以孔板和皮托管为标准器的风速测量装置

　　1　概　述

　　为了满足各行业日益增多的对风速仪测量校准的需求,建立了一套适合我国国情的以孔板和皮托管为标准器的风速测量装置(图1)。本装置的风洞为吸入式风洞,进口为直径600mm的双圆弧型喇叭口,其后面是整流段和稳流网,经过2 m长的过渡段,气流得到充分的稳定后到达测量段。测量段直径为300mm,测量段界面是封闭的,标准器为标准皮托管。为了测量低风速,在测量段后面装一个锥型转换段,转换段后面是直径230 mm、长2 m的管道,中间是角取压的孔板测量装置。为了覆盖0·2~10·0m/s的测量范围,选用三块不同孔径比的孔板,孔板后经锥型转接段与离心风机的进口相连。风机由功率交流电机驱动,为了稳定气流,电机由变频器闭环控制。

　　2　装置的工作原理

　　本装置的低速气流测量采用GB 2624-93差压式流量测量装置。欧美各国的实验室近20年来进行了大量的节流装置试验,累积了几万个试验数据。国际标准化组织依据这些研究成果制定了国际标准ISO 5167-1:2003 (E)[1]。

　　按照ISO 5167制造孔板,其质量流量为

式中:C为流出系数;ε为气体的压缩系数(本装置的最大测量风速为30m/s,马赫数M=0·09,可认为ε=1);ρ为孔板上游处的气体密度;Δp为孔板前后的压差;β=d/D,d为孔板的小口直径;D为孔板管道的内径。

　　将质量流量qm除以密度ρ转换为体积流量,再除以孔板前截面积πD2/4换算为孔板前的流速,即为用孔板测量流速V的数学模型:

　　压差流量计的量程比不能太大,β=0·215时对应0·2~0·5 m/s、β=0·425时对应0·5~2·5 m/s、β=0·745时对应2·5~10·0 m/s的测量范围。因为测量某一特定流速时只使用一块孔板,所以计算误差时不能以误差迭加,应取最大值。

图1　风速测量装置

　　本装置的高速段(10~30 m/s)用皮托管做标准器,即将标准皮托管放入流场中(风洞测试段),皮托管的总压孔、静压孔分别与补偿差压计的两个接口相连,测得总静压差。本装置采用量程为±1 500 Pa的二等补偿微压计,允许误差为±0·8 Pa。根据ISO3966[2],即可用式(3)计算流速。

式中:k为皮托管流出系数;Δp为皮托管的总静压差;ρ为空气密度。

　　3　不确定度的评定

　　3·1　实验室环境的空气密度

　　空气密度的变化对风速测量影响很大,要想准确地测量风速必须先准确地测量空气的密度。环境的空气密度ρ可用下式表示

式中:ρ0=1·225 5 kg/m3;P0=1 013·25 hPa;T0=15℃;t为温度,℃;γ为相对湿度,%;P为大气压,hPa;ew为饱和水蒸气压,hPa。于是有: