微風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置的建立和熱線風(fēng)速儀校準(zhǔn)方法的實(shí)驗(yàn)研究

崔驪水， 李 鵬， 邱麗榮， 李建雙(. 北京理工大學(xué)， 北京 0008； . 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院， 北京 0009)

1 引 言

熱線風(fēng)速儀(hot wire anemometer,HWA)是一種非常重要的流速測(cè)量?jī)x器，尤其是在微風(fēng)速的測(cè)量中有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這種優(yōu)勢(shì)使熱線風(fēng)速儀在0.1～1 m/s的微風(fēng)速測(cè)量中有廣泛的應(yīng)用。然而，微風(fēng)速測(cè)量的溯源問題并不容易解決，這也使熱線風(fēng)速儀在微風(fēng)速范圍的校準(zhǔn)成為相關(guān)行業(yè)和機(jī)構(gòu)關(guān)注的問題[1，2]。制藥、生物安全和電子制造等領(lǐng)域?qū)ξL(fēng)速計(jì)量均提出了更加明確的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，需要事先對(duì)熱線風(fēng)速儀進(jìn)行標(biāo)定，才能得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果[3]。目前世界各國(guó)已建立的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置多以皮托管和激光多普勒測(cè)速儀(LDV)為主，但這兩種風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置在微風(fēng)速的測(cè)量和校準(zhǔn)中均存在相應(yīng)的問題：皮托管的測(cè)量原理基于伯努利方程，伯努利方程中忽略了粘性力的影響，在微風(fēng)速的測(cè)量中，粘性力對(duì)測(cè)量結(jié)果有顯著的影響[4]，因此皮托管無(wú)法進(jìn)行微風(fēng)速的準(zhǔn)確計(jì)量；LDV在測(cè)量流速時(shí)，必須在流體中散播散射粒子，而散射粒子在低速流動(dòng)下的跟隨性無(wú)法得到有效的量化驗(yàn)證[5～7]，因此LDV在測(cè)量微風(fēng)速時(shí)的準(zhǔn)確度水平遭到質(zhì)疑。

20世紀(jì)60年代英國(guó)NPL研發(fā)了旋臂機(jī)校準(zhǔn)風(fēng)速儀[8]；意大利INRIM在地下實(shí)驗(yàn)室建立了微風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置[9]；日本NMIJ利用長(zhǎng)105 m的地下隧道建立了相對(duì)法的微風(fēng)速計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)[10]。由于地下隧道良好的溫場(chǎng)分布，使得微風(fēng)速下風(fēng)速儀的校準(zhǔn)問題得到了成功解決。 在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)深度8.3 m的地下實(shí)驗(yàn)室建有83 m直線導(dǎo)軌用于長(zhǎng)度校準(zhǔn)，該實(shí)驗(yàn)空間有良好的溫度分布，利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施搭建了國(guó)內(nèi)首套微風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置。本文的實(shí)驗(yàn)是使用熱線風(fēng)速儀首先在該裝置上進(jìn)行校準(zhǔn)并且得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 微風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置的建立

2.1 微風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置的概述

微風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由長(zhǎng)導(dǎo)軌、氣浮滑車、測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸裝置、控制系統(tǒng)及安全防撞裝置組成。為了減小操作者走動(dòng)和散熱的影響，裝置以無(wú)線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行滑車控制和數(shù)據(jù)采集。通過對(duì)以上幾部分的搭建裝配，形成了完整的導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)布置示意圖如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)布置示意圖1—激光干涉儀；2—緩沖器；3—擋板；4—路由器；5—導(dǎo)軌支撐架；6—花崗巖導(dǎo)軌；7—反光鏡；8—熱線探針；9—無(wú)線通訊模塊；10—無(wú)線數(shù)據(jù)采集卡；11—零位開關(guān)；12—限位開關(guān)

2.2 測(cè)量環(huán)境

微風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置位于NIM昌平新園區(qū)地下8.3 m長(zhǎng)約90 m的獨(dú)立隧道中，隧道內(nèi)溫、濕度穩(wěn)定，沒有空調(diào)工作的條件下可以保證溫度的變化在24 h內(nèi)小于0.5 ℃，濕度變化不超過5%。在導(dǎo)軌方向上分布著20對(duì)溫濕度傳感器用于監(jiān)測(cè)環(huán)境條件的變化，保證了自然對(duì)流影響盡可能地小。

