風(fēng)洞實驗壓力探針校準(zhǔn)測試系統(tǒng)平臺

苗雪冬

[摘 ? ?要 ]葉輪機械流場的準(zhǔn)確測量對于提高葉輪機械的效率、減少流動損失等起到重要作用。在目前流場測量工具中，壓力探針成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單。壓力探針在用于測量流場前需要對其進行校準(zhǔn)，由于測試效率低，測量精度不高，因此開發(fā)了基于LabVIEW的壓力探針校準(zhǔn)測試軟件。建立五孔壓力探針校準(zhǔn)平臺，不僅節(jié)約人力物力，還可以提高測量精度和效率。采用風(fēng)洞實驗獲得五孔探針校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，根據(jù)曲線網(wǎng)圖中的數(shù)據(jù)分布均勻程度，從5個探針中選擇3個適合俯仰角和偏轉(zhuǎn)角±30°測量的探針。

[關(guān)鍵詞]壓力探針;校準(zhǔn);LabVIEW;測試平臺

[中圖分類號]TP274.4 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–0–03

[Abstract]Accurate measurement of the flow field of impeller machinery plays an important role in improving the efficiency of impeller machinery and reducing flow loss. Among the current flow field measurement tools， the pressure probe has low cost and simple structure. The pressure probe needs to be calibrated before it is used to measure the flow field. Due to the low test efficiency and low measurement accuracy， a pressure probe calibration test software based on LabVIEW has been developed. The establishment of a five-hole pressure probe calibration platform not only saves manpower and material resources， but also improves measurement accuracy and efficiency. The five-hole probe calibration data is obtained by wind tunnel experiment. According to the uniformity of the data distribution in the curve network diagram， three probes suitable for the measurement of pitch angle and deflection angle ±30° are selected from the five probes.

[Keywords]pressure probe; calibration; LabVIEW; test platform

目前，實驗研究和數(shù)值計算是研究葉輪機械的主要方法。鑒于以上兩種方法的優(yōu)缺點，研究人員一般先通過數(shù)值計算選擇比較好的方案，然后通過實驗的方法對這些方案進行驗證，進而分析真實流場。氣動壓力測試技術(shù)在實驗驗證方面具有重要作用。因此，改善現(xiàn)有的低速風(fēng)洞壓力探針校準(zhǔn)測試系統(tǒng)，以實現(xiàn)對低速風(fēng)洞實驗測試平臺的完善，具有重要意義。

在葉輪機械的流場測量中，三維大角度流動情況經(jīng)常出現(xiàn)，通常用以下幾種工具來測量流場中的速度、壓力分布：三孔壓力探針，四孔壓力探針、五孔壓力探針、七孔壓力探針和熱線探頭等。氣動探針工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低廉，因而被廣泛應(yīng)用于流體機械的測量之中。但五孔探針的校準(zhǔn)工作非常繁瑣，特別是對高馬赫數(shù)流動問題的研究。為此，需要開發(fā)五孔探針自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，以達(dá)到高精度、高效率、節(jié)約能源的目標(biāo)。

1 五孔探針的校準(zhǔn)和測量

三孔探針用來測量二維流動的總壓、靜壓與方向。傳統(tǒng)的三孔探針用于穩(wěn)態(tài)測量校準(zhǔn)范圍在±18°左右，文獻中用新的方法使角質(zhì)范圍擴展到±50°，棱錐五孔探針、球頭五孔探針的研制使三維流動的校準(zhǔn)范圍擴展到±30°。

五孔探針也是用來測量空間流場三維流動的總壓、靜壓與流向。五孔探針的工作原理與三孔探針相同，它是相當(dāng)于2只三孔探針組合在2個相互垂直的平面內(nèi)。它有3種使用方法：對向法、半對向法和非對向法，目前主要用非對向法。測量時，對五孔探針的實測值應(yīng)用以前做好的校準(zhǔn)曲線進行插值，就能得到總壓、靜壓、速度大小和方向。

2 五孔探針校準(zhǔn)的實驗設(shè)備

2.1 校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件

校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包括機械運動機構(gòu)和數(shù)據(jù)采集測量兩部分。五孔探針校準(zhǔn)機械結(jié)構(gòu)主要由蝸輪蝸桿、步進電機以及探針夾持機構(gòu)等部分組成。探針固定在探針夾持軸上，由步進電機1控制其作偏轉(zhuǎn)運動。步進電機2控制探針作俯仰運動。探針放在探針夾持機構(gòu)上，校準(zhǔn)風(fēng)洞的氣流對準(zhǔn)探針，通過電機的轉(zhuǎn)動改變探針的來流角度，測量出各孔的壓力，通過計算算出校準(zhǔn)系數(shù)，畫出校準(zhǔn)曲線。實際測量時的數(shù)據(jù)用插值擬合就可以算出來流的總壓、靜壓和來流方向角度。

