倾角测压装置设计与测试

郭 琪，李 琳

（湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南长沙 410000）

1 引言

在工业生产中，压力的准确测量对安全生产有着十分重要的意义。现有测压仪表主要分为两类，一类是电子传感器测压；另一类是以皮托管为代表的传统测压。传统测压器工作原理简单、成本低、使用方便，但存在测量精度低，适用范围有限等缺点[1]。根据仪表的适用范围筛选分析发现，传统测压器在开放空间的测量准确度相比在密闭空间内有待改善。

在实际生产工作中，较多通风环境为开放空间，该类型通风环境中空气流动情况与常见的密闭空间不同，用普通压力表或皮托管在管道开口处测得的压力常常偏小，此时测出的压力值误差较大。更有甚者，在某些特殊的开放空间根本测不到压力。因此，为更准确地测量开口处的压力，本文设计了一种简易的专用来测量管道开口处（即开放空间）的测压装置——倾角测压装置。

2 传统测压装置存在的问题

传统测压装置在测量风压时常用皮托管与单管倾斜式微压计配合使用，而皮托管测量的准确性要保证全压孔和静压孔所接受的压力是被测点的全压和静压，但由于测量环境的温度、湿度及阻塞系数等因素的不同，导致测量风压与实际风压存在一定误差，测量准确度下降。

对于全压孔，传统测压器测得的压力实际上是全压孔整个孔面积上的平均压力，而非流速等于零点的压力。由于孔面上速度不等于零的各点压力被全压孔全部接受，导致平均结果比速度等于零点的压力小，这现象常被称为“偏移效应（Displacement Effect）”[2]。由此，全压孔测得的压力并非真正的全压。对于静压孔，测量过程存在的问题更为严重。一方面，当气流流经皮托管表面时，由于受到皮管表面的摩擦影响，皮托管测到的静压偏小，测的压差要比实际压差偏大，这种情况称为“压力损失”[3]。另一方面，从流体绕流皮托管考虑，静压孔所在位置的流动状态，既受上游水平检测杆头部绕流的影响，又受下游竖直检测杆绕流的影响，使得其静压测量孔处的气压偏离理想自由流体的气压，这种偏差称之为“位置误差”[4]。

工业中常用的普通压力表接头结构简单，内腔为通孔，风压通过通孔时会受到与皮托管相类似的问题，而引起测量结果的偏小。

3 倾角测压装置

3.1 倾角测压的原理

倾角测压装置的原理是把一定质量且单边固定的光滑长方形铁片悬挂在管道内上部空间，铁片表面和管道风流方向垂直，即铁片正对通风来流。当无风时，在重力作用下，铁片平面与地面垂直。当管道内风流过铁片对铁片产生正向压力，通风气流会使铁片在气压作用下与重力方向形成一定倾角θ，该角度可通过量角器读出。由于管道是在同一水平高度，管道内的气流可假定为定常气流，而在定常气流中动静压之和为常数。虽然铁片会有轻微摆动，气流稳定时铁片摆动幅度极小，此时气流在铁片上速度可近似为零，气流的动压1/2v2转变成了压强，和静压一起形成总压，表现为倾角的度数。即这个倾角大小不仅与铁片自身所受重力有关，也反映了铁片所在管道区域的风压大小。

从力学角度分析，形成倾角θ的稳定状态，铁片受到三个平衡力的作用，三种力分别为与铁片平行的向上拉力F、垂直于水平面的向下重力G以及垂直于铁片向上的压力P。压力P就是由于通风气流通过铁片而引起的。铁片悬挂轴为强度极高的光滑钢丝，且接触位置涂抹润滑油，故接触面摩擦力忽略不计。力矩平衡计算式如下：

式中：s为铁片面积，cm2；m为铁片重量，kg；g为重力加速度，10kg/N；p为单位面积的风压，Pa。

3.2 倾角测压装置的构造

按照上述原理设计用于实验研究的倾角测压装置由高强度钢丝、铁片、量角器及角度指示器组成，装置示意图和实体图形见图1、图2。

图1 测压装置示意图

图2 测压装置实物图

主要部件尺寸参数如下：悬挂柱为18cm；除去悬挂柱的装置体积约为1320cm3；量角器为普通的量角器，面积约为39cm3；为对比分析实验结果，选用了四种不同质量的铁片，分别为5.290g、5.514g、10.860g、25.725g，铁片面积为80cm2。

4 倾角测压装置测压实验

4.1 实验目的

（1）验证倾角测压装置设计的可行性；

（2）研究铁片质量对压力测量的影响；

（3）发现倾角测压装置的设计缺陷，为今后的改进提供方向和依据。

4.2 实验过程

在水平管道内离开口处20cm 位置设了一个风压测点。通过改变风流的频数，用倾角测压装置测出该测点相应的偏移角度，并分别用4块不同质量的铁片做类比实验。根据式1，计算此测点全压。另外，为对比分析实验结果的准确性，用单管倾斜压差计在同一处测量全压，并采用QBF-3热球风速仪测出该处的风速，计算此处动压。动压pd计算见式2：

式中：pd为动压，Pa；ρ为空气密度，kg/m3；vf为气流平均速度，m/s。

4.3 实验数据及分析

通过倾角测压装置算出的全压值与单管倾斜压差计测得的全压值如表1。

表1 倾角测压装置与单管倾斜压差计的实验数据

由表1可知，风压测点处单管倾斜压差计测得的全压比风速算出的动压小。但风流在出口处是向外压出的（用单管倾斜压差计测得的静压虽然很小，但均大于零），此处的静压是正数，所以全压一定大于动压。因此可知单管倾斜压差计在出口处测得的全压值严重偏小。而倾角测压装置算出的全压比风速算出的动压大，满足全压是动压和静压之和的原则。

图3为在不同频数下对应不同质量铁片计算的全压与用单管倾斜压差计测得的全压。由图3可知，倾角测压装置测得的全压比单管倾斜压差计测得的全压大。倾角测压装置在不同频数下测得的全压轨迹基本都呈线性变化。用不同质量的铁片在不同频数下测得的全压的轨迹是不一样的，质量越大，倾斜的角度即斜率就越大。铁片在一定质量内，铁片质量越大，倾角测压装置对风流改变的敏感度也就越大。但管道出口处要选择何种质量的铁片对测量工作的准确性更有帮助，今后有待研究。

图3 不同频数下的全压

5 结论

根据风压之间关系，分析了倾角测压装置的原理及特点，设计了一台实验倾角测量装置，并进行了初步实验。实验表明，单管倾斜压差计在出口处测得的全压严重偏小，误差较大，而倾角测压装置具有在开口处压力测量的功能，测得的全压比单管倾斜压差计测得的全压更为准确，但该装置仍然存在较多的缺陷，需在今后实验中进一步改进。