2.3 導(dǎo) 軌

導(dǎo)軌是由矩形花崗巖拼接而成。導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)的銅軌用于氣浮滑車所搭載的設(shè)備提供24 V電壓。導(dǎo)軌下方有相同長(zhǎng)度的基臺(tái)，基臺(tái)和導(dǎo)軌之間由多個(gè)氣浮支撐架和承重底座連接，通過調(diào)節(jié)氣浮支撐架可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌在兩個(gè)方向的微調(diào)。為了避免操作過程中運(yùn)動(dòng)滑車與其他設(shè)備發(fā)生碰撞，在總長(zhǎng)83 m的長(zhǎng)導(dǎo)軌上選取其中60 m用于實(shí)驗(yàn)研究，該距離的選取考慮了實(shí)驗(yàn)操作的安全以及滑車可運(yùn)行的最大速度，并且在最大速度下可以獲取足夠的測(cè)量數(shù)據(jù)等因素。事實(shí)上導(dǎo)軌長(zhǎng)度的限制意味著滑車運(yùn)行時(shí)間也必須是有限的，滑車的運(yùn)行包括加速、勻速、減速，為了保證實(shí)驗(yàn)的有效性，勻速運(yùn)行時(shí)間至少30 s。導(dǎo)軌如圖2所示。

圖2 花崗巖導(dǎo)軌和氣浮滑車

2.4 氣浮滑車

氣浮滑車的構(gòu)架由花崗巖和鋁制材料組成?；囈揽康撞亢蛡?cè)面的多個(gè)供氣0.4 MPa的氣浮模塊浮在導(dǎo)軌表面，使得滑車在運(yùn)動(dòng)過程中不與導(dǎo)軌發(fā)生摩擦?；囘M(jìn)氣端安裝的空氣過濾器可以濾去氣體中油漬和雜質(zhì)，防止堵塞滑車氣浮模塊保證滑車正常運(yùn)行。通過設(shè)置壓力傳感器下限壓力值來(lái)避免滑車在運(yùn)動(dòng)過程中由于氣體壓力降低與導(dǎo)軌之間摩擦損壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備?；嚿嫌糜诠潭峋€探針的三角支架可以在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下固定在滑車的不同高度位置，以便在高度方向上找到擾流影響較小的測(cè)量位置。支架伸出滑車1.5 m始終處于滑車的最前端，因此避免滑車運(yùn)動(dòng)時(shí)擾流對(duì)被校傳感器的影響?；嚨膯蝹?cè)安裝有尼龍滾輪，尼龍滾輪在導(dǎo)軌上滾動(dòng)，帶動(dòng)滑車運(yùn)動(dòng)，尼龍滾輪由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)在不同的速度點(diǎn)下的穩(wěn)定直線運(yùn)動(dòng)。氣浮滑車如圖2所示。

2.5 測(cè)量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)傳輸裝置

裝置的測(cè)量系統(tǒng)主要由激光干涉儀組成[11,12]，通過激光干涉儀對(duì)時(shí)間的比可得到氣浮滑車的運(yùn)行速度。激光干涉儀測(cè)得長(zhǎng)度和時(shí)間均可溯源至NIM基準(zhǔn)以保證測(cè)量精度。為了隔絕操作者的影響，包括伺服電機(jī)的控制、干涉儀測(cè)量的長(zhǎng)度、被校熱線輸出電壓的采集等所有的控制命令和信號(hào)傳輸均通過無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境下激光干涉儀和操作位置分別位于導(dǎo)軌的兩端，因此在激光干涉儀測(cè)量端安裝數(shù)據(jù)發(fā)射器以及在操作端工控機(jī)上安裝數(shù)據(jù)接收器(兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備采用zigbee無(wú)線傳輸技術(shù))。校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中熱線風(fēng)速儀的輸出電壓由安裝在滑車控制箱上的無(wú)線傳輸機(jī)箱NIDAQ-9191(WiFi無(wú)線傳輸技術(shù))進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)過程中工控機(jī)通過編寫的上位軟件實(shí)時(shí)記錄無(wú)線裝置傳輸?shù)臄?shù)據(jù)直至測(cè)量停止，由這些記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到風(fēng)速儀的校準(zhǔn)結(jié)果。

2.6 控制系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的工控機(jī)安裝的上位軟件不但可以接收記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并且還具備控制滑車運(yùn)行的功能。

