2013年全国水动力学研讨会：长时间多数据动态试验的热线分析（马云驰、蒋运幸、余宇轩、谢锡麟、麻伟巍）

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 长时间多数据动态实验的热线分析 马云驰,蒋运幸',余宇轩2,谢锡麟,麻伟巍" (东华大学理学院,上海, (复旦大学力学与工程科学系,上海,200433) 摘要:本文针对 DANTEC热线风速仪,对长时间多数据动态测试实验中存在的现象 ( DANTEC一般类的AD板的每个通道集点数的上限只有4×10°个)提出了动态标定的方法 (不同的两块A/D板的标定),并就实验的动态数据进行了对比(电压与速度)分析。结果 表明:使用热线风速仪进行动态测量实验后进行数据分析时,如果仅仅对数据进行流动的趋 势分析,则不需要标定探头。如果需要对其物理量即速度定量进行分析时,则必需要对探头 标定,但精确标定A/D板之间关系的工作比较困难 关键词:热线风速仪;动态标定;动态测量 绪论 动态风速测定时,由于热线风速仪检测元件较小、热惯性小、灵敏度及空间分辨率较高 并且其动态测量频响较好,因此是目前进行动态风速测量比较理想的测量仪器之一15。本 文针对丹迪( DANTEC)进行长时间多数据动态实验时由于AD板在频率上无法满足实验条 件( DANTEC A/D板的每个通道采集点数的上限数据只有4×10°个)。因此运用与北京波普 (WS)AD并联方法,涉及到对两块AD板之间的关系进行标定的问题给出了对应的标定 方法,并就动态实验分析对是否需要进行速度标定 实验使用了5个通道,每个通道采集要求采集430个数据组,采集时间共达6小时20 分钟,这样每个通数据点数达到279×10个。但是由于 DANTEC的一般类的A/D板的每个 通道集点数的上限只有4×105个,如图1所示。 因此 DANTEC热线风速仪在6小时20分的采集时间下,A/D板的采样频率最多只有不 到200Hz,无法满足试验要求。因此实验选择另一块板,这样实验中其每个通道的采样频率 约可达到10000Hz,可满足长时间多数据动态实验的要求 图1采集数据上限 图2 DANTEC标定程序求标定系数C 本研究受国家自然科学基金面上项目(10872051,1112069)资助。通讯作者:麻伟巍东华大学理学院 mail: my

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 长时间多数据动态实验的热线分析 马云驰 1，蒋运幸 1，余宇轩 2，谢锡麟 2，麻伟巍 1* (东华大学 理学院，上海，201620) (复旦大学 力学与工程科学系，上海，200433) 摘要: 本文针对 DANTEC 热线风速仪，对长时间多数据动态测试实验中存在的现象 （DANTEC 一般类的 A/D 板的每个通道集点数的上限只有 4  106个）提出了动态标定的方法 （不同的两块 A/D 板的标定），并就实验的动态数据进行了对比（电压与速度）分析。结果 表明：使用热线风速仪进行动态测量实验后进行数据分析时，如果仅仅对数据进行流动的趋 势分析，则不需要标定探头。如果需要对其物理量即速度定量进行分析时，则必需要对探头 标定，但精确标定 A/D 板之间关系的工作比较困难。 关键词：热线风速仪；动态标定；动态测量 1 绪论 动态风速测定时，由于热线风速仪检测元件较小、热惯性小、灵敏度及空间分辨率较高、 并且其动态测量频响较好，因此是目前进行动态风速测量比较理想的测量仪器之一[1-5]。本 文针对丹迪（DANTEC）进行长时间多数据动态实验时由于 A/D 板在频率上无法满足实验条 件（DANTEC A/D 板的每个通道采集点数的上限数据只有 4  106个）。因此运用与北京波普 （WS）A/D 并联方法，涉及到对两块 A/D 板之间的关系进行标定的问题给出了对应的标定 方法，并就动态实验分析对是否需要进行速度标定。 实验使用了 5 个通道，每个通道采集要求采集 430 个数据组，采集时间共达 6 小时 20 分钟，这样每个通数据点数达到 2.279  106个。但是由于 DANTEC 的一般类的 A/D 板的每个 通道集点数的上限只有 4  106个，如图 1 所示。 因此 DANTEC 热线风速仪在 6 小时 20 分的采集时间下，A/D 板的采样频率最多只有不 到 200Hz，无法满足试验要求。因此实验选择另一块板，这样实验中其每个通道的采样频率 约可达到 10000Hz，可满足长时间多数据动态实验的要求。 图 1 采集数据上限 图 2 DANTEC 标定程序求标定系数 C *本研究受国家自然科学基金面上项目（10872051，11172069）资助。通讯作者：麻伟巍 东华大学理学院； Email: mww@fudan.edu.cn

