浅谈热线实验

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浅谈热线实验

 

江贤洋

xyjmh@pku.edu.cn

北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室

 

      热线作为流体实验的经典手段,其频响宽、灵敏度高,因而能够实现高时间分辨率。尽管其作为接触式测量手段可能带来一定的流场干扰及点测量所无法避免的繁重测量任务,但只要合理布置测量方案、采用多维坐标架、多通道A/D采集器、高精度同步器,配合示波器、温度仪等并采用集成化的自动控制软件(如LabView等),热线测量完全可以实现高时空分辨率、场测量、智能采集等,从而降低人力劳动,使其在面临PIV等测量手段的冲击下依然具有很强的优势!

      本文是基于Dantec StreamLine 90N10热线系统,结合作者在热线实验中的经验和教训,着重介绍一些实验细节、技巧及注意事项,希望能对大家有所帮助。

 

1. 接线

      由于恒温热线风速仪的基本原理是热线探头的电阻在不同风速下因温度变化而引起电桥的电压变化,为使电桥平衡对热丝输出功率,从而使其在一定的响应时间后保持热丝温度恒定,根据输出电压和速度的标定关系来获取当地速度。因而任何影响测量回路电阻的因素都应引起重视。线缆往往因为线阻不匹配、接触电阻等导致热线调试无法通过。在实验之前应当准确测量探头、支杆、电缆的阻值,并检查其是否和StreamWare软件中对应库的参数一致(在File->Library中)。若不同,应该调整或新建库参数。这个环节中需要尤其注意几点:

a. 探头是否良好(探头焊接时需避免焊丝过紧或过松;软焊时避免焊接后残留余丝或焊锡)

b. 确保探头与支杆接触良好(存在接触不良时会使硬件调试时无法通过)

c. 支杆后出线处事常常易断处,需要注意保护(下图圆圈处)。

 

d. 确保BNC接头不与实验设备有任何电接触(包括多个BNC接头之间)

e. 从主机输出至接线盒(BNC-2009)的接线不宜过长;接线盒尽量放在绝缘平台上。

f. 接线电缆应采用标准的带屏蔽层的同轴电缆。

 

2. 接地

      热线接地是一个重要的环节。接地有很多种,这里主要将两种,分为Signal ground和 Earth ground。我们一般说的接地往往是Earth ground,就是将接线连接到埋到一定深度地里的金属块上,作为电势零点。但是信号地并不一定真正接到地里,它指的是一个回路中的公共端,只是提供一个参考电位。

      热线风速仪主机箱背后有一个GroundREF或SIG REF,其中前者是用在水中实验的时候的接地保护;而后者的信号接地其实是需要单独接到一个地端(信号专用地端),但是大多数风洞实验室等所有的地端(如墙上接地端口、插座地线、地轨等都是串通的,而且这个地端一般叫做AC Ground或者是green wire grounding system,不是信号地),若热线接到这个公共AC地端反而会采集到其他设备等噪音从而干扰有效信号(即出现接地回路ground loop),因此尽量不要接到公共的电源地线上。其实不少设备的信号地和机匣地是接一块的了,机匣其实就是信号地,因而尽量不要在机匣上放置其他设备或者金属,同时避免将线、探针支杆、BNC接头等放在机匣上,尤其是没有绝缘的机匣。另外,有些设备的电源绿线地(就是前述的AC地)和机匣接在一起了,从而导致将AC地和信号地分开是很难的。因此在没有专用信号地的实验室中,宁可空置出SIG REF也比随意接到一个地线上好。

 

3. 软件参数设置

      在StreamWare 软件上有些参数的设置对系统的采集影响较大,这里专门做一些说明。首先是方波测试。该测试需要在流场中可能遇到的最大速度下调试。通过调节amplifier filter 和gain 来获取上述正确的响应曲线。调试的时候先调整增益,直到不震荡的情况下再提高过滤值。另外需要指出的是Signal Conditioner 设置,其涉及AC/DC 问题、低通高通问题等。我们一般都是用DC 耦合测量,DC-offset 是为了让测量电压落在采集卡量程之间。一般测量的电压(电桥输出电压)在AD 采集卡的电压量程之内,就不必要设置offset 了。建议尽量不要设置DC-offset (它是实际测量流动的最低电压),因为如果DC-offset 不是0 的话,后文提到的温度修正就可能无法实现了!

