皮托管检定夹具的设计

韩书新，黄清治

（黑龙江省大气探测技术保障中心，黑龙江 哈尔滨150030）

1 引言

皮托管又称皮托静压管， 是一种测量气流总压和静压以确定气流速度的设备。 它是由一个垂直在支杆上的圆筒形流量头组成的管状装置。 在皮托管的侧壁周围有一些静压孔, 顶端有一个迎流的全压孔。 它能测出差压，并根据压差确定流场中某处的流速[1]。

皮托管作为一种高精度的测量设备， 经过精密加工及标定后，在马赫数<2 的流速范围内，其精度可达10-3级别，所以即便皮托管已有二百多年的历史，但它至今仍被广泛应用于工业及民用领域[2]。

2 皮托管的构造及工作原理

2.1 皮托管的结构

图1 皮托管结构示意图

皮托管的构造如图1 所示。 皮托管外形为直角弯折的金属管，顶端有一个总压孔，在其侧壁上排布着若干的静压孔。 总压孔与静压孔相互独立，分别用导压管引出连接至微压计[3]。 较长的支杆将总压孔和静压孔的接头引出以便于二者与微压计相连。 在支杆的下部有定向杆， 其作用是为了保证皮托管使用中总压孔与气流方向上的定位。 图中竖直向下的管是用来测量总压力的，被称为皮托管；而水平向右的管子是测量静压力的，被称为静压管。

实际上通常所说的皮托管均为皮托管和静压管的组合，而且多数使用实验系数近似为1 的形状，即国际标准中所推荐的锥形头 （GETIAT）、 椭圆形头（MPL）、球形头（AMCA）等三种形式。

2.2 皮托管的工作原理

图2 皮托管工作原理图

皮托管是一种伯努利方程在空气中的应用[4]。 如图2 所示，当理想流体均匀且平行流向静止物体时，设想其中一条流线撞击在物体的驻点A 上， 则流体在该点将发生分流， 驻点A 处的流体流速为零，即VA=0。

选择两个截面K1和K2， 其中K1截面流动没有受到任何的影响，流束是平行的，流速形成规则的速度分布，截面上各点的静压力相等。K2截面流动受到影响，流束密集，流速加快，静压降低。 则在K1，K2面上的伯努利方程为：

其中:ε 为截面K1、K2间的流体阻尼系数，这里设ε=0；ρ1，ρ2为流体密度， ρ1=ρ2=ρ流体；K1,K2为速度分布不均系数，K1=K2=1；P1，P2为两个截面的静压力；V1、V2为两个截面的流体流速，V2=VA=0。

从而式（1）变为：

其中:P2为总压力 （A 点处动压为零）；P1为静压力。

由于均匀流场中静压力相等，则PB=P1=P0，此时令P2=P，V1=V，式（2）变为P-P0= ρ流体V2，整理后得到：

其中:P-P0表示流场中某点的动压力。

由此可知， 当得到流场中某点的动压力且知道流场中流体的密度时， 即可得到流场中流体在该点的速度。

通过以上分析可知， 要得到流场中某点准确的流体速度， 皮托管在该流场中一定要保证其总压孔正对流体流向[5-6]，且皮托管在流场中一定要保持稳定，避免其在流体的作用下发生偏移[7]。 这就要求在皮托管安装时，要尽可能的减小安装误差，从而保证其安装的准确性和稳定性。

3 皮托管夹具的设计

3.1 夹具设计的原则

夹具要能够满足测量原理所需满足的条件，即皮托管在流场中要保证总压孔正对气流流向， 且要保证其在流场中的稳定， 避免在流体的作用下发生移动或偏转。 根据以上的安装要求，总结夹具设计要保证以下几点原则：

（1）要保证皮托管在流场内安装的稳定性及准确性；

（2）要保证夹具的通用性，即不同类型、长度的皮托管均可使用；

（3）要保证方便安装。

所以， 皮托管夹具的设计需依据以上的原则来进行。

3.2 夹具的设计

根据夹具设计的原则。 皮托管夹具设计主要由上夹板、支撑杆、支撑座、固定螺丝等部件组成。 它可将不同型号、 长度的皮托管较为稳定地安装在风场内。

夹具的支撑座通过螺纹为M8， 螺距为1 mm 的细牙螺纹孔与两根支撑杆相连， 从而可以保证安装皮托管时，其能够竖直地固定在风洞风场内。

上夹板起到固定作用。 通过固定螺丝将皮托管牢牢固定在支撑杆上。 同时，通过上夹板和固定螺丝的上下调节，可实现不同长度皮托管的安装。

该皮托管夹具整体长度约310 mm， 宽度约60 mm，支撑座部分配有M18，螺距2.5 mm 的安装螺纹孔， 以便于与气象用DZS-II 型低速直路风洞安装孔配合，以适用于气象风洞的皮托管检定工作。

4 夹具的实际应用

实际应用中， 该款夹具便于将皮托管安装在风洞洞体内， 并且可以很好的保证皮托管检定过程的稳定性， 可适用于不同长度、 类型的皮托管检定工作。

表1 L 型（长800 mm）皮托管检测数据

从表1 数据可以看出，某一L 型800 mm 长的皮托管，通过夹具对皮托管进行固定，数据输出比较稳定。 从而表明该夹具可大大地减小安装误差对检定数据的影响。

从表2 可以看出， 该皮托管的检测数据符合检定规程中的要求。 从而保证了检定数据的准确性与稳定性。在较大尺寸的皮托管检定中，效果尤为显著,大大提高了检定工作的质量。

表2 检测结果

5 结论

通过气象风洞在皮托管检定中的要求， 总结了皮托管检定中的安装夹具的几点原则。 并依此原则，通过CAD 及三维仿真软件， 设计了基于气象直路低速风洞的皮托管检定夹具。 该款夹具在理论上可以很好地对皮托管进行固定。

通过对该皮托管夹具的实际操作以及对检定数据结果的分析，该夹具在安装上较为方便，并可适应于各种不同长度、类型的皮托管的检定工作。 同时可以减小特别是在较大尺寸皮托管检定中的安装误差对检定数据的影响， 很好的保证检定过程中数据的准确性和稳定性， 进而可以很好的保证皮托管检定工作的质量。 这对进行皮托管检定工作的开展及检定结果的质量控制都有着一定的促进作用。

[1]汪玉忠, 张宁. 文丘里皮托管流量计的应用[J]. 自动化仪表,1994.

[2]杨大业, 周临川. S 型皮托管的应用及标定分析[J].计量技术,2000.

[3]王敏, 周树道, 王彦杰, 朱国涛. 影响皮托管测风精度的几个因素[J]. 实验室研究与探索,2010.

[4]郭仁东, 胡冰, 王立捷, 苏丹丹, 齐宏宇. 圆管流体平均流速与管道半径的关系[J]. 沈阳大学学报,2008.

[5]孙志强, 周孑民, 张宏建, 胡剑. 皮托管测量影响因素分析I. 检测杆与安装角的影响[J]. 传感器技术学报,2007.

[6]孙志强, 周孑民, 张宏建, 胡剑. 皮托管测量影响因素分析Ⅱ.全压孔与静压孔的影响[J]. 传感器技术学报,2007.

[7]杨欢, 秋实, 陈思林, 杨丹, 陈涛. 探头偏转角对皮托管测速精度影响分析[J]. 测控技术,2012.