崔驪水， 李 鵬， 邱麗榮， 李建雙(. 北京理工大學， 北京 0008； . 中國計量科學研究院， 北京 0009)

1 引 言

熱線風速儀(hot wire anemometer,HWA)是一種非常重要的流速測量儀器，尤其是在微風速的測量中有獨特的優(yōu)勢，這種優(yōu)勢使熱線風速儀在0.1～1 m/s的微風速測量中有廣泛的應用。然而，微風速測量的溯源問題并不容易解決，這也使熱線風速儀在微風速范圍的校準成為相關行業(yè)和機構關注的問題[1，2]。制藥、生物安全和電子制造等領域對微風速計量均提出了更加明確的要求。在實際應用中，需要事先對熱線風速儀進行標定，才能得到準確的測量結果[3]。目前世界各國已建立的風速標準裝置多以皮托管和激光多普勒測速儀(LDV)為主，但這兩種風速標準裝置在微風速的測量和校準中均存在相應的問題：皮托管的測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，在微風速的測量中，粘性力對測量結果有顯著的影響[4]，因此皮托管無法進行微風速的準確計量；LDV在測量流速時，必須在流體中散播散射粒子，而散射粒子在低速流動下的跟隨性無法得到有效的量化驗證[5～7]，因此LDV在測量微風速時的準確度水平遭到質疑。

20世紀60年代英國NPL研發(fā)了旋臂機校準風速儀[8]；意大利INRIM在地下實驗室建立了微風速標準裝置[9]；日本NMIJ利用長105 m的地下隧道建立了相對法的微風速計量標準[10]。由于地下隧道良好的溫場分布，使得微風速下風速儀的校準問題得到了成功解決。 在中國計量科學研究院(NIM)深度8.3 m的地下實驗室建有83 m直線導軌用于長度校準，該實驗空間有良好的溫度分布，利用現(xiàn)有的基礎設施搭建了國內(nèi)首套微風速標準裝置。本文的實驗是使用熱線風速儀首先在該裝置上進行校準并且得到了實驗結果。

2 微風速標準裝置的建立

2.1 微風速標準裝置的概述

微風速標準裝置主要由長導軌、氣浮滑車、測量系統(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和散熱的影響，裝置以無線傳輸?shù)姆绞竭M行滑車控制和數(shù)據(jù)采集。通過對以上幾部分的搭建裝配，形成了完整的導軌實驗平臺。校準實驗布置示意圖如圖1所示。

圖1 校準實驗布置示意圖1—激光干涉儀；2—緩沖器；3—擋板；4—路由器；5—導軌支撐架；6—花崗巖導軌；7—反光鏡；8—熱線探針；9—無線通訊模塊；10—無線數(shù)據(jù)采集卡；11—零位開關；12—限位開關

2.2 測量環(huán)境

微風速標準裝置位于NIM昌平新園區(qū)地下8.3 m長約90 m的獨立隧道中，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%。在導軌方向上分布著20對溫濕度傳感器用于監(jiān)測環(huán)境條件的變化，保證了自然對流影響盡可能地小。

2.3 導 軌

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

圖2 花崗巖導軌和氣浮滑車

2.4 氣浮滑車

氣浮滑車的構架由花崗巖和鋁制材料組成?；囈揽康撞亢蛡让娴亩鄠€供氣0.4 MPa的氣浮模塊浮在導軌表面，使得滑車在運動過程中不與導軌發(fā)生摩擦?；囘M氣端安裝的空氣過濾器可以濾去氣體中油漬和雜質，防止堵塞滑車氣浮模塊保證滑車正常運行。通過設置壓力傳感器下限壓力值來避免滑車在運動過程中由于氣體壓力降低與導軌之間摩擦損壞實驗設備?；嚿嫌糜诠潭峋€探針的三角支架可以在步進電機的驅動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，因此避免滑車運動時擾流對被校傳感器的影響?；嚨膯蝹劝惭b有尼龍滾輪，尼龍滾輪在導軌上滾動，帶動滑車運動，尼龍滾輪由伺服電機驅動實現(xiàn)在不同的速度點下的穩(wěn)定直線運動。氣浮滑車如圖2所示。

