系數(shù)都是常數(shù)，熱膜加熱元件R0與氣流之間的溫差(Tf-Ta)由反饋放大器控制而保持恒定，則加熱元件的熱損失H是氣體流速U的單值函數(shù)，加熱元件R0的熱損失H由電能I2R0補充。將加熱電能I2R0作為測量輸出信號，可以得到氣體流速。

2 復(fù)合熱膜敏感探頭結(jié)構(gòu)

復(fù)合熱膜敏感探頭采用 MEMS技術(shù)，將硅基片經(jīng)氧化、濺射、光刻和腐蝕等工藝加工而成，結(jié)構(gòu)組成包括硅基片、空腔、絕緣層、光刻鉑電阻和保護(hù)層。絕緣層上采用濺射、光刻工藝生成了5個鉑電阻，電阻上面覆蓋保護(hù)層用于保護(hù)電阻，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中R0為加熱電阻，R3用于測量加熱電阻的溫度，R4用于測量氣流溫度，R1用于測量加熱電阻R0下游氣流溫度，R2用于測量上游氣流溫度。電阻區(qū)域的面積為 2mm×2mm，薄鉑膜電阻厚度為3μm，R0、R1、R2、R3與硅基隔離，可有效減少熱慣性，具有較快的熱響應(yīng)速度。

復(fù)合熱膜敏感探頭電路如圖2所示。主要由加熱電阻、恒溫差控制電路、風(fēng)速測量電路和電源管理電路4個部分組成。

圖1 熱膜探頭結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hot-film probe

圖2 熱膜探頭電路Fig.2 Circuit of hot-filmprobe

恒溫差控制電路由R3、R4、R5、R6、R7組成的電橋進(jìn)行自動溫度補償，R3用于測量加熱電阻R0的溫度；R4用于測量氣流溫度；R5用于控制溫差值；R6、R7為固定電阻；R3、R4、R6、R7在0℃時的阻值相同。橋路輸出經(jīng)反饋控制電路放大后給加熱電阻R0加溫。該電路的特點是當(dāng)氣流溫度變化時，加熱電阻R0和氣流溫度的溫差不會改變，且溫差值只與可調(diào)電阻R5的阻值有關(guān)，阻值越大溫差越大。

風(fēng)速測量電路由測量電橋和信號調(diào)理電路組成。測量電橋由R1、R2、R8、R9組成，常溫時電橋各電阻阻值相同，R8用于調(diào)節(jié)橋路零點，R1用于測量加熱電阻R0下游氣流溫度，R2用于測量上游氣流溫度；無氣流時，R1=R2，橋路輸出為0；有正向氣流時，R1>R2，橋路輸出正信號；有反向氣流時，R1

0℃時，電路中電阻阻值如表1所示。

當(dāng)R5調(diào)整到770Ω時，溫差設(shè)計點為100℃。表2為在不同環(huán)境溫度下，實測的R3和R4的電阻值，從而計算出在不同環(huán)境溫度下的實際溫差值。高精度的溫差控制是保障低風(fēng)速測試精度的關(guān)鍵。測試結(jié)果表明，在不同環(huán)境溫度下，溫差控制精度優(yōu)于0.3℃，實現(xiàn)了溫差的精確控制。

表1 電阻值(0℃)Table 1 Resistance(0℃)

表2 R3和R4電阻的測量值Table 2 Measurement values of R3 and R4

3 試驗及分析

為了對復(fù)合熱膜敏感探頭的性能有所了解，采用吹風(fēng)實驗裝置進(jìn)行測試。該裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生一定速度的氣流，流速的大小通過變頻器調(diào)節(jié)；風(fēng)機(jī)后面安裝一臺標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速儀，該風(fēng)速儀為丹麥的StreamLine熱線風(fēng)速儀，線性和重復(fù)性誤差為±0.2%。

