劉 洋,行鴻彥*,侯天浩

(1.南京信息工程大學(xué),氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044;2.南京信息工程大學(xué),江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210044)

風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量對(duì)我們的生活有著重大意義,在航空領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域等都發(fā)揮著重要作用。目前常用的測(cè)量方法有機(jī)械測(cè)量法、超聲波測(cè)量法以及熱式測(cè)量法等。機(jī)械測(cè)量法因存在旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),易受惡劣環(huán)境的影響,旋轉(zhuǎn)軸因磨損需定期維護(hù)[1],超聲波測(cè)量法雖對(duì)環(huán)境影響的敏感度較低且沒(méi)有機(jī)械磨損結(jié)構(gòu),但如何消除其測(cè)風(fēng)時(shí)的陰影效應(yīng)是現(xiàn)在超聲波測(cè)風(fēng)領(lǐng)域的一大難點(diǎn)[2]。熱式測(cè)量法利用熱力學(xué)原理,設(shè)計(jì)出來(lái)的風(fēng)速儀因成本低、體積小、精度高而被逐漸廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

早在1902年Shakepear在伯明翰就開(kāi)始了熱線風(fēng)速儀的原理性實(shí)驗(yàn),1929年,Drydew和Planiol發(fā)展了熱滯后的電子補(bǔ)償原理,將熱式風(fēng)速測(cè)量推動(dòng)到脈動(dòng)速度和湍流度的測(cè)量。到了20世紀(jì)60年代,國(guó)外已對(duì)熱式風(fēng)速測(cè)量法有了較為成熟的研究。與國(guó)外相比,我國(guó)對(duì)熱式風(fēng)速測(cè)量法的研究起步較晚,因此很多熱式風(fēng)速儀都是從國(guó)外購(gòu)入,其價(jià)格高、質(zhì)量低[3]。為了不依賴進(jìn)口,國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的研究者開(kāi)始投入這方面的研究,但目前市場(chǎng)上銷售的熱式風(fēng)速儀普遍還不能測(cè)量風(fēng)向,因此,設(shè)計(jì)出一款體積小、成本低、精度高、既能測(cè)量風(fēng)速又能測(cè)量風(fēng)向的熱式風(fēng)速儀具有重要意義[4]。

本文結(jié)合FLUENT流體仿真提出了一種十字正交型熱溫差式測(cè)風(fēng)儀的設(shè)計(jì)方法,根據(jù)十字型導(dǎo)管內(nèi)上下游溫度差求得風(fēng)速,且該設(shè)計(jì)可通過(guò)正交分解得到二維空間內(nèi)任意方向的風(fēng)速以及風(fēng)向角。為降低環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量精度的影響,本文提出遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法補(bǔ)償溫漂誤差,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該補(bǔ)償算法對(duì)測(cè)風(fēng)儀的溫度漂移有較好的抑制效果。

1 基于GA-BP熱溫差型測(cè)風(fēng)儀的測(cè)風(fēng)原理

1.1 熱溫差式測(cè)風(fēng)原理

熱式測(cè)風(fēng)儀是在熱場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)直接作用下進(jìn)行工作的,其工作原理是一個(gè)涉及熱學(xué)、流體力學(xué)等多種學(xué)科的綜合性理論。因此,熱式測(cè)風(fēng)儀的結(jié)構(gòu)中需包括加熱元件——提供高于環(huán)境溫度的熱場(chǎng),和測(cè)溫元件——檢測(cè)氣體流動(dòng)所導(dǎo)致的熱場(chǎng)溫度變化,通過(guò)加熱元件提供熱量,測(cè)溫元件測(cè)量風(fēng)吹過(guò)時(shí)帶來(lái)的熱量差來(lái)獲取風(fēng)速的信息。熱式測(cè)風(fēng)儀檢測(cè)原理又可主要分為熱損失型、熱脈沖型和熱溫差型三種類型,熱損失型和熱脈沖型因不能測(cè)量風(fēng)向,本文不予考慮,僅重點(diǎn)介紹熱溫差型測(cè)風(fēng)原理。

