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基于Labview的多孔压力探针系统的研究

X. H. Zhang, W. Q. Gong, and C. C. Liu

流体机械及工程系、能源与动力工程学院，西安交大，710049，陕西，中国

摘要

多孔压力探针被广泛用于确定流速向量和压力在流体机械领域，由于它在流量测量方面的鲁棒性，方便性与经济性。精度和快速校准对于多孔压力探针是非常重要的。在这篇文章中，一种多孔压力探针自动校准系统正在被研究。硬件设备主要包括计算机、运动控制设备和数据采集（DAQ）设备和软件程序使用基于LabVIEW平台开发语言。多孔压力探针的基本理论与方法审阅，以及如何进入流体的可压缩性效应。所开发的系统可以很容易被工程师集成在研究机构或各行业中，而不需要更多的编程和多孔压力探针测量方法方面的专业知识。此外，该系统是用于一五孔探针的校准和测量，并且得到了满意的结果。0.5◦是最大的流角和1.7%的不确定性是速度的大小。雷诺兹数效应引起的测量偏差正在调查。在雷诺兹数范围为1.06～104～4.29～104，速度矢量的测量误差正在出现。

关键词：多孔压力探针，校准系统，Labview,雷诺兹数

简介

至关重要的是要测量和了解流量行为在涡轮机械，诸如泵，水或蒸汽涡轮压缩机等中，其中的流量具有严重的三维立体和不稳定的特征。有许多仪器测量流速领域。热线及热膜测速仪（HWFA）、激光多普勒测速仪（LDV）和颗粒图像测速（PIV）是最先进的流行的工具。热线及热膜测速仪（HWFA） 非常细腻，具有高空间分辨率和高频率响应特性。它通常被用于测量速度幅度，方向和一个波动速度的频率成分，但是它的感应元件是很脆弱的，并且敏感污染的LDV允许接触测量，并具有优良的空间分辨率和线性响应特性。该PIV还允许非接触测量，并且能够测量在一个二维或三维的速度矢量场在某个瞬间给定的空间。该PIV能获得近连续速度场，因此它具有高的空间解析度。但是由于计算机的限制图象数据传输能力，它具有低的时间解析度。当使用光学仪器作为LDV和PIV上的光束的调整或者一块光源可能是艰巨的，而且要求保持良好的透光性，通过流场，以及播种适当示踪粒子在流场。而价格高的另一个原因是限制了广泛使用LDV和PIV.5的所以传统的测量技术，即压力探测技术中，有必要开发。

压力传感器是测量流动速度和压力的仪器。由于简单的操作和维护，相对成本低，在应用中的稳健性,他们的能力往往超过上述光学系统。事实上，压力探针被广泛使用在涡轮机械领域，它们的可靠性很好地被认可。二维流速可以使用三孔探针完全确定，而表征3D速度矢量需要四个或更多孔的探针。

事实上，许多研究人员已经做或正在做的关于多孔压力探头的应用。该探针的性能不仅取决于其自身的特点，如头部的几何形状，孔数，孔的角位置，灵敏度，而且还所测得的流场的特征。Diego研究探针的头部的几何形状的影响（眼镜蛇，梯形，以及气缸探针都包括在内），以及流场的效应因素，如雷诺数，马赫数，湍流强度，速度梯度效应，墙邻近效应。他指导的探针和雷诺数是影响压力探针校准的最重要的因素，探针的更多的因素还取决于马赫数以及湍流强度。阿圭列斯ETH;uml;ıaz等人研究校准数据减少的一个基于区域的方法旨在延伸的三孔探针的角度范围，则该头几何形状，建设角度，雷诺数，湍流度的影响都是用这种方法的研究的。众所周知，更少的孔可以得到更小几何尺寸的探针。所以为了减少探针侵入对流量的影响，许多尝试了降低探针头的尺寸，并实现结构紧凑的探头。但是，更大的七孔探针设计也为它的测量能力在较大的角度范围。

此外，还提出了许多措施以改进多孔探头的校准的精度。该接近埃弗里特等al.使用最接近校准数据的邻插值而比的曲线拟合多项式表达式。Hhoutman和Bannink采用了先进的3-D曲线拟合分析程序，以获取比较简单解析为五孔探针的四个校准系数功能，弥补表达式非对称探针和平滑的作用糟糕的数据点。 Pisasale和Ahmed研究出了通过更换校准的分母无量纲校准系数与其它改性压力差系数的新颖的方式，这种方法成功地解决了传统方法遇到的奇特困难和延伸探针的俯仰和偏航角的范围所遇到的问题。

非定常流动测量也是一个对于多孔探针重要的应用。Matsunaga等设计了一个新的五孔探头结合压力传感器用于测量三维非恒定流，和一个校准程序是用于减小惯性效果由于变化流速，可以取得非常高的精确度。阿圭列斯等用三个微型压力传感器研究了动态的研究方法是探测置于轴向yacute;内部，并比较了新的数据缩小术与传统之一。