2.2 測量系統(tǒng)硬件

圖1為五孔探針的測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，探針的機械運動機構(gòu)與校準(zhǔn)部分不同。非對向測量時，電機運動主要是直線運動的三維坐標(biāo)架進行。

3 基于LabVIEW的五孔探針校準(zhǔn)軟件系統(tǒng)

3.1 開發(fā)軟件LabVIEW簡介

LabVIEW是圖形化程序編譯平臺，早期是用于儀器自動控制，現(xiàn)在已經(jīng)成為一種成熟的高級編程語言。LabVIEW提供的庫包含信號截取、信號分析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)值運算、機器視覺、聲音振動分析、邏輯運算等，目前廣泛地被應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域上。LabVIEW默認(rèn)以多線程運行程序。此外LabVIEW通信接口方面支持：USB、GPIB、IEEE1394、并發(fā)端口、MODBUS、串行接口、NET、TCP、IrDA、UDP、Bluetooth、ActiveX、SMTP等接口。

3.2 校準(zhǔn)軟件構(gòu)成和基本組成模塊

在校準(zhǔn)采集界面，設(shè)置初始俯仰角度和偏轉(zhuǎn)角度，設(shè)置俯仰角和偏轉(zhuǎn)角步數(shù)，設(shè)置間隔。之后就可以按下采集按鈕，直至完成采集按下退出鍵。

本程序是要實現(xiàn)按鈕控制功能模塊：例如點擊采集按鈕，電機開始運轉(zhuǎn)，多通道壓力傳感器開始工作并把數(shù)據(jù)傳給電腦并儲存。本程序的編寫采用了循環(huán)結(jié)構(gòu)（Loop Structure）、事件結(jié)構(gòu)（Event Structure）、和選擇結(jié)構(gòu)（Case Structure），并且嵌套使用。

初始值設(shè)定，默認(rèn)為零。在初始值設(shè)定時，利用直接輸入的方式。通過步進電機的轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)探針的位置。把板卡驅(qū)動與控制電機的運轉(zhuǎn)信號連接起來，通過脈沖信號使電機轉(zhuǎn)動，把電機轉(zhuǎn)動與坐標(biāo)軸的渦輪蝸桿傳動系數(shù)結(jié)合設(shè)置控制X、Y的運動距離。由于測量時的零漂，需要對傳感器進行初始化，使傳感器校零， 為實現(xiàn)采集功能的程序框圖，壓力傳感器數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議傳輸給計算機，并把數(shù)據(jù)存儲為文件保存下來。在存儲時需要設(shè)置延遲時間。設(shè)置俯仰角和偏轉(zhuǎn)角的步數(shù)，俯仰角走一步，偏轉(zhuǎn)角從-30°走到+30°，如圖2所示。

在LabVIEW環(huán)境下，數(shù)據(jù)變量分為控制型與指示型，它們分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)顯示輸出，這些數(shù)據(jù)變量在程序框圖中程序運行中數(shù)據(jù)變量值改變，相應(yīng)的前面板中數(shù)據(jù)變量的數(shù)值也會同時變化。時間延遲設(shè)置，讓測量有一個間隔時間，使數(shù)據(jù)穩(wěn)定下來。通過循環(huán)框圖，TCP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)輸入計算機，讓測量的數(shù)據(jù)取10次作為平均，導(dǎo)入電子表格中。隨后俯仰角進行歸位。圖3 所示為俯仰角測量框圖。

通過控制PCI1020運動控制卡控制探針運動，采集相應(yīng)的壓力傳感器相應(yīng)的數(shù)據(jù)。結(jié)束采集后退出程序，有時需要緊急停止程序的運轉(zhuǎn)，可以按下停止鍵。運行此程序進行探針對心的時候需要另外一個試驗員在實驗間觀察探針走向。

4 五孔探針校準(zhǔn)實驗

4.1 實驗設(shè)備

實驗是在葉柵風(fēng)洞上進行。風(fēng)洞出口直徑為100 mm，調(diào)節(jié)時讓探針在風(fēng)洞中心處，距離出口為30 mm。

本次實驗校準(zhǔn)5根探針：1探針是頭部較短的楔形探針，2探針是頭部伸出較長的探針，3、4、5探針為彎頭型探針，屬于同種型號的3個探針。這5個探針中，從表面看，3、4、5加工的比較精密，1和2為比較舊的探針。2、3、4、5均為圓錐頭的五孔探針。因其加工精度不同，需要對每根探針進行校準(zhǔn)。

