热线风速仪标定方法分析
郝志永1 郁 梅2
（1.上海海事大学 物流工程学院 上海 201306；2.上海海事大学 国际教育学院 上海 201306）
摘 要： 主要探讨热线进行风速测量的标定方法。实验结果表明通过多项式拟合，风速可以被准确测量出来。关键词： 热线；风速仪；标定
中图分类号：TH815 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0420173－02
0 引言
热线风速仪是最流行的测量空气流动速度的方法之一，因为它具较高时间分辨率。原理是具有电阻传感器通过电流加热并且放置在流体中（通常是空气），以使得流体的流动冷却传感器。采样系统测量流体所造成的传感器冷却。在使用恒温仪（CTA）时，热线风速仪电阻传感器感应部分保持恒温。流动速度变化导致热线降温或升温，CTA将调节通过热线的电流来维持感应部分恒温。而恒温仪正是通过记录电流变化来求得流体速度值。恒温仪的电路原理如图1所示，其中热线探头作为惠斯通电桥一条桥臂[1，2]。
热线需要进行标定，以获得由皮托管压差和CTA平均输出电压之间的修正关系。按照修改后的King's Law，这种关系可以表示为：
其中A，B和n为标定常数，E为CTA平均输出电压。E和U之间的关系也可以用一个多项式来表示[2]：
CTA输出电压的分辨率不仅取决于A/D转换器精度，且和标定方程的选择有关，与方程（8）比较，方程（9）中E的多项式U的表达具有良好的精度与计算拟合优势。在本研究的热线标定中，将采用标定公式（9）并选择k=3。即：
号转化成风洞来流速度。
2 实验步骤
该实验是在1.2米（宽）×0.8米（高）和2.4米（长）的封闭的循环风洞中进行的。直径为5m的镍丝用来制作热线，制作时需用Wollaston Pt-10% Rh腐蚀热线，热线有效敏感长度为200dw（dw为镍丝直径），包括被腐蚀部分（即有效部分，约0.5-1mm）和未被腐蚀部分。每根线都有两个尖头，尖端直径约为0.1mm。即两根线有四个尖头。四个尖头有约18mm的相同长度部分。尖头沿来流方向放置，以减少和降低流动所带来的干扰。热线风速仪CTA内部过热率设定为1.5。标定时，热线探头放置在风洞中心线位置，如前所述，压差利用皮托管测量。热线风速仪输出信号通过整流和增益电路后才采样，低通滤波
采样频率恒等于1600Hz，采样周期
为30秒。
本实验采用16位A/D转换器采样版。冷热线都是30s的采样周期。用MATLAB进行更深层的分析。
另外，为了确保数据质量，实验开始前还需要采取一些其它必要的检查措施，主要包括：首先，检查热线被腐蚀部分是否是长度相同并且检查垂直方向一致度；其次，热线被腐蚀部分水平方向是否相互平行，并且在同一垂直面上。最后，在采集数据前，热线要经过六小时吹风预热后才正式开始采样，以降低和减小热线电压漂移。
另外，由于微米级的直径及热场效应，热线使用时，热浮效应非常明显。热浮效应依赖于格拉斯霍夫数，即
图1 恒温仪（CTA）惠斯通电桥示意图
热线风速仪热测量风速之前，需要利用压差计与皮托管对热线进行标定。标定时，皮托静压管放置在风洞中用来测量静压力（Ps）和总压力（Pt）的压力差。压力差可由皮托静压管连接的压力计测出，并通过伯努利方程计算出流动平均速度。当伯努利方程被应用到皮托静压管的时候，伯努利方程可以写成：
3
）为空气密度，U是平均速度，根据公式（6）求解为：
速仪。采用比重恒定为0.784Sg的红色压力液指示压差读数
并确保读数视差最小。热线标定前，通过水平标定仪调节压力计水平度以确保水平，消除非水平误差。接着，压力计初值设为零（风速为零情况下）。此外，还要检查皮托管橡胶连接管，使其保持在良好的工作状态，没有损坏或者泄漏情况。最后，在标定时，只有当风洞工况稳定后以及压力计液面稳定后才能记录读数。按照这些程序，压力计读数发生错误的可能性降到了最低。
其中g是重力加速度膨胀系数，T是绝对温度，
Tw是加热后的导线的温度，Ta是周围液体的温度，d是热线直径，是运动粘度。
在本研究中，加热后的热线的温度约为350℃，周围空气温度为28.5℃。空气和热线的温差 为321.5℃。现在热线的直径为5m。因此，格拉斯霍夫数为4.65E-06，（Gr^1/3）为1.77E-02。热线的雷诺数为1.62。根据Collis 和 William[3]当Re>（Gr^1/3）并且有一个很大的长度对直径的比例时，弹性效应可以忽略。本研究所用热线长度对直径的比例大约为200，且Re>（Gr^1/3），因此在本标定分析中，弹性效应可以忽略。
3 实验结果
图2为单个热线实验测量结果，横坐标为热线风速仪输出电压的平均值，纵坐标为皮托管所测量到的风洞来流速度。标定时，风速由7m/s逐步上升至12m/s；对应的热线风速仪输出电压平均值范围为-3伏特（v）至6伏特（v）。由于未来风洞试验的工况为10m/s，因此，在10m/s左右进行了两次采样标定。可以观察到，两次的测量吻合度非常好。 通过多项式拟合（3阶），我们得到横坐标为热线风速仪输出电压的平均值以及纵坐标为皮托管所测量到的风洞来流速度的拟合关系为：
其中多项式拟合曲线最大误差为0.515%，小于实验所需要的1%精度，因此结果可以被接受。
图2 热线风速仪输出电压平均值与皮托管所测来流速度关系
基金项目：上海市科学技术委员会浦江计划（编号10PJ1404700）；上海市教委重点创新项目（12ZZ149）；上海市重点学科建设（J50604）；上海海事大学校基金项目（编号20100089）参考文献：
[1]Bruun,H. H. (1995). Hot-Wire Anemometry - Principles and Signal Analysis.U.K.: Oxford University Press.
