基于環(huán)形周向多點差壓法的風速風向測量研究

蓋增杰，周偉，劉海軍，李春國，閆宏凱，劉斌

（1.中國中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.中南大學交通運輸工程學院，湖南長沙410075；3.中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司，新疆烏魯木齊830011）

風區(qū)鐵路列車運行的車載風速測量一直是列車防風安全研究的熱點問題.針對列車行經(jīng)風區(qū)的防風安全評估，目前主要參考列車所經(jīng)鐵路沿線測風站時的地面監(jiān)測風速作為依據(jù)，而由于風區(qū)地形地貌復雜，遠方來流經(jīng)地形突變后在列車運行線路位置往往變化較大，并不能有效表征列車實際承受的服役風載[1-4].因此，亟待提出一種車載式的二維風速風向測量方法，準確評估列車運行過程中的服役環(huán)境風速.

針對環(huán)境風速的測量，目前廣泛采用的有機械式、超聲波式、熱線式等.機械式風速儀的風速測量元件為螺旋槳或風杯，風向測量元件為風向標，其螺旋槳或風杯的轉(zhuǎn)速與風速成正比.機械式傳感器因其結(jié)構(gòu)簡單、低成本，是目前應(yīng)用最廣泛的.但該類傳感器最大缺點是存在機械磨損.

超聲波風速儀因其高采樣率、實時性、高精確度，并且不存在旋轉(zhuǎn)部件，得到廣泛應(yīng)用，但由于超聲波的傳輸距離必須要遠大于超聲波傳感器的尺寸，限制了超聲傳感器小型化.

熱線式或熱場式風速儀在測量低速流動時，特別是在要求高空間分辨率的測量場合，比機械式風速儀更有優(yōu)越性.熱式風速儀不存在機械磨損，其尺寸可以做到很小，但熱式傳感器暴露在空氣中的熱量元件非常脆弱，很容易損壞.

國內(nèi)外學者針對基于多點感壓的測速開展了系列研究.Bruschi等[5]通過在圓柱體上設(shè)計固定通道，基于熱流量測量差壓得出圓柱側(cè)面差壓壓力分布與風向的余弦函數(shù)關(guān)系，設(shè)計當使用兩個相同的結(jié)構(gòu)并正交放置時，可同時獲得風速和風向.此方法在風速范圍0.9～8.4m/s 內(nèi)具有較高的效率，但雨水、沙塵會通過空氣進入到通道內(nèi)，對流量測量元件造成損害.

C.Liu等[6]提出一種利用四組差壓傳感器測量風速風向的圓柱形設(shè)備，圍繞圓柱體側(cè)面均勻布置8個小孔，同一直徑上的兩個孔為一組，并通過導壓管連接差壓傳感器，圓柱體將傳感器與氣流隔離開.文獻[6]指出：忽略尾流擾動時，差壓傳感器數(shù)值與動壓的比值在一定范圍內(nèi)與雷諾數(shù)無關(guān).并由此計算出風速風向；試驗結(jié)果表明：在風速0.91～39 m/s 時傳感器具有較高的可靠性，但當風速超過39m/s或傳感器直徑改變時，文獻方法不再適用.

通過測量不同形狀物體表面壓力分布計算流體的特性的技術(shù)正在快速發(fā)展.基于該技術(shù)，我們設(shè)計了一種利用空氣壓力傳感器獲得風速風向數(shù)據(jù)的二維圓柱形風速儀，且該風速儀不受自身尺寸大小的約束.在所設(shè)計的風速儀圓周上，均勻分布12個小孔，每個小孔連接一個空氣壓力傳感器.當風向改變時，迎風側(cè)相鄰三個壓力傳感器的數(shù)值變化滿足一定函數(shù)關(guān)系.通過環(huán)周向二次壓力分布關(guān)系推導得到風向，并由風向和壓力值得到風速.由于只考慮迎風側(cè)的壓力值，背風側(cè)渦流干擾不會對其造成影響，因此風速儀直徑改變時，該方法同樣適用.

