一种可变径微风速标定装置及标定方法的研究

叶燕平 刘友勤 顾 文 钟昌文

一种可变径微风速标定装置及标定方法的研究

叶燕平 刘友勤 顾 文 钟昌文

上海理工大学环境与建筑学院

通过理论分析，研制了一种可变径负压式微风速标定装置，通过确定标准点风速，实现风速的高精度标定与校正，并根据不同大小的标定风速通过变管径的方式进一步提高标定准确度，并且实现微风速（0.2～2.0m/s）的标定与校正。通过对其在不同风机频率、不同标准风道管径下进行了6种工况的标定试验，试验结果表明：该标定装置中，测试段管径为99.7mm的标准风道用于标定2m/s以上的风速，测试段管径为196.7mm的标准风道用于对0.2～2.0m/s的微风速进行标定。两种管径下的标定误差均在5%以内。

可变径负压式风速标定装置标准点风速标准风道标定准确度

0 引言

室内气流组织是保证室内空调效果的重要手段之一[1]。在通常情况下，室内居留区空气流速控制在1.0m/s之内[2]。而在热环境现场测试中，很难用热线风速仪准确测得该范围内的微小风速[3～4]，为提高室内气流组织的测试精度，需对微风速条件下的热线风速仪进行标定。

目前行业中较为普遍采用的风速计标定方法有两种：一种是旋臂机法，此方法结构复杂，易扰动静止的空气，从而影响标定精度；另一种是相对标定法[5]，此方法不易实现1.0m/s以下的低风速标定和校正，且皮托管本身标定也会带来一定的误差，另外，风速改变引起风管内速度场的不稳定也会对标定精度带来影响。如何准确且方便快捷地实现风速仪在微风速（0.2～2.0m/s）范围内的标定、校正，同时保证标定的精确度和准确度，是建环专业测试技术领域亟需解决的问题之一[7]。故课题组研发了一种可变径负压式微风速标定装置实现微风速的高精度标定，标准流量管为一可变径式标准流量管，可以根据不同标定风速范围选取最合适的管径以进一步提高标定准确度。

1 实验装置及原理

1.1 实验装置

可变径负压式微风速标定装置如图1所示。该装置采用负压引入空气，并通过静压箱连接标准风道和风机，保证了标准风道内压力场和速度场的稳定，有利于克服风机变频时引起的不稳定影响，提高标定精度。采用渐扩整流段实现标准风量到微风速的转变，保证气流均匀和稳定，实现微风速的标定。

图1 可变径负压式微风速标定装置

1.2 实验原理分析

标准流量管是通过大气压力、空气温度、空气相对湿度和某截面的壁面静压4个参数测试流量[8]。装置的试验原理是用伯努利方程计算标准流量管流量，根据质量守恒定律，由标准流量获得标准风道平均风速，再根据流体在管道内流动分布的特点，经理论计算得出风道轴心风速作为标准点风速，即风速计标定时的参照标准风速。

由伯努利方程得到：

式中：△P为压差，Pa；P0为大气压力，Pa；P1为标准流量管喉部的壁面静压，Pa；ρ为被测空气的密度，kg/m3，在考虑空气温度，空气相对湿度和大气压力的情况下计算得到；v1为标准流量管的平均流速，m/s。

由式（1）得：

则标准流量可由下式计算得：

式中：A1为标准流量管的喉部面积，m2；ε为空气膨胀系数。

当风机频率为10Hz时，测得压差△P=4.0Pa，v1=假定标准风道内风速为0.2m/s，根据质量守恒定律q2= q1即A1v1=A2v2，则：

得大管径为196.7mm。同理当风机频率为10Hz，假定标准风道内风速为2.5m/s，可得小管径为99.7mm。

2 试验结果及分析

为说明该试验装置中不同管径适用于不同大小风速的标定，实验小组对其进行了试验研究。试验分6个工况，以不同风机频率为变工况条件，详见表1～2。

表1 管道一测试结果（风速范围1.5～12m/s）

表2 管道二测试结果（风速范围0.2～1.5m/s）

图2不同测试段管径下风机频率与理论风速值的关系曲线

图2 、图3分别为不同测试段管径下风机频率与理论风速值、雷诺数的关系曲线。由图2、图3可以看出，测试段轴心处理论风速值大小与风机频率大小几乎呈线性关系，且呈正比。测试段管径R=99.7mm管段内的风速范围＞2m/s，在此管段内很难实现微小风速的标定；测试段管径R=196.7mm管段内则可以实现对微小风速（0.2～2m/s）的标定。雷诺数的变化趋势与理论风速值基本相同，由于风速范围大小的差异造成不同管径雷诺数数量级的差异。

