CN106405157A - 一种基于低频交流放电的风速计、标定装置及标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于低频交流放电的风速计，包括顺序串联的交流数控可调激励、负反馈耦合电路模块、风速探针模块和数据采集与处理模块，所述交流数控可调激励用于持续准确地输出所需交流放电电压；负反馈耦合电路模块连接在交流数控可调激励与风速探针模块之间，用于提供一个有效的控制放电发展过程的负反馈；所述数据采集与处理模块用于采集串联回路电流并显示放电回路电流波形和回路电流有效值。此种风速计可在空气中准确测量风速，以解决先前风速计测量精度差、易受温度影响、风速测量范围小的问题。本发明还公开一种基于低频交流放电的风速计标定装置及标定方法，其可标定出风速值与交流放电回路电流有效值之间的对应关系。
Description
技术领域
本发明属于流体测量技术领域，特别涉及一种基于低频交流放电的风速计，以及所述风速计的标定装置及标定方法。
背景技术
风速测量是一个值得长期研究和探索的课题，并且在航空、航天、气象以及军事等诸多领域得到了广泛的运用。早期的风速测量仪器包含旋翼或杯型机械式风速仪，后来又出现了皮托管风速仪和压电式风速计。但是，由于体积庞大、测量精度差、易受温度影响、风速测量范围小，这些风速计无法满足小型化、高精度、适应高温高速的测量环境等应用需求。因此研究者们尝试使用新的测量技术在严苛的环境下对不同风速进行准确可靠的测量。
中国专利申请号201510885873.X公布了一种基于微机械耦合器和间接式功率传感器的风速计。该传感器包括衬底、共面波导传输线、微机械耦合器以及间接式功率传感器部分，共面波导传输线生长在衬底表面，悬臂梁耦合器悬于共面波导传输线的信号线上方，中间为绝缘介质层和空气，与共面波导的信号线形成微机械耦合器。悬臂梁的锚区位于另外一段共面波导的中心信号线上，将耦合的微波功率传输到利间接式功率传感器，最终通过间接式功率传感器的直流输出电压计算出风速大小。该风速计体积小、功耗低，但是仍存在易受温度影响、风速测量范围小的缺陷。
空气交流放电等离子体兼具导体和流体双重特性，是其可应用于流场测量的物理基础，也正是等离子体的电特性和流体特性使借助其感受流场信息成为可能。在空气流场作用下，等离子体等效导纳变化和放电间隙中带电粒子“逃逸”将会导致宏观电信号量(如电流、电压等)变化，测量系统根据宏观电信号量变化可以获取空气流场信息，依据以上原理可以实现空气中风速的测量。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种基于低频交流放电的风速计，其可在空气中准确测量风速，以解决先前风速计测量精度差、易受温度影响、风速测量范围小的问题，可以广泛地应用在航空、航天、气象以及军事等诸多领域。
本发明的再一目的，在于提供一种基于低频交流放电的风速计标定装置及标定方法，其可标定出风速值与交流放电回路电流有效值之间的对应关系。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种基于低频交流放电的风速计，包括顺序串联的交流数控可调激励、负反馈耦合电路模块、风速探针模块和数据采集与处理模块，所述交流数控可调激励用于持续准确地输出所需交流放电电压；负反馈耦合电路模块连接在交流数控可调激励与风速探针模块之间，用于提供一个有效的控制放电发展过程的负反馈；所述数据采集与处理模块用于采集串联回路电流并显示放电回路电流波形和回路电流有效值。
