關(guān)秋菊 于召亮 吳松

1 引言

磁感風(fēng)速傳感器（以下稱“風(fēng)速傳感器”）是測(cè)量氣流速度的儀器，適用于煤礦、井下及其它易燃易爆場(chǎng)合中風(fēng)速的精確測(cè)定，也適用于交通、建筑、化工、糧食加工、空氣動(dòng)力學(xué)研究等多種場(chǎng)合的風(fēng)速測(cè)量，與質(zhì)量安全息息相關(guān)，在社會(huì)生產(chǎn)中占有重要地位。為確保風(fēng)速觀測(cè)值準(zhǔn)確可靠，對(duì)風(fēng)速傳感器進(jìn)行周期檢定是一項(xiàng)重要、工作量較大的任務(wù)。因此，有必要尋找一種簡(jiǎn)易且可靠的風(fēng)速傳感器檢定方法，以經(jīng)濟(jì)有效地提高測(cè)量結(jié)果的精度。

根據(jù) JJG 515-87 《輕便磁感風(fēng)向風(fēng)速表檢定規(guī)程》要求的檢定條件：風(fēng)洞工作段的截面積S洞與被檢儀器不動(dòng)部分的截面積（阻塞面積）S儀之比至少為5:1。如果實(shí)際的檢定環(huán)境符合此條件，可忽略阻塞面積的影響；若不符合此條件，就要考慮到阻塞效應(yīng)，即被檢儀器的截面積對(duì)被測(cè)風(fēng)速的影響，此時(shí)需要將測(cè)量結(jié)果乘以阻塞修正系數(shù)，以修正阻塞面積給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的誤差影響。因此，估算出準(zhǔn)確可靠的風(fēng)速傳感器阻塞系數(shù)是誤差修正工作的關(guān)鍵所在。本文的研究工作主要針對(duì)小風(fēng)洞檢定時(shí)，風(fēng)速傳感器的阻塞修正系數(shù)測(cè)算展開(kāi)，將理論計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)估算法相比較，分析其特點(diǎn)并提出相應(yīng)的適用情形，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)速傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)中的誤差修正。

2 確定阻塞修正系數(shù)的方法

JJG 515-87《輕便磁感風(fēng)向風(fēng)速表試行檢定規(guī)程》中附錄5規(guī)定，風(fēng)速傳感器阻塞修正系數(shù)的測(cè)算方法如下[1]：

檢定規(guī)程中提供的阻塞修正系數(shù)測(cè)量方法，需要選兩支性能穩(wěn)定的風(fēng)速傳感器送國(guó)家氣象局計(jì)量所檢定，并以此作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)求地方小風(fēng)洞測(cè)量時(shí)的阻塞修正系數(shù)，這就增大了計(jì)量檢定的工作量。 為了避免額外的工作量，我們?cè)谌A南國(guó)家計(jì)量測(cè)試中心小風(fēng)洞（風(fēng)洞工作段截面直徑24mm）的現(xiàn)有條件下，試圖尋找一種確定小風(fēng)洞中風(fēng)速傳感器阻塞修正系數(shù)的簡(jiǎn)易方法，測(cè)量結(jié)果乘以阻塞修正系數(shù)得以修正后，即得到實(shí)測(cè)風(fēng)速值，該值應(yīng)近似等于大風(fēng)洞(國(guó)家氣象計(jì)量站的大風(fēng)洞，工作段尺寸為 80cm×80cm)條件下標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速測(cè)量的觀測(cè)值。

2.1 理論計(jì)算法

若對(duì)每一種型號(hào)的風(fēng)速傳感器，都按規(guī)程規(guī)定的測(cè)量方法求其阻塞修正系數(shù)，工作量相當(dāng)大。采用理論計(jì)算法推導(dǎo)每種型號(hào)的風(fēng)速傳感器的阻塞修正系數(shù)，是一種合理、簡(jiǎn)單易行的方法。

依據(jù)二元風(fēng)洞中正圓柱的固體阻塞修正方法[2～4]，風(fēng)速修正值與測(cè)量值之比為：

式中，△vf——風(fēng)速修正值；vb——風(fēng)洞的風(fēng)速測(cè)量值；Sm=π r2——阻塞柱體(風(fēng)速傳感器不動(dòng)部分)的截面積；Sw=π R2——風(fēng)洞工作段的截面積。

由風(fēng)速傳感器阻塞系數(shù)的定義，可推得：

由于風(fēng)速傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)部分(風(fēng)葉)隨風(fēng)洞中氣流的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)風(fēng)速值影響不大，且很難計(jì)算出阻塞效應(yīng)下降的幅度，為此把轉(zhuǎn)動(dòng)部分引起的阻塞效應(yīng)忽略不計(jì)，只計(jì)算傳感器不動(dòng)部分的投影面積Sm。

設(shè) 1Sw為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞(一級(jí)風(fēng)洞)的工作段截面積，按(2)式求出風(fēng)速傳感器在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞中的阻塞風(fēng)速修正值：