[2]黄淑娟、胡志伟等，矩形蜗壳内三维湍流场的热线测量，航空动力学报，1994，9（3）：259-262.
[3]Collis,D.C. and Williams, M.J. (1959) Two-dimensional convection from heated wires at low Reynolds numbers. J. Fluid Mech., 6, 357384.作者简介：
郝志永（1974-），男，山东滕州人，博士，讲师，研究方向：流体力学。
4 结论
实验结果表明，当风速由7m/s逐步上升至12m/s时，对应的热线风速仪输出电压平均值范围为-3伏特至6伏特。通过多项式拟合输出电压和风洞来流速度，来流速度可以被热线风速仪准确测量出来。10m/s工况进行的2次采样标定，测量结果吻合度好。因此，特定工况下，热线风速仪可以被压差计与皮托管准确标定。
（上接第169页）
2. 2.1 计算机系统所存在的环境条件
计算机系统所存在的环境条件，主要包括湿度、温度、腐蚀度、空气洁净度、震动、虫害、电气干扰、冲击等方面，要想获得安全的网络环境在这些方面必须采取严格的措施。
2.2.2 在机房环境场地的选择方面
计算机系统应选择合适的场地环境进行安装，因为其直接关系到计算机系统的可靠性和安全性。
2.2.3 在机房方面的安全防护
在机房方面的安全防护主要是指对环境中的物理灾害进行防护。为了能够有效实现计算机网络的安全，我们应做到以下几点：1）对物理访问进行严格的控制，以此来访问用户身份进行确定，验证其身份的合法性；2）将来访者的活动限定在合理的范围内；3）在计算机的系统中心处设置多层次的安全防护，避免出现非法暴力的情况；4）进行设备安装的建筑物在抵御自然灾害方面具有较好的能力。
总之，计算机的网络安全问题不仅是一个技术问题，还是进行安全管理的问题。所以在采取措施的过程中，我们应对各种相关的因素进行综合考虑，制定出科学的技术方案和目标，并配备相关的法律法规。我们必须明确世界上没有绝对安全的计算机网络体系，随着其进一步的发展，我们应不断进行安全措施的创新，使其更好的保护计算机网络体系。21世纪是网络
技术飞速发展的时代，随着全球数字化和信息化的进程不断加快，网络的资源共享和开放性所带来的安全隐患需要引起重视，为了增强信息的安全保障能力，有效的维护国家安全，需要制定科学的计算机网络防范体系。
参考文献：
[1]王斌，浅析计算机网络的安全[J].河南职业技术师范学院学报，2004（2）：70-72.
[2]赵凯，计算机网络防御[J].中国科技信息，2005（12）：108-109.[3]张民、徐跃进，网络安全实验教程[M].北京：清华大学出版社，2007.
[4]王交寿、王珂，网管员必备宝典[M].北京：清华大学出版社，2007.
[5]谢希仁，计算机网络[M].北京：电子工业出版社，2006.
[6]王群，非常网管——网络安全[M].北京：人民邮电出版社，2007.[7]杨淑萍，浅谈计算机安全及防范策略[J].才智，2011，18.[8]李冬娟，网络时代的数据安全及防范策略[J].长春理工大学学报，2011，08.
[9]蔡灿民、邹瑞源，网络攻防实验室建设探究[J].科技广场，2011，05.
[10]胡银萍，浅谈常见的网络攻击及其防范技术措施[J].电脑知识与技术，2011，22.