上述风速探针模块包括金属探针、探针固定架、固定薄片、探针间隙标尺和可滑动薄片，探针间隙标尺平行固定于探针固定架上；固定薄片由耐高温绝缘塑料材料制成，且固定薄片固定于探针间隙标尺的0mm处；可滑动薄片由耐高温绝缘塑料材料制成，且可滑动薄片设于探针间隙标尺上并能够在探针间隙标尺上自由滑动；金属探针有两根，一根垂直安放在探针固定架与固定薄片之间，另一根垂直安放在探针固定架与可滑动薄片之间；所述金属探针的放电端附近还涂覆有耐高温涂料。
上述负反馈耦合电路模块包括高压端模块和低压端模块，高压端模块串接在流数控可调激励高压端与风速探针模块之间，低压端模块串接在交流数控可调激励接地端与风速探针模块之间。
上述高压端模块包括相互串联的第一电阻和第一电容，低压端模块包括相互串联的第二电阻和第二电容。
上述数据采集与处理模块包括测量电阻、多功能信号采集卡和上位机，多功能信号采集卡与测量电阻并联，并且通过数据接口与上位机相连；测量电阻串联于交流放电回路，多功能信号采集卡采集测量电阻上的电压值并送入上位机；上位机将采集到的电压值转换为电流值，并且实时显示出时间—电流的波形图，同时实时显示出电流有效值。
一种基于低频交流放电的风速计标定装置，包括风速可调设备，所述风速可调设备包括风速喷嘴和空气压缩机，风速喷嘴与空气压缩机之间通过密封通气管紧密相连，而风速喷嘴的出风口与两根金属探针间空气间隙平行放置。
一种基于低频交流放电的风速计标定方法，首先调节两根金属探针之间的间隙，直至二者到达放电合适距离，并取定负反馈耦合电路模块的参数，再控制交流数控可调激励向风速探针模块输出持续可调电压，直至风速探针模块处产生稳定的交流放电；在放电回路电流稳定后，记录下数据采集与处理模块测量的放电回路电流有效值；然后在参数不变的情况下，稳定交流放电时通过风速可调设备向金属探针空气间隙区域供风，在风速达到稳定并且交流放电回路电流也稳定后，记录下测量的放电回路电流有效值与风速可调设备所供的风速值；装置参数不变，通过风速可调设备小幅度地改变风速值后，多次重复上面的操作过程，操作结束后记录下风速值和测得的电流有效值，最后根据所得的多组数据标定出风速值与交流放电回路电流有效值之间的对应关系；倘若在装置参数一致且都能实现稳定交流放电的前提下标定出的风速值范围较小，则需要改变金属探针之间间隙大小或者改变负反馈耦合电路模块的参数或者调节交流数控可调激励的输出电压和频率，在调整过参数之后再次重复上述流程，标定出另一组风速值与交流放电回路电流有效值之间的对应关系，直到标定出理想的风速值范围。
采用上述方案后，本发明的风速计可以在相对苛刻的测量环境下精确地测量风速，具有广阔的应用前景。该风速计具有如下特点：动态频响较高，工作状态稳定；风速探针模块体积小，适用领域广；装置对温度不敏感，校准简单；允许不接触测量；安装使用方便，操作简单，实用性强等特点。可以有效地解决先前风速计测量精度差、易受温度影响、风速测量范围小的问题。
附图说明
图1是本发明中风速探针模块的结构简图；
图2是本发明中交流数控可调激励的结构简图；
图3是本发明中风速可调设备的结构简图；
图4是本发明中数据采集与处理模块的结构简图；
图5是本发明中风速计与标定装置配合使用的结构示意图；
图6是本发明中风速计的结构示意图；
图7是标定阶段分别在无风速和风速为3m/s时风速计的电流波形图；
图8是标定阶段标定的部分风速值与风速计电流有效值之间的对应关系图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图6所示，本发明提供一种基于低频交流放电的风速计，包括顺序串联的交流数控可调激励、负反馈耦合电路模块、风速探针模块和数据采集与处理模块，组成交流放电回路，下面分别介绍。
