皮托管檢定夾具的設計

韓書新，黃清治

（黑龍江省大氣探測技術保障中心，黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

皮托管又稱皮托靜壓管， 是一種測量氣流總壓和靜壓以確定氣流速度的設備。 它是由一個垂直在支桿上的圓筒形流量頭組成的管狀裝置。 在皮托管的側壁周圍有一些靜壓孔, 頂端有一個迎流的全壓孔。 它能測出差壓，并根據壓差確定流場中某處的流速[1]。

皮托管作為一種高精度的測量設備， 經過精密加工及標定后，在馬赫數<2 的流速范圍內，其精度可達10-3級別，所以即便皮托管已有二百多年的歷史，但它至今仍被廣泛應用于工業及民用領域[2]。

2 皮托管的構造及工作原理

2.1 皮托管的結構

圖1 皮托管結構示意圖

皮托管的構造如圖1 所示。 皮托管外形為直角彎折的金屬管，頂端有一個總壓孔，在其側壁上排布著若干的靜壓孔。 總壓孔與靜壓孔相互獨立，分別用導壓管引出連接至微壓計[3]。 較長的支桿將總壓孔和靜壓孔的接頭引出以便于二者與微壓計相連。 在支桿的下部有定向桿， 其作用是為了保證皮托管使用中總壓孔與氣流方向上的定位。 圖中豎直向下的管是用來測量總壓力的，被稱為皮托管；而水平向右的管子是測量靜壓力的，被稱為靜壓管。

實際上通常所說的皮托管均為皮托管和靜壓管的組合，而且多數使用實驗系數近似為1 的形狀，即國際標準中所推薦的錐形頭 （GETIAT）、 橢圓形頭（MPL）、球形頭（AMCA）等三種形式。

2.2 皮托管的工作原理

圖2 皮托管工作原理圖

皮托管是一種伯努利方程在空氣中的應用[4]。 如圖2 所示，當理想流體均勻且平行流向靜止物體時，設想其中一條流線撞擊在物體的駐點A 上， 則流體在該點將發生分流， 駐點A 處的流體流速為零，即VA=0。

選擇兩個截面K1和K2， 其中K1截面流動沒有受到任何的影響，流束是平行的，流速形成規則的速度分布，截面上各點的靜壓力相等。K2截面流動受到影響，流束密集，流速加快，靜壓降低。 則在K1，K2面上的伯努利方程為：

其中:ε 為截面K1、K2間的流體阻尼系數，這里設ε=0；ρ1，ρ2為流體密度， ρ1=ρ2=ρ流體；K1,K2為速度分布不均系數，K1=K2=1；P1，P2為兩個截面的靜壓力；V1、V2為兩個截面的流體流速，V2=VA=0。

從而式（1）變為：

其中:P2為總壓力 （A 點處動壓為零）；P1為靜壓力。

由于均勻流場中靜壓力相等，則PB=P1=P0，此時令P2=P，V1=V，式（2）變為P-P0= ρ流體V2，整理后得到：

其中:P-P0表示流場中某點的動壓力。

由此可知， 當得到流場中某點的動壓力且知道流場中流體的密度時， 即可得到流場中流體在該點的速度。

通過以上分析可知， 要得到流場中某點準確的流體速度， 皮托管在該流場中一定要保證其總壓孔正對流體流向[5-6]，且皮托管在流場中一定要保持穩定，避免其在流體的作用下發生偏移[7]。 這就要求在皮托管安裝時，要盡可能的減小安裝誤差，從而保證其安裝的準確性和穩定性。

3 皮托管夾具的設計

3.1 夾具設計的原則

夾具要能夠滿足測量原理所需滿足的條件，即皮托管在流場中要保證總壓孔正對氣流流向， 且要保證其在流場中的穩定， 避免在流體的作用下發生移動或偏轉。 根據以上的安裝要求，總結夾具設計要保證以下幾點原則：