1 測試原理

本文的風速測量儀采用在圓柱表面上設(shè)置 12個感壓點，測量各感壓點最大的三個壓力點及對應(yīng)位置，計算來流的風速和風向.本節(jié)主要針對測點的布置方式和樣機的設(shè)計展開介紹.

1.1 測點布置

根據(jù)圓柱繞流原理，二維圓柱低速定常繞流的流型只與雷諾數(shù)有關(guān)，如圖1所示.由于尾流渦旋的影響，利用圓柱面對稱點差壓方式計算流體流速，如圖1-a的P+1與P-1、P+2與P-2、P+3與P-3，雷諾數(shù)Re較大時已經(jīng)不能代表其實際流速.因此采取如圖1-b所示的分離點前圓柱避免壓力分布計算方法，以圓柱全封閉穩(wěn)壓腔的壓力作為參考壓力，可以準確計算流體流速，且設(shè)計模型不受直徑大小影響.

圖1 不同風速測量原理比較

在圓柱體表面環(huán)周向等間距設(shè)置 12個壓力測點，相鄰測點之間夾角為30°.在穩(wěn)定的空氣流中，圓柱體表面某一點的壓力Pθ隨著角度變化而變化，但總能找到壓力最大的 3個點 1#、2#和 3#.如圖2所示，以2#傳感器為參考點，當風向在15±°之間改變時，三個壓力傳感器的值P1、P2、P3都會隨之改變.本文的研究重點是找出P1、P2、P3與風速風向之間的關(guān)系，并計算得出風速風向.

圖2 3極值壓力點及風向變化區(qū)域示意圖

1.2 樣機設(shè)計

按照上述測點布置方案，本文設(shè)計并制作了一個風速儀，如圖3所示，圓柱直徑為100 mm，高400 mm，孔位置高300 mm，頂部為半徑50 mm的半球體.

由圖3可以看出，12組孔均勻分布在圓柱側(cè)面，每組孔由3個直徑為1 mm的小孔垂直排列而成，氣流通過小孔進入密閉腔體，我們稱之為感壓腔，并通過感壓腔上的導管連接至差壓傳感器的正端，差壓傳感器和電路芯片安裝在圓柱體內(nèi)，避免了敏感元件位于空氣中受腐蝕的問題.多個小孔垂直排列不僅提高敏感度，有效防止感壓孔因沙塵、雨水而堵塞.每個感壓孔連接一個差壓傳感器的正壓口，所有差壓傳感器的負壓口相互連通至同一個參考壓，參考壓一般為大氣壓，多個差壓傳感器互不影響.

圖3 風速測試樣機原理圖及實物圖

風速儀樣機設(shè)計參數(shù)如下：

1）壓力值與風速的平方成正比，傳感器的選擇必須滿足大量程、高精確度.因此選取 M191D型數(shù)字差壓傳感器，傳感器量程為3kPa±，最大可測風速可達68m/s.

2）在嵌入式程序中對數(shù)據(jù)進行處理.傳感器輸出數(shù)字信號，將其轉(zhuǎn)換為壓力值后根據(jù)公式計算得出風速風向值.傳感器反應(yīng)時間為1.5 ms，因此最大的采樣頻率為666 Hz，在本程序中設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻率為10 Hz，并求取平均值得到 1s數(shù)據(jù)，這樣能減少突變和采樣點缺失對數(shù)據(jù)的影響.同時計算3 s平均風速風向值，最大限度減少隨機誤差的影響.

3）該傳感器包括12個空氣壓力傳感器，因傳感器的零點不同，因此在數(shù)據(jù)計算之前需要在零漂條件下對每個傳感器進行零點采集，并將零點數(shù)據(jù)保存在閃存中.當需要對傳感器重新采集零點時，只需要調(diào)用MCU中的程序即可.