圖1 測(cè)風(fēng)原理圖及溫度場(chǎng)分布圖

熱溫差式測(cè)風(fēng)原理圖如圖1(a)所示。測(cè)風(fēng)儀中間為一恒溫加熱源,兩溫度傳感器在該加熱源兩側(cè)成對(duì)稱分布。溫度梯度示意圖如圖1(b)所示,無(wú)風(fēng)吹過(guò)時(shí),溫度場(chǎng)對(duì)稱分布,兩溫度傳感器值恒定不變;有風(fēng)吹過(guò)時(shí),流體帶走加熱棒的熱量,正對(duì)風(fēng)的上游熱源損失熱量必定大于下游損失熱量,溫度場(chǎng)偏離對(duì)稱分布,上下游測(cè)溫點(diǎn)則會(huì)產(chǎn)生溫差ΔT=T2-T1,此溫差是風(fēng)速大小的函數(shù),當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)測(cè)風(fēng)儀會(huì)有較大的靈敏度,即產(chǎn)生的溫差較大;而隨風(fēng)速的增加,靈敏度會(huì)逐漸降低,直到風(fēng)速很大時(shí)達(dá)到飽和值。因此只要通過(guò)檢測(cè)上下游溫度傳感器差值便可得相應(yīng)風(fēng)速[5-6]。

1.2 正交式熱溫差測(cè)風(fēng)原理

為在測(cè)量風(fēng)速的同時(shí)測(cè)出風(fēng)向,本文基于正交分解法設(shè)計(jì)了十字型熱溫差式測(cè)風(fēng)儀,將溫度傳感器與恒溫?zé)嵩捶謩e置于兩交疊的圓管(導(dǎo)風(fēng)管)中。其結(jié)構(gòu)俯視圖如圖2所示。

圖2 測(cè)風(fēng)儀俯視圖

十字型熱溫差式測(cè)風(fēng)儀在任意時(shí)刻,都會(huì)有一個(gè)或者兩個(gè)導(dǎo)風(fēng)管的管口處于來(lái)流中,只要建立好合適的坐標(biāo)系(坐標(biāo)系的軸沿著導(dǎo)風(fēng)管入口方向),便可對(duì)風(fēng)速進(jìn)行正交合成與分解。因此,通過(guò)測(cè)量每一個(gè)導(dǎo)風(fēng)管的風(fēng)速分量即可反演出實(shí)時(shí)風(fēng)速?gòu)亩€原出實(shí)時(shí)風(fēng)向。以平面直角坐標(biāo)系為例,當(dāng)十字型熱溫差式測(cè)風(fēng)儀所處平面與風(fēng)速V平行時(shí),其位置關(guān)系如圖3 所示(AB與Y軸重合,CD與X軸重合)。

圖3 風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量原理示意圖

設(shè)風(fēng)速與X軸成θ角,則:

(1)

(2)

即:

(3)

1.3 基于GA-BP的測(cè)風(fēng)優(yōu)化算法

在實(shí)際測(cè)風(fēng)中,環(huán)境溫度的變化會(huì)對(duì)風(fēng)速測(cè)量精度造成影響,因此本文提出了一種利用遺傳算法(GA)優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來(lái)補(bǔ)償溫度漂移的測(cè)風(fēng)優(yōu)化算法。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示,它是一種多層前饋網(wǎng)絡(luò),其特點(diǎn)為信號(hào)前向傳播,誤差反向傳播,由輸入層、隱含層、輸出層三部分組成,且每一層的神經(jīng)元狀態(tài)只影響下一層的神經(jīng)元狀態(tài)。樣本由輸入層輸入,經(jīng)隱含層處理后發(fā)送至輸出層,若輸出層得到的值與目標(biāo)值存在誤差,則執(zhí)行誤差反向傳播操作,根據(jù)誤差不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值,從而達(dá)到最佳效果[7-9]。

遺傳算法(Genetic Algorithm)是一種引入生物界自然選擇和自然遺傳機(jī)制的全局尋優(yōu)搜索算法。某一初始種群中的個(gè)體通過(guò)遺傳算法中的選擇、交叉和變異篩選后,適應(yīng)性好的個(gè)體被保留,反之被淘汰,這樣新一代群體永遠(yuǎn)優(yōu)于上一代,反復(fù)循環(huán),直至尋得全局最優(yōu)。

由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在易陷入局部極小值和收斂速度慢的缺點(diǎn),因此將GA與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。先利用GA優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需要的權(quán)值和閾值,再利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解,以達(dá)到全局尋優(yōu)和提高收斂速度的目的[10-11]。