      Gain 是在采集的精度不够的时候使用的,如果够的话也不建议使用。(一般低速情况,湍流度在2%-3% 时,12 位采集卡足够用。12 位采集卡若量程在0-10V ,其精度一般是2.4mV, 测得的速度精度一般在0.1-0.2% (gain=1 时),若果将gain 设置成16 ,那么就能够将精度提高到0.15mV 了, 就和16 位采集卡精度(gain=1 时)一样, 此时可以测量湍流度低于0.1% 的流动。一般实验采用的采集卡如NIPCI6229 是16 位输出的采集卡,所以精度也够了。所以也不需要设置gain ,默认1 。

      采样频率最小需要是流场中最高频率的2 倍即SR=2fmax ,所以要提前预估流场中最高频率的大小。而截止频率cut-off freq 一般也是2fmax ,所以低通滤波(去噪声以及防止高频低串:anti-aliasing )的时候一般将滤波频率选择2 附近。对于高通滤波(例如在存在坐标架低频振动的情况),此时滤波的截止频率一般就是 (就是把周期大于0.4 倍测量时间的波滤掉),高通滤波容易产生相位差,最好小心使用。

 

4. 温度校正

      恒温热线风速仪对流场的温度变化直接反馈到电阻值的变化上,因此温度对测量的精度影响很大。尤其在风洞中进行长时间的测量,其温升几乎是不可避免的问题。因而,进行温度校正成了不可缺少的环节。

     在这里先需要提一下过热比。下图是惠斯通电桥内部简化:

 

 

图2. 惠斯通电桥内部

 

      上式中中BR 即桥比,通常1:20 的桥比时BR=20; a 就是过热比,它其实是热丝过热电阻和冷却电阻差值与冷却电阻的比值;空气中一般为0.8 ,水中一般为0.1 。温度修正如果不采用,那么在0.8 过热比的情况下,温度变化1 度将使得热线测得的速度误差在2% 左右,温度升高,速度下降(在水中,如果用热膜的话,温度变化1 °,误差将达10% )。在温度校正中,参考温度是很重要的概念。根据情况不同,它有时为设置电桥平衡时的温度,有时为标定第一个点时的温度,温度校正时采集卡测得的电压会自动修正到参考温度。

      温度变化的流场要么设置采用automatic overheat adjust 修正,要么应用temperature correction 。如果流体的温度几乎不变(小于0.5° ),那么过热比overheat 就在第一次设置时确定后就不变, “automaticoverheat adjust” 选项不勾选,也不用勾选温度修正等。此时需要采用experimentset-up ,并且将恒定的温度写到一个局部变量中作为温度的源,然后在采集之前要从下拉菜单中选取该变量。对于采集的短过程内温度几乎不变(短时间内不变)的情况,可以采用constant overheat ratio 的方法,勾选“automatic overheat adjust” 。此时的参考温度为第一个标定点时的温度。这种方法在一开始用温度计先测好环境温度和第一次标定的温度,之后每次Hardware setup 时通过自动修改R decade 来保持过热比恒定。如果采用constant sensor temperature (fixed decade setting )来修正温度影响,首先需要将上小节的DC-offset 设置为0 , 且在标定和采集前需要测量流体温度并且应用“apply temperature correction” 和“apply temperature loading” ,将不同温度下测量到的电压修正到参考温度下的电压值,参考温度为Hardware setup 时测量(在标定之前)的温度(automatic balance 后就写入参考温度),此时“automatic overheat adjust” 选项不勾选。最后,在data conversion/ reduction setup 中还是通过局部变量的方式将温度读进来后进行修正。

      这里需要说明的是,如果采用labview 集成采集的时候往往读的是电压信号,需人为地修正到参考温度下的电压(不在软件中实现修正)。假设采集时温度值为 , 需根据已知的过热比a 来修正采集的电压值E1 。修正的公式应该是:

 