2.5 測量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)傳輸裝置

裝置的測量系統(tǒng)主要由激光干涉儀組成[11,12]，通過激光干涉儀對時間的比可得到氣浮滑車的運行速度。激光干涉儀測得長度和時間均可溯源至NIM基準以保證測量精度。為了隔絕操作者的影響，包括伺服電機的控制、干涉儀測量的長度、被校熱線輸出電壓的采集等所有的控制命令和信號傳輸均通過無線傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)。實驗環(huán)境下激光干涉儀和操作位置分別位于導軌的兩端，因此在激光干涉儀測量端安裝數(shù)據(jù)發(fā)射器以及在操作端工控機上安裝數(shù)據(jù)接收器(兩個數(shù)據(jù)傳輸設備采用zigbee無線傳輸技術)。校準實驗中熱線風速儀的輸出電壓由安裝在滑車控制箱上的無線傳輸機箱NIDAQ-9191(WiFi無線傳輸技術)進行數(shù)據(jù)傳輸。實驗過程中工控機通過編寫的上位軟件實時記錄無線裝置傳輸?shù)臄?shù)據(jù)直至測量停止，由這些記錄的實驗數(shù)據(jù)可得到風速儀的校準結果。

2.6 控制系統(tǒng)

實驗中應用的工控機安裝的上位軟件不但可以接收記錄實驗數(shù)據(jù)并且還具備控制滑車運行的功能。

控制系統(tǒng)采用W2250A無線通訊模塊，將RS232通訊轉換成無線網(wǎng)傳輸方式，負責控制卡(PMAC-PC104)和工控機之間的通訊傳輸。整個控制流程是將信號通過無線傳輸模塊傳送至運動控制卡，實現(xiàn)參數(shù)配置，通過I/O(限位、回零、報警等信號處理)等功能處理，步進電機驅動器接收控制卡發(fā)出的脈沖指令，通過運算放大電路輸出相應的電流到步進電機。電機將電能轉換為機械能使電機軸轉動，并帶動滑車運行。校準實驗的信號流程圖3。

圖3 校準實驗信號流程圖

2.7 安全制動裝置

為了減少和降低實驗操作風險保證實驗的順利進行，在標準裝置上安裝了多道制動裝置：首先是系統(tǒng)制動程序，在緊急情況下通過在程序中啟動停止命令窗口強制滑車停止運行；其次如果運行程序出現(xiàn)失靈時，當滑車運動到導軌實驗段兩端觸碰限位擋板同樣可以使滑車停止運行；當以上制動過程均沒有起到制動效果時，滑車只能通過撞擊導軌上制動擋板強行使滑車停止，通過在導軌的制動擋板上安裝油壓緩沖器來降低滑車在撞擊擋板過程中滑車和導軌的損壞程度。在程序編寫過程中考慮了滑車的安全運行距離，最后一道制動裝置一般不會用到。

3 熱線風速儀的校準

在實驗前，自然對流和二次流的影響首先被考慮。關于自然對流，熱線風速儀在導軌上靜止一段時間發(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，分別對應的速度值為0.065 m/s和0.071 m/s，其差值為0.006 m/s，差值表征了自然對流的影響，但也包括了信號采集零漂的影響，因此，自然對流的影響一定小于差值0.006 m/s。為了減少操作者在準備工作過程中對流場的影響，實驗開始前需要靜置15 min。

3.1 二次流的影響

二次流主要是滑車在運動和返回起始位置時擾動氣流造成的。校準時熱線探針始終位于前部，滑車的擾流始終位于探針運動的后方，因此可以忽略。但滑車在回程時造成的二次流動需要等待一段時間。為了確定等待時間以及提高實驗效率，實驗過程中使滑車在回到起點后等待不同時間后沿著導軌做直線運動，比較不同等待時間的條件下熱線的測量結果，即輸出電壓的差異，從而判斷小車回程引起的二次流對實驗的影響。測量結果見圖4。

