郭 琪，李 琳

（湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410000）

1 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，壓力的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)安全生產(chǎn)有著十分重要的意義?，F(xiàn)有測(cè)壓儀表主要分為兩類，一類是電子傳感器測(cè)壓；另一類是以皮托管為代表的傳統(tǒng)測(cè)壓。傳統(tǒng)測(cè)壓器工作原理簡(jiǎn)單、成本低、使用方便，但存在測(cè)量精度低，適用范圍有限等缺點(diǎn)[1]。根據(jù)儀表的適用范圍篩選分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)測(cè)壓器在開放空間的測(cè)量準(zhǔn)確度相比在密閉空間內(nèi)有待改善。

在實(shí)際生產(chǎn)工作中，較多通風(fēng)環(huán)境為開放空間，該類型通風(fēng)環(huán)境中空氣流動(dòng)情況與常見的密閉空間不同，用普通壓力表或皮托管在管道開口處測(cè)得的壓力常常偏小，此時(shí)測(cè)出的壓力值誤差較大。更有甚者，在某些特殊的開放空間根本測(cè)不到壓力。因此，為更準(zhǔn)確地測(cè)量開口處的壓力，本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的專用來測(cè)量管道開口處（即開放空間）的測(cè)壓裝置——傾角測(cè)壓裝置。

2 傳統(tǒng)測(cè)壓裝置存在的問題

傳統(tǒng)測(cè)壓裝置在測(cè)量風(fēng)壓時(shí)常用皮托管與單管傾斜式微壓計(jì)配合使用，而皮托管測(cè)量的準(zhǔn)確性要保證全壓孔和靜壓孔所接受的壓力是被測(cè)點(diǎn)的全壓和靜壓，但由于測(cè)量環(huán)境的溫度、濕度及阻塞系數(shù)等因素的不同，導(dǎo)致測(cè)量風(fēng)壓與實(shí)際風(fēng)壓存在一定誤差，測(cè)量準(zhǔn)確度下降。

對(duì)于全壓孔，傳統(tǒng)測(cè)壓器測(cè)得的壓力實(shí)際上是全壓孔整個(gè)孔面積上的平均壓力，而非流速等于零點(diǎn)的壓力。由于孔面上速度不等于零的各點(diǎn)壓力被全壓孔全部接受，導(dǎo)致平均結(jié)果比速度等于零點(diǎn)的壓力小，這現(xiàn)象常被稱為“偏移效應(yīng)（Displacement Effect）”[2]。由此，全壓孔測(cè)得的壓力并非真正的全壓。對(duì)于靜壓孔，測(cè)量過程存在的問題更為嚴(yán)重。一方面，當(dāng)氣流流經(jīng)皮托管表面時(shí)，由于受到皮管表面的摩擦影響，皮托管測(cè)到的靜壓偏小，測(cè)的壓差要比實(shí)際壓差偏大，這種情況稱為“壓力損失”[3]。另一方面，從流體繞流皮托管考慮，靜壓孔所在位置的流動(dòng)狀態(tài)，既受上游水平檢測(cè)桿頭部繞流的影響，又受下游豎直檢測(cè)桿繞流的影響，使得其靜壓測(cè)量孔處的氣壓偏離理想自由流體的氣壓，這種偏差稱之為“位置誤差”[4]。

工業(yè)中常用的普通壓力表接頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，內(nèi)腔為通孔，風(fēng)壓通過通孔時(shí)會(huì)受到與皮托管相類似的問題，而引起測(cè)量結(jié)果的偏小。

3 傾角測(cè)壓裝置

3.1 傾角測(cè)壓的原理

傾角測(cè)壓裝置的原理是把一定質(zhì)量且單邊固定的光滑長(zhǎng)方形鐵片懸掛在管道內(nèi)上部空間，鐵片表面和管道風(fēng)流方向垂直，即鐵片正對(duì)通風(fēng)來流。當(dāng)無(wú)風(fēng)時(shí)，在重力作用下，鐵片平面與地面垂直。當(dāng)管道內(nèi)風(fēng)流過鐵片對(duì)鐵片產(chǎn)生正向壓力，通風(fēng)氣流會(huì)使鐵片在氣壓作用下與重力方向形成一定傾角θ，該角度可通過量角器讀出。由于管道是在同一水平高度，管道內(nèi)的氣流可假定為定常氣流，而在定常氣流中動(dòng)靜壓之和為常數(shù)。雖然鐵片會(huì)有輕微擺動(dòng)，氣流穩(wěn)定時(shí)鐵片擺動(dòng)幅度極小，此時(shí)氣流在鐵片上速度可近似為零，氣流的動(dòng)壓1/2v2轉(zhuǎn)變成了壓強(qiáng)，和靜壓一起形成總壓，表現(xiàn)為傾角的度數(shù)。即這個(gè)傾角大小不僅與鐵片自身所受重力有關(guān)，也反映了鐵片所在管道區(qū)域的風(fēng)壓大小。

