磁感风速传感器阻塞修正系数测算方法研究

关秋菊 于召亮 吴松

1 引言

磁感风速传感器（以下称“风速传感器”）是测量气流速度的仪器，适用于煤矿、井下及其它易燃易爆场合中风速的精确测定，也适用于交通、建筑、化工、粮食加工、空气动力学研究等多种场合的风速测量，与质量安全息息相关，在社会生产中占有重要地位。为确保风速观测值准确可靠，对风速传感器进行周期检定是一项重要、工作量较大的任务。因此，有必要寻找一种简易且可靠的风速传感器检定方法，以经济有效地提高测量结果的精度。

根据 JJG 515-87 《轻便磁感风向风速表检定规程》要求的检定条件：风洞工作段的截面积S洞与被检仪器不动部分的截面积（阻塞面积）S仪之比至少为5:1。如果实际的检定环境符合此条件，可忽略阻塞面积的影响；若不符合此条件，就要考虑到阻塞效应，即被检仪器的截面积对被测风速的影响，此时需要将测量结果乘以阻塞修正系数，以修正阻塞面积给测量结果带来的误差影响。因此，估算出准确可靠的风速传感器阻塞系数是误差修正工作的关键所在。本文的研究工作主要针对小风洞检定时，风速传感器的阻塞修正系数测算展开，将理论计算法和经验估算法相比较，分析其特点并提出相应的适用情形，从而实现风速传感器测量数据中的误差修正。

2 确定阻塞修正系数的方法

JJG 515-87《轻便磁感风向风速表试行检定规程》中附录5规定，风速传感器阻塞修正系数的测算方法如下[1]：

检定规程中提供的阻塞修正系数测量方法，需要选两支性能稳定的风速传感器送国家气象局计量所检定，并以此作为标准来求地方小风洞测量时的阻塞修正系数，这就增大了计量检定的工作量。 为了避免额外的工作量，我们在华南国家计量测试中心小风洞（风洞工作段截面直径24mm）的现有条件下，试图寻找一种确定小风洞中风速传感器阻塞修正系数的简易方法，测量结果乘以阻塞修正系数得以修正后，即得到实测风速值，该值应近似等于大风洞(国家气象计量站的大风洞，工作段尺寸为 80cm×80cm)条件下标准风速测量的观测值。

2.1 理论计算法

若对每一种型号的风速传感器，都按规程规定的测量方法求其阻塞修正系数，工作量相当大。采用理论计算法推导每种型号的风速传感器的阻塞修正系数，是一种合理、简单易行的方法。

依据二元风洞中正圆柱的固体阻塞修正方法[2～4]，风速修正值与测量值之比为：

式中，△vf——风速修正值；vb——风洞的风速测量值；Sm=π r2——阻塞柱体(风速传感器不动部分)的截面积；Sw=π R2——风洞工作段的截面积。

由风速传感器阻塞系数的定义，可推得：

由于风速传感器的转动部分(风叶)随风洞中气流的转动而转动，对风速值影响不大，且很难计算出阻塞效应下降的幅度，为此把转动部分引起的阻塞效应忽略不计，只计算传感器不动部分的投影面积Sm。

设 1Sw为标准风洞(一级风洞)的工作段截面积，按(2)式求出风速传感器在标准风洞中的阻塞风速修正值：

设 2Sw为地方风洞(二级风洞)的工作段截面积，再按(2)式求出风速传感器在小风洞测试时的阻塞风速修正值：

依据国家计量量值传递体系，省级气象计量测试部门以上一级计量测试机构的测试结果为标准，计算被检风速传感器在华南国家计量测试中心EDE-14型风洞测试时的阻塞修正系数。利用相对的概念，以上一级法定计量测试机构的标准风洞测试结果为标准，即用(5)式减去(4)式代入(3)式，得出计算被检风速传感器在二级风洞(小风洞)测试时的阻塞修正系数：

式中， 1Sw——大风洞工作段截面积； 2Sw——小风洞工作段截面积；Sm——被检风速传感器不动部分投影面积。

2.2 经验估算法

试验设备：EDE-14型风洞、标准皮托—静压管、微压计、AVM-01型风速传感器（n支）。

试验步骤如下：依据JJG 515-87《轻便磁感风向风速表试行检定规程》，分别对n支风速传感器进行检定，记录原始数据：调整风洞电机，测量起动风速和 2m/s、5m/s、15m/s、25m/s、30m/s、20m/s、10m/s处的风速，分别记录这8个检定点处的风速传感器示值vzi和微压计示值Hi,i =0,1,2,……,7。