圖4 不同等待時間的電壓分布

由圖4可知，在以上不同速度點下熱線輸出電壓值的標準偏差均小于標準裝置測量不確定的1/3，因此當2次測量之間的等待大于120 s，即可忽略滑車在運動和返回起始位置時擾動氣流造成的影響。

3.2 靜態(tài)特性分析

實驗選用的是恒溫型熱線風速儀，即工作電阻Rw為常數(shù)，流速V和熱線工作電流Iw呈單值關系。熱線風速儀靜態(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時熱線的電阻值；αf為流體溫度為Tf時熱線的電阻溫度系數(shù)；A和B為常數(shù)項所確定的參數(shù)；Ew為熱線的輸出電壓。流場環(huán)境溫度Tf=22.8 ℃，Rw=6.03 Ω，即熱線探針在242 ℃時的工作電阻，Rf=3.38 Ω，αf=0.003 6，由此可確定熱線風速儀的物性參數(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速儀的理論計算公式為：

(3)

整理得

(4)

理論計算和實際測得的速度見圖5。由計算結果可知兩支探針的理論計算值與實驗測得值具有良好的一致性。

圖5 熱線風速儀測得值和計算值一致性

4 不確定度分析

熱線風速儀校準結果的不確定度主要取決于微風標準裝置的不確定度和測量結果的重復性。

4.1 微風速標準裝置的不確定度

標準裝置的不確定度主要來源為激光干涉儀對行程的測量和滑車運動時間的測量的不確定度，此外，導軌的直線度也是影響測量結果不確定度的因素。

4.1.1 激光干涉儀測距s

激光干涉儀測距的準確度指標為0.2 mm/x，x為測量距離；氣浮滑車的運動距離最小為20 m，此項可忽略。此外，s的不確定度還包括由波長、導軌直線度以及環(huán)境變化導致空氣折射率的改變引起的測量不確定度[11,12]。綜合考慮得激光干涉儀測距s的相對不確定ur(s)=0.01%。

4.1.2 激光干涉儀測速系統(tǒng)時間t

激光干涉儀測速系統(tǒng)時間t的不確定度來源由同步精度、系統(tǒng)時間、軟件延時組成。實驗過程中通過網(wǎng)絡授時服務軟件完成系統(tǒng)時間與NIM時間基準同步。授時服務軟件實現(xiàn)每隔60 s同步一次，同步時刻的精度為0.1 s,設第n次同步時的時刻為t1，第n+1次同步時的時刻為t2，即Δt=t2-t1=60 s，則兩次同步之間的時間不確定度為：

相對不確定度:

ur(Δt)=0.13%。

4.1.3 導軌直線度

導軌氣浮支撐可以實現(xiàn)導軌兩個方向方便的調(diào)整，導軌全長直線度：YY方向≤±0.2 mm/80 m，XX方向≤±0.2 mm/80 m。

綜上，微風速標準裝置的不確定度的來源見表1所示。

表1 微風速標準裝置不確定度分析一覽表

4.2 熱線的測量重復性

(5)

綜上，微風速標準裝置的不確定度及熱線的測量重復性引起的熱線測量不確定度結果見表2。

表2 熱線風速儀測量不確定度一覽表

5 結 論

為了研究微風速段0.1～1 m/s熱線風速儀的校準方法，在地下83 m導軌上采用相對法原理，通過微風速標準裝置對熱線風速儀進行了校準。由激光干涉儀對時間的比可得到氣浮滑車的運動速度，并在運動過程中獲取熱線風速儀的輸出電壓。在實驗開始前對滑車測量時以及在返程過程中產(chǎn)生的二次流對空間流場的影響進行評估，實驗結果表明等待時間在120 s以上即可。通過對熱線風速儀的靜態(tài)特性分析，得到了靜態(tài)方程中常數(shù)項的數(shù)值，并且理論值和計算值具有良好的一致性。由實驗結果可知：微風速標準裝置的擴展不確定度U=0.82%(k=2)；熱線風速儀校準結果的擴展不確定度為U=2.42%(k=2)。

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