圖3 實驗裝置示意圖Fig.3 Diagram of test device

復(fù)合熱膜敏感探頭校準(zhǔn)過程如下：首先通過風(fēng)機(jī)產(chǎn)生一系列風(fēng)速，讀取標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速儀對應(yīng)輸出的一系列電壓值Yi；讀取復(fù)合熱膜探頭對應(yīng)輸出的一系列電壓值Xi，對Yi和Xi電壓值分3段進(jìn)行五階多項式曲線擬合，獲取3組復(fù)合熱膜敏感探頭的校準(zhǔn)系數(shù)a0～a5，b0～b5，c0～c5，寫入電路DSP中，曲線擬合公式如式(2)、(3)、(4)所示。

(2)

(3)

(4)

吹風(fēng)實驗裝置測量管道經(jīng)過空氣動力學(xué)設(shè)計和精密加工而成，保證了流場特性的完全一致。經(jīng)測定，常溫常壓下，氣流速度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

(5)

式中：f為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，U為氣流速度。圖4為R5=984Ω，熱膜與氣流溫差為 128℃時的吹風(fēng)實驗原始數(shù)據(jù)，橫軸為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，縱軸為復(fù)合熱膜敏感探頭輸出信號。由圖4可以看出，輸出信號和式(1)的相關(guān)性非常好；隨著速度的增加，湍流強(qiáng)度也隨著增加；在風(fēng)速為2m/s時，風(fēng)速儀約有2.2V的電壓輸出。

圖4 吹風(fēng)實驗數(shù)據(jù)Fig.4 Data of test

通過調(diào)整R5 的阻值可以改變復(fù)合熱膜敏感探頭的輸出靈敏度，使得熱膜敏感探頭分別工作在5個不同的工作點，如表3所示。不同工作點的測試結(jié)果如圖5所示，可以看出，熱膜與氣流溫差越大，低流速下的靈敏度越高。當(dāng)溫差達(dá)到248℃時，在風(fēng)速為2m/s時，熱膜敏感探頭約有3.5V的電壓輸出，靈敏度達(dá)到0.01m/s。

表3 在5個工作點的不同參數(shù)Table 3 Different parameters at five working points

圖5 不同工作點的輸出曲線Fig.5 Output curves for different working points

調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率1～50Hz，對應(yīng)風(fēng)速范圍0～4.8m/s,將復(fù)合熱膜敏感探頭與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速儀在同一風(fēng)速下測量的電壓值進(jìn)行對比[12]，數(shù)據(jù)如表4所示，曲線如圖6所示。由測試數(shù)據(jù)可見，在每一個風(fēng)速點，復(fù)合熱膜敏感探頭輸出的電壓值精度都可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速儀電壓輸出值的±0.5%以內(nèi)。實際風(fēng)速測試數(shù)據(jù)對比見表5，由測試數(shù)據(jù)可見，在風(fēng)速低于2m/s時，復(fù)合熱膜敏感探頭與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速儀風(fēng)速測試值差值在±0.01m/s以內(nèi)。在風(fēng)速高于2m/s時，由于復(fù)合熱膜敏感探頭靈敏度有所降低，兩者風(fēng)速測試差值在±0.03m/s以內(nèi)。由此可見，復(fù)合熱膜敏感探頭更適合于進(jìn)行低風(fēng)速測量。

表4 輸出電壓對比Table 4 Comparision of the output voltages

圖6 輸出電壓比較曲線Fig.6 Comparision of the voltages curve

通過快速開關(guān)吹風(fēng)實驗裝置的快速閥，還測試了復(fù)合熱膜敏感探頭的頻率響應(yīng)特性。已知標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速儀的頻響為10kHz，曲線的頻率響應(yīng)主要受到吹風(fēng)裝置的頻率響應(yīng)特性限制。經(jīng)測試，實驗裝置氣流建立時間約為2ms，關(guān)斷時間約為1ms。測試結(jié)果如圖7所示，其中紅色為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速儀的響應(yīng)曲線，藍(lán)色為復(fù)合熱膜敏感探頭的響應(yīng)曲線，由圖7可見，2個風(fēng)速儀上升下降基本同步，上升時間約為2ms。受實驗裝置的限制，開關(guān)快速閥時空氣流量實際幅值變化很大，考慮到風(fēng)洞湍流實際幅值變化的特點，幅值一般為風(fēng)速值的千分之一左右，估算熱膜探頭至少可以達(dá)到2kHz的頻率響應(yīng)，可用于低速風(fēng)洞2kHz內(nèi)的湍流強(qiáng)度測量。

