基于现场总线和智能变送器的风洞气流参数测量系统研制

马宝峰,王 兵,邓学蓥

(北京航空航天大学流体力学教育部重点实验室,北京 100191)

0 引 言

对于低速风洞实验而言,按相似模拟的要求,需要模拟的主要相似参数为来流雷诺数。按定义,来流雷诺数与来流风速、密度、粘性系数和模型特征尺度相关,其中密度和粘性系数又与来流温度和环境大气压有关。对于常规低速风洞,通常是通过改变风速和模型尺度来改变雷诺数的,如果研究对象对雷诺数不太敏感,可以假定来流密度和粘性系数是一常数。这一假定一般来说不会引起太大误差,因为低速风洞发热量相对不大,温升相对较小。但是对一些对雷诺数十分敏感的流动现象,这一小的温差也会对实验结果产生定量甚至定性的改变,例如对圆柱绕流、旋成体大迎角的雷诺数研究等,因而有必要在计算雷诺数时考虑温度乃至大气压的影响。这就需要对来流风速、温度及环境大气压等气流参数进行测量,以得到更为精确的雷诺数。

气流参数各物理量的传统测量装置通常包括以下四部分：气流参数测量探头、与测量量相关的传感器、信号调理器(放大、模拟滤波等)、A/D转换器、计算机[1]。气流参数测量探头根据空气动力原理制成,用于感知气流参数,称一次仪器。而传感器等采集设备称二次仪器,通常将传感器和信号调理器集成在一个设备内,称为变送器,变送器出来的信号都是经过放大、滤波等调理后的标准信号,一般为1～5V或0～40mA。变送器的信号一般为模拟信号,需经过A/D转换后由计算机采集。

随着集成电路技术的发展,传统变送器逐渐被智能变送器所取代。所谓智能变送器是指以DSP(Digital signal processor)芯片为核心[2],将传统测量装置的四部分功能集成在一个设备里的现代仪器(有些变送器不包括传感器,如温度变送器)。DSP芯片在变送器中的作用类似于CPU在计算机中的功能,只是DSP的指令更侧重于对数字信号的处理操作。在智能变送器中,传感器测得的微弱模拟信号先经过放大电路放大,再通过A/D转换电路转换为数字信号。一旦转换为数字信号,以DSP芯片为核心的信号处理电路便可以对信号进行各种操作,例如,数字滤波、量程迁移等等。处理完的信号可以直接以数字量传给计算机,也可以再通过D/A转换转为模拟信号输给其它模拟控制装置。同时,计算机也可以发命令给变送器,进行一些采集参数的设置。智能变送器与计算机之间相互传递信息,遵循现场总线协议[3,4]。目前,世界主要的测控设备生产商已发展了多种现场总线协议。其中 Hart(Highway Addressable Remote Transducer)通信协议是一种既支持新型智能仪表的数字信号又兼容传统模拟信号的现场总线协议,这是目前在智能变送器领域使用较多的总线协议[5,6]。

根据笔者的实践经验,目前在风洞气流参数采集中,很多使用者仍将智能变送器当作传统变送器使用,按传统方式采集数据;而且,关于智能变送器在风洞中的应用也未见公开报道。所以,笔者将介绍在北航D4风洞中研制开发的一套简单实用的气流参数测量系统,该系统基于智能仪器和现场总线,可测量来流风速、温度和环境大气压。基于采集的来流风速、温度和环境大气压数据,可进一步计算得到较为精确的来流雷诺数。这样计算得到的雷诺数由于考虑了温度和压力的影响,比仅仅考虑来流速度计算得到的雷诺数更为精确,这对很多对雷诺数变化敏感的流动现象的研究十分重要。

1 气流参数测量系统硬件的选型和集成

1.1 气流参数测量探头选型

风速测量探头采用皮托管,这是风洞来流速度测量最常用的方式。系统所用皮托管为法国Kimo公司生产,校准系数1.0015,安装气流偏角小于10°时,测量误差小于1%。皮托管是通过测量来流总压和静压进而间接得到来流风速,用皮托管探测来流总、静压不存在实质困难,因而选型也比较简单。