所有行业和研究机构的研究人员展示了多孔探针的应用程序的广泛性和实用性。然而，这是众所周知的，探针必须精确校准它们被用于测量未知流领域之前。手动操作来完成探针精确校准是费时的，并且容易被人为影响的因素。为了提高效率，校准及测量精度，自动校准系统是必要的。然而，很少有记者提出细节关于如何建立一个有效的校准的系统，因此相对完整地开发这样的系统是非常有价值的，特别是对如何配置硬件和如何开发软件。这种相对完整的介绍是本文的目标之一。在这文章中，多孔压力探头校准系统的开发，包括硬件和软件。为了提高显影系统的效率，常规的硬件设备被选择多达可能的，并且公知的LabVIEW编程平台被利用。

LabVIEW已被成功使用多年在测试和测量应用由于其简单的图形化编程，综合功能数据采集（DAQ）和信号处理，以及其强大的直接互连能力仪器，传感器，和执行器，因此许多不同的类型的仪器和总线可被用在LabVIEW平台。

在这篇文章中，一个五孔探头的配置校准系统被详细介绍，为如何建立一个多孔压力参考探头校准系统作参考。首先，基本多孔压力探针技术的理论审查。然后必需的硬件设备和软件开发细节正在制定一个五孔压力探头校准系统作为

例。最后，该系统被用于校准一个五孔球形探针，并将校准探针用作测量。可接受的不确定性测量结果呈现;这也验证该系统的可用性。雷诺数在探头校准上的影响和测量通过使用系统被检测。

基本理论多孔的方法和压力探针技术

该多孔压力探针被应用于确定的流速的大小和方向通过探针测压力。三孔

压力探针可以用于获得速度的2-D流场的矢量，并且如果三维速度矢量需要测量，探针具有四个或必须提供更多的孔。因此，通常在大多2-D的流量测量，三孔压力探针就足够了，而对于3-D测量时，通常需要使用五孔压力探针。三孔和五孔探针是典型的，因此，知道的这两种类型的探针将在下面进行回顾。

图1显示了一个典型的三孔探测的草图。流动角，表示为theta;为入射角和中心孔2之间的角，施工角，表示为delta;是在中央和横向孔之间的角。图2示出一个五孔球形探针的草图，在上在图左边的角落;探针的图像是添加。球形尖端和杆组成它的主要大纲。音调平面由孔确定1，2，和3中，而通孔2,4，及5确定偏航平面。俯仰角，表示为alpha;是发生流动和偏航平面的夹角俯仰平面，而横摆角表示为beta;是发病流和节距之间的角飞机上的偏航飞机。施工角度，也表示为delta;是中心孔2之间的角度和横向孔1，3，4或5。

图1 三孔压力探针

多孔压力传感器可以进行操作两种不同的方式，被称为归零和非归零模式。在非归零模式节省时间，因为探针不需要任何空间对准围绕入射光对准流动，而且有益于实现自动测量。 实现的非归零模式或自动测量，在不同的流动的一组探针的校准数据的方向是需要的，因此对于一个探针的校准细节是必要的。校准系数三孔探针定义如下：

其中，P1，P2和P3是孔1上的压力，2，和3，分别，Pt，流动的压力，Ps，探头的静压位置，P =（P1 P3）/ 2。

对于五孔探针，所述校准系数是：

其中，P1，P2，P3，P4和P5是压力上孔1，2，3，4，和5，分别，Pt是流动压力，Ps为静态流压力在探针的位置P =（P1 P3 P4 P5）/ 4。

当探针被校准，它被放在里面已知的喷嘴流量。它的角位置在所需范围逐步改变。 在每一个角位置，在探头的孔的压力，流动角度，速度大小，总压力和温度，和流动液体的静压力被记录。之后，校准系数在方程中定义。 1-3是用于三孔探头的方程。4-7是用来计算五孔探针。然后校准曲线，它显示了变异校准系数和流量之间的关系角度，可以绘制。当探针被用于测量时，孔的压力被记录，则流量角度，总压，和静态测得的流量的压力将会被得到通过抗插值校准曲线或数据与测量值。

图2 五孔压力探头

流速大小可以从等式8来解决不可压缩流动。当流动的马赫数超过0.3，则的流体的可压缩性，必须考虑的，所以速度的大小可根据等式9-12来解决。在这里，局域的总温度测量，在等式10中使用。