图3不同测试段管径下风机频率与雷诺数的关系曲线

图4 是标定装置理论计算值与热线风速仪实测值的比较，由图看出理论风速曲线与实测值曲线几乎重合，说明了该标定装置的精确性。

图4不同测试段管径下风速理论值与实测值比较

图5 是实测风速误差曲线，小管径管段内对大风速的标定误差都在2%以内，达到了较高的精度，且随着风机频率增大、被标定风速的增大而增大；大管径管段内对微小风速的标定误差除了极小风速处最大误差达到4%，其余点标定误差也均在2%以下，也随被标定风速增大而增大。

图5 不同测试段管径下实测风速误差曲线

3 结论

通过对试验数据处理分析可以得到：

1）该标定装置通过小管径测试管段能精确地标定大风速，精度在2%内；通过大管径测试管段可以标定0.2～2m/s之间的微小风速，除了对某些极小风速标定误差达到4%，微小风速的标定精度也都在2%内。

2）理论计算风速与风机频率呈线性关系，且呈正比。实测风速与理论风速一致，但由于管段内增加了整流金属网，使得实测风速比理论风速略小。

3）通过实验，当被标定的风速大于2m/s的时候，用小管径测试管段进行标定；当标定风速为0.2～2m/s之间的微风速时，用大管径测试管段进行标定。通过可变径的风速标定，实现操作更方便，测试结果更加精确的目的。

[1]周正平,董凯军,连之伟.空调房问气流组织与人体热舒适关系的初步探讨[J].制冷空调与电力机械,2006,27(1):17-20

[2]黄晨.建筑环境学[M].北京:机械工业出版社,2005

[3]Abdullah M Al-Garni.Low speed calibration of hot-wire anemom -eters[J].Flow Measurement and Instrumentation,2007,18:95-98

[4]Santiago Pezzotti.A wind tunnel for anemometer calibration in the range of 0.2～1.25 m/s[J].Flow Measurement and Instrumenta -tion,2011,22:338-342

[5]路建岭.一种负压式微风速标定装置的试验研究[J].流体机械, 2009,37(10):7-10

[6]郎四维.使用激光流速计的风速标定装置简介[J].暖通空调. 1982,(4):29-31

[7]李殿玺,王世安,游克全,等.一种新的流量管标定方法[J].热能动力工程,2004,19(3):316-317

[8]工业通风机——用标准化风道进行性能试验(GB/T1236-2000) [S]

Study of Ca libra tion Equipm e nt w ith Va ria ble Dia m e te r for Bre e ze a nd Its Ca libra tion Me thod

YE Yan-ping,LIU You-qing,GU Wen,ZHONG Chang-wen
School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology

Based on theoretical analysis,a negative pressure calibration equipment for breeze with variable diameter was developed.The high-precision calibration can be realized by assure the speed of the standard piont.According to the different wind speed which is to be calibrated,the calibration accuracy can be further improved by variable diameter and the calibration for breeze speed(0.2～2.0m/s)will be realized.Six calibration experiments were accomplished in different fan frequency and standard duct diameter.The results are showed as follows:in this calibration equipment,when pipe diameter of the standard duct is 99.7 mm,it is used to calibrate the speed over 2m/s.when pipe diameter of the standard duct is 196.7 mm,it is used to calibrate the speed between 0.2 and 2m/s.Calibration error is less than 4%in these two pipe.

calibration equipment with variable diameter negative pressure for breeze,speed of the standard piont, standard duct,calibration accuracy

1003-0344（2014）04-081-3

2013-5-23

叶燕平（1991～），女，本科；上海理工大学环境与建筑学院（200129）；E-mail:yeyanpinggxp@sina.com基金项目：上海理工大学大学生创新活动计划项目；国家自然科学基金青年科学基金项目（51108263）