磁感風速傳感器阻塞修正系數測算方法研究

關秋菊 于召亮 吳松

1 引言

磁感風速傳感器（以下稱“風速傳感器”）是測量氣流速度的儀器，適用于煤礦、井下及其它易燃易爆場合中風速的精確測定，也適用于交通、建筑、化工、糧食加工、空氣動力學研究等多種場合的風速測量，與質量安全息息相關，在社會生產中占有重要地位。為確保風速觀測值準確可靠，對風速傳感器進行周期檢定是一項重要、工作量較大的任務。因此，有必要尋找一種簡易且可靠的風速傳感器檢定方法，以經濟有效地提高測量結果的精度。

根據 JJG 515-87 《輕便磁感風向風速表檢定規程》要求的檢定條件：風洞工作段的截面積S洞與被檢儀器不動部分的截面積（阻塞面積）S儀之比至少為5:1。如果實際的檢定環境符合此條件，可忽略阻塞面積的影響；若不符合此條件，就要考慮到阻塞效應，即被檢儀器的截面積對被測風速的影響，此時需要將測量結果乘以阻塞修正系數，以修正阻塞面積給測量結果帶來的誤差影響。因此，估算出準確可靠的風速傳感器阻塞系數是誤差修正工作的關鍵所在。本文的研究工作主要針對小風洞檢定時，風速傳感器的阻塞修正系數測算展開，將理論計算法和經驗估算法相比較，分析其特點并提出相應的適用情形，從而實現風速傳感器測量數據中的誤差修正。

2 確定阻塞修正系數的方法

JJG 515-87《輕便磁感風向風速表試行檢定規程》中附錄5規定，風速傳感器阻塞修正系數的測算方法如下[1]：

檢定規程中提供的阻塞修正系數測量方法，需要選兩支性能穩定的風速傳感器送國家氣象局計量所檢定，并以此作為標準來求地方小風洞測量時的阻塞修正系數，這就增大了計量檢定的工作量。 為了避免額外的工作量，我們在華南國家計量測試中心小風洞（風洞工作段截面直徑24mm）的現有條件下，試圖尋找一種確定小風洞中風速傳感器阻塞修正系數的簡易方法，測量結果乘以阻塞修正系數得以修正后，即得到實測風速值，該值應近似等于大風洞(國家氣象計量站的大風洞，工作段尺寸為 80cm×80cm)條件下標準風速測量的觀測值。

2.1 理論計算法

若對每一種型號的風速傳感器，都按規程規定的測量方法求其阻塞修正系數，工作量相當大。采用理論計算法推導每種型號的風速傳感器的阻塞修正系數，是一種合理、簡單易行的方法。

依據二元風洞中正圓柱的固體阻塞修正方法[2～4]，風速修正值與測量值之比為：

式中，△vf——風速修正值；vb——風洞的風速測量值；Sm=π r2——阻塞柱體(風速傳感器不動部分)的截面積；Sw=π R2——風洞工作段的截面積。

由風速傳感器阻塞系數的定義，可推得：

由于風速傳感器的轉動部分(風葉)隨風洞中氣流的轉動而轉動，對風速值影響不大，且很難計算出阻塞效應下降的幅度，為此把轉動部分引起的阻塞效應忽略不計，只計算傳感器不動部分的投影面積Sm。

設 1Sw為標準風洞(一級風洞)的工作段截面積，按(2)式求出風速傳感器在標準風洞中的阻塞風速修正值：

設 2Sw為地方風洞(二級風洞)的工作段截面積，再按(2)式求出風速傳感器在小風洞測試時的阻塞風速修正值：

依據國家計量量值傳遞體系，省級氣象計量測試部門以上一級計量測試機構的測試結果為標準，計算被檢風速傳感器在華南國家計量測試中心EDE-14型風洞測試時的阻塞修正系數。利用相對的概念，以上一級法定計量測試機構的標準風洞測試結果為標準，即用(5)式減去(4)式代入(3)式，得出計算被檢風速傳感器在二級風洞(小風洞)測試時的阻塞修正系數：

式中， 1Sw——大風洞工作段截面積； 2Sw——小風洞工作段截面積；Sm——被檢風速傳感器不動部分投影面積。

2.2 經驗估算法

試驗設備：EDE-14型風洞、標準皮托—靜壓管、微壓計、AVM-01型風速傳感器（n支）。

試驗步驟如下：依據JJG 515-87《輕便磁感風向風速表試行檢定規程》，分別對n支風速傳感器進行檢定，記錄原始數據：調整風洞電機，測量起動風速和 2m/s、5m/s、15m/s、25m/s、30m/s、20m/s、10m/s處的風速，分別記錄這8個檢定點處的風速傳感器示值vzi和微壓計示值Hi,i =0,1,2,……,7。