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 标定方法和分析 21两块AD板的标定方法 实验利用了 DANTEC热线风速仪的速度标定装置及程序。在标定时,实验设定标定的速 度区间以及这之间标定的点数n,程序可通过log曲线选取所需速度区间内的速度点V(=1, 2,…,n)。标定射流出风装置将空压机的高压气体以这些速度ⅵ依次标定探头,AD板记 录与风速对应的电压值E,然后利用脉冲电压转换为速度分量关系式(以下简称速度计算公 式):V=Co+C1E1C2E2+C3E3+C4E(其中C0至C4为标定系数,且为待求常数),程序自动求 出待求项C至C4每一个探头都需要标定得到各自的C。得到G后,只要将探头测到的任 意风速下的电压值数据代入公式后就可以算出之对应的真实速度了,标定系数软件如图2 所示。 但是因长时间多数据动态实验的需要用另外A/D板进行数据采集,因此就涉及到如何 进行对应的动态标定,也就是需要得到Ws的A/D板与 DANTEC的AD板之间的输出电压关 系。这样,就可以将WSAD板的电压数据转换成同样风速下 DANTEC采集到的电压值,并 代入公式,可以得到WS的AD板采集的电压对应的真实的速度了,也就达到对wsAD板 进行速度与电压的标定的目的。因此需要对两块A/D采集电压的关系板进行标定。本文就 此进行了三种方法的实验对比 三通转换接口 DANTEC信号4米线 4米线 热线探头 放大器 DANTEC AD板 北京波普AD 采集输出1 板 十算机1 采集输出2 计算机 图3方法一的采集流程简图 三通转换接口 4米线 稳压电源 DANTEC 采集输出1 AD板 北京波普AD 计算机 采集输出2 计算机2 图4方法二的采集流程简图

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 2 标定方法和分析 2.1 两块 A/D 板的标定方法 实验利用了 DANTEC 热线风速仪的速度标定装置及程序。在标定时，实验设定标定的速 度区间以及这之间标定的点数 n，程序可通过 log 曲线选取所需速度区间内的速度点 Vi(i=1， 2，„，n)。标定射流出风装置将空压机的高压气体以这些速度 Vi 依次标定探头，A/D 板记 录与风速对应的电压值 Ei，然后利用脉冲电压转换为速度分量关系式（以下简称速度计算公 式）：Vi=C0+C1Ei 1 +C2Ei 2 + C3Ei 3 +C4Ei 4（其中 C0至 C4为标定系数，且为待求常数），程序自动求 出待求项 C0至 C4。每一个探头都需要标定得到各自的 Ci。得到 Ci后，只要将探头测到的任 意风速下的电压值数据代入公式后就可以算出之对应的真实速度了，标定系数软件如图 2 所示。 但是因长时间多数据动态实验的需要用另外 A/D 板进行数据采集，因此就涉及到如何 进行对应的动态标定，也就是需要得到 WS 的 A/D 板与 DANTEC 的 A/D 板之间的输出电压关 系。这样，就可以将 WS A/D 板的电压数据转换成同样风速下 DANTEC 采集到的电压值，并 代入公式，可以得到 WS 的 A/D 板采集的电压对应的真实的速度了，也就达到对 WS A/D 板 进行速度与电压的标定的目的。因此需要对两块 A/D 采集电压的关系板进行标定。本文就 此进行了三种方法的实验对比。 图 3 方法一的采集流程简图 图 4 方法二的采集流程简图