对于大气压测量因为是测量静止空气,不需要测量探头,压力测量传感器直接通大气。

1.2 传感器及数据采集设备选型

选择压力和温度变送器时,为了利用智能设备和现场总线的优势,所选差压变送器和温度变送器都为带DSP芯片的智能变送器,支持Hart通信协议。其中差压变送器为塞尔瑟斯公司生产的V10系列智能压力变送器,精度0.075%。温度变送器为Siemens公司的Sitrans-TK/TK-H型智能温度变送器,并定做了装配式四线制热电阻作为温度测量传感器,精度±0.2°C。此外,测量大气压的仪器若使用通常的工业用绝压变送器并不适合,这类仪器是用来测量一定范围的绝对压力,而大气压测量要求测量的是在一较大压力值附近的波动。本系统选用振筒式气压仪为北京力龙威华测控技术有限公司生产的LQY-1型高精度振筒气压仪,精度为±30Pa。该气压仪一般用于民用机场的气压数据测量,灵敏度很高,可感受从地面到人胸前这样高度导致的气压差,本系统将该设备引入到风洞的环境气压测量。

1.3 测量系统硬件连接

图1 气流参数测量系统硬件连接图Fig.1 Hardware connection for measurement system of airflow parameter

气流参数的测量硬件通常包括：气流参数测量探头、传感器和数据采集电路。测量系统硬件连接图如图1所示。来流风速测量采用皮托管作为测量探头获得总静压,总静压差经差压变送器转换为Hart信号。来流温度测量以装配式热电阻作为测量传感器和探头,该探头位于风洞稳定段以测量来流温度,热电阻出来的模拟信号经温度变送器转为Hart信号,温度变送器在物理连接上位于热电阻探头的顶端口盖内。差压和温度变送器出来的Hart信号所包含的数字量信息是以正弦形式存在的模拟信号(频移键控技术),并非数字方波形式,不能被计算机直接采集,需要通过Hart适配器将以模拟形式存在的数字信号转化为计算机可接受的数字信号。Hart适配器的作用类似于拨号上网用的调制解调器,即将串口发出的数字信号转化成智能变送器能识别的 Hart信号,同时也可以将智能变送器发出的Hart信号转化成串口能识别的数字信号。与适配器相连后,智能差压和温度变送器之间是并联关系,而Hart适配器与主机之间通过串口COM1相连,发送和接收数据的波特率为 1200 bps。振筒式大气压计通过串口COM2与微机直接相连,大气压计是以触发方式不断的以ASCII码数据格式向微机串口发送大气压值,发送数据的波特率为9600 bps。振筒式气压仪与目前正在发展的硅谐振式气压仪同属于数字传感器[7],精度很高。

2 气流参数测量系统软件设计

2.1 现场总线协议-HART协议解析

系统软件部分涉及到的难点主要在于对Hart通信协议的解析,因为Hart协议是由Hart基金会制定的,只有加入基金会成为会员,才会获得Hart协议的文本,从而知道如何发送通信命令,该协议文本对外界是不公开的。智能变送器厂商只会提供现成的采集软件,不会提供协议本身。本系统开发时参照极少量公开发表的 Hart协议信息[8],并经过自己的测试和推测,成功的实现了本系统的Hart通信。

2.2 程序流程

系统的采集程序采用VC6.0开发,主要分为三部分：主程序、差压和温度智能变送器采集程序(Hart通信和串口通信程序)、大气压计采集程序(串口通信程序)。软件的主程序流程框图如图2(a)所示。程序运行以后,首先判断差压变送器连接是否成功,如果成功,则采集皮托管总静压差;然后判断温度变送器连接状况,如果连接成功,则采集来流温度值;最后采集环境大气压值。除采集气流参数值外,通过主程序还可以对智能变送器通过Hart协议设置采集参数。

差压和温度变送器具体的数据采集程序(Hart通信程序)流程图如图2(b)所示,两个变送器采集流程类似,因而只给出一个流程图。变送器通过适配器以Hart协议与微机通信,通信的方式是问答式的,给出采集请求,智能变送器便会给出测量值。