控制系統(tǒng)采用W2250A無(wú)線通訊模塊，將RS232通訊轉(zhuǎn)換成無(wú)線網(wǎng)傳輸方式，負(fù)責(zé)控制卡(PMAC-PC104)和工控機(jī)之間的通訊傳輸。整個(gè)控制流程是將信號(hào)通過無(wú)線傳輸模塊傳送至運(yùn)動(dòng)控制卡，實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置，通過I/O(限位、回零、報(bào)警等信號(hào)處理)等功能處理，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收控制卡發(fā)出的脈沖指令，通過運(yùn)算放大電路輸出相應(yīng)的電流到步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能使電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)滑車運(yùn)行。校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的信號(hào)流程圖3。

圖3 校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)信號(hào)流程圖

2.7 安全制動(dòng)裝置

為了減少和降低實(shí)驗(yàn)操作風(fēng)險(xiǎn)保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，在標(biāo)準(zhǔn)裝置上安裝了多道制動(dòng)裝置：首先是系統(tǒng)制動(dòng)程序，在緊急情況下通過在程序中啟動(dòng)停止命令窗口強(qiáng)制滑車停止運(yùn)行；其次如果運(yùn)行程序出現(xiàn)失靈時(shí)，當(dāng)滑車運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)段兩端觸碰限位擋板同樣可以使滑車停止運(yùn)行；當(dāng)以上制動(dòng)過程均沒有起到制動(dòng)效果時(shí)，滑車只能通過撞擊導(dǎo)軌上制動(dòng)擋板強(qiáng)行使滑車停止，通過在導(dǎo)軌的制動(dòng)擋板上安裝油壓緩沖器來(lái)降低滑車在撞擊擋板過程中滑車和導(dǎo)軌的損壞程度。在程序編寫過程中考慮了滑車的安全運(yùn)行距離，最后一道制動(dòng)裝置一般不會(huì)用到。

3 熱線風(fēng)速儀的校準(zhǔn)

在實(shí)驗(yàn)前，自然對(duì)流和二次流的影響首先被考慮。關(guān)于自然對(duì)流，熱線風(fēng)速儀在導(dǎo)軌上靜止一段時(shí)間發(fā)現(xiàn)熱線輸出電壓的最大、最小值分別為1.340 V和1.343 V，分別對(duì)應(yīng)的速度值為0.065 m/s和0.071 m/s，其差值為0.006 m/s，差值表征了自然對(duì)流的影響，但也包括了信號(hào)采集零漂的影響，因此，自然對(duì)流的影響一定小于差值0.006 m/s。為了減少操作者在準(zhǔn)備工作過程中對(duì)流場(chǎng)的影響，實(shí)驗(yàn)開始前需要靜置15 min。

3.1 二次流的影響

二次流主要是滑車在運(yùn)動(dòng)和返回起始位置時(shí)擾動(dòng)氣流造成的。校準(zhǔn)時(shí)熱線探針始終位于前部，滑車的擾流始終位于探針運(yùn)動(dòng)的后方，因此可以忽略。但滑車在回程時(shí)造成的二次流動(dòng)需要等待一段時(shí)間。為了確定等待時(shí)間以及提高實(shí)驗(yàn)效率，實(shí)驗(yàn)過程中使滑車在回到起點(diǎn)后等待不同時(shí)間后沿著導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)，比較不同等待時(shí)間的條件下熱線的測(cè)量結(jié)果，即輸出電壓的差異，從而判斷小車回程引起的二次流對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。測(cè)量結(jié)果見圖4。

圖4 不同等待時(shí)間的電壓分布

由圖4可知，在以上不同速度點(diǎn)下熱線輸出電壓值的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量不確定的1/3，因此當(dāng)2次測(cè)量之間的等待大于120 s，即可忽略滑車在運(yùn)動(dòng)和返回起始位置時(shí)擾動(dòng)氣流造成的影響。

3.2 靜態(tài)特性分析

實(shí)驗(yàn)選用的是恒溫型熱線風(fēng)速儀，即工作電阻Rw為常數(shù)，流速V和熱線工作電流Iw呈單值關(guān)系。熱線風(fēng)速儀靜態(tài)特性方程為：

(1)

將式(1)改為以電壓作為輸出量，其靜態(tài)特性表達(dá)式為：

(2)