如图2所示，所述交流数控可调激励7由上位机控制，作为风速计的高压输出电源，数控调压能够持续准确地输出所需交流放电电压，所编写的上位机程序可以实时并精准地控制电压和频率的输出。该交流数控可调激励属于一种高电压低频放电电源，操作简单方便，调压时间短且效率高，对于提高测量结果的精度具有重要作用。采用上位机程序控制的交流数控可调激励与负反馈耦合电路模块、风速探针模块、数据采集与处理模块串联组成交流放电回路后，在输出电压时，金属探针1间隙空气在高压作用下发生电离，产生带电粒子，粒子间不断发生碰撞，产生更多的粒子，相比于直流而言，交流放电粒子间碰撞更加频繁，电离程度得到提高，击穿电压有所降低。
负反馈耦合电路模块连接在交流数控可调激励7与风速探针模块之间，用于提供一个有效的控制放电发展过程的负反馈，所述负反馈耦合电路模块包括高压端模块13和低压端模块14，配合图6所示，高压端模块13包括相互串联的电阻R1和电容C1，低压端模块14包括相互串联的电阻R2和电容C2。空气中放电形式很容易过渡到不稳定的火花放电状态，在交流数控可调激励与风速探针模块之间串联由耦合电阻与耦合电容串联组成的负反馈耦合电路模块，能够提供一个有效的控制放电发展过程的负反馈，可以在辉光放电过渡到火花放电之前使其熄灭，得到稳定的低频交流放电。在本发明中，交流数控可调激励高压端与风速探针模块之间串接有一组耦合电阻R1和耦合电容C1串联组成的高压端模块，交流数控可调激励接地端与风速探针模块之间同样接有一组与高压端相同阻值的耦合电阻R2和相同电容值的耦合电容C2串联而成的低压端模块。负反馈耦合电路模块中的耦合电容在功能上相当于介质阻挡放电中的介质，可以产生反向电场，起到限制放电电流变化的作用并且可以增强放电的稳定性；耦合电阻的阻值越大则负反馈耦合电路模块的负反馈作用越强。
所述风速探针模块是一种采用耐高温高压的空气交流放电探针装置，包括金属探针1、探针固定架2、固定薄片3、探针间隙标尺4、耐高温涂料5和可滑动薄片6，配合图1所示，探针间隙标尺4平行固定于探针固定架2上；固定薄片3由耐高温绝缘塑料材料制成，且固定薄片3固定于探针间隙标尺4的0mm处；可滑动薄片6由耐高温绝缘塑料材料制成，且可滑动薄片6设于探针间隙标尺4上并可在探针间隙标尺4上自由滑动；金属探针1有两根，一根垂直安放在探针固定架2与固定薄片3之间，另一根垂直安放在探针固定架2与可滑动薄片6之间；耐高温涂料5涂覆于金属探针1的放电端附近，金属探针1的放电端口平整而并非针尖状，平整的放电端在高电压作用下可以进行稳定的交流放电。这样设计的风速探针模块具有两点好处：(1)风速探针模块的探针间隙标尺4精确到mm级别，通过滑动可滑动薄片6，可以方便精准地调整金属探针1间的空气间隙大小；(2)该风速探针模块采用耐高温绝缘塑料薄片并且在金属探针1端口附近的薄片上及针孔处涂有无机耐高温涂料，所以整个风速探针模块耐高温绝缘不易损坏。
所述数据采集与处理模块用于采集串联回路电流并显示放电回路电流波形和回路电流有效值，具体包括测量电阻10、多功能信号采集卡11和上位机12，配合图4所示，多功能信号采集卡11与测量电阻10并联，并且通过数据接口与装有上位机程序的计算机相连；测量电阻R0是为了测量放电回路的电流而串联于交流放电回路的电阻；多功能信号采集卡具有16路单端模拟信号采集的功能，其中的AD模块可以把采集到的模拟信号转换为数字信号，数据传输可以通过数据接口传输给上位机，此处的多功能信号采集卡要与测量电阻并联，用以采集测量电阻上的电压值；上位机程序会把采集到的电压值根据电压、测量电阻的阻值、电流三者之间的关系，而将采集到的电压值转换为电流值，并且实时显示出时间—电流的波形图，同时实时显示出电流有效值。所述数据采集与处理模块中还设计了电流过大时，分流防伤害功能，能准确稳定地实现数据的采集。