圖5 溫度場(chǎng)分布圖

2 流場(chǎng)仿真分析

為驗(yàn)證溫差測(cè)風(fēng)理論的可行性,在實(shí)際測(cè)量前搭建模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn):首先用SpaceClaim建立十字型熱溫差式測(cè)風(fēng)儀的模型,其次用ANSYS Meshing軟件規(guī)劃四面體網(wǎng)格,最后再導(dǎo)入FLUENT軟件,選用k-e模型并開(kāi)啟能量交換選項(xiàng),開(kāi)始測(cè)風(fēng)流體仿真。其仿真的溫度場(chǎng)分布云圖如圖5所示:在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下,導(dǎo)風(fēng)管內(nèi)的溫度場(chǎng)以熱源為中心呈對(duì)稱分布,即上下游溫度傳感器周圍的溫度相同;在有風(fēng)狀態(tài)下,風(fēng)流入導(dǎo)風(fēng)管內(nèi),風(fēng)因熱交換效應(yīng)將導(dǎo)風(fēng)管內(nèi)上游經(jīng)加熱片加熱的熱空氣帶至下游,在此期間,風(fēng)依舊被不斷加熱,當(dāng)風(fēng)流經(jīng)下游時(shí),下游溫度將明顯高于上游,溫度場(chǎng)偏離對(duì)稱分布,因此上下游傳感器所測(cè)得數(shù)值存在溫差。

設(shè)定環(huán)境溫度分別為-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃,風(fēng)速分別為1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s、7 m/s、8 m/s,進(jìn)行不同環(huán)境溫度、不同風(fēng)速下的流體仿真。仿真得的溫度差值擬合曲線如圖6所示。由圖6可知,隨著環(huán)境溫度的升高,因風(fēng)速來(lái)流而產(chǎn)生上下游溫差呈現(xiàn)略微下降趨勢(shì),風(fēng)速和溫差有強(qiáng)相關(guān)性,不同風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的溫差不同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與1.1節(jié)理論整體相符,故熱溫差法測(cè)風(fēng)可行。

圖6 仿真數(shù)據(jù)擬合曲線圖

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集與分析

3.1 熱溫差測(cè)風(fēng)儀測(cè)量電路設(shè)計(jì)

熱溫差式測(cè)風(fēng)儀硬件系統(tǒng)框圖如圖7所示,由STM32F103RCT6單片機(jī)、AD7794模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、PT100鉑電阻式溫度傳感器以及PTC恒溫加熱片組成十字正交型熱溫差式測(cè)風(fēng)儀。其采集數(shù)據(jù)由RS232串口發(fā)送至上位機(jī)。

圖7 硬件系統(tǒng)框圖

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

利用十字正交型熱溫差式測(cè)風(fēng)儀搭建如圖8所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)由測(cè)風(fēng)儀、高低溫實(shí)驗(yàn)箱、可調(diào)速鼓風(fēng)機(jī)、上位機(jī)等組成。高低溫試驗(yàn)箱的可調(diào)溫度范圍為-60 ℃至120 ℃,用于模擬環(huán)境溫度;可調(diào)速鼓風(fēng)機(jī)用于改變來(lái)流大小;正交十字型熱溫差式測(cè)風(fēng)儀用支架支撐并插入塑料泡沫中。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.3 數(shù)據(jù)擬合分析

在環(huán)境溫度分別為-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃,風(fēng)速分別為1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s、7 m/s、8 m/s下,經(jīng)144次試驗(yàn)所測(cè)得的上下游溫度差值擬合曲線如圖9所示。記環(huán)境溫度為x,上下游溫度差值為y,風(fēng)速為z,若不采用補(bǔ)償算法,其擬合函數(shù)為:

z=(p1+p2x+p3x2+p4y+p5y2+p6y3)/

(1+p7x+p8y+p9y2+p10y3)

(4)

式中:p1=14.210 8,p2=-0.011 5,p3=6.497 4,p4=-10.888 8,p5=2.814 9,p6=-0.229 7,p7=0.002 9,p8=-0.187 0,p9=-0.128 4,p10=0.036 9。

圖9 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合曲線圖

比較圖9與圖6曲線可知,兩者趨勢(shì)大致相同,在同一風(fēng)速下,環(huán)境溫度越高,上下游溫度差值越小;同一環(huán)境溫度下,風(fēng)速越低,上下游溫度差值越大,但由于實(shí)際測(cè)量中各部件間無(wú)法預(yù)測(cè)的傳熱等因素的影響,環(huán)境溫度與上下游溫度差并非呈嚴(yán)格的線性關(guān)系。如2 m/s的風(fēng)速,當(dāng)環(huán)境溫度從-10 ℃逐漸變化至40 ℃時(shí),上下游溫差從4.24 ℃降為3.11 ℃,若忽略環(huán)境溫度的影響,溫漂誤差可達(dá)27%,因此本文利用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[12],便可得到環(huán)境溫度、上下游溫差與風(fēng)速的關(guān)系式。

由于環(huán)境溫度、上下游溫差這兩個(gè)變量的變化范圍和單位都不同,會(huì)造成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢,訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題,因此將兩個(gè)輸入變量的范圍歸一化,映射至[-1,1]范圍內(nèi)。

