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基于現場總線和智能變送器的風洞氣流參數測量系統研制

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，版權歸航空航天大學所有，如需轉載，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展，傳統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，將傳統測量裝置的四部分功能集成在一個設備里的現代儀器(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的指令更側重于對數字信號的處理操作。在智能變送器中，傳感器測得的微弱模擬信號先經過放大電路放大，再通過A／D轉換電路轉換為數字信號。

一旦轉換為數字信號，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，數字濾波、量程遷移等等。處理完的信號可以直接以數字量傳給計算機，也可以再通過D／A轉換轉為模擬信號輸給其它模擬控制裝置。同時，計算機也可以發命令給

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

氣流參數測量探頭選型

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。系統所用皮托管為法國Kimo公司生產，校準系數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。基于以上問題，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，因而可以不再區分總靜溫的區別，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。

傳感器及數據采集設備選型

選擇壓力和溫度變送器時，為了利用智能設備和現場總線的優勢，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通信協議。其中差壓變送器為塞爾瑟斯公司生產的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據測量，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，本系統將該設備引入到風洞的環境氣壓測量。