热线风速仪标定方法分析
郝志永1 郁 梅2
（1.上海海事大学 物流工程学院 上海 201306；2.上海海事大学 国际教育学院 上海 201306）
摘 要： 主要探讨热线进行风速测量的标定方法。实验结果表明通过多项式拟合，风速可以被准确测量出来。关键词： 热线；风速仪；标定
中图分类号：TH815 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0420173－02
0 引言
热线风速仪是最流行的测量空气流动速度的方法之一，因为它具较高时间分辨率。原理是具有电阻传感器通过电流加热并且放置在流体中（通常是空气），以使得流体的流动冷却传感器。采样系统测量流体所造成的传感器冷却。在使用恒温仪（CTA）时，热线风速仪电阻传感器感应部分保持恒温。流动速度变化导致热线降温或升温，CTA将调节通过热线的电流来维持感应部分恒温。而恒温仪正是通过记录电流变化来求得流体速度值。恒温仪的电路原理如图1所示，其中热线探头作为惠斯通电桥一条桥臂[1，2]。
热线需要进行标定，以获得由皮托管压差和CTA平均输出电压之间的修正关系。按照修改后的King's Law，这种关系可以表示为：
其中A，B和n为标定常数，E为CTA平均输出电压。E和U之间的关系也可以用一个多项式来表示[2]：
CTA输出电压的分辨率不仅取决于A/D转换器精度，且和标定方程的选择有关，与方程（8）比较，方程（9）中E的多项式U的表达具有良好的精度与计算拟合优势。在本研究的热线标定中，将采用标定公式（9）并选择k=3。即：
号转化成风洞来流速度。
2 实验步骤
该实验是在1.2米（宽）×0.8米（高）和2.4米（长）的封闭的循环风洞中进行的。直径为5m的镍丝用来制作热线，制作时需用Wollaston Pt-10% Rh腐蚀热线，热线有效敏感长度为200dw（dw为镍丝直径），包括被腐蚀部分（即有效部分，约0.5-1mm）和未被腐蚀部分。每根线都有两个尖头，尖端直径约为0.1mm。即两根线有四个尖头。四个尖头有约18mm的相同长度部分。尖头沿来流方向放置，以减少和降低流动所带来的干扰。热线风速仪CTA内部过热率设定为1.5。标定时，热线探头放置在风洞中心线位置，如前所述，压差利用皮托管测量。热线风速仪输出信号通过整流和增益电路后才采样，低通滤波
采样频率恒等于1600Hz，采样周期
为30秒。
本实验采用16位A/D转换器采样版。冷热线都是30s的采样周期。用MATLAB进行更深层的分析。
另外，为了确保数据质量，实验开始前还需要采取一些其它必要的检查措施，主要包括：首先，检查热线被腐蚀部分是否是长度相同并且检查垂直方向一致度；其次，热线被腐蚀部分水平方向是否相互平行，并且在同一垂直面上。最后，在采集数据前，热线要经过六小时吹风预热后才正式开始采样，以降低和减小热线电压漂移。
另外，由于微米级的直径及热场效应，热线使用时，热浮效应非常明显。热浮效应依赖于格拉斯霍夫数，即
图1 恒温仪（CTA）惠斯通电桥示意图
热线风速仪热测量风速之前，需要利用压差计与皮托管对热线进行标定。标定时，皮托静压管放置在风洞中用来测量静压力（Ps）和总压力（Pt）的压力差。压力差可由皮托静压管连接的压力计测出，并通过伯努利方程计算出流动平均速度。当伯努利方程被应用到皮托静压管的时候，伯努利方程可以写成：
3
）为空气密度，U是平均速度，根据公式（6）求解为：
速仪。采用比重恒定为0.784Sg的红色压力液指示压差读数
并确保读数视差最小。热线标定前，通过水平标定仪调节压力计水平度以确保水平，消除非水平误差。接着，压力计初值设为零（风速为零情况下）。此外，还要检查皮托管橡胶连接管，使其保持在良好的工作状态，没有损坏或者泄漏情况。最后，在标定时，只有当风洞工况稳定后以及压力计液面稳定后才能记录读数。按照这些程序，压力计读数发生错误的可能性降到了最低。
其中g是重力加速度膨胀系数，T是绝对温度，
Tw是加热后的导线的温度，Ta是周围液体的温度，d是热线直径，是运动粘度。
在本研究中，加热后的热线的温度约为350℃，周围空气温度为28.5℃。空气和热线的温差 为321.5℃。现在热线的直径为5m。因此，格拉斯霍夫数为4.65E-06，（Gr^1/3）为1.77E-02。热线的雷诺数为1.62。根据Collis 和 William[3]当Re>（Gr^1/3）并且有一个很大的长度对直径的比例时，弹性效应可以忽略。本研究所用热线长度对直径的比例大约为200，且Re>（Gr^1/3），因此在本标定分析中，弹性效应可以忽略。
3 实验结果
图2为单个热线实验测量结果，横坐标为热线风速仪输出电压的平均值，纵坐标为皮托管所测量到的风洞来流速度。标定时，风速由7m/s逐步上升至12m/s；对应的热线风速仪输出电压平均值范围为-3伏特（v）至6伏特（v）。由于未来风洞试验的工况为10m/s，因此，在10m/s左右进行了两次采样标定。可以观察到，两次的测量吻合度非常好。 通过多项式拟合（3阶），我们得到横坐标为热线风速仪输出电压的平均值以及纵坐标为皮托管所测量到的风洞来流速度的拟合关系为：
其中多项式拟合曲线最大误差为0.515%，小于实验所需要的1%精度，因此结果可以被接受。
图2 热线风速仪输出电压平均值与皮托管所测来流速度关系
基金项目：上海市科学技术委员会浦江计划（编号10PJ1404700）；上海市教委重点创新项目（12ZZ149）；上海市重点学科建设（J50604）；上海海事大学校基金项目（编号20100089）参考文献：
[1]Bruun,H. H. (1995). Hot-Wire Anemometry - Principles and Signal Analysis.U.K.: Oxford University Press.