如图5所示，本发明还提供一种针对前述基于低频交流放电的风速计的标定装置，包括风速可调设备，配合图3所示，包括风速喷嘴8和空气压缩机9，风速喷嘴8与空气压缩机9之间通过密封通气管紧密相连，而风速喷嘴8的出风口与两根金属探针1间空气间隙平行放置，以便可以向整个交流放电区域供风。
整套风速可调设备的作用是向风速探针模块放电区域提供稳定且风速可调的风速场，其风速喷嘴出风口呈圆形，直径略大于最大金属探针间空气间隙，因此从风速喷嘴出来的均匀风可以覆盖全部放电区域；风速可调设备的空气压缩机能够可调输出恒定风速，并且空气压缩机输出口的嵌入式设备可以实时显示输出风速值，改善了人工测风速的不足。整套风速可调设备是独立于串联放电回路的独立设备，它只是在本发明风速计的标定阶段提供可调输出恒定风速场，用以标定风速值与串联放电回路电流有效值之间的关系，一旦关系标定完毕即标定阶段结束，则后续任意环境下风速的测量该风速可调设备就不再被使用。
基于前述标定装置，本发明提供一种基于低频交流放电的风速计标定方法，首先调节两根金属探针之间的间隙，直至二者到达放电合适距离，并取定负反馈耦合电路模块中的电阻和电容值参数，再通过上位机控制交流数控可调激励向风速探针模块输出持续可调电压，当输出电压足够大时，金属探针间的空气被击穿产生交流放电现象，再通过上位机调节交流数控可调激励的输出频率，直到可以在风速探针模块处产生稳定的交流放电；此时数据采集与处理模块也串联于交流放电回路中，可以测量出并且可以实时显示出放电回路电流波形和回路电流有效值，在放电回路电流稳定后，记录下测量的放电回路电流有效值，此时风速值为0m/s；然后在整套风速计装置参数不变的情况下，稳定交流放电时通过风速可调设备向金属探针空气间隙区域供风，风速可调设备可以显示出所供风速值大小，在风速达到稳定并且交流放电回路电流也稳定后，记录下测量的放电回路电流有效值与风速可调设备所供的风速值；装置参数不变重复上面的操作过程，但不同点是要通过风速可调设备小幅度地改变风速值，操作结束后要再次记录下风速值和测得的电流有效值，装置参数一致的情况下多次重复上面的操作过程并有规律(从小到大)且小幅度地改变风速值，每次操作都要记录下风速值和测得的电流有效值，最后根据所得的多组数据可以标定出风速值与交流放电回路电流有效值之间的对应关系；倘若在装置参数一致且都能实现稳定交流放电的前提下标定出的风速值范围较小，则需要改变金属探针之间间隙大小或者改变负反馈耦合电路模块中的电阻和电容值参数或者调节交流数控可调激励的输出电压和频率，在调整过装置参数之后再次重复上述的流程，标定出另一组风速值与交流放电回路电流有效值之间的对应关系，即重复上述的流程调整装置参数并进行标定，直到标定出理想的风速值范围，一旦标定阶段完成就不再使用风速可调设备。
以下提供具体实施例，说明本发明的使用方式。