将所得测量数据，依以下步骤处理之：

（1）、任取其中一支风速传感器的测量数据，计算标准状态下的相当风速v1i(m/s)[1,5]：

Hi：第i个检定点处的微压计示值，单位mmH2O。

（2）、根据经验，将vzi、v1i的值代入下式，可得该风速传感器的阻塞修正系数：

（3）、以相同的方法，计算每一支风速传感器的阻塞修正系数kE，k =1,2, ……,n。

（4）、最后，取n次独立观测值kE的算术平均值（假设其每个观测值kE的不确定度相同），得到AVM-01型风速传感器的阻塞修正系数的最佳估计值[6]：

2.3 阻塞修正系数的测算结果评定

将同型号的风速传感器按上述方法进行阻塞修正系数测算：根据被检风速传感器阻塞面积与风洞工作段的截面积，一是按理论计算法求出阻塞修正系数；二是利用经验估算法得出风速传感器的阻塞修正系数。而后，需要对阻塞修正系数测算结果的质量高低进行评定，可用以下两种方法：

方法一：首先根据《JJG 515-87轻便磁感风向风速表试行检定规程》中附录5的规定，确定风速传感器的阻塞修正系数：将标准风速传感器在国家气象局计量所的大风洞、华南国家计量测试中心EDE-14型风洞中进行测试，得到两个不同的线性回归方程，将指定的指示风速值（30m/s）分别代入方程，得到两个实际风速，前者所测实际风速与后者所测实际风速之比，即为风速传感器的阻塞修正系数。以此阻塞修正系数为基准，分别考察由理论计算法、经验估算法求出的阻塞修正系数的准确度[7]。

方法二：如果可获取精确的风速传感器阻塞面积测量值，则以理论计算法求得的风速传感器的阻塞修正系数为基准，来考察以经验估算法求得的风速传感器阻塞修正系数的准确度。若二者相差较小，则可认为经验估算法可行；若二者相差较大，则需重新考虑经验估算法。

以上两种评定方法，可根据实际测算情况选择一种进行评定，但多数情况下选用第二种方法可能更为方便，它不需要将风速传感器送往上一级检定机构，减少了一定的工作量。

3 实验结果对比

利用 AVM-01型风速传感器 16支（取样本n=16），在华南国家计量测试中心EDE-14型风洞中作测试，利用实验数据，分别用式(7)和式(9)计算出阻塞修正系数。比较两种方法求得的阻塞修正系数。

（1）、理论计算法求阻塞修正系数

经实际测量得：AVM-01型风速传感器的阻塞面直径 21.38mm，即不动部分投影面积Sm为1.142761πcm2。又知：国家气象局计量所的大风洞，工作段尺寸为80 cm×80cm，截面积1Sw为6400cm2；华南国家计量测试中心EDE-14型风洞工作段直径为24cm，截面积 2Sw为 144πcm2。将这些数据代入式（7），可得风速传感器的阻塞修正系数E0=1.081。

（2）、试验测试法求阻塞修正系数

依据试验测试法的步骤，求每支风速传感器的阻塞修正系数。如，已知编号04060896的AVM-01型风速传感器的试验记录（见表1），将测试数据代入式（8），可得该风速传感器的阻塞修正系数E =1.092。依次得到16支风速传感器的阻塞修正系数（见表2）后，对这组风速传感器阻塞修正系数求平均值，即将表2中的数值代入式（9），得E=1.083。

4 结论

（1）、由AVM-01型风速传感器在EDE-14型风洞中的测试结果得知：用经验估算法得出的风速传感器阻塞修正系数（本实验中等于 1.083），接近理论计算值1.081，相差仅0.002。

表1 风速传感器04060896试验数据记录

表2 风速传感器阻塞修正系数E

（2）、若风速传感器生产厂家已提供精确的风速传感器阻塞面积，或检定部门可方便地获取阻塞面积，建议使用理论计算法来计算风速传感器的阻塞修正系数。该方法具有可靠的理论依据，操作方便，运算量小，适用于各种低速风洞。

（3）、若风速传感器阻塞面积不易获取，此时可考虑选用经验估算法求其阻塞修正系数。通过实验发现，风速传感器样本数量n取值过小，按经验估算法求得的阻塞修正系数与理论计算法所得相差较大；n取值大时，二者所得结果相近，但同时也增加了运算量。因此在样本数量n的选取上，需要在以后的检定工作中进一步深入研究。

[1] 国家气象局气象计量检定研究所.国家计量检定规程 JJG 515-87《轻便磁感风向风速表试行检定规程》[M].北京:中国计量出版社,1987

[2] 朱乐坤,孙嫣.风速传感器阻塞修正系数试验与研究[J].太阳能学报.2009.7

[3] 李国森,敖振浪.风速仪在风洞检定中的阻塞修正[J].气象.2006.9

[4] 艾伦·波普,约翰丁·哈伯著.低速风洞试验[M].彭锡铭,严俊仁,石佑伦,译.北京:国防工业出版社,1977

[5] 中国气象局.气象行业标准QXT 84-2007《气象低速风洞性能测试规范》[M].北京:气象出版社,200

[6] 国家质量技术监督局.国家计量检定规程JJF1059-1999《测量不确定度评定与表示》[M].北京:中国计量出版社,1999

[7] 叶廷东,刘桂雄.传感信息软解耦方法的研究进展及分析[J].自动化与信息工程,2009.4