4 算法處理結(jié)果分析與實(shí)際測(cè)量效果

4.1 算法處理結(jié)果分析

圖10 預(yù)測(cè)值與期望值對(duì)比圖

記錄訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層權(quán)值和閾值,由此得出擬合公式:

V=purelin{tansig(TWi1+ΔTWi2+ai)Wki+bk}

(5)

式中:Wi1、Wi2分別為環(huán)境溫度T和上下游溫度差ΔT對(duì)應(yīng)的由輸入層到隱含層的權(quán)值,Wki為隱含層到輸出層的權(quán)值,ai、bk分別為隱含層和輸出層的閾值。因本文設(shè)定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為2-5-1結(jié)構(gòu),故i=1、2、…、5,j=2,k=1。Wij、Wki、ai、bk的具體值如下:

(6)

Wki=

(-1.831 2 -1.221 7 1.810 7 1.345 9 -0.857 4)

(7)

(8)

bk=-0.162 8

(9)

4.2 實(shí)際測(cè)量效果

為驗(yàn)證該測(cè)風(fēng)儀的性能,將該測(cè)風(fēng)儀置于不同時(shí)間、不同環(huán)境溫度、不同風(fēng)速下進(jìn)行實(shí)際測(cè)量,且采用未經(jīng)補(bǔ)償(式(4))與經(jīng)GA—BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償(式(5))的兩種函數(shù)關(guān)系式測(cè)量風(fēng)速。在利用該十字正交型熱溫差式測(cè)風(fēng)儀測(cè)風(fēng)時(shí),主要測(cè)量參數(shù)為風(fēng)速值V和風(fēng)向角θ;測(cè)試時(shí)間分別選取2019年6月20日至23日的幾個(gè)不同時(shí)間點(diǎn),測(cè)試地點(diǎn)位于南京市浦口區(qū)南京信息工程大學(xué)氣象站,標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)由距地面5 m處的風(fēng)速傳感器(EL15-1型杯式風(fēng)速傳感器)和風(fēng)向傳感器(EL15-2型風(fēng)向傳感器)采集。

實(shí)測(cè)結(jié)果如表1和表2所示。

表1 風(fēng)速風(fēng)向?qū)崪y(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比結(jié)果

表2 未經(jīng)補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)速值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比結(jié)果

根據(jù)表1可知,十字正交型熱溫差式測(cè)風(fēng)儀的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比,雖然有所偏差,但仍在可控范圍之內(nèi),故所得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為可靠。由于環(huán)境溫度、導(dǎo)管導(dǎo)熱以及自然界空氣中介質(zhì)等的影響,導(dǎo)致測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值存在一定偏差,相對(duì)誤差在10%以內(nèi)。實(shí)測(cè)風(fēng)向角與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向角相比,相對(duì)誤差較小,可控制在5%以內(nèi)。表2為未經(jīng)補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)速值與標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比結(jié)果,其測(cè)量結(jié)果明顯劣于表1。綜上所述,十字正交型熱溫差式測(cè)風(fēng)儀在實(shí)際測(cè)量中與標(biāo)準(zhǔn)值較為接近,測(cè)量效果較好,是一種可采取的新型測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向的方法。

5 結(jié)論

針對(duì)目前常用測(cè)風(fēng)設(shè)備存在的弊端,本文提出了一種成本低、體積小、原理簡(jiǎn)單的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法,該方法根據(jù)兩根互呈90°交疊分布的導(dǎo)管內(nèi)上下游溫度差求得風(fēng)速:當(dāng)有風(fēng)吹過(guò)時(shí),上游風(fēng)帶走中間加熱片的熱量至下游,導(dǎo)致下游溫度高于上游,根據(jù)上下游溫差與風(fēng)速的關(guān)系可得風(fēng)速,且該設(shè)計(jì)可通過(guò)正交分解得到二維空間內(nèi)任意方向的風(fēng)速以及風(fēng)向角。由于環(huán)境溫度對(duì)風(fēng)速傳感器的影響最大可達(dá)27%,本文提出遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)環(huán)境溫度造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償,得到的擬合曲線函數(shù)精度較高。最終在南京信息工程大學(xué)氣象站通過(guò)實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證了該方法的有效性。

十字正交型熱溫差式測(cè)風(fēng)儀還有很大的提升空間。本文設(shè)計(jì)的測(cè)風(fēng)儀為十字型陣列,采用四個(gè)對(duì)稱分布的PT100溫度傳感器,在今后的研究中,可探索正方形、圓形等其他形狀陣列的測(cè)風(fēng)儀,測(cè)量的效果可能更佳。另外,本文提出遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)環(huán)境溫度造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償,可嘗試其他算法對(duì)誤差補(bǔ)償,進(jìn)一步提高測(cè)量精度。