從力學(xué)角度分析，形成傾角θ的穩(wěn)定狀態(tài)，鐵片受到三個(gè)平衡力的作用，三種力分別為與鐵片平行的向上拉力F、垂直于水平面的向下重力G以及垂直于鐵片向上的壓力P。壓力P就是由于通風(fēng)氣流通過鐵片而引起的。鐵片懸掛軸為強(qiáng)度極高的光滑鋼絲，且接觸位置涂抹潤(rùn)滑油，故接觸面摩擦力忽略不計(jì)。力矩平衡計(jì)算式如下：

式中：s為鐵片面積，cm2；m為鐵片重量，kg；g為重力加速度，10kg/N；p為單位面積的風(fēng)壓，Pa。

3.2 傾角測(cè)壓裝置的構(gòu)造

按照上述原理設(shè)計(jì)用于實(shí)驗(yàn)研究的傾角測(cè)壓裝置由高強(qiáng)度鋼絲、鐵片、量角器及角度指示器組成，裝置示意圖和實(shí)體圖形見圖1、圖2。

圖1 測(cè)壓裝置示意圖

圖2 測(cè)壓裝置實(shí)物圖

主要部件尺寸參數(shù)如下：懸掛柱為18cm；除去懸掛柱的裝置體積約為1320cm3；量角器為普通的量角器，面積約為39cm3；為對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選用了四種不同質(zhì)量的鐵片，分別為5.290g、5.514g、10.860g、25.725g，鐵片面積為80cm2。

4 傾角測(cè)壓裝置測(cè)壓實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

（1）驗(yàn)證傾角測(cè)壓裝置設(shè)計(jì)的可行性；

（2）研究鐵片質(zhì)量對(duì)壓力測(cè)量的影響；

（3）發(fā)現(xiàn)傾角測(cè)壓裝置的設(shè)計(jì)缺陷，為今后的改進(jìn)提供方向和依據(jù)。

4.2 實(shí)驗(yàn)過程

在水平管道內(nèi)離開口處20cm 位置設(shè)了一個(gè)風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)。通過改變風(fēng)流的頻數(shù)，用傾角測(cè)壓裝置測(cè)出該測(cè)點(diǎn)相應(yīng)的偏移角度，并分別用4塊不同質(zhì)量的鐵片做類比實(shí)驗(yàn)。根據(jù)式1，計(jì)算此測(cè)點(diǎn)全壓。另外，為對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，用單管傾斜壓差計(jì)在同一處測(cè)量全壓，并采用QBF-3熱球風(fēng)速儀測(cè)出該處的風(fēng)速，計(jì)算此處動(dòng)壓。動(dòng)壓pd計(jì)算見式2：

式中：pd為動(dòng)壓，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3；vf為氣流平均速度，m/s。

4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

通過傾角測(cè)壓裝置算出的全壓值與單管傾斜壓差計(jì)測(cè)得的全壓值如表1。

表1 傾角測(cè)壓裝置與單管傾斜壓差計(jì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可知，風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)處單管傾斜壓差計(jì)測(cè)得的全壓比風(fēng)速算出的動(dòng)壓小。但風(fēng)流在出口處是向外壓出的（用單管傾斜壓差計(jì)測(cè)得的靜壓雖然很小，但均大于零），此處的靜壓是正數(shù)，所以全壓一定大于動(dòng)壓。因此可知單管傾斜壓差計(jì)在出口處測(cè)得的全壓值嚴(yán)重偏小。而傾角測(cè)壓裝置算出的全壓比風(fēng)速算出的動(dòng)壓大，滿足全壓是動(dòng)壓和靜壓之和的原則。

圖3為在不同頻數(shù)下對(duì)應(yīng)不同質(zhì)量鐵片計(jì)算的全壓與用單管傾斜壓差計(jì)測(cè)得的全壓。由圖3可知，傾角測(cè)壓裝置測(cè)得的全壓比單管傾斜壓差計(jì)測(cè)得的全壓大。傾角測(cè)壓裝置在不同頻數(shù)下測(cè)得的全壓軌跡基本都呈線性變化。用不同質(zhì)量的鐵片在不同頻數(shù)下測(cè)得的全壓的軌跡是不一樣的，質(zhì)量越大，傾斜的角度即斜率就越大。鐵片在一定質(zhì)量?jī)?nèi)，鐵片質(zhì)量越大，傾角測(cè)壓裝置對(duì)風(fēng)流改變的敏感度也就越大。但管道出口處要選擇何種質(zhì)量的鐵片對(duì)測(cè)量工作的準(zhǔn)確性更有幫助，今后有待研究。

圖3 不同頻數(shù)下的全壓

5 結(jié)論

根據(jù)風(fēng)壓之間關(guān)系，分析了傾角測(cè)壓裝置的原理及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)傾角測(cè)量裝置，并進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，單管傾斜壓差計(jì)在出口處測(cè)得的全壓嚴(yán)重偏小，誤差較大，而傾角測(cè)壓裝置具有在開口處壓力測(cè)量的功能，測(cè)得的全壓比單管傾斜壓差計(jì)測(cè)得的全壓更為準(zhǔn)確，但該裝置仍然存在較多的缺陷，需在今后實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步改進(jìn)。