基于激光多普勒测速仪的皮托管校准实验研究

崔骊水， 胡鹤鸣， 李春辉

（1.北京理工大学，北京 100081；2.中国计量科学研究院，北京 100029）

基于激光多普勒测速仪的皮托管校准实验研究

崔骊水1，2， 胡鹤鸣2， 李春辉2

（1.北京理工大学，北京 100081；2.中国计量科学研究院，北京 100029）

用皮托管测量风速时需要其校准系数α来修正测量结果，激光多普勒测速仪可用于皮托管的校准。在校准过程中，皮托管探头附近的绕流和实验段流场在轴线上的速度分布偏差会影响校准结果。为评估或修正这些影响进行了实验研究，实验结果表明：皮托管探头对原有流场的干扰会影响α的校准结果，因此校准时须找到合理的激光多普勒测速仪测量位置以尽可能地避免这种影响；实验段流场轴线上固有的速度分布偏差也会影响校准结果，这种影响可以通过实际测量来修正。

计量学；风速；校准；皮托管；激光多普勒测速仪

1 引 言

皮托管常用于风速的测量。由于其原理简明，结构简单，在测量中可以实现较高的准确度，也被用作标准器来校准其它的风速计［1］。用皮托管测量风速时需得到其校准系数α来修正理论计算结果，校准系数是通过对皮托管进行实流校准得到的。皮托管的校准可以通过几种方法来实现［2］，包括旋臂机法、音速喷嘴法、船池法等。最常用的方法是在风洞中进行校准。激光多普勒测速仪（Laser Doppler Anemometer：LDA）可以作为标准器校准皮托管。其测量准确度高（可以达到0.2%），测量方式为光学非接触测量，不会破坏固有流场［3］。目前，LDA已被德国PTB、美国NIST、日本NMIJ等计量机构作为本国风速标准中的标准器［4］。中国计量科学研究院建立了以低速风洞为主体，LDA为标准器的风速标准装置，可实现对皮托管及其他类型风速计的校准和标定。

在应用LDA校准皮托管时，皮托管的校准系数α的校准结果受几个因素制约和影响。主要包括：LDA（标准器）的准确度，微压计的准确度，空气密度测量等。这些影响因素表征了风速标准装置的校准水平，可以在校准结果的不确定度评定中予以量化。此外，皮托管对试验段流场的干扰和破坏以及流场中固有的流速分布偏差会对校准结果产生影响，实验的目的是为了研究流场变化对校准结果的影响，优化校准方法，使校准结果得到合理的修正。

2 皮托管校准系数α的计算

用皮托管来测量流场中某点的风速时，该点的风速可由式（1）计算得到［5］

式中：α为皮托管的校准系数；Δp为皮托管的差压；ρ为气体的密度；（1－ε）为压缩修正系数，对于低流速下的气体，（1－ε）的值由式（2）给出：

式中γ为空气的比热容比。

用LDA校准皮托管时，LDA测得的风速值作为标准值，用vLDA表示；皮托管测得的风速值用v′p表示，则

皮托管的校准系数

3 LDA校准皮托管的实验研究

3.1 风速标准装置及校准影响因素

校准皮托管的风速标准装置由风洞和LDA构成，风洞的流速范围：0.2～30 m／s；LDA速度测量的扩展不确定度估计为Urel＝0.3%，k＝2；实验段流场的流速分布均匀性＜0.35%；流场轴线流速30 min内的流速稳定性＜0.35%；用于测量皮托管差压的微压计：0～2500 Pa，0.02%FS。校准实验布置如图1所示。

校准皮托管时，将皮托管探头置于风洞喷口下游流场的轴线位置上，在不同的校准流速下用LDA和皮托管同时测量来流速度，按式（4）计算皮托管的校准系数。选取的实验对象是2支探头外径为6.5mm，总压孔内径2.5 mm的皮托管，编号为1＃，2＃。

图1 校准实验布置示意图

3.2 绕流影响实验研究

当皮托管置于实验段流场中，在其探头前段会形成绕流。当流动位置趋近于探头前端时，气流速度会逐渐降低，直至形成速度为零、压力最大的驻点。校准皮托管时，LDA须在皮托管探头上游测量来流速度，绕流的存在使得探头上游的速度发生了变化。为了使LDA测得准确的来流速度，需要找到LDA测量的合理的位置，尽可能地避免绕流对测量vLDA的影响。

实验段流场的均匀来流速度在不同位置存在偏差。为了区分这种偏差和绕流带来的速度变化，先用LDA测量实验段在未安装皮托管时流场轴线上的速度分布。并把这个偏差作为是否有绕流影响的标准判据。以风洞喷口出口处中心为原点，每隔25 mm用LDA测量一个速度点，每个速度下流体的湍流度为0.2%。在轴线300 mm的范围内5 m／s，15 m／s，30 m／s三个不同流速的速度分布如图2所示。在不同的流速下，轴线速度分布标准偏差的最大值σmax＜0.4%。

图2 无绕流时的轴线流速分布

在此实验结果的基础上，风洞喷口下游的均匀来流考虑为一维无粘不可压缩的定常流。校准时，皮托管探头与喷口的轴线重合，为了评估绕流对上游速度分布的影响，用Fluent进行模拟计算。假设上游的均匀来流速度为10m／s，计算皮托管探头上游的速度分布。结果如图3所示。计算结果表明：皮托管上游越靠近探头的位置，流动速度越低，在总压孔附近形成速度为零的驻点，轴线流速在20 mm的位置有1%的下降。此外，流动在皮托管探头静压测量孔分布的位置出现了分离。