表5 風(fēng)速對比Table 5 Comparision of the air velocities

圖7 動態(tài)響應(yīng)曲線Fig.7 Dynamic response curve

4 結(jié) 論

重點對復(fù)合熱膜敏感探頭溫度補償方法和補償電路進(jìn)行了研究，解決了復(fù)合熱膜敏感探頭在進(jìn)行低風(fēng)速測試時溫差的精確控制，實現(xiàn)了低風(fēng)速的高精度測試，在低風(fēng)速下，電壓測試精度可達(dá)0.5%，風(fēng)速測試精度可達(dá)±0.01m/s。

對提高復(fù)合熱膜敏感探頭輸出靈敏度方法進(jìn)行了研究，輸出信號不隨氣流溫度變化而改變，具有輸出靈敏度可調(diào)的特點。在不同風(fēng)速，可根據(jù)需要選用不同的靈敏度。在低風(fēng)速測試時，通過調(diào)解R5提高溫差，提高低風(fēng)速測試的靈敏度；在需要高速測量時，通過調(diào)解R5降低溫差，提高高風(fēng)速測試的靈敏度。在2m/s的低流速下，最高可輸出3.5V電壓，靈敏度達(dá)到0.01m/s，實現(xiàn)了較高的靈敏度。

采用MEMS技術(shù)，通過最大限度減小加熱電阻和測量電阻的體積，達(dá)到較好的響應(yīng)頻率。

解決了復(fù)合熱膜敏感探頭體積過大，使用不方便的問題。熱膜探頭尺寸僅為為2mm×2mm，對風(fēng)洞流場的影響微乎其微；后端調(diào)理電路部分尺寸為3cm×4cm，實現(xiàn)了復(fù)合熱膜探頭的微型化設(shè)計。

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(編輯：張巧蕓)

Low speed and turbulence measurements based on composite hot-film technology

Song Weiwei*, Han Jie, Chen Tianyi, Zhou Ping

(Facility Design and Instrumentation Institute， China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000， China)

The paper studies the composite hot-film test method used to measure the air velocity and turbulence at low speed. The output sensitivity of the air velocity measurement is generally low in wind tunnel tests. In order to improve the sensitivity of the hot-film sensitive probe when the velocity is very slow, the temperature difference between the hot-film and the airflow is enhanced. The velocity and turbulence of the low speed airflow can be accurately measured even when it is under 2m/s. In order to correct the output of the hot-film sensitive probe influenced by the gas temperature, the methods of temperature compensation and compensation circuit are studied. A special circuit is designed to obtain the accurate control of temperature difference. By matching the structune, size and components of the hot film reasonably, the hot film sensitive probe is miniaturized. Using the MEMS technology, good frequency response of the probe is achieved by reducing the size of the thermal resistances and measurement resistances. Test results show that the composite hot-film sensitive probe can satisfy the requirement of the low speed and turbulence measurement.

hot-film；sensitive probe；temperature compensation；turbulent intensity；dynamic characteristics

1672-9897(2015)04-0070-05

10.11729/syltlx20140134

2014-11-26 ;

2015-02-27

SongWW，HanJ，ChenTY,etal.Lowspeedandturbulencemeasurementsbasedoncompositehot-filmtechnology.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(4): 70-74. 宋巍巍, 韓 杰, 陳天毅, 等. 基于復(fù)合熱膜技術(shù)的低風(fēng)速及湍流測量. 實驗流體力學(xué), 2015, 29(4): 70-74.

TH815

A

宋巍巍(1972-)，女，遼寧丹東人，高級工程師。研究方向：風(fēng)洞自動化測試技術(shù)。通信地址：四川省綿陽市二環(huán)路南段6號(621000)。E-mail:songvv@mail.ustc.edu.cn

*通信作者 E-mail: songvv@mail.ustc.edu.cn