風量罩的測量與不確定度評定

黃聰

摘 要：為了保證風量罩測量風速量的準確和統一，通過風洞測試對比實驗對其進行檢測，解決了風量罩各測量參數進行校準的問題，并對測量結果的不確定度進一步分析。

關鍵詞：風量罩；校準；不確定度

引言

隨著社會發展和技術進步，人們對自身居住環境要求也不斷提高，特別是大型建筑、會所等室內的空氣品質，而空調通風系統是保證良好空氣品質的重要方法，因此人們會定期對空調系統進行風量檢測，以判定空調系統是否正常工作，進而確認能否充分保證室內的通風量。通常使用風量罩直接風量測量，其明顯的優點是，直接讀取示值，能夠實現快速測量的過程。

1 風量罩檢測方法

現在風量的測量方法主要包括皮托管差壓測風量法、熱線熱膜式風量法、超聲波測風量法和機械式傳感器測風量法。

風量罩測量主要基于皮托管壓差法，只需知道節流裝置前后壓差量，就可以計算出被測風的理論風量，與風量罩儀器中的實測風量相比較，再利用現代傳感技術、自動控制技術，方便實現風量罩的自動檢驗和校準，從而能提高檢測精度，實用性強。在風洞實驗室，風洞結合變頻器控制的三相異步電機作為穩定的風量發生手段，輔以皮托管和差壓計測量風洞內氣流壓力，溫度傳感器測量風洞內溫度，氣壓傳感器測量大氣壓，通過數據采集系統將相應數據采集回來，根據公式算風洞所產生的穩定風量值。

2 風量罩校準裝置及其原理

根據風量的要求范圍，選用的是一臺EOE14A22型風洞。變頻調速三相異步電機測量范圍（50～3000）m3/h，功率為1.5KW，風洞的流量控制采用變頻器控制三相異步電機的任意風量。風量罩放置在風洞的吸風口，用帆布袋子封閉好風量罩與風洞的吸風口位置。

風量儀校準裝置中的風洞的工作基于如下原理：如果氣流體流經一個收縮（節流）件時，氣流體將被加速。這種氣流體的加速將使它的動能增加，而同時按照能量守恒定律，在氣流體被加速時它的靜壓力一定會降低一個相對應的值。能量守恒定律告訴我們：在一個封閉的系統中，流體的總能量是一個常數。

當檢測系統通過氣壓傳感器和溫度傳感器采集到大氣壓、風洞內氣流后可以通過下式計算空氣密度。

式中，？籽為空氣密度，P0為大氣壓，T為風洞內溫度。

皮托管是一種國際上通用的風速風量測試方法。它的作用是將風速風量轉變為壓差，通過測量總壓靜壓之差求得風速風量。皮托管的輸出與風速的平方成正比，測量較高風速時精確且分辨力好， 但當風速風量較低時，皮托管上產生的壓差小，難以精確測量。使用時全壓孔需要正對風向，而且由于其靜壓孔尺寸較小，儀器本身對流場會產生擾動。

接在皮托管上的差壓傳感器測得差壓值后即可計算出風洞實驗中的風量值：

式中，Q為風洞中產生的風量，S為風洞實驗段的橫截面積，△P是皮托管所取得的壓差，k是皮托管系數，？籽是空氣密度。

3 風量罩示值誤差不確定度分析方法

不確定度是指由于測量過程中誤差不可避免的存在，對所測量結果的不肯定程度[1]。另一方面來說，也是對測量值的可信賴程度，根據其定義，不確定度指標值越小的話，所述測量結果就跟真實結果越接近，說明測量方法恰當，其使用參考價值越高；不確定度指標值越大，測量結果與真實結果有較大偏離，方法使用不恰當，因此就很難滿足我使用參考的需要。因此我們在檢測報告表示該測量對象時，必須給出相應的不確定度，一方面便于使用它的人評定其可靠性，另一方面也可增強測量結果之間的可比性。

依據相關標準：JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》，已知測量模型：

式中：ΔQ-示值誤差，m3/h；Q-被檢風量罩示值，m3/h；Q0-標準流量計測量的風量值，m3/h。

測量結果是由幾個量的計算結果所得，所以風量罩示值誤差不確定度包括由系統影響引起的分量：測量重復性引起的不確定度、被檢風量罩讀數引入的標準不確定度、標準裝置示值誤差引起的標準不確定度分量、風洞的均勻性，穩定性引起的不確定度、標準畢托靜壓管系數引起的不確定度，現分述如下，并構建合成不確定度的計算公式。

3.1 測量重復性引起的不確定度u（Q）

風量罩校準過程中風場的穩定性、溫濕度波動，大氣壓力變化，人員操作等引起的變化，其量值體現在重復性中。選取一臺量程（0～3500）m3/h的風量罩，與風量標準裝置相連通，在3000m3/h點重復測量10次，為方便說明列實驗數據如表1所示：

3.2 被檢風量罩讀數引入的標準不確定度u（d）

被檢風量罩讀數引入的標準不確定度u（d），用B類標準不確定度進行評定。如被檢風量罩的分辨力為1m3/h時，則不確定區間半寬為0.5m3/h，按均勻分布計算：

用相對不確定度表示，則u（d）=0.01%。

由于重復性風量包含人員讀數引入的不確定度分量，為避免重復計算，只計最大影響量u（d）。

3.3 標準裝置示值誤差引起的標準不確定度分量u（V）

標準裝置示值誤差為±0.5%，其引入的標準不確定度為：

3.4 風洞的均勻性、穩定性引起的不確定度u（T）

（1）風洞均勻性引起的不確定度u（T1）

據風洞校準證書得知，風洞均勻性≤1.0%，取1.0%計算，則不確定度區間半寬為0.5%，按均勻分布處理，

（2）風洞的穩定性引起的不確定度u（T2）

據風洞校準證書得知，風洞穩定性≤0.5%，取0.5%計算，則不確定度區間半寬為0.25%，按均勻分布處理。

3.5 標準皮托靜壓管系數引起的不確定度u

標準皮托靜壓管靜壓系數為1.002，MPE：±0.01，則不確定度為U≈1.0%，當k=2，則u（K）=1.0%/2=0.5%。

3.6 合成標準不確定度

本風量罩檢測系統的測量結果是由若干個量（如上，示值讀數、畢托靜系數等）的值求得，按這些量的方差和協方差算得的標準不確定度。如各分量彼此相互獨立，則協方差計算結果為零。它是測量結果標準偏差的估計值，用符號uc表示。當測量結果的標準不確定度由若干標準不確定度分量構成時，按方和根得到的標準不確定度，它表明了所風量罩檢測結果評定的可靠程度。

3.7 擴展不確定度

擴展不確定度是表示測量結果的取值區間，因此也被稱為范圍不確定度。擴展不確定度是由合成標準不確定度的倍數表示的測量不確定度，通常用符號U表示：合成不確定度與包含因子k的乘積，作為總不確定度（符號為U）。此外k值一般取2，有時取3，這主要取決于被測量的重要性、效益和風險，論文在綜合權衡后選取k=2。

4 結束語

目前風量罩的使用，還缺少相關的國家標準。風量罩使用方便，但是對其檢測原理和檢測條件尚無相關文獻進行過細致的研究。目前國內風量罩產品廠家良莠不齊，在測量過程中存在測量結果偏差的問題，特別是工程驗收過程中不可避免產生的商業糾紛。本文通過對風量罩的校準及其不確定度分析，對其在應用和推廣過程中所存在的問題處理有現實的意義。

參考文獻

[1]朱正憲.通風機流量測量不確定度評定[J].礦業安全與環保，2001（06）.