其中rho;是流密度，Tt，总温度，Z，压缩系数，kappa;，熵体积指数，R为气体常数，J/ kg的K。

五孔探针校准系统

在本节中，一个五孔探头校准系统被构建用于这种多孔的代表，这个系统包括硬件设备和基于LabVIEW平台的软件。

根据多孔压力探针技术的要求，自动校准系统的硬件设备必须包括运动机构控制设备和数据采集设备。运动机构控制设备用于控制运动的旋转机制，以确保探针能旋转到指定角位置在校准时。数据采集设备用于获取的压力探头的孔在每个角位置。软件用于操作硬件的校准工作并进行数据压缩。校准软件程序被分成五个功能模块。该系统的主要部件是进一步介绍如下。

硬件设备

自动校准系统的完整的硬件设备应包括一台计算机，一运动机构和控制设备，数据采集设备等。

图3 运动机构与电机设备

运动机构

运动机构由机械元件组成并且可驱动所述探针到给定角度位置。它的主要成分和结构示于图3。

这一机制可以带动五孔探头旋转和改变其校准角度围绕两个轴。由1＃步进电机和1＃蜗轮机构驱动，所述探针可以绕轴线旋转O1-O1并改变桨距角。由从动2＃步进电机，2＃蜗轮机构，该探针可绕轴线旋转的O2-O2和变化偏航角。夹持块用于固定探头，和俯仰角和偏航角索引板可准确地指示的角位置俯仰和偏航角。 1＃和2＃蜗轮机构具有180：1的减速比，所以它可以得到很高的角分辨率。

这些运动的机械设备也可以使用为三孔探头校准，其配置类似于在图3中示出，没有2＃步进电机，2＃蜗轮机构。这意味着，对于三孔的机械设备探头校准只包括俯仰角度调节机构，因为一个三孔探针用于2-D流动测速，他的校准仅仅需要俯仰角的调整。

运动控制装置

运动控制设备连接的议案机构与计算机一起的运动机构。一个运动控制器和两个电动机驱动程序包含在这一部分。运动控制器是一个是插在主计算机和直接用于控制电动马达的驱动力的主板。马达驱动连接着电动机运动控制器，以及直接控制电机。

数据采集设备

数据采集设备从换能器接收信号，模拟信号转换成数字一体并且将其存储在计算机。所以压力传感器和数据采集板在结构中是必要的，比如数据采集系统。数据采集设备及其连接装置如图示4。

压力传感器

压力传感器可以产生一个模拟电信号作为所施加压力的函数。 在这个系统，三计压力传感器和两个差动压力传感器的使用，该相应的线性输出范围为2-10 V.

数据采集板

压力传感器的输出被连接到通过PXI总线的计算机上的数据采集板。该板允许模拟输入，模拟输出，数字I / O，触发采集和定时I / O。在这个系统中，该板仅用于模拟输入功能，如5个单端通道用于测量P1，P2，P3-P1，P4-p5的压力。在系统主板有16位的分辨率，采样范围从1.25兆赫。它允许电压输入范围为0-50 V，这里是2-10 V.

基于Labview的软件

该系统的开发的软件采取了LabVIEW程序平台的优势，非常灵活并且非常简单好用。软件的功能包括提供探头，检查硬件，输入数据采集，和运动控制参数，执行所述校准处理和分析所述校准数据。软件操作过程示在图5。一些细节在下面介绍。

提供探针

设定探针的第一步骤是校准探针。在该步骤中，将探头准备校准，必要的信息将被输入或类似规定探针数量和类型。每次只有单探头可以提供，则其信息被存储和在后者的程序运行时，特别限定探针的序列号将是校准文件的名称的一部分来区分与其他探头。此外，信息每个探针可被修改或通过激活删除相应的按钮，然后做，在弹出对话框。

图4 数据采集设备示意图

图5 校准流程图

检查硬件

校准前，传感器之间的通信，数据采集卡和计算机，以及作为运动控制器和计算机之间的联系将进行检查，以确保系统硬件正常工作。在该步骤中，软件判断硬件是否正在运行一般。软件会报警用户如有发生错误时，在同一时间的误差信息显示面板上，并提供指导要解决的问题。

输入数据采集和运动控制参数

在此步骤中，数据采集卡上的通道被指定给传感器的压力信号，每个通道被设定采样率和采样时间。 例如，对于表压信号P1，P2，和P5，其信道号是0，1和2分别与差压信号P3-P1和P4-p5，信道号被分配给3和4，1000赫兹对于采样频率和1秒的采样时间在校准的共同参数。两个步进电机的参数都被设定好了，如速度，加速度和减速度。

执行校准

所有的准备参数被设定好之后，所述探针校准可被执行，如图6.俯仰和偏航角的校准范围由探针的特性决定。校准是在一个公知的喷嘴流动完成的。在此步骤中，将探头必须旋转以扫描一组音调角alpha;和偏航角度beta;以完成校准过程。 在每一个角位置，探头孔的压力（P1，P2，P3-P1，P4-p

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