一種可變徑微風速標定裝置及標定方法的研究

葉燕平 劉友勤 顧 文 鐘昌文

一種可變徑微風速標定裝置及標定方法的研究

葉燕平 劉友勤 顧 文 鐘昌文

上海理工大學環境與建筑學院

通過理論分析，研制了一種可變徑負壓式微風速標定裝置，通過確定標準點風速，實現風速的高精度標定與校正，并根據不同大小的標定風速通過變管徑的方式進一步提高標定準確度，并且實現微風速（0.2～2.0m/s）的標定與校正。通過對其在不同風機頻率、不同標準風道管徑下進行了6種工況的標定試驗，試驗結果表明：該標定裝置中，測試段管徑為99.7mm的標準風道用于標定2m/s以上的風速，測試段管徑為196.7mm的標準風道用于對0.2～2.0m/s的微風速進行標定。兩種管徑下的標定誤差均在5%以內。

可變徑負壓式風速標定裝置標準點風速標準風道標定準確度

0 引言

室內氣流組織是保證室內空調效果的重要手段之一[1]。在通常情況下，室內居留區空氣流速控制在1.0m/s之內[2]。而在熱環境現場測試中，很難用熱線風速儀準確測得該范圍內的微小風速[3～4]，為提高室內氣流組織的測試精度，需對微風速條件下的熱線風速儀進行標定。

目前行業中較為普遍采用的風速計標定方法有兩種：一種是旋臂機法，此方法結構復雜，易擾動靜止的空氣，從而影響標定精度；另一種是相對標定法[5]，此方法不易實現1.0m/s以下的低風速標定和校正，且皮托管本身標定也會帶來一定的誤差，另外，風速改變引起風管內速度場的不穩定也會對標定精度帶來影響。如何準確且方便快捷地實現風速儀在微風速（0.2～2.0m/s）范圍內的標定、校正，同時保證標定的精確度和準確度，是建環專業測試技術領域亟需解決的問題之一[7]。故課題組研發了一種可變徑負壓式微風速標定裝置實現微風速的高精度標定，標準流量管為一可變徑式標準流量管，可以根據不同標定風速范圍選取最合適的管徑以進一步提高標定準確度。

1 實驗裝置及原理

1.1 實驗裝置

可變徑負壓式微風速標定裝置如圖1所示。該裝置采用負壓引入空氣，并通過靜壓箱連接標準風道和風機，保證了標準風道內壓力場和速度場的穩定，有利于克服風機變頻時引起的不穩定影響，提高標定精度。采用漸擴整流段實現標準風量到微風速的轉變，保證氣流均勻和穩定，實現微風速的標定。

圖1 可變徑負壓式微風速標定裝置

1.2 實驗原理分析

標準流量管是通過大氣壓力、空氣溫度、空氣相對濕度和某截面的壁面靜壓4個參數測試流量[8]。裝置的試驗原理是用伯努利方程計算標準流量管流量，根據質量守恒定律，由標準流量獲得標準風道平均風速，再根據流體在管道內流動分布的特點，經理論計算得出風道軸心風速作為標準點風速，即風速計標定時的參照標準風速。

由伯努利方程得到：

式中：△P為壓差，Pa；P0為大氣壓力，Pa；P1為標準流量管喉部的壁面靜壓，Pa；ρ為被測空氣的密度，kg/m3，在考慮空氣溫度，空氣相對濕度和大氣壓力的情況下計算得到；v1為標準流量管的平均流速，m/s。

由式（1）得：

則標準流量可由下式計算得：

式中：A1為標準流量管的喉部面積，m2；ε為空氣膨脹系數。

當風機頻率為10Hz時，測得壓差△P=4.0Pa，v1=假定標準風道內風速為0.2m/s，根據質量守恒定律q2= q1即A1v1=A2v2，則：

得大管徑為196.7mm。同理當風機頻率為10Hz，假定標準風道內風速為2.5m/s，可得小管徑為99.7mm。

2 試驗結果及分析

為說明該試驗裝置中不同管徑適用于不同大小風速的標定，實驗小組對其進行了試驗研究。試驗分6個工況，以不同風機頻率為變工況條件，詳見表1～2。

表1 管道一測試結果（風速范圍1.5～12m/s）

表2 管道二測試結果（風速范圍0.2～1.5m/s）

圖2不同測試段管徑下風機頻率與理論風速值的關系曲線

圖2 、圖3分別為不同測試段管徑下風機頻率與理論風速值、雷諾數的關系曲線。由圖2、圖3可以看出，測試段軸心處理論風速值大小與風機頻率大小幾乎呈線性關系，且呈正比。測試段管徑R=99.7mm管段內的風速范圍＞2m/s，在此管段內很難實現微小風速的標定；測試段管徑R=196.7mm管段內則可以實現對微小風速（0.2～2m/s）的標定。雷諾數的變化趨勢與理論風速值基本相同，由于風速范圍大小的差異造成不同管徑雷諾數數量級的差異。