大气压计采集程序(串口通信程序)的流程图如图2(c)所示。大气压计是以触发的方式不断的以ASCII码的数据格式向微机串口发送大气压值,微机每次接收到的大气压值由八位ASCII码组成。大气压计采集程序就是通过串口接收大气压计发送的ASCII码,并将其转化为浮点数形式的大气压值。

图2 气流参数采集程序流程图Fig.2 Flow chart of acquisition for airflow parameters

3 气流参数测量系统的应用

3.1 雷诺数的计算

3.2 在旋成体雷诺数效应研究中的适用性

通过以上气流参数的测量,可以得到精确的来流雷诺数。本节给出季节温度和气压波动对来流雷诺数测量的影响,并给出了该影响对旋成体大迎角雷诺数研究的影响大小,从而进一步具体说明了以上参数测量的重要性。中国北方冬季气温低、气压高,而夏季温度高、气压低。根据本实验室监测的结果,实验室冬季风洞内最低气温可达到 7℃,环境气压101700Pa;而夏季风洞内温度可达40℃,环境气压99000Pa。按该数据,利用以上雷诺数计算公式,可得图3所示雷诺数的差异,其中横轴为来流风速,纵轴为计算的雷诺数,雷诺数计算的参考长度取本实验一旋成体模拟直径(D=200mm)。

图3 冬夏来流雷诺数的变化Fig.3 The variation of freestream Re at winner and summer

图4 旋成体截面压力分布随雷诺数的变化[9]Fig.4 The variation of pressure distributions with Re[9]

图4给出了一旋成体模型在大迎角下截面压力分布随雷诺数的变化,可见在上述雷诺数计算差异的范围内,压力分布已有较大变化。可见对气流参数进行测量以得到精确的来流雷诺数对本实验研究有重要意义。

4 结 论

在北航D4低速风洞中基于智能变送器和数字式振筒气压仪,实现了一套简单实用的气流参数测量系统。该系统变送器部分通过Hart协议实现通信。实践证明,通过Hart通信的方式进行气流参数采集有诸多优势。差压和温度变送器通过Hart适配器与计算机相连,计算机通过串口与适配器实行通信,从而不需要在微机上再装A/D采集卡。并且通信方式为数字通信,从而保证信号具有更强的抗干扰能力。其次,通过Hart通信的方式,还可以对系统的重要参数(比如量程、温度传感器的线路补偿方式)进行设置和得到系统已有的参数设置,这是A/D采集卡方式进行采集不能实现的。此外,系统中的振筒式气压仪由于其基于数字式传感器原理,不需A/D转换,即可由计算机直接采集,不仅精度高,也给采集数据带来了很大方便。最后,在气流参数采集的基础上,实现了来流雷诺数的精确计算,给出了因为温度、大气压的变化导致雷诺数计算的差异性,并分析了该差异对旋成体大迎角雷诺数效应研究的影响。

[1]王铁成.空气动力学实验技术[M].北京：航空工业出版社,1985.

[2]韩琳.基于DSP技术的智能现场通信器的硬件设计[D].工学硕士学位论文,哈尔滨工程大学,2002.

[3]张军,祝汝松,施洪昌,朱博.一种风洞现场总线技术的研究与实现[J].实验流体力学,2006,20(2)：94-96.

[4]李季,张锴.Profibus现场总线在FL-2风洞中的应用[C].全国空气动力测控技术交流会论文集,中国鞍山,2003：116-122.

[5]朱艳萍.基于HART协议智能压力变送器的研究和开发[D].工学硕士学位论文,南京理工大学,2005.

[6]黄云彪.Hart智能温度变送器的实现[D].工程硕士学位论文,重庆大学,2002.

[7]常丽敏,齐兴龙,董庆伟.基于硅谐振压力传感器的大气数据系统的实现[J].计算机测量与控制,2008,16(12)：1999-2002.

[8]丁颖,盛惠兴.HART协议解析[J].现代电子技术,2004,168(1)：14-17.

[9]柏楠.前体非对称涡绕流流场结构的Re数效应研究[D].北京航空航天大学博士学位论文,2008.