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基于現(xiàn)場總線和智能變送器的風洞氣流參數(shù)測量系統(tǒng)研制

時間：2013-04-20 作者：淮安市三暢儀表有限公司

友情提示：本文由三暢的合作方【北京航空航天大學實驗室】所原創(chuàng)，版權歸航空航天大學所有，如需轉(zhuǎn)載，請注明版權方：(北京航空航天大學流體力學教育部重點實驗室，北京 100191)。

隨著集成電路技術的發(fā)展，傳統(tǒng)變送器逐漸被智能變送器所取代。所謂智能變送器是指以DSP芯片為核心，將傳統(tǒng)測量裝置的四部分功能集成在一個設備里的現(xiàn)代儀器(有些變送器不包括傳感器，如溫度變送器)。DSP芯片在變送器中的作用類似于CPU在計算機中的功能，只是DSP的指令更側(cè)重于對數(shù)字信號的處理操作。在智能變送器中，傳感器測得的微弱模擬信號先經(jīng)過放大電路放大，再通過A／D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

一旦轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以DSP芯片為核心的信號處理電路便可以對信號進行各種操作，例如，數(shù)字濾波、量程遷移等等。處理完的信號可以直接以數(shù)字量傳給計算機，也可以再通過D／A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)為模擬信號輸給其它模擬控制裝置。同時，計算機也可以發(fā)命令給

變送器，進行一些采集參數(shù)的設置。智能變送器與計算機之間相互傳遞信息，遵循現(xiàn)場總線協(xié)議。目前，shijie主要的測控設備生產(chǎn)商已發(fā)展了多種現(xiàn)場總線協(xié)議。其中Hart通信協(xié)議是一種既支持新型智能儀表的數(shù)字信號又兼容傳統(tǒng)模擬信號的現(xiàn)場總線協(xié)議，這是目前在智能變送器領域使用較多的總線協(xié)議。

氣流參數(shù)測量探頭選型

風速測量探頭采用皮托管，這是風洞來流速度澳4量#常用的方式。系統(tǒng)所用皮托管為法國Kimo公司生產(chǎn)，校準系數(shù)1．0015，安裝氣流偏角小于10。時，測量誤差小于1 。皮托管是通過測量來流總壓和靜壓進而間接得到來流風速，用皮托管探測來流總、靜壓不存在實質(zhì)困難，因而選型也比較簡單。以下主要介紹溫度測量探頭的選型。我們需要測量的是來流的靜溫，但直接測量來流靜溫存在較大困難。原因在于當考慮熱傳導和粘性作用后，由于溫度邊界層的存在，采用和測靜壓類似的方式測靜溫無法保證準確度。此時，探頭壁面可看作絕熱壁，按邊界層理論，在絕熱壁下溫度邊界層壁面溫度大于來流靜溫，從而導致溫度敏感元件測量的不是來流靜溫。這一問題對靜壓測量是不存在的，因為邊界層內(nèi)壓力沿法向是不變的。因此，除非使探頭以氣流速度隨氣流一起運動，否則無法準確測量靜溫�；谝陨蠁�題，來流靜溫通常都是通過測量來流總溫而間接測量的。但由于測量探頭、溫度傳感器本身的散熱效應，實際測量的總溫也不是來流總溫，是介于總溫和靜溫之間的某個值，但更接近總溫。對于北航D4低速風洞而言，#大風速80m／s，按等熵流理論(—1 0— 1+M。)，總靜溫比小于1．011，按夏季高溫時假定

風洞內(nèi)靜溫60。時計算，此時總溫為60．66。，可見總靜溫差很小，因而可以不再區(qū)分總靜溫的區(qū)別，認為探頭測得的溫度即為靜溫。對于大氣壓測量因為是測量靜止空氣，不需要測量探頭，壓力測量傳感器直接通大氣。

傳感器及數(shù)據(jù)采集設備選型

選擇壓力和溫度變送器時，為了利用智能設備和現(xiàn)場總線的優(yōu)勢，所選差壓變送器和溫度變送器都為帶DSP芯片的智能變送器，支持Hart通信協(xié)議。其中差壓變送器為塞爾瑟斯公司生產(chǎn)的V10系列3051壓力變送器，精度0．075 。溫度變送器為Siemens公司的Sitrans—TK／TK—H 型智能溫度變送器，并定做了裝配式四線制熱電阻作為溫度測量傳感器，精度±0．2。C。此外，測量大氣壓的儀器若使用通常的工業(yè)用絕壓變送器并不適合，這類儀器是用來測量一定范圍的覺對壓力，而大氣壓測量要求測量的是在一較大壓力值附近的波動。本系統(tǒng)選用振簡式氣壓儀為北京力龍威華測控技術有限公司生產(chǎn)的LQY一1型高精度振筒氣壓儀，精度為±30Pa。該氣壓儀一般用于民用機場的氣壓數(shù)據(jù)測量，靈敏度很高，可感受從地面到人胸前這樣高度導致的氣壓差，本系統(tǒng)將該設備引入到風洞的環(huán)境氣壓測量。