[2]黄淑娟、胡志伟等，矩形蜗壳内三维湍流场的热线测量，航空动力学报，1994，9（3）：259-262.
[3]Collis,D.C. and Williams, M.J. (1959) Two-dimensional convection from heated wires at low Reynolds numbers. J. Fluid Mech., 6, 357384.作者简介：
郝志永（1974-），男，山东滕州人，博士，讲师，研究方向：流体力学。
4 结论
实验结果表明，当风速由7m/s逐步上升至12m/s时，对应的热线风速仪输出电压平均值范围为-3伏特至6伏特。通过多项式拟合输出电压和风洞来流速度，来流速度可以被热线风速仪准确测量出来。10m/s工况进行的2次采样标定，测量结果吻合度好。因此，特定工况下，热线风速仪可以被压差计与皮托管准确标定。
（上接第169页）
2. 2.1 计算机系统所存在的环境条件
计算机系统所存在的环境条件，主要包括湿度、温度、腐蚀度、空气洁净度、震动、虫害、电气干扰、冲击等方面，要想获得安全的网络环境在这些方面必须采取严格的措施。
2.2.2 在机房环境场地的选择方面
计算机系统应选择合适的场地环境进行安装，因为其直接关系到计算机系统的可靠性和安全性。
2.2.3 在机房方面的安全防护
在机房方面的安全防护主要是指对环境中的物理灾害进行防护。为了能够有效实现计算机网络的安全，我们应做到以下几点：1）对物理访问进行严格的控制，以此来访问用户身份进行确定，验证其身份的合法性；2）将来访者的活动限定在合理的范围内；3）在计算机的系统中心处设置多层次的安全防护，避免出现非法暴力的情况；4）进行设备安装的建筑物在抵御自然灾害方面具有较好的能力。
总之，计算机的网络安全问题不仅是一个技术问题，还是进行安全管理的问题。所以在采取措施的过程中，我们应对各种相关的因素进行综合考虑，制定出科学的技术方案和目标，并配备相关的法律法规。我们必须明确世界上没有绝对安全的计算机网络体系，随着其进一步的发展，我们应不断进行安全措施的创新，使其更好的保护计算机网络体系。21世纪是网络
技术飞速发展的时代，随着全球数字化和信息化的进程不断加快，网络的资源共享和开放性所带来的安全隐患需要引起重视，为了增强信息的安全保障能力，有效的维护国家安全，需要制定科学的计算机网络防范体系。
参考文献：
[1]王斌，浅析计算机网络的安全[J].河南职业技术师范学院学报，2004（2）：70-72.
[2]赵凯，计算机网络防御[J].中国科技信息，2005（12）：108-109.[3]张民、徐跃进，网络安全实验教程[M].北京：清华大学出版社，2007.
[4]王交寿、王珂，网管员必备宝典[M].北京：清华大学出版社，2007.
[5]谢希仁，计算机网络[M].北京：电子工业出版社，2006.
[6]王群，非常网管——网络安全[M].北京：人民邮电出版社，2007.[7]杨淑萍，浅谈计算机安全及防范策略[J].才智，2011，18.[8]李冬娟，网络时代的数据安全及防范策略[J].长春理工大学学报，2011，08.
[9]蔡灿民、邹瑞源，网络攻防实验室建设探究[J].科技广场，2011，05.
[10]胡银萍，浅谈常见的网络攻击及其防范技术措施[J].电脑知识与技术，2011，22.