汽车尾流速度测量的虚拟仪器系统

2013-08-05 13:28:32来源: 21ic
1 前言

随着高速公路的蓬勃发展,汽车车速不断提高,汽车气动阻力对燃油消耗的影响日益凸现出来。气动阻力的85%是压差阻力,同时压差阻力91%来自汽车尾部(其值随车身长短不同而异);而汽车尾流结构对汽车空气动力特性具有决定性影响。为此,进行汽车尾流速度测量,搞清尾流结构进而改善汽车空气动力特性对开发低阻力汽车,降低汽车燃油消耗有重要意义[1]。

在进行尾流试验研究过程中,我们发现传统的测试仪器是功能固定且封装好的,专用于某项具体试验或任务,且价格昂贵。开发测试系统时,对设计人员的要求非常高:要求掌握测试仪器底层硬件知识,必须有广泛的计算机编程知识,并能编写硬件的驱动程序。从而导致了传统测试系统开发周期长、灵活性很差。为了缩短速度测试系统开发时间,并方便以后用户对其进行维护、扩展和升级,在热线风速计的基础上,我们引入虚拟仪器的概念,为汽车尾流速度测量开发出专用的虚拟仪器系统。

2 热线风速计

热线风速计的出现是流体力学试验技术进步的新突破。它使汽车空气动力学试验研究获得了研究非定常流特别是湍流的有力工具。尽管20 世纪60 年代出现了激光测速技术,试验研究发现测量湍流参量时,激光测速常因丢失粒子信号而导致测量结果不可靠[2],并且由于激光测速仪价格和维持费用昂贵,在湍流场研究的应用范围上远不如热线技术广泛。今后热线技术仍将是汽车湍流,特别是汽车尾流场速度测量的主要手段。

对不可压缩气流强迫对流传热而言,Nu 数仅与雷诺数和热线的物理和工作状态有关[3]。为了方便起见,用热线风速计测量风速U 时我们通常采用如下公式:

n 值随Re 的变化而变化,试验测得的指数n = 0.45~0.51。式中, Rw 、Rg 是热线工作电阻和气流电阻常数,I 是热线电流。系数A 和B 由试验确定。

在热线恒温工作时,热线的热电阻Rw =常数。因 IRw = e,故可把(1)式改写成

式中, e 为与风速U 相对应的热线电路输出电压值。

3 虚拟仪器的概念

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种图形化编程语言,利用功能图标来创建应用程序,也即创建虚拟仪器(VI,Virtual Instrument)。虚拟仪器即是其操作和外观均仿照示波器或万用表等物理仪器并实现同样功能的程序软件。在基于文本语句的编程语言中指令语句决定了程序执行;在LabVIEW 中由数据流决定程序的执行,编程时根据数据流进行编程。

论文在LabVIEW 平台上开发了汽车尾流速度测量虚拟仪器系统,该系统包括测速校准和测速两个子系统。

4 热线测速校准子系统

汽车外流场属于不可压的连续流动,热线测速的静态校准方程的表达式采用式(2)。在热线测速校准子系统中,我们将n 作为变量对待,因而也就不必用专门的线化器硬件来线性化热线的输出电压。我们直接通过软件编程来实现:连续变换n 的值进行不同的指数拟合,并用拟合曲线与试验数据之间的均方误差(mse)大小来判断拟合质量的优劣。这也体现了虚拟仪器的优越性:开发过程简便,节省时间和开支。

4.1 子系统硬件构成

热线测速校准子系统的硬件构成如图1,由图可知,硬件结构为两部分:一部分是热线风速计电路, 产生热线电路输出电压e;另一部分是皮托管部分,产生相应的压差(动压)的电信号Ep。


图1 热线测速校准子系统的硬件结构

本文热线测速时采用恒温式热线风速计(CTA)基本电路,电路形式为反馈电路。当整个系统连接完毕,并接通电源后,惠斯通电桥达到平衡。当气流速度加大时,热线与周围流体的热交换增加,热线就会变冷,结果电阻减小。根据前面论述的恒温式热线风速计的工作原理,输出电压将增加。反之,输出电压将减小。输出电压数时间的变化波形通过示波器显示,而具体数值通过数字万用表显示。同时,通过A/D 板将此输出电压e 模拟信号转换成数字信号再经数据采集卡读入VI 系统。另外,静压皮托管的压差电信号Ep 也同时被采集卡读入VI 系统。数据的采集完全由虚拟仪器软件控制。

4.2 子系统虚拟仪器构成

热线风速计测速校准子系统的软件构成和用户界面分别如图2、3。


图2 热线风速计测速校准系统虚拟仪器结构图 图3 热线风速计测速校准系统虚拟仪器用户界面

该测速校准系统能完成以下功能:

(1)进行数据采集参数设置,数据采集系统可设置信号增益放大倍数、采样频率、信号扫描次数、以及被测量信号的上限与下限等。在计算机不溢出的条件下可任意改变测量虚拟仪器的测量信号的范围,这点是传统测试仪器望尘莫及的。
[1] [2] [3]

关键字:汽车尾流  速度测量  虚拟仪器系统

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2013/0805/article_7655.html
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