一种新型热线热膜流速计

　　0　引　言

　　热线热膜流速计(HWFA)是利用热对流方程的解H=A+B U(简称King公式)测量流动速度的仪器,式中H代表热耗散,A和B为常数,U为风速。传统恒温热线风速计(HWA)是上世纪60年代根据King公式发展起来的,其理论是由美国柯罗勒多大学的Freymuth教授建立的。它具有3个以上的调节参量,必须通过方波试验进行多个参数调节才能使用,故调节麻烦,使用不便,难以推广应用。

　　上世纪80年代末,笔者对传统HWA的理论进行了分析,发现其物理模型与实际情况出入较大,数学方程过于简化,这就导致了调节困难,使用不便。为此,提出了预移相型热线风速计的模型,建立了更为精确的数学方程,求得了解析解并提出一系列设计公式。随后选用了适当的电子线路,编制了相应的软件,形成了具有自身特点的IFV900型热线热膜流速计。2001年,在科技部创新基金的支持下发展了具有6大特点的IFV900A型智能热线热膜流速计[1,2,6]。

　　1　传统热线风速计的局限性

　　为了正确理解IFV900A的优点,就必须从剖析传统热线风速计的局限性入手。传统的恒温热线风速计见图1。

　　其主要特点是配置了一个直流电桥;热线热膜本身占据了电桥的一臂(RW)且忽略了分布电容和分布电感;还配置了一个高增益放大器。它们共同组成了一个反馈系统,形成了传统热线风速计的核心电路。根据美国柯罗拉多大学Freymuth教授的理论,由上述物理模型出发,从电桥方程、King公式及放大器方程可推导出恒温热线热膜风速计的动态数学方程如下:

　　这个方程先天不足,因为它忽略了探针引线的分布电容和分布电感,实际上是按直流电桥的模式来描述整个系统的。通常,每米电缆具有分布电容CC=66pF和分布电感LC=0.167μH(国产SWY-50-5型电缆), 5m长的电缆就具有330pF的分布电容和0·835μH的分布电感。这样大的分布电容和分布电感值就足以引起整个回路的不稳定。

　　其次,Freymuth[3]从最佳频率响应调节任务出发,分析包含试验信号的恒温风速计系统时,还忽略了与放大器分布电感有关的量σ2对线路的影响。据查证,σ本身是很难确定的,因而忽略了σ2的影响也是不可捉摸的

　　式(2)存在以下几个问题或疑点:

　　(1)根据Routh稳定准则的要求,Mx、My必须≥0,因此τ≥GMB。在1∶1电桥情况下n=1,故τ ≥GR2C/4,但τ越大,线路越不稳定。(2)由于Mx、My是可变的,可以通过调节来实现,也必须通过调节来满足方程的稳定要求,故风速计的最佳动态响应主要由三阶系数Mσ2/G决定,其中M是与热线有关的量。根据(3)式,在系统过热比较大,速度也较高时,M值很小。而σ2/G是与电路有关的量,其值要很小才行,因为σ越大线路的稳定性越差。只有Mσ2/G较小时,风速计才能工作在较高的频率上。(3)方程式左端的变量为u,代表了放大器输出电压EB的微小偏离,方程式右端的变量为v,代表了风速的微小变动,这两个变量之间是什么关系?怎么定量?方程又怎么解? (4)方程推导过程中仍然认为电桥的热线臂是纯电阻,其分布电容、分布电感不起作用,这不符合事实。