4）硬件電路設(shè)計時，將控制部分與傳感器部分分開，這樣同一個控制電路可以匹配多個傳感器電路，只需重新采集傳感器零點并保存即可，反之亦然.

2 測試模型

通過風洞試驗驗證風速風向的測試模型.將風速儀樣機安裝在測角儀上，在標準風洞中旋轉(zhuǎn)測角儀模擬風向改變的狀態(tài)，以5°為一個間隔角度，沿圓周方向旋轉(zhuǎn)360°，在每個感壓孔的15±°范圍內(nèi)，該感壓孔均為風壓極值點P2，總計12個測點，每個測點占用30°的旋轉(zhuǎn)工況，總計完成360°的周向旋轉(zhuǎn)工況，相當于3極點風壓測試工況進行了12次重復性試驗.來流風速40 m/s條件下，對12次重復性試驗的數(shù)據(jù)進行平均以消除測量誤差，得到 3極點風壓平均值，由公式（7）、（8）、（9）和參數(shù)S計算值如表1所示.

表1 不同風向角下3極點風壓試驗平均值及計算參數(shù)值

由表1的風洞標定數(shù)據(jù)代入測試模型的風速風向計算結(jié)果與給定來流的風速風向進行對比可知，風向的計算誤差不超過0.7°，風速的計算相對誤差不超過1.75%.

3 試驗驗證

3.1 試驗方案

為了測試試制傳感器的準確性，將其置于中南大學風速風向傳感器標定風洞中進行試驗，并將試驗結(jié)果與Cobra 270風速儀進行對比.風洞的高速段其截面尺寸為0.8 m1.0 m×，長度為3.4 m，風洞最大風速和最小風速分別為60 m/s和5 m/s.風洞試驗段具有較好的穩(wěn)定性，速度穩(wěn)定性不大于0.5%，局部氣流偏角不大于0.8°，且湍流度不大于 0.8%.傳感器在風洞中的安裝如圖4所示，傳感器固定在測角儀上，位于風洞正中央，測角儀的旋轉(zhuǎn)角度通過電腦進行精確控制.測角儀帶動傳感器旋轉(zhuǎn)，模擬風向角改變.風速大小是由風洞進行控制，控制精度為0.1 m/s.傳感器的輸出風速風向通過通訊線傳輸至電腦上并顯示.

圖4 風速測試樣機風洞標定試驗

3.2 誤差分析

在5～60 m/s范圍內(nèi)以5 m/s為間隔逐步進行多組風速試驗，在每個風速等級下，以10°為間隔旋轉(zhuǎn)傳感器，得到傳感器的風速風向數(shù)據(jù)，并與參考風速風向進行對比，計算相對誤差比.測量風速與參考風速之間的相對誤差不超過4%，如圖5所示.測量風向與測角儀讀數(shù)之間的誤差不超過4°，如圖6所示.

圖5 風速測量相對誤差

圖6 風向測量誤差

4 結(jié)論

本文提出一種利用差壓傳感器測量多點壓力的二維風速風向測量技術(shù).風速儀位于空氣流中時，風速儀圓周上每一點壓力值均與風速大小有關(guān)，本文的關(guān)鍵點在于研究壓力在圓柱上的分布與風速之間的關(guān)系，并用公式進行表達，最終根據(jù)該公式通過壓力值計算得到風速風向值.

根據(jù)本文的研究成果，設(shè)計制造直徑為10 cm的風速儀，并在風洞中進行試驗，試驗風速范圍為5 ～60 m/s.試驗結(jié)果表明，風速相對測量誤差不超過4%，風向測量誤差不超過4°.

本文研究壓力與角度之間的關(guān)系時，選取±15°的范圍.由圖3-a可知，當角度擴大至±20°時，D與θ仍具有較好的線性關(guān)系，此時只需要 9個傳感器就可以計算得到風速風向.當改變模型的直徑時，所需傳感器個數(shù)能否更少是本文需要進一步做的研究.