風機風量測量方法與誤差原因分析

海軍工程大學艦船綜合試驗訓練基地 梁 勇 張光輝 苗 海

風量是反映風機性能的關鍵技術指標之一，對風量進行測量是掌握風機性能的重要手段和正確選擇風機的主要依據，能否準確測量風量直接影響到排煙風機消防安全性能測定的成敗。在進行風機性能測試時需考慮影響風量測量準確性的客觀因素，如測試方法與測試儀器的選擇、進口管道的形狀和長度、測試斷面的位置、測點的布置和環境參數等。

1 風量測量常用方法

測量風量一般指測量風機單位時間下的進口流量，有直接測量和間接測量兩種方法。直接測量即利用風速傳感器直接測量管道內截面風速得到流量，該方法對儀器的安裝要求較高，實際的測試中很難滿足相應的標準，反而會造成測量的較大誤差；間接測量則是通過測量管道內的靜壓差或動壓差，再經過公式換算得到流量。

根據標準GB/T 1236-2017，將風管內的氣體流動視為無渦流，則風量的測量可采用兩種基本的測量原理：使用管路內流量計或橫動法。常用的流量計有文丘里管、孔板、錐形進口和進口噴嘴，其中文丘里管和孔板可接在風管的進口或出口及兩段風管間使用，錐形進口和進口噴嘴只能在風管的自由進口上使用。利用管路內流量計測流量也可稱靜壓差法，直接測量量為前后兩個不同管道截面的壓力差；橫動法則是通過測定迎風斷面的平均速度來測量流量，可稱之為動壓差法，直接測量則為風速。

已有實驗證明[1]，當靜壓差法和動壓差法的測試條件均滿足時應優先選擇動壓差法，原因是靜壓差法中對兩個測試斷面的選擇要求較高，即使是利用了文丘里管兩個斷面的流場數據也會出現波動，測量數據穩定性差；動壓差法中等面積環法的制造成本較低，但無論是采取哪種測點選擇的方法都需布置多個測點，對測量儀器的安裝與拆卸來說非常不便，測試過程較繁瑣，皮托管的測壓端在各個測點處很可能受到風流波動的影響，出現擺動而導致測試結果不穩定，并且對測試結果取算術平均值、測試精度和可靠性較差。

2 皮托管測量誤差分析

基于動壓差法原理的風量測量方法需頻繁使用到皮托管，皮托管分L 型和S 型兩種[2]，利用測出的動壓差計算風速時需乘一個校準系數ζ，當風速小于40m/s 時，L 型皮托管系數為0.99～1.01、S 型皮托管系數為0.81～0.86，因此使用L 型皮托管測量誤差相對較小，但影響L 型皮托管測量精度的因素依舊有很多。下面以二等標準的L 型皮托管為分析對象分析測量誤差出現原因。

2.1 近壁效應影響

管道內流場在放置皮托管后，理論上會和放置皮托管前的流場相比存在一些改變，原因是由于皮托管檢測桿自身的直徑存在會使原流場的流通面積相對減小，同時氣流在皮托管附近產生繞流，使局部的流速分布發生變化，這種現象可看作是一種局部的“流通阻塞”。在這種誤差因素影響下皮托管測得的氣流速度往往會比真實速度略大，且這種誤差規律在皮托管的放置位置靠近管道壁面時尤為明顯，故可把影響皮托管測速的這種因素稱為近壁效應[3]。定義皮托管距離壁面為H，風速的相對誤差為：

u%=Δu/u=(u測-u)/u×100%

近壁效應造成的風速誤差滿足修正函數：

式中d 為皮托管直徑，管內平均速度測點位置H=0.238R，當測試管道直徑為400mm 時半徑為200mm，若使用直徑為8mm 的皮托管進行測量，則H=47.6mm ≈6d，代入上式計算得近壁修正為u%≈+0.588%。

2.2 檢測桿偏轉角度影響

當測量管道內風速時皮托管的檢測桿需伸入管道內，由于管道不透明、往往很難保證檢測桿的方向能完全正對來流方向，因此需探尋檢測桿的偏轉情況是否會對風量測量的精度產生影響。試驗表明[4]，風速測量精度最高的時，檢測桿在流場中的安放角度并不是完全正對來流方向、而是保持一點偏轉角度：通過模擬實驗，利用皮托管測量系統針對同一個皮托管對檢測桿偏轉角在0°～60°之間各個工況的風速進行模擬和測量，結果如圖1。