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 DANTEC信号 4米线 线探头 放大器 AD 计算机2 图5方法三的采集流程简图 探头 DANTEC信号 4米线 4米线 放大器 北京波普AD 计算机2 图6方法三的采集流程简图II 22标定两块AD板的方法和数据分析 标定共使用了3种方法,由21节得到了一些速度点V(i=1,2,…n),和对应的电压E, 其中v以及n与设定有关。 方法一(如图3所示):设置的 DANTEC A/D板的采样频率为100Hz,WSAD板的采样 频率为8090Hz。给定出风速度为V1至Vn,然后同时采集 DANTEC和WA/D板的电压数据 采集时间为5秒。将采集的电压数据进行平均,然后比对如表1所示。 表1方法一的标定数据对比 实验编速度值(ms)标定速度 DANTEC A/D板平wsA/D板电压值两者电压差值 (m/s) 均电压(V) 1.787 1.097 1.787 0.1470 1420 1412 1.819 0.1761 1.6429 1420 1.412 1.819 0.1764 1644 1.392 1.819 0.1740 1.6450 1854 1.825 1.832 1.854 0.1233 16427 1.821 1854 0.2084 16456

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 图 5 方法三的采集流程简图 I 图 6 方法三的采集流程简图 II 2.2 标定两块 A/D 板的方法和数据分析 标定共使用了 3 种方法，由 2.1 节得到了一些速度点 Vi（i=1,2,„,n），和对应的电压 Ei， 其中 Vi以及 n 与设定有关。 方法一（如图 3 所示）：设置的 DANTEC A/D 板的采样频率为 100Hz，WS A/D 板的采样 频率为 8090Hz。给定出风速度为 V1至 Vn，然后同时采集 DANTEC 和 WS A/D 板的电压数据， 采集时间为 5 秒。将采集的电压数据进行平均，然后比对如表 1 所示。 表 1 方法一的标定数据对比 实 验 编 号 速度值(m/s) 标定速度 （m/s） DANTEC A/D 板平 均电压（V） WS A/D 板电压值 （V） 两者电压差值 ⑴ 1.097 1.098 1.787 0.1458 1.6412 ⑵ 1.097 1.098 1.787 0.1470 1.6400 ⑶ 1.420 1.412 1.819 0.1761 1.6429 ⑷ 1.420 1.412 1.819 0.1764 1.6444 ⑸ 1.392 1.412 1.819 0.1740 1.6450 ⑹ 1.825 1.832 1.854 0.2463 1.6077 ⑺ 1.825 1.832 1.854 0.1233 1.6427 ⑻ 1.821 1.832 1.854 0.2084 1.6456

