風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)皮托管的不確定度評(píng)定

【摘 要】 本文介紹了皮托管的工作范圍，利用風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)皮托管進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行不確定度分析，并分析了不確定度的來(lái)源和分量的大小，得出了帶0.1級(jí)微壓計(jì)的皮托管測(cè)量范圍在（5～50）m/s時(shí)，[Urel=0.57%]（[k=2]）的結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】 電氣元件 檢查 維修

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2015.07.013

皮托管主要用來(lái)測(cè)量空氣流速，在科研、生產(chǎn)、教學(xué)、環(huán)境保護(hù)及隧道、礦井通風(fēng)、能源管理等部門(mén)用來(lái)測(cè)量通風(fēng)管道、工業(yè)管道、爐窯煙道內(nèi)的氣流速度，經(jīng)過(guò)換算來(lái)確定流量，也可測(cè)量管道內(nèi)水流速度。用皮托管測(cè)量流速和流量，有可靠的理論依據(jù)，使用方便、準(zhǔn)確，是一種經(jīng)典的廣泛測(cè)量方法。本文討論用風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置來(lái)對(duì)皮托管系數(shù)校準(zhǔn)時(shí)的不確定度?？紤]了空氣密度、溫度、壓力對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響。

1 概述

（1）測(cè)量依據(jù)：JJG518-1998《皮托管》。

（2）計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)：主要計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備為風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置。

表1 實(shí)驗(yàn)室的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備

（3）被測(cè)對(duì)象

表2 被校準(zhǔn)皮托管的分類(lèi)

（4）測(cè)量方法：使用風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)時(shí)將被校準(zhǔn)皮托管固定在風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置工作段上，按規(guī)程要求取分別在5m/s，10m/s，15m/s，20m/s，25m/s五個(gè)風(fēng)速點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)時(shí)要在標(biāo)準(zhǔn)裝置風(fēng)速穩(wěn)定后進(jìn)行，測(cè)量出皮托管的系數(shù)。

2 建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算不確定度傳播率

2.1 數(shù)學(xué)模型

皮托管系數(shù)計(jì)算公式：[α=VS2ΔPρ] （1）

式中：[α]——被檢皮托管系數(shù)；[VS]——標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值，m/s；[ΔP]——被檢皮托管差壓值，kPa；[ρ]——空氣密度值，kg/m3。

2.2 不確定度傳播律

不確定度傳播律：

[u（α）=c2VSu2（VS）+c2Δpu2（Δp）+c2ρu2（ρ）2] （2）

式中：[CVS=VSα?α?VS=VSα12ΔPρ=1] （3）

[CΔP=ΔPα?α?ΔP=-VSΔPαρ22ΔP-32=-12] （4）

[Cρ=ρα?α?ρ=ραV22ΔP=12] （5）

在流量為5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s5個(gè)風(fēng)速點(diǎn)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果如下：

3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

3.1 標(biāo)準(zhǔn)裝置用標(biāo)準(zhǔn)皮托管測(cè)量風(fēng)速帶來(lái)的不確定度[u（VS）]

[VS=αS2ΔPSρ] （6）

式中：[αS]——標(biāo)準(zhǔn)皮托管系數(shù)；[VS]——標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值，m/s；[ΔPS]——標(biāo)準(zhǔn)皮托管差壓值，kPa；[ρ]——空氣密度值，kg/m3。

由式（6）得

[u（vS）=c2αSu2（αS）+c2Δpsu2（Δps）+c2ρu2（ρ）+c2Eu2（E）2]（7）

其中：[cαs=1]，[c2Δps=12]，=，[cρ=-12]，[cE=1]

3.2 標(biāo)準(zhǔn)皮托管的不確定度[u（αS）]

標(biāo)準(zhǔn)皮托管的不確定度為[U=0.5%]，（由上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)給出），[u（αS）=0.5%2=0.25%]。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)差壓變送器的不確定度[u（ΔpS）]

差壓變送器的不確定度為：[Urel=0.1%]，[k=2]。

[u（ΔpS）][=0.1%2=0.05%]

3.4 空氣密度的不確定度[u（ρ）]：

空氣的密度由氣體狀態(tài)方程計(jì)算可得：

[ρ][=ρNTNρNPT]

其中：[P]——風(fēng)洞出口處空氣的靜壓；[T]——風(fēng)洞出口處空氣的溫度；

由式（9）可得：

[u2（ρ）=u2（P）+u2（T）] （10）

其中：用溫度變送器測(cè)量空氣的溫度，其不確定度為[U=0.1K]，[k=2]空氣的溫度一般在293K左右，可得：

[u（T）=0.12×293=0.017%] （11）

風(fēng)洞出口處的靜壓由絕壓變送器測(cè)量得到：絕壓變送器的不確定度為[Urel=0.05%]，[k=2]可得：

[u（P）=0.025%] （12）

把式（11）、（12）的結(jié)果帶入式（10）可得：

[u（ρ）=0.03%] （13）

3.5 標(biāo)準(zhǔn)皮托測(cè)量風(fēng)速的不確定度[u（VS）]

由以上分析可得，標(biāo)準(zhǔn)皮托管作為測(cè)量風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置流速的不確定度見(jiàn)下表：

3.6 被檢皮托管差壓計(jì)帶來(lái)的不確定度[u（ΔP）]

被檢皮托管的差壓變送器示值誤差0.1%

[u（Δρ）][=0.1%2=0.05%]

3.7 空氣密度測(cè)量的不確定度[u（ρ）]

由式13可知：[u（ρ）=0.03%]

4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量表

5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

5.1 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度[uc]的評(píng)定

輸入量彼此獨(dú)立不相關(guān)，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可按下式得到：[uc][=u2（VS）+u2（ΔP）+u2（ρ）][=0.284%]

5.2 擴(kuò)展不確定度的確定

取包含因子[k=2]，因此：

[Urel=0.284%×2=0.57%]，[k=2]。

在風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置流速在30m/s時(shí)，皮托管系數(shù)測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為[Urel=0.284%×0.57%]，[k=2]。

6 結(jié)論

帶0.1級(jí)微壓計(jì)的皮托管在測(cè)量范圍（5～50）m/s時(shí)，[Urel=0.57%]，[k=2]。

作者簡(jiǎn)介

劉洋，工程師，現(xiàn)于遼寧省計(jì)量科學(xué)研究院從事計(jì)量檢測(cè)工作。

（責(zé)任編輯：張曉明）