为完整地搭建好上述标定阶段时的系统，装置各部分采取如下具体措施：由上位机控制的交流数控可调激励7通过数据接口与装有上位机程序的计算机相连，上位机控制使得交流数控可调激励7能够持续准确地输出交流放电所需的电压和频率，交流数控可调激励7属于一种高电压低频放电电源，输出电压范围为0kV—20Kv，频率范围为5kHz—30kHz；串联于放电回路的耦合电阻R1与耦合电容C1组成高压端负反馈耦合电路模块13，耦合电阻R2与耦合电容C2组成低压端负反馈耦合电路模块14，其中R1和R2阻值相同，为常用的470Ω(不限于此值)、C1和C2的电容值也相同，为常用的220pF(不限于此值)；风速探针模块与负反馈耦合电路模块串联，该风速探针模块的金属探针间空气间隙的可调范围为1—10mm，也为探针间隙标尺4的刻度范围；测量电阻10、多功能信号采集卡11和上位机12组成数据采集与处理模块，串联于交流放电回路中，其中测量电阻10选用常用的50Ω电阻(不限于此值)，多功能信号采集卡11与测量电阻10并联，且通过数据接口与装有上位机程序的计算机(上位机)相连；风速喷嘴8和空气压缩机9密封连接组成了只在风速计的标定阶段用来标定风速值的风速可调设备，该设备的风速可调范围为0—620m/s，风速喷嘴8与金属探针空气间隙平行放置，调节空气压缩机9的风速调节旋钮可以改变所供风速值，空气压缩机9输出口的嵌入式设备可以实时显示输出风速值。
按照图5搭建完成风速计标定装置后，就进入标定阶段，首先调节金属探针间空气间隙大小，空气间隙大小要在适合空气交流放电的范围内(一般为1—5mm)，然后取定负反馈耦合电路模块中的电阻和电容值参数，之后通过上位机12控制调节交流数控可调激励7的输出电压和频率直到获得空气中稳定的交流放电(例如电压调到6kV，频率调到10kHz)；在稳定交流放电情况下，数据采集与处理模块供电后，其上位机12中可以实时显示放电电流波形以及放电电流有效值，记录下测量的放电回路电流有效值，此时风速值为0m/s；然后在整套装置参数不变的情况下，稳定交流放电时打开风速可调设备，调节风速调节旋钮，使风速稳定在某一设定的值(例如0.5m/s)，风速可调设备中的嵌入式设备可以实时显示输出风速值(例如0.5m/s)，此时整个金属探针间空气间隙处在稳定的风速场中，在风速达到稳定并且交流放电回路电流也稳定后，记录下测量的放电回路电流有效值与风速可调设备所供的风速值(例如0.5m/s)；标定系统装置参数不变并重复上面的操作过程，但不同点是要通过风速可调设备小幅度地改变风速值(例如变为1m/s)，测量操作结束后要再次记录下风速值(例如1m/s)和测得的电流有效值，在标定装置参数一致的情况下多次重复上面的操作过程并有规律且小幅度地改变风速值，改变风速值要做到从小到大调整且每隔小区间变动(可以每隔0.5m/s或1m/s区间测量一次电流有效值)，每次操作都要记录下风速值和测得的电流有效值，最后根据所得的多组数据可以标定出风速值与交流放电回路电流有效值之间的对应关系；倘若在标定装置参数一致且都能实现稳定交流放电的前提下标定出的风速值范围较小，则需要改变金属探针之间间隙大小或者改变负反馈耦合电路模块中的电阻和电容值参数或者调节交流数控可调激励7的输出电压和频率，在调整过标定装置参数之后再次重复上述的流程，标定出另一组风速值与交流放电回路电流有效值之间的对应关系，即重复上述的流程调整标定装置参数并进行标定，直到标定出理想的风速值范围，一旦标定阶段完成就不再使用风速可调设备。图7是标定阶段分别在无风速和风速为3m/s时风速计的电流波形图，图8是标定阶段标定的部分风速值与风速计电流有效值之间的对应关系图。