圖1 偏轉角影響

由圖1可知，當偏轉角小于10°時測量值越來越接近實際值；當偏轉角大于20°時測量值與實際值有偏離的趨勢；當偏轉角在10°～20°之間時測量值比較接近實際值，并在15°時測量值最為精確。因此在實際測量時應將皮托管的檢測桿盡量保持在15°（±5°）偏轉狀態。

2.3 全壓孔尺寸和靜壓孔距離影響

皮托管的檢測桿上分布有全壓孔和靜壓孔（圖2），由于皮托管置于流場后，局部流場在檢測桿處發生繞流，全壓孔測量的全壓和靜壓孔測量的靜壓往往和實際值有一定的差別：對于全壓孔，理論上氣流到達駐點A 時速度應為零、測得的全壓值才是準確的，但實際上到達A 處的氣流質點速度不全為零，全壓孔測得的壓力實際為孔面積上的平均壓力，故實測全壓值會偏小；對于靜壓孔，氣流從檢測桿擾流后到達靜壓孔時經歷了nd 的距離，會產生一段沿程阻力、造成靜壓損失，故實測靜壓值也會偏小。如此最后的動壓差讀數可能偏小也可能偏大，因此需找到一個合適尺寸的全壓孔和合適距離的靜壓孔距離[5]來“抵消”這兩種壓力損失，使最終的動壓差最接近理論值。

圖2 皮托管檢測桿示意圖

以風速為10m/s 為例，采用5種不同全壓孔直徑比d0/d 的皮托管在該風速下進行模擬測量，其直徑比、全壓值、理論誤差（%）分別為0.25/112.48/-0.42、0.3/112.37/-0.45、0.5/113.46/0.07、0.65/109.96/-2.82、0.75/104.24/-3.20。可以看出，當全壓孔直徑比為0.5時全壓誤差值最小。再對上述皮托管中全壓誤差較小三支（直徑比分別為0.25、0.3、0.5）在相同風速下進行模擬測量，在每只皮托管的全壓孔端距離nd 處布置靜壓孔，n 取3～8，試驗結果如圖3。可看出三種全壓孔直徑比的皮托管在n 取7時靜壓測量值最接近理論值、靜壓平均誤差達到最小值，故靜壓孔距離全壓孔取7倍管徑時最好。

圖3 靜壓孔距離誤差影響

綜上，選擇全壓孔直徑比為0.5且靜壓孔距離為7倍管徑長的皮托管進行風速測量準確度最高；直徑比選擇0.25靜壓值測量精度較理想，此時只需對全壓值做修正，最終補償動壓差+0.42%，風速補償約+0.21%。

2.4 皮托管系數修正

皮托管測量風速的誤差來源于全壓和靜壓測量量的誤差，為修正誤差需引入皮托管系數ζ。L 型皮托管的系數在0.99～1.01之間，該系數的檢定方法參照GJB 1758《軍用氣象儀器檢定方法》，國際氣象計量檢定站對L 型皮托管的檢定有效期、皮托管系數分別為1988～1993/1.008、1993～1998/1.005、1997～2002/1.005、2000～2005/1.006、2006～2011/1.006、2010～2015/1.006，平均值1.006，最大偏差±0.003。可以看出，目前L 型皮托管的系數一般穩定在1.006，且相鄰的檢定有效期內最大系數偏差為±0.003。因此，以ζ=1為基準，模擬計算L 型皮托管在不同測試風速下系數偏差在±0.003范圍內對測量結果的偏差程度。

假設其他條件均為標準狀態，則由于皮托管系數偏差引起的測速偏差結果如圖4。可以看出，風速越大皮托管系數的偏差造成的測速偏差就越大，具有線性正比關系；低速測量時皮托管系數的影響較小，當風速在接近10m/s 范圍內時，皮托管系數偏差±0.003造成的測速誤差范圍為±0.015m/s，風速在接近8m/s 范圍時測速誤差范圍為±0.012m/s，最大偏差不超過±0.05m/s。

圖4 皮托管系數測速影響

綜上，為增加風機風量測量結果的準確性，本文對幾種常用的風量測量方法進行了歸納，總結誤差產生的原因，并以L 型皮托管為例分析測量誤差的修正方法。