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 图7两块AD板的差值 实验验证两个AD板是否存在常数(线性)关系,将出风速度的电压认为是标定速度 的电压。观察数据发现确实有一定常数关系,除了数据点(6),两者差值均为1.64V左右,如 图7所示。但国产AD板带有清零功能,然而清零值有时变动很大(变化量可达0.3V),但 实际测出来的电压变化相对很小(仅为清零值的十分之一),所以认为不应计入清零值,否 则如果计入清零值则同一速度下的电压变化量过大。 方法二:标定实验时,考虑用稳压电源给两块AD板同时输出一个电压,让两块AD 板同时采集,对实验数据进行了分析。通过改变稳压电源的电压,观察采集的电压变化,就 可以得到两块AD板采集电压与输入电压之间的关系,实验使用了两块不同的电压表记录 稳压电源的输入电压,输入及采集数据如表2所示。 由于速度与电压关系的标定采用的是 DANTEC的程序,其程序精确到0.001,而WSA/D 板的精度为00001,实验在将电压转换为速度时。由以表2及图8可以看出,在稳压电源输 入一个电压后,两块AD板采集得到的数据最大差为000046V。因为速度是一个4次函数 电压差值越大,转化为速度的差值也可能呈次方放大。所以,实验需要在电压上保留更多的 位数,这样可以缩小两者电压差距,从而确保得到的速度误差百分比最小。 为了检验两块AD板电压的偏差导致的速度的偏差值,实验将第次至次实验的电 压值带入速度计算公式(取一组标定下的C,其中C0=2.348389,C1=4330581,C2=3595350 C3=10184552,C4=4.623913)求出速度差值百分数,在几百米的风速下误差不到01%,如 图9所示 表2方法二的数据 实验指针电压数字电压| DANTECA/D WS A/D板采集wsAD板与两平均电压差 编号表显示的表显示的板采集电压平电压平均值(V)数字电压表值(V) 输入电压输入电压均值(v) 的差(V) 19765 1.97648 0.02352 0.00002 2.2060 2.4698 2.46949 0.03051 0.00031 2 3.00 2.9510 2.95074 0.04926 0.00026 3.5 3.27754 0.00046 3.45018 0.04982 0.00018 4.0 94321

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 ⑴ ⑵ ⑶ ⑷ ⑸ ⑹ ⑺ ⑻ 图 7 两块 A/D 板的差值 实验验证两个 A/D 板是否存在常数（线性）关系，将出风速度的电压认为是标定速度 的电压。观察数据发现确实有一定常数关系，除了数据点⑹，两者差值均为 1.64V 左右，如 图 7 所示。但国产 A/D 板带有清零功能，然而清零值有时变动很大（变化量可达 0.3V），但 实际测出来的电压变化相对很小（仅为清零值的十分之一），所以认为不应计入清零值，否 则如果计入清零值则同一速度下的电压变化量过大。 方法二：标定实验时，考虑用稳压电源给两块 A/D 板同时输出一个电压，让两块 A/D 板同时采集，对实验数据进行了分析。通过改变稳压电源的电压，观察采集的电压变化，就 可以得到两块 A/D 板采集电压与输入电压之间的关系，实验使用了两块不同的电压表记录 稳压电源的输入电压，输入及采集数据如表 2 所示。 由于速度与电压关系的标定采用的是 DANTEC 的程序，其程序精确到 0.001，而 WS A/D 板的精度为 0.0001，实验在将电压转换为速度时。由以表 2 及图 8 可以看出，在稳压电源输 入一个电压后，两块 A/D 板采集得到的数据最大差为 0.00046V。因为速度是一个 4 次函数， 电压差值越大，转化为速度的差值也可能呈次方放大。所以，实验需要在电压上保留更多的 位数，这样可以缩小两者电压差距，从而确保得到的速度误差百分比最小。 为了检验两块 A/D 板电压的偏差导致的速度的偏差值，实验将第⒁次至⒄次实验的电 压值带入速度计算公式（取一组标定下的 Ci，其中 C0=-2.348389，C1=4.330581，C2=3.595350， C3=-10.184552，C4=4.623913）求出速度差值百分数，在几百米的风速下误差不到 0.1%，如 图 9 所示。 表 2 方法二的数据 实验 编号 指针电压 表显示的 输入电压 （V） 数字电压 表显示的 输入电压 （V） DANTECA/D 板采集电压平 均值（V） WS A/D 板采集 电压平均值（V） WS A/D 板与 数字电压表 的差（V） 两平均电压差 值（V） ⑼ 2.00 1.9765 1.97648 0.02352 0.00002 ⑽ 2.5 2.2060 2.20601 -0.00001 ⑾ 2.50 2.4698 2.46949 0.03051 0.00031 ⑿ 3.0 2.7200 2.71972 0.00028 ⒀ 3.00 2.9510 2.95074 0.04926 0.00026 ⒁ 3.5 3.2780 3.27754 0.00046 ⒂ 3.50 3.4500 3.45018 0.04982 -0.00018 ⒃ 4.0 3.7965 3.79620 0.00030 ⒄ 4.00 3.9436 3.94321 0.05679 0.00039