为实现任意环境下风速的测量，要事先连接好交流放电回路(如图6所示)，整套装置参数设置成与标定阶段最后标定时(标定出理想的风速值范围)的装置参数一致，之后将风速探针模块放置在待测风速场中，并在待测风速场中实现交流放电，此时在风速值未知的情况下，由数据采集与处理模块测得交流放电回路的电流有效值，依据事先标定好的风速值与交流放电回路电流有效值的对应关系，就可以得出此时风速值的大小。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于低频交流放电的风速计，其特征在于：包括顺序串联的交流数控可调激励、负反馈耦合电路模块、风速探针模块和数据采集与处理模块，所述交流数控可调激励用于持续准确地输出所需交流放电电压；负反馈耦合电路模块连接在交流数控可调激励与风速探针模块之间，用于提供一个有效的控制放电发展过程的负反馈；所述数据采集与处理模块用于采集串联回路电流并显示放电回路电流波形和回路电流有效值。
2.如权利要求1所述的一种基于低频交流放电的风速计，其特征在于：所述风速探针模块包括金属探针、探针固定架、固定薄片、探针间隙标尺和可滑动薄片，探针间隙标尺平行固定于探针固定架上；固定薄片由耐高温绝缘塑料材料制成，且固定薄片固定于探针间隙标尺的0mm处；可滑动薄片由耐高温绝缘塑料材料制成，且可滑动薄片设于探针间隙标尺上并能够在探针间隙标尺上自由滑动；金属探针有两根，一根垂直安放在探针固定架与固定薄片之间，另一根垂直安放在探针固定架与可滑动薄片之间；所述金属探针的放电端附近还涂覆有耐高温涂料。
3.如权利要求1所述的一种基于低频交流放电的风速计，其特征在于：所述负反馈耦合电路模块包括高压端模块和低压端模块，高压端模块串接在流数控可调激励高压端与风速探针模块之间，低压端模块串接在交流数控可调激励接地端与风速探针模块之间。
4.如权利要求3所述的一种基于低频交流放电的风速计，其特征在于：所述高压端模块包括相互串联的第一电阻和第一电容，低压端模块包括相互串联的第二电阻和第二电容。
5.如权利要求1所述的一种基于低频交流放电的风速计，其特征在于：所述数据采集与处理模块包括测量电阻、多功能信号采集卡和上位机，多功能信号采集卡与测量电阻并联，并且通过数据接口与上位机相连；测量电阻串联于交流放电回路，多功能信号采集卡采集测量电阻上的电压值并送入上位机；上位机将采集到的电压值转换为电流值，并且实时显示出时间—电流的波形图，同时实时显示出电流有效值。
6.一种基于低频交流放电的风速计标定装置，其特征在于：包括风速可调设备，所述风速可调设备包括风速喷嘴和空气压缩机，风速喷嘴与空气压缩机之间通过密封通气管紧密相连，而风速喷嘴的出风口与两根金属探针间空气间隙平行放置。
7.一种基于低频交流放电的风速计标定方法，其特征在于：首先调节两根金属探针之间的间隙，直至二者到达放电合适距离，并取定负反馈耦合电路模块的参数，再控制交流数控可调激励向风速探针模块输出持续可调电压，直至风速探针模块处产生稳定的交流放电；在放电回路电流稳定后，记录下数据采集与处理模块测量的放电回路电流有效值；然后在参数不变的情况下，稳定交流放电时通过风速可调设备向金属探针空气间隙区域供风，在风速达到稳定并且交流放电回路电流也稳定后，记录下测量的放电回路电流有效值与风速可调设备所供的风速值；装置参数不变，通过风速可调设备小幅度地改变风速值后，多次重复上面的操作过程，操作结束后记录下风速值和测得的电流有效值，最后根据所得的多组数据标定出风速值与交流放电回路电流有效值之间的对应关系；倘若在装置参数一致且都能实现稳定交流放电的前提下标定出的风速值范围较小，则需要改变金属探针之间间隙大小或者改变负反馈耦合电路模块的参数或者调节交流数控可调激励的输出电压和频率，在调整过参数之后再次重复上述流程，标定出另一组风速值与交流放电回路电流有效值之间的对应关系，直到标定出理想的风速值范围。
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