將所得測量數據，依以下步驟處理之：

（1）、任取其中一支風速傳感器的測量數據，計算標準狀態下的相當風速v1i(m/s)[1,5]：

Hi：第i個檢定點處的微壓計示值，單位mmH2O。

（2）、根據經驗，將vzi、v1i的值代入下式，可得該風速傳感器的阻塞修正系數：

（3）、以相同的方法，計算每一支風速傳感器的阻塞修正系數kE，k =1,2, ……,n。

（4）、最后，取n次獨立觀測值kE的算術平均值（假設其每個觀測值kE的不確定度相同），得到AVM-01型風速傳感器的阻塞修正系數的最佳估計值[6]：

2.3 阻塞修正系數的測算結果評定

將同型號的風速傳感器按上述方法進行阻塞修正系數測算：根據被檢風速傳感器阻塞面積與風洞工作段的截面積，一是按理論計算法求出阻塞修正系數；二是利用經驗估算法得出風速傳感器的阻塞修正系數。而后，需要對阻塞修正系數測算結果的質量高低進行評定，可用以下兩種方法：

方法一：首先根據《JJG 515-87輕便磁感風向風速表試行檢定規程》中附錄5的規定，確定風速傳感器的阻塞修正系數：將標準風速傳感器在國家氣象局計量所的大風洞、華南國家計量測試中心EDE-14型風洞中進行測試，得到兩個不同的線性回歸方程，將指定的指示風速值（30m/s）分別代入方程，得到兩個實際風速，前者所測實際風速與后者所測實際風速之比，即為風速傳感器的阻塞修正系數。以此阻塞修正系數為基準，分別考察由理論計算法、經驗估算法求出的阻塞修正系數的準確度[7]。

方法二：如果可獲取精確的風速傳感器阻塞面積測量值，則以理論計算法求得的風速傳感器的阻塞修正系數為基準，來考察以經驗估算法求得的風速傳感器阻塞修正系數的準確度。若二者相差較小，則可認為經驗估算法可行；若二者相差較大，則需重新考慮經驗估算法。

以上兩種評定方法，可根據實際測算情況選擇一種進行評定，但多數情況下選用第二種方法可能更為方便，它不需要將風速傳感器送往上一級檢定機構，減少了一定的工作量。

3 實驗結果對比

利用 AVM-01型風速傳感器 16支（取樣本n=16），在華南國家計量測試中心EDE-14型風洞中作測試，利用實驗數據，分別用式(7)和式(9)計算出阻塞修正系數。比較兩種方法求得的阻塞修正系數。

（1）、理論計算法求阻塞修正系數

經實際測量得：AVM-01型風速傳感器的阻塞面直徑 21.38mm，即不動部分投影面積Sm為1.142761πcm2。又知：國家氣象局計量所的大風洞，工作段尺寸為80 cm×80cm，截面積1Sw為6400cm2；華南國家計量測試中心EDE-14型風洞工作段直徑為24cm，截面積 2Sw為 144πcm2。將這些數據代入式（7），可得風速傳感器的阻塞修正系數E0=1.081。

（2）、試驗測試法求阻塞修正系數

依據試驗測試法的步驟，求每支風速傳感器的阻塞修正系數。如，已知編號04060896的AVM-01型風速傳感器的試驗記錄（見表1），將測試數據代入式（8），可得該風速傳感器的阻塞修正系數E =1.092。依次得到16支風速傳感器的阻塞修正系數（見表2）后，對這組風速傳感器阻塞修正系數求平均值，即將表2中的數值代入式（9），得E=1.083。

4 結論

（1）、由AVM-01型風速傳感器在EDE-14型風洞中的測試結果得知：用經驗估算法得出的風速傳感器阻塞修正系數（本實驗中等于 1.083），接近理論計算值1.081，相差僅0.002。

表1 風速傳感器04060896試驗數據記錄

表2 風速傳感器阻塞修正系數E

（2）、若風速傳感器生產廠家已提供精確的風速傳感器阻塞面積，或檢定部門可方便地獲取阻塞面積，建議使用理論計算法來計算風速傳感器的阻塞修正系數。該方法具有可靠的理論依據，操作方便，運算量小，適用于各種低速風洞。

（3）、若風速傳感器阻塞面積不易獲取，此時可考慮選用經驗估算法求其阻塞修正系數。通過實驗發現，風速傳感器樣本數量n取值過小，按經驗估算法求得的阻塞修正系數與理論計算法所得相差較大；n取值大時，二者所得結果相近，但同時也增加了運算量。因此在樣本數量n的選取上，需要在以后的檢定工作中進一步深入研究。

[1] 國家氣象局氣象計量檢定研究所.國家計量檢定規程 JJG 515-87《輕便磁感風向風速表試行檢定規程》[M].北京:中國計量出版社,1987

[2] 朱樂坤,孫嫣.風速傳感器阻塞修正系數試驗與研究[J].太陽能學報.2009.7

[3] 李國森,敖振浪.風速儀在風洞檢定中的阻塞修正[J].氣象.2006.9

[4] 艾倫·波普,約翰丁·哈伯著.低速風洞試驗[M].彭錫銘,嚴俊仁,石佑倫,譯.北京:國防工業出版社,1977

[5] 中國氣象局.氣象行業標準QXT 84-2007《氣象低速風洞性能測試規范》[M].北京:氣象出版社,200

[6] 國家質量技術監督局.國家計量檢定規程JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》[M].北京:中國計量出版社,1999

[7] 葉廷東,劉桂雄.傳感信息軟解耦方法的研究進展及分析[J].自動化與信息工程,2009.4