圖3不同測試段管徑下風機頻率與雷諾數的關系曲線

圖4 是標定裝置理論計算值與熱線風速儀實測值的比較，由圖看出理論風速曲線與實測值曲線幾乎重合，說明了該標定裝置的精確性。

圖4不同測試段管徑下風速理論值與實測值比較

圖5 是實測風速誤差曲線，小管徑管段內對大風速的標定誤差都在2%以內，達到了較高的精度，且隨著風機頻率增大、被標定風速的增大而增大；大管徑管段內對微小風速的標定誤差除了極小風速處最大誤差達到4%，其余點標定誤差也均在2%以下，也隨被標定風速增大而增大。

圖5 不同測試段管徑下實測風速誤差曲線

3 結論

通過對試驗數據處理分析可以得到：

1）該標定裝置通過小管徑測試管段能精確地標定大風速，精度在2%內；通過大管徑測試管段可以標定0.2～2m/s之間的微小風速，除了對某些極小風速標定誤差達到4%，微小風速的標定精度也都在2%內。

2）理論計算風速與風機頻率呈線性關系，且呈正比。實測風速與理論風速一致，但由于管段內增加了整流金屬網，使得實測風速比理論風速略小。

3）通過實驗，當被標定的風速大于2m/s的時候，用小管徑測試管段進行標定；當標定風速為0.2～2m/s之間的微風速時，用大管徑測試管段進行標定。通過可變徑的風速標定，實現操作更方便，測試結果更加精確的目的。

[1]周正平,董凱軍,連之偉.空調房問氣流組織與人體熱舒適關系的初步探討[J].制冷空調與電力機械,2006,27(1):17-20

[2]黃晨.建筑環境學[M].北京:機械工業出版社,2005

[3]Abdullah M Al-Garni.Low speed calibration of hot-wire anemom -eters[J].Flow Measurement and Instrumentation,2007,18:95-98

[4]Santiago Pezzotti.A wind tunnel for anemometer calibration in the range of 0.2～1.25 m/s[J].Flow Measurement and Instrumenta -tion,2011,22:338-342

[5]路建嶺.一種負壓式微風速標定裝置的試驗研究[J].流體機械, 2009,37(10):7-10

[6]郎四維.使用激光流速計的風速標定裝置簡介[J].暖通空調. 1982,(4):29-31

[7]李殿璽,王世安,游克全,等.一種新的流量管標定方法[J].熱能動力工程,2004,19(3):316-317

[8]工業通風機——用標準化風道進行性能試驗(GB/T1236-2000) [S]

Study of Ca libra tion Equipm e nt w ith Va ria ble Dia m e te r for Bre e ze a nd Its Ca libra tion Me thod

YE Yan-ping,LIU You-qing,GU Wen,ZHONG Chang-wen
School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology

Based on theoretical analysis,a negative pressure calibration equipment for breeze with variable diameter was developed.The high-precision calibration can be realized by assure the speed of the standard piont.According to the different wind speed which is to be calibrated,the calibration accuracy can be further improved by variable diameter and the calibration for breeze speed(0.2～2.0m/s)will be realized.Six calibration experiments were accomplished in different fan frequency and standard duct diameter.The results are showed as follows:in this calibration equipment,when pipe diameter of the standard duct is 99.7 mm,it is used to calibrate the speed over 2m/s.when pipe diameter of the standard duct is 196.7 mm,it is used to calibrate the speed between 0.2 and 2m/s.Calibration error is less than 4%in these two pipe.

calibration equipment with variable diameter negative pressure for breeze,speed of the standard piont, standard duct,calibration accuracy

1003-0344（2014）04-081-3

2013-5-23

葉燕平（1991～），女，本科；上海理工大學環境與建筑學院（200129）；E-mail:yeyanpinggxp@sina.com基金項目：上海理工大學大學生創新活動計劃項目；國家自然科學基金青年科學基金項目（51108263）