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 -0,002 图8方法三中稳压电源输入后两块A/D板的电压差值(V) 0.1000 0800% 0.0200% 0.0000% 9方法三中两块M/D板在电压转化为速度后的差值百分数 由方法二与方法一的结果差别较大,实验考虑了如下问题:(1) DANTEC热线风速仪对 数据线的长度有严格规定。由于WSA/D板的使用,需要多引出一条4m长的数据线。数据 线含有电阻,需要评估这条线对采集结果是否有影响。(2)方法采集电压来自稳压电源,而 不是来自热线探头,是不是稳压电源的功率大,所以在国产A/D板上的损失相对小了,从 而第二次试验两次采集电压这样接近。因此又进行了方法三的实验 在方法三中,依照图5和图6的方法各做了标定。以检验上述两个问题 表3标定方法三的数据 风速2ms时的电压(V)风速4m/s时的电压(V)风速6ms时电压(V) 方法I 1.81023 194658 2.03536 方法Ⅱ 1.80958 1.94183 2.0352 两种方法的电压 0.00475 差值百分比(%) 0.036 0.244 0.238 由表3可以得出,当增加一个4m的数据线时,采集电压确总是有衰减的,但衰减比率 很低,只有千分之几。分别将同风速的电压带入速度计算公式中,其相应的速度衰减率也不 到0.1%,因此不必对电压进行补偿,所得数据依然可靠。第三次实验方法与第一次相同 但是所得结果有很大不同。第一次实验WSAD板与 DANTEC A/D板所采集数据相差很大 且WSAD板采集电压明显比 DANTEC A/D板小。这三次实验的使用的探头分别不同,所以 在同样速度下的电压值可以有所不同,但方法二结果显示, DANTEC与WS的采集数据值应

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 图 8 方法三中稳压电源输入后两块 A/D 板的电压差值（V） 图 9 方法三中两块 A/D 板在电压转化为速度后的差值百分数 由方法二与方法一的结果差别较大，实验考虑了如下问题：（1）DANTEC 热线风速仪对 数据线的长度有严格规定。由于 WS A/D 板的使用，需要多引出一条 4m 长的数据线。数据 线含有电阻，需要评估这条线对采集结果是否有影响。（2）方法采集电压来自稳压电源，而 不是来自热线探头，是不是稳压电源的功率大，所以在国产 A/D 板上的损失相对小了，从 而第二次试验两次采集电压这样接近。因此又进行了方法三的实验。 在方法三中，依照图 5 和图 6 的方法各做了标定。以检验上述两个问题。 表 3 标定方法三的数据 风速 2m/s 时的电压（V） 风速 4m/s 时的电压（V） 风速 6m/s 时电压（V） 方法 I 1.81023 1.94658 2.03536 方法 II 1.80958 1.94183 2.03536 两种方法的电压差 0.00065 0.00475 0.00485 差值百分比（%） 0.036 0.244 0.238 由表 3 可以得出，当增加一个 4m 的数据线时，采集电压确总是有衰减的，但衰减比率 很低，只有千分之几。分别将同风速的电压带入速度计算公式中，其相应的速度衰减率也不 到 0.1%，因此不必对电压进行补偿，所得数据依然可靠。第三次实验方法与第一次相同， 但是所得结果有很大不同。第一次实验 WS A/D 板与 DANTEC A/D 板所采集数据相差很大， 且 WS A/D 板采集电压明显比 DANTEC A/D 板小。这三次实验的使用的探头分别不同，所以 在同样速度下的电压值可以有所不同，但方法二结果显示，DANTEC 与 WS 的采集数据值应