上述温度单位为摄氏度,电压为 V ,  是过热温度。Tref是参考温度。假设 hardware setup 时的温度T ref= 19 度(参考温度);在 22 ° ( 温升了 3 度 ) 采集,如果过热比固定设置为 0.8 ( Rdec 不变)(热线系统此时不能勾选 automatic heat ratio ,否则 Rdec 会变, a 也会变); m=0.2; 钨丝在参考温度下的电阻换热系数α ref ;而已知在 20° 下的其换热系数 α 20=0.36 %/°C 那么修正的电压应该是:

 

所以后处理修正温度时应该把上述公式中的 22 °改成实际测量的数值,把T ref 及 α ref 改成对应参考温度下的值。

      实际实验中,为了将温度的影响降到最小,一般会将风洞先行运行数小时,监测温度相对平衡后再进行标定和采集。实验过程中温度变化再采用上述的方法进行修正。最后,在结束测量的时候再次标定,取实验前后标定的关系获得的速度进行平均。 (关于标定这里需要提醒一下:标定之前设置最小最大速度时,填入的最大速度要比实际标定的最大速度要大,否则对于多项式拟合时容易震荡。)

    (编者补充一点:当使用高压气源连接标定器使用时,气体流量越大,减压速度越快,气流的温度就越低。因此,标定数据的温度修正也非常重要。为了降低这种影响,有条件的话建议使用具有较大储气罐的气源,气罐压力保持在1MPa 以内,通过减压阀降低至6-8Bar 输入标定器。这样可以显著降低标定误差。)

 

5. 电磁干扰(EMI)

      做热线实验,电磁干扰是个头疼的问题,尤其是流体力学中稳定性问题的实验,电磁干扰带来的扰动可能是有效扰动信号的几倍甚至几十倍。如果不进行电磁干扰屏蔽,实验数据的准确性很难保证。电磁干扰属于电磁兼容性问题(EMC )。本文作者在进行TS 波测量实验中,曾一度为电磁干扰所困,因此这里将很多尝试的经验总结,引起读者重视,若能使同行少走弯路将倍感欣慰。

      一般出现电磁干扰的频谱如下所示:

 

图3. 奇次谐波信号频谱

 

     谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。谐波频率是基波频率的整倍数。谐波是正弦波,每个谐波都具有不同的频率,幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性,第3 、5 、7 次编号的为奇次谐波,而2 、4 、6 、8 等为偶次谐波,如基波为50Hz 时,2 次谐波为l00Hz ,3 次谐波则是150Hz 。一般地讲,奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中,由于对称关系,偶次谐波已经被消除了,只有奇次谐波存在。

     一般在实验室中电磁干扰的来源有多种:

1.附近的大型变电站或强磁环境。

2.实验室正在使用变频器等非线性负载。很多实验室中的各种设备往往采用变频调速时,在变频器的电源侧和电机侧都会产生谐波干扰,对供电电网和变频器周围的其它电气设备要产生电磁干扰。这里不得不提的一种情况是,很多实验室都会使用稳压电源、整流电源、UPS等来稳压或抑制电涌等,但是该类负载本身也是一种电磁干扰源,在线性稳压电路中,因整流而形成的单向脉冲电流也会引起电磁干扰,会给热线系统带来较大的电磁干扰,见下图4,因此尽量避免使用。

3.热线系统附近有伺服电机或步进电机。电机或者机床的电磁干扰几乎是热线实验很难绕开的问题,因为热线实验往往结合三维坐标运动控制系统进行自动扫描控制。

4.不合理的布线,没有接地或者出现接地回路(见上文)。

消除电磁干扰的方法很多,能从源头消除是最好的,比如不用某些非线性负载或者改善布线、使用屏蔽线缆以及合理接线等。在不确定电磁干扰来源或者必须使用某些可能带来电磁干扰的设备时,也有不少方法,比如有源或无源滤波器、零线谐波阻断器、电容滤波器等。笔者在尝试多种方法后,认为以下方法比较方便且有效:

1.尽量缩短传感器的接线(需为带屏蔽层的双绞线),尽量远离干扰源;热线所有BNC 接头不与任何金属物体接触;

2.电源端采用采用隔离变压器和电源滤波器(X 电容和Y 电容进行差模和共模抑制;滤波器的输入线不宜捆扎或平行布线,其和输出线应该拉开距离);