图3 皮托管上游流速分布模拟计算结果

为对模拟计算结果进行实验验证，在距离风洞喷口出口70mm处安装皮托管，LDA在皮托管上游的轴线上每隔1mm进行测量，1＃、2＃皮托管的绕流影响实验结果如图4所示。两支皮托管的实验结果都表明：距离皮托管总压孔的距离越近，气体流速下降的越快。

对于1＃皮托管，在其上游距离皮托管探头小于20mm的范围内，流速的变化超过了无绕流影响时的流速波动最大值σmax，而在大于20mm的位置，气体流速的变化小于无绕流时的波动。这时，认为实验所选取的皮托管对轴线流速的影响在其上游20 mm的范围内。因此，校准1＃皮托管时，LDA的测量位置应在皮托管上游大于20 mm的范围内。对于2＃皮托管，速度变化率开始小于σmax的位置在上游距离探头13mm处。

计算和实验结果都表明：校准皮托管时，LDA测量位置应为轴线上不受绕流影响的位置，定义此位置为LDA校准皮托管的标准位置。同理，用LDA作为标准器校准其他风速计时，由于不同类型，不同尺寸的风速计在不同的雷诺数下产生的绕流存在差异［6～7］，也需要找到合理的测量位置，尽可能地避免或减小绕流的影响。同时，从实验结果也可以得出：在0.4%的精度要求下，在0.2～30 m／s的流速范围内，LDA的测量位置在不同流速下（5m／s，15m／s，30m／s）的差异是可以忽略的。这个结论对实际的校准过程而言具有很好的实际意义。

图4 皮托管上游轴线流速分布实验结果

3.3 轴线速度分布偏差的修正

图2的测量结果也表明：实验段中未安装任何风速计时，流速在轴线上的分布存在偏差。在校准过程中，为了避免绕流的影响，LDA和皮托管同时测量轴线上不同位置的流速，因此流速在不同位置上的偏差也被带入了校准结果，这种影响可以通过实际测量来修正。实验步骤如下：

（1）在完成3.2节所述的校准过程后，将被校的皮托管从实验段中移走；

（2）在校准风速下用LDA分别测量标准位置与被校皮托管位置的风速；

（3）轴线速度分布偏差的修正系数：

式中：vLDA－MUT为被校皮托管位置的风速，vLDA为标准位置的风速。则皮托管的校准系数

实验结果如图5所示。在处理实验结果时，将不同流速（5 m／s、15m／s、30m／s）在标准位置和被校皮托管位置的测量结果进行归一化，分别计算两个位置归一化以后的算术平均值，用得到的两个算术平均值之间的偏差来评价影响量。结果表明轴线速度分布偏差的修正系数cLDA＝0.997。由式（6）可知，考虑流速分布偏差的影响，使得皮托管校准系数α的值得到约0.3%修正量。

图5 无绕流影响下的流速分布偏差实验结果

4 结论和分析

为了研究应用LDA校准皮托管的方法，设计了不同的实验来评估与修正皮托管在校准过程中绕流与轴线流速分布偏差带来的影响量，实验结果表明：校准实验选取的皮托管时，LDA的测量位置应至少位于皮托管探头上游20 mm的位置，才能尽量地避免绕流影响的影响；同时，在目前的实验条件和范围内，LDA测量的标准位置在不同流速下的差异可以忽略。轴线流速分布偏差带来的影响达到了0.3%，这个偏差可以通过实际测量来修正。

本文的实验方法不仅适用于对皮托管校准的研究，对于其他类型的风速计，如热式风速计、叶轮式风速计的校准也可以通过相似的方法进行研究。

这些影响因素和被测介质的粘度和流速存在关系，而雷诺数是粘度和流速的函数。因此，对皮托管的进一步的研究将在实验的基础上寻找皮托管校准系数α和雷诺数的关系，最终给出普遍适用的计算公式。

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Experimental Investigation to Calibrate Pitot-tube by Laser Dopp ler Anemometer

CUILi-shui1，2， HU He-ming2， LIChun-hui2
（1.Beijing Institute of Technology，Beijing100081，China；
2.National Institute of Metrology，Beijing 100029，China）

Pitot-tube iswidely used tomeasure the air velocity.The coefficientαmust be calibrated to correct the measurement result.Laser Doppler anemometer can be applied to calibrate Pitot-tube to acquire the coefficientα.During the process，the calibration result can be influenced by the flow round the probe of Pitot-tube and air velocity distribution deviation in long axis.The experiments are conducted to evaluate or correct this influence.The results show the calibration resultswill be different due to the interference of probe mounted in flow field.For this reason the proper measurement position for laser doppler anemometer is required to reduce the influence as much as possible.The inherent air velocity distribution deviation also influences the calibration result ofα.This influence can be corrected by actualmeasurement.

Metrology；Air velocity；Calibration；Pitot-tube；Laser doppler anemometer

TB937

A

1000-1158（2014）06-0603-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．06．18

2013-06-07；

2013-07-25

科技部科技支撑项目（2013BAK12B01）

崔骊水（1979－），男，陕西榆林人，中国计量科学研究院副研究员，硕士，主要研究方向为气体流速和流量计量。cuils＠nim.ac.cn