如圖4所示，為實驗裝置，將探針放在探針支架上，保證探針正對來流方向，同時保證探針支架與蝸桿1、2在一個平面內(nèi)，并與水平面平行。通過調(diào)節(jié)電機1控制探針的偏轉(zhuǎn)角，電機2控制探針的俯仰角。本次實驗校準(zhǔn)的角度為-30°～30°，通過調(diào)節(jié)電機1、2使探針的初始俯仰角和偏轉(zhuǎn)角都為-30°。每隔3°測量一次五孔探針壓力，總共測441個點。

4.2 實驗步驟

共分為6個步驟：準(zhǔn)備實驗設(shè)備、調(diào)整支架、壓力傳感器初始化、對氣流、連接設(shè)備、運行軟件和硬件設(shè)備。

在計算機上通過基于LabVIEW7.1軟件改變探針的俯仰角和偏轉(zhuǎn)角，每隔3°測量一個數(shù)據(jù)，直到測完所有數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)采集完畢后，把原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入處理程序后，繪制俯仰角和偏轉(zhuǎn)角系數(shù)曲線，把數(shù)據(jù)整理成用于插值計算的格式，五孔探針校準(zhǔn)完成。校準(zhǔn)結(jié)果用曲線網(wǎng)形式給出，用校準(zhǔn)處理軟件對曲線網(wǎng)中的凹四邊形進行處理為凸四邊形，保存處理后的結(jié)果。進行處理數(shù)據(jù)時則用到線性插值的方法。

4.3 實驗數(shù)據(jù)處理

五孔壓力值和來流總壓，這些是相對參考大氣壓的。用實驗的數(shù)據(jù)按公式求出校準(zhǔn)系數(shù)，再通過調(diào)節(jié)凹四邊形的方法得到實際氣流對探針的偏轉(zhuǎn)角和俯仰角。

實驗測試了5根探針得到了原始數(shù)據(jù)圖。在原始圖中有的地方出現(xiàn)了凹四邊形，這是由于出現(xiàn)一些錯誤的數(shù)據(jù)，因此需要挑出這些凹四邊形。由于凹四邊形的存在是由錯誤的數(shù)據(jù)引起的，因此需要修改凹四邊形為凸四邊形。原則是不產(chǎn)生新的凹四邊形，并且保證不引起周邊數(shù)據(jù)改變。圖5為修改后的數(shù)據(jù)圖。

在圖5a中，大的正向俯仰角時，數(shù)據(jù)變化較劇烈，因此在以后用探針1測量時盡量讓來流角在變化劇烈的下面，不適合偏轉(zhuǎn)角和俯仰角±30°的測量。圖5b所示，在正向偏轉(zhuǎn)角和俯仰角較大時出現(xiàn)數(shù)據(jù)的劇烈增加，因此在用探針2測量時讓來流角遠(yuǎn)離這部分，不適合偏轉(zhuǎn)角和俯仰角±30°的測量。圖5c中，數(shù)據(jù)比較均勻，變化不大，因此探針3可以用于偏轉(zhuǎn)角和俯仰角±30°的測量。圖5d中，在偏轉(zhuǎn)角和俯仰角為±30°時出現(xiàn)數(shù)據(jù)點異常，總體數(shù)據(jù)比較均勻，變化不大，因此也可以用于偏轉(zhuǎn)角和俯仰角±30°的測量。圖5e中數(shù)據(jù)比較均勻，變化不大，因此探針3可以用于偏轉(zhuǎn)角和俯仰角±30°的測量。

通過分析探針1、2不適合偏轉(zhuǎn)角和俯仰角±30°的測量，但是可以用于來流角度較小的測量，這些偏差主要是由于探針的制造引起的。探針3、4和5比較適合偏轉(zhuǎn)角和俯仰角±30°的測量。

5 結(jié)束語

文章對低速風(fēng)洞流場測試工具進行研究，從適用范圍、操作性等方面對氣動壓力探針進行對比分析。最后在考慮實驗室需要以及五孔探針的普遍性下，選擇對五孔探針進行校準(zhǔn)，包括實驗設(shè)備的設(shè)計、基于LabVIEW的軟件設(shè)計和五孔探針實驗校準(zhǔn)。得到了以下結(jié)論。

（1）校準(zhǔn)系統(tǒng)采用高精度的渦輪蝸桿機構(gòu)，由步進電機控制其俯仰和偏轉(zhuǎn)運動，有利于實現(xiàn)高精度流體流場的測量。

（2）該系統(tǒng)軟件操作方便。軟件開發(fā)中充分考慮了使用中的探針運動問題，確保了校準(zhǔn)測量精度，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，測試效率高。

（3）探針校準(zhǔn)可以測試探針的好壞，為后續(xù)的流場測量提供支持，通過數(shù)據(jù)的對比可以找出合適的探針。

（4）曲線網(wǎng)圖中的數(shù)據(jù)變化不大、分布均勻時，此五孔探針適用于偏轉(zhuǎn)角和俯仰角±30°的測量，否則不適用。

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