3.对于坐标架电机的电磁干扰采用降低电流以及编程自断电功能。

 

图 4. 不同设备的电磁屏蔽效果

 

6. 锁相与外触发

热线实验在测量周期性流场中采用锁相触发将能够准确获得所需的信息。锁相触发同样能够进行全场测量获得与PIV 一样空间信息。如下图边界层的脉动速度,能够很好显示出TS 波以及边界层情况:

 

图 5. 热线测量边界层转捩

 

对于Dantec StreamLine 系统,其外触发是通过接线盒的PFI0 口进行触发。外触发往往需要用到同步器(延时设备Delay generator ),将触发开关同外部的某一个给定信号关联。

 

7. 坐标架(运动控制系统)

坐标是热线测量的地图,坐标架就是热线的手脚。没有坐标架,热线的功能将被大大限制。除了采用StreamLine兼容的坐标架,用StreamWare 进行采集外(这种方法很难去除电机的电磁干扰。编者:除非电机本身屏蔽做得很好^_^ ),还可以使用LabView 软件,将提前设计好的坐标点输入给运动控制系统中(将运动控制卡集成到LabView中),并将外触发与电机断电去除电磁干扰结合,使得其免除电机电磁干扰的影响(该方法需要自己编写LabView 控制程序)。另外,需要指出使用坐标架还有几个常见的问题:

 

1.热线支杆固定在坐标架上,引起的流场干扰,尤其是边界层测量时;

2.坐标架若有悬臂在流场中,很难避免其低频振动(根据其支杆大小、支撑方式以及实验风速,其频率在几赫兹到几百赫兹不等),这个振动很可能使测量的信号完全失真(覆盖有效信号),若不引起重视,可能会得到错误的实验结果。笔者在这个问题上曾颇费周折。目前了解到,国际上只有极少数几家单位在进行热线实验时考虑到规避支杆振动问题,因此希望引起人们重视!

3.三维坐标架测量边界层往往会遇到近壁测量精度与安全性问题,比如电机丝杆在正转与反转之间往往存在一定的间隙,如果忽略该间隙,很可能使测量位置出现错误(因而需要合理设计坐标架运行的方向与步进数)。

 

第一个问题比较容易解决,尽量使支撑方式引起的阻塞小,不易振动。比如采用翼型支撑件或者采用锥 形支撑件等。需要指出的是,进行边界层实验的时候,热线的支杆应该与来流呈一定倾斜角,如下图:

 

图 6. 热线支杆固定方式

 

至于第二个问题,一般存在坐标架振动的时间序列及频谱如下图7所示,而且低频并不一定固定,坐标架连接件存在多个共振频率,尤其是在坐标架控制热线探头进入边界层的时候,低频扰动增大。这是由于边界层内的扰动比较强(速度梯度也较大),此时脉动很容易使探头及其悬臂结构产生振动。而悬臂振动的频率一般为 ,其中E为悬臂材料弹性模量,I为悬臂梁的截面惯性矩,g为重力加速度,d为等效直径, 为密度,L为悬臂的长度,A为常数。

 

(a) 时间序列

(b) 频谱

图7. 坐标架悬臂端的低频振动频谱及时间序列

(注a图的高频及b图的74.46hz左右的频率是有效信号)

 

如何消除振动呢?这似乎是不可能的,只能将其振动幅值降到最低,降到实验能够接受的范围。根据上文悬臂振动频率的公式可知,采用正确的加固方式,以及使用低弹性模型的材料,合理的截面以及长度可以降低振动频率,但是改变悬臂梁结构是最根本的措施。去悬臂的最好方式就是将单悬臂改成简支梁结构,即两端支撑。

图9.消减悬臂振动后的频谱

 

文中仅是一些经验总结,有所疏漏与错误之处,还望大家指出!欢迎来信交流,作者邮箱为 xyjmh@pku.edu.cn

 

最后感谢麦迪技术有限公司工程师张尧、刘博宇的技术指导和交流!

 

参考文献

1.StreamWare Installation and Users Guide Vol. 1,Vol. 2,Vol. 3.

2.《西门子自动化与驱动产品符合电磁兼容规则的安装规范手册》

2019年2月20日 10:15
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