設(shè) 2Sw為地方風(fēng)洞(二級(jí)風(fēng)洞)的工作段截面積，再按(2)式求出風(fēng)速傳感器在小風(fēng)洞測(cè)試時(shí)的阻塞風(fēng)速修正值：

依據(jù)國(guó)家計(jì)量量值傳遞體系，省級(jí)氣象計(jì)量測(cè)試部門以上一級(jí)計(jì)量測(cè)試機(jī)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算被檢風(fēng)速傳感器在華南國(guó)家計(jì)量測(cè)試中心EDE-14型風(fēng)洞測(cè)試時(shí)的阻塞修正系數(shù)。利用相對(duì)的概念，以上一級(jí)法定計(jì)量測(cè)試機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，即用(5)式減去(4)式代入(3)式，得出計(jì)算被檢風(fēng)速傳感器在二級(jí)風(fēng)洞(小風(fēng)洞)測(cè)試時(shí)的阻塞修正系數(shù)：

式中， 1Sw——大風(fēng)洞工作段截面積； 2Sw——小風(fēng)洞工作段截面積；Sm——被檢風(fēng)速傳感器不動(dòng)部分投影面積。

2.2 經(jīng)驗(yàn)估算法

試驗(yàn)設(shè)備：EDE-14型風(fēng)洞、標(biāo)準(zhǔn)皮托—靜壓管、微壓計(jì)、AVM-01型風(fēng)速傳感器（n支）。

試驗(yàn)步驟如下：依據(jù)JJG 515-87《輕便磁感風(fēng)向風(fēng)速表試行檢定規(guī)程》，分別對(duì)n支風(fēng)速傳感器進(jìn)行檢定，記錄原始數(shù)據(jù)：調(diào)整風(fēng)洞電機(jī)，測(cè)量起動(dòng)風(fēng)速和 2m/s、5m/s、15m/s、25m/s、30m/s、20m/s、10m/s處的風(fēng)速，分別記錄這8個(gè)檢定點(diǎn)處的風(fēng)速傳感器示值vzi和微壓計(jì)示值Hi,i =0,1,2,……,7。

將所得測(cè)量數(shù)據(jù)，依以下步驟處理之：

（1）、任取其中一支風(fēng)速傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的相當(dāng)風(fēng)速v1i(m/s)[1,5]：

Hi：第i個(gè)檢定點(diǎn)處的微壓計(jì)示值，單位mmH2O。

（2）、根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，將vzi、v1i的值代入下式，可得該風(fēng)速傳感器的阻塞修正系數(shù)：

（3）、以相同的方法，計(jì)算每一支風(fēng)速傳感器的阻塞修正系數(shù)kE，k =1,2, ……,n。

（4）、最后，取n次獨(dú)立觀測(cè)值kE的算術(shù)平均值（假設(shè)其每個(gè)觀測(cè)值kE的不確定度相同），得到AVM-01型風(fēng)速傳感器的阻塞修正系數(shù)的最佳估計(jì)值[6]：

2.3 阻塞修正系數(shù)的測(cè)算結(jié)果評(píng)定

將同型號(hào)的風(fēng)速傳感器按上述方法進(jìn)行阻塞修正系數(shù)測(cè)算：根據(jù)被檢風(fēng)速傳感器阻塞面積與風(fēng)洞工作段的截面積，一是按理論計(jì)算法求出阻塞修正系數(shù)；二是利用經(jīng)驗(yàn)估算法得出風(fēng)速傳感器的阻塞修正系數(shù)。而后，需要對(duì)阻塞修正系數(shù)測(cè)算結(jié)果的質(zhì)量高低進(jìn)行評(píng)定，可用以下兩種方法：

方法一：首先根據(jù)《JJG 515-87輕便磁感風(fēng)向風(fēng)速表試行檢定規(guī)程》中附錄5的規(guī)定，確定風(fēng)速傳感器的阻塞修正系數(shù)：將標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速傳感器在國(guó)家氣象局計(jì)量所的大風(fēng)洞、華南國(guó)家計(jì)量測(cè)試中心EDE-14型風(fēng)洞中進(jìn)行測(cè)試，得到兩個(gè)不同的線性回歸方程，將指定的指示風(fēng)速值（30m/s）分別代入方程，得到兩個(gè)實(shí)際風(fēng)速，前者所測(cè)實(shí)際風(fēng)速與后者所測(cè)實(shí)際風(fēng)速之比，即為風(fēng)速傳感器的阻塞修正系數(shù)。以此阻塞修正系數(shù)為基準(zhǔn)，分別考察由理論計(jì)算法、經(jīng)驗(yàn)估算法求出的阻塞修正系數(shù)的準(zhǔn)確度[7]。

方法二：如果可獲取精確的風(fēng)速傳感器阻塞面積測(cè)量值，則以理論計(jì)算法求得的風(fēng)速傳感器的阻塞修正系數(shù)為基準(zhǔn)，來(lái)考察以經(jīng)驗(yàn)估算法求得的風(fēng)速傳感器阻塞修正系數(shù)的準(zhǔn)確度。若二者相差較小，則可認(rèn)為經(jīng)驗(yàn)估算法可行；若二者相差較大，則需重新考慮經(jīng)驗(yàn)估算法。