（1）要保證皮托管在流場內安裝的穩定性及準確性；

（2）要保證夾具的通用性，即不同類型、長度的皮托管均可使用；

（3）要保證方便安裝。

所以， 皮托管夾具的設計需依據以上的原則來進行。

3.2 夾具的設計

根據夾具設計的原則。 皮托管夾具設計主要由上夾板、支撐桿、支撐座、固定螺絲等部件組成。 它可將不同型號、 長度的皮托管較為穩定地安裝在風場內。

夾具的支撐座通過螺紋為M8， 螺距為1 mm 的細牙螺紋孔與兩根支撐桿相連， 從而可以保證安裝皮托管時，其能夠豎直地固定在風洞風場內。

上夾板起到固定作用。 通過固定螺絲將皮托管牢牢固定在支撐桿上。 同時，通過上夾板和固定螺絲的上下調節，可實現不同長度皮托管的安裝。

該皮托管夾具整體長度約310 mm， 寬度約60 mm，支撐座部分配有M18，螺距2.5 mm 的安裝螺紋孔， 以便于與氣象用DZS-II 型低速直路風洞安裝孔配合，以適用于氣象風洞的皮托管檢定工作。

4 夾具的實際應用

實際應用中， 該款夾具便于將皮托管安裝在風洞洞體內， 并且可以很好的保證皮托管檢定過程的穩定性， 可適用于不同長度、 類型的皮托管檢定工作。

表1 L 型（長800 mm）皮托管檢測數據

從表1 數據可以看出，某一L 型800 mm 長的皮托管，通過夾具對皮托管進行固定，數據輸出比較穩定。 從而表明該夾具可大大地減小安裝誤差對檢定數據的影響。

從表2 可以看出， 該皮托管的檢測數據符合檢定規程中的要求。 從而保證了檢定數據的準確性與穩定性。在較大尺寸的皮托管檢定中，效果尤為顯著,大大提高了檢定工作的質量。

表2 檢測結果

5 結論

通過氣象風洞在皮托管檢定中的要求， 總結了皮托管檢定中的安裝夾具的幾點原則。 并依此原則，通過CAD 及三維仿真軟件， 設計了基于氣象直路低速風洞的皮托管檢定夾具。 該款夾具在理論上可以很好地對皮托管進行固定。

通過對該皮托管夾具的實際操作以及對檢定數據結果的分析，該夾具在安裝上較為方便，并可適應于各種不同長度、類型的皮托管的檢定工作。 同時可以減小特別是在較大尺寸皮托管檢定中的安裝誤差對檢定數據的影響， 很好的保證檢定過程中數據的準確性和穩定性， 進而可以很好的保證皮托管檢定工作的質量。 這對進行皮托管檢定工作的開展及檢定結果的質量控制都有著一定的促進作用。

[1]汪玉忠, 張寧. 文丘里皮托管流量計的應用[J]. 自動化儀表,1994.

[2]楊大業, 周臨川. S 型皮托管的應用及標定分析[J].計量技術,2000.

[3]王敏, 周樹道, 王彥杰, 朱國濤. 影響皮托管測風精度的幾個因素[J]. 實驗室研究與探索,2010.

[4]郭仁東, 胡冰, 王立捷, 蘇丹丹, 齊宏宇. 圓管流體平均流速與管道半徑的關系[J]. 沈陽大學學報,2008.

[5]孫志強, 周孑民, 張宏建, 胡劍. 皮托管測量影響因素分析I. 檢測桿與安裝角的影響[J]. 傳感器技術學報,2007.

[6]孫志強, 周孑民, 張宏建, 胡劍. 皮托管測量影響因素分析Ⅱ.全壓孔與靜壓孔的影響[J]. 傳感器技術學報,2007.

[7]楊歡, 秋實, 陳思林, 楊丹, 陳濤. 探頭偏轉角對皮托管測速精度影響分析[J]. 測控技術,2012.