式中：Iw為流過熱線的電流；Rw為熱線的工作電阻；Rf為流體溫度為Tf時(shí)熱線的電阻值；αf為流體溫度為Tf時(shí)熱線的電阻溫度系數(shù)；A和B為常數(shù)項(xiàng)所確定的參數(shù)；Ew為熱線的輸出電壓。流場(chǎng)環(huán)境溫度Tf=22.8 ℃，Rw=6.03 Ω，即熱線探針在242 ℃時(shí)的工作電阻，Rf=3.38 Ω，αf=0.003 6，由此可確定熱線風(fēng)速儀的物性參數(shù)A和B的值：A=1.2×10-3,B=6.1×10-4。由已知參數(shù)和靜態(tài)特性方程可知恒溫型熱線風(fēng)速儀的理論計(jì)算公式為：

(3)

整理得

(4)

理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)得的速度見圖5。由計(jì)算結(jié)果可知兩支探針的理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)得值具有良好的一致性。

圖5 熱線風(fēng)速儀測(cè)得值和計(jì)算值一致性

4 不確定度分析

熱線風(fēng)速儀校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度主要取決于微風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度和測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性。

4.1 微風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度

標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度主要來(lái)源為激光干涉儀對(duì)行程的測(cè)量和滑車運(yùn)動(dòng)時(shí)間的測(cè)量的不確定度，此外，導(dǎo)軌的直線度也是影響測(cè)量結(jié)果不確定度的因素。

4.1.1 激光干涉儀測(cè)距s

激光干涉儀測(cè)距的準(zhǔn)確度指標(biāo)為0.2 mm/x，x為測(cè)量距離；氣浮滑車的運(yùn)動(dòng)距離最小為20 m，此項(xiàng)可忽略。此外，s的不確定度還包括由波長(zhǎng)、導(dǎo)軌直線度以及環(huán)境變化導(dǎo)致空氣折射率的改變引起的測(cè)量不確定度[11,12]。綜合考慮得激光干涉儀測(cè)距s的相對(duì)不確定ur(s)=0.01%。

4.1.2 激光干涉儀測(cè)速系統(tǒng)時(shí)間t

激光干涉儀測(cè)速系統(tǒng)時(shí)間t的不確定度來(lái)源由同步精度、系統(tǒng)時(shí)間、軟件延時(shí)組成。實(shí)驗(yàn)過程中通過網(wǎng)絡(luò)授時(shí)服務(wù)軟件完成系統(tǒng)時(shí)間與NIM時(shí)間基準(zhǔn)同步。授時(shí)服務(wù)軟件實(shí)現(xiàn)每隔60 s同步一次，同步時(shí)刻的精度為0.1 s,設(shè)第n次同步時(shí)的時(shí)刻為t1，第n+1次同步時(shí)的時(shí)刻為t2，即Δt=t2-t1=60 s，則兩次同步之間的時(shí)間不確定度為：

相對(duì)不確定度:

ur(Δt)=0.13%。

4.1.3 導(dǎo)軌直線度

導(dǎo)軌氣浮支撐可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌兩個(gè)方向方便的調(diào)整，導(dǎo)軌全長(zhǎng)直線度：YY方向≤±0.2 mm/80 m，XX方向≤±0.2 mm/80 m。

綜上，微風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度的來(lái)源見表1所示。

表1 微風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度分析一覽表

4.2 熱線的測(cè)量重復(fù)性

(5)

綜上，微風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度及熱線的測(cè)量重復(fù)性引起的熱線測(cè)量不確定度結(jié)果見表2。

表2 熱線風(fēng)速儀測(cè)量不確定度一覽表

5 結(jié) 論

為了研究微風(fēng)速段0.1～1 m/s熱線風(fēng)速儀的校準(zhǔn)方法，在地下83 m導(dǎo)軌上采用相對(duì)法原理，通過微風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)熱線風(fēng)速儀進(jìn)行了校準(zhǔn)。由激光干涉儀對(duì)時(shí)間的比可得到氣浮滑車的運(yùn)動(dòng)速度，并在運(yùn)動(dòng)過程中獲取熱線風(fēng)速儀的輸出電壓。在實(shí)驗(yàn)開始前對(duì)滑車測(cè)量時(shí)以及在返程過程中產(chǎn)生的二次流對(duì)空間流場(chǎng)的影響進(jìn)行評(píng)估，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明等待時(shí)間在120 s以上即可。通過對(duì)熱線風(fēng)速儀的靜態(tài)特性分析，得到了靜態(tài)方程中常數(shù)項(xiàng)的數(shù)值，并且理論值和計(jì)算值具有良好的一致性。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：微風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度U=0.82%(k=2)；熱線風(fēng)速儀校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為U=2.42%(k=2)。

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