以上兩種評(píng)定方法，可根據(jù)實(shí)際測(cè)算情況選擇一種進(jìn)行評(píng)定，但多數(shù)情況下選用第二種方法可能更為方便，它不需要將風(fēng)速傳感器送往上一級(jí)檢定機(jī)構(gòu)，減少了一定的工作量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

利用 AVM-01型風(fēng)速傳感器 16支（取樣本n=16），在華南國(guó)家計(jì)量測(cè)試中心EDE-14型風(fēng)洞中作測(cè)試，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別用式(7)和式(9)計(jì)算出阻塞修正系數(shù)。比較兩種方法求得的阻塞修正系數(shù)。

（1）、理論計(jì)算法求阻塞修正系數(shù)

經(jīng)實(shí)際測(cè)量得：AVM-01型風(fēng)速傳感器的阻塞面直徑 21.38mm，即不動(dòng)部分投影面積Sm為1.142761πcm2。又知：國(guó)家氣象局計(jì)量所的大風(fēng)洞，工作段尺寸為80 cm×80cm，截面積1Sw為6400cm2；華南國(guó)家計(jì)量測(cè)試中心EDE-14型風(fēng)洞工作段直徑為24cm，截面積 2Sw為 144πcm2。將這些數(shù)據(jù)代入式（7），可得風(fēng)速傳感器的阻塞修正系數(shù)E0=1.081。

（2）、試驗(yàn)測(cè)試法求阻塞修正系數(shù)

依據(jù)試驗(yàn)測(cè)試法的步驟，求每支風(fēng)速傳感器的阻塞修正系數(shù)。如，已知編號(hào)04060896的AVM-01型風(fēng)速傳感器的試驗(yàn)記錄（見(jiàn)表1），將測(cè)試數(shù)據(jù)代入式（8），可得該風(fēng)速傳感器的阻塞修正系數(shù)E =1.092。依次得到16支風(fēng)速傳感器的阻塞修正系數(shù)（見(jiàn)表2）后，對(duì)這組風(fēng)速傳感器阻塞修正系數(shù)求平均值，即將表2中的數(shù)值代入式（9），得E=1.083。

4 結(jié)論

（1）、由AVM-01型風(fēng)速傳感器在EDE-14型風(fēng)洞中的測(cè)試結(jié)果得知：用經(jīng)驗(yàn)估算法得出的風(fēng)速傳感器阻塞修正系數(shù)（本實(shí)驗(yàn)中等于 1.083），接近理論計(jì)算值1.081，相差僅0.002。

表1 風(fēng)速傳感器04060896試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

表2 風(fēng)速傳感器阻塞修正系數(shù)E

（2）、若風(fēng)速傳感器生產(chǎn)廠家已提供精確的風(fēng)速傳感器阻塞面積，或檢定部門可方便地獲取阻塞面積，建議使用理論計(jì)算法來(lái)計(jì)算風(fēng)速傳感器的阻塞修正系數(shù)。該方法具有可靠的理論依據(jù)，操作方便，運(yùn)算量小，適用于各種低速風(fēng)洞。

（3）、若風(fēng)速傳感器阻塞面積不易獲取，此時(shí)可考慮選用經(jīng)驗(yàn)估算法求其阻塞修正系數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速傳感器樣本數(shù)量n取值過(guò)小，按經(jīng)驗(yàn)估算法求得的阻塞修正系數(shù)與理論計(jì)算法所得相差較大；n取值大時(shí)，二者所得結(jié)果相近，但同時(shí)也增加了運(yùn)算量。因此在樣本數(shù)量n的選取上，需要在以后的檢定工作中進(jìn)一步深入研究。

[1] 國(guó)家氣象局氣象計(jì)量檢定研究所.國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程 JJG 515-87《輕便磁感風(fēng)向風(fēng)速表試行檢定規(guī)程》[M].北京:中國(guó)計(jì)量出版社,1987

[2] 朱樂(lè)坤,孫嫣.風(fēng)速傳感器阻塞修正系數(shù)試驗(yàn)與研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào).2009.7

[3] 李國(guó)森,敖振浪.風(fēng)速儀在風(fēng)洞檢定中的阻塞修正[J].氣象.2006.9

[4] 艾倫·波普,約翰丁·哈伯著.低速風(fēng)洞試驗(yàn)[M].彭錫銘,嚴(yán)俊仁,石佑倫,譯.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1977

[5] 中國(guó)氣象局.氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QXT 84-2007《氣象低速風(fēng)洞性能測(cè)試規(guī)范》[M].北京:氣象出版社,200

[6] 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJF1059-1999《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》[M].北京:中國(guó)計(jì)量出版社,1999

[7] 葉廷東,劉桂雄.傳感信息軟解耦方法的研究進(jìn)展及分析[J].自動(dòng)化與信息工程,2009.4