風(fēng)量罩的測量與不確定度評定

黃聰

摘 要：為了保證風(fēng)量罩測量風(fēng)速量的準(zhǔn)確和統(tǒng)一，通過風(fēng)洞測試對比實(shí)驗(yàn)對其進(jìn)行檢測，解決了風(fēng)量罩各測量參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)的問題，并對測量結(jié)果的不確定度進(jìn)一步分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)量罩；校準(zhǔn)；不確定度

引言

隨著社會(huì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，人們對自身居住環(huán)境要求也不斷提高，特別是大型建筑、會(huì)所等室內(nèi)的空氣品質(zhì)，而空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)是保證良好空氣品質(zhì)的重要方法，因此人們會(huì)定期對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)量檢測，以判定空調(diào)系統(tǒng)是否正常工作，進(jìn)而確認(rèn)能否充分保證室內(nèi)的通風(fēng)量。通常使用風(fēng)量罩直接風(fēng)量測量，其明顯的優(yōu)點(diǎn)是，直接讀取示值，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量的過程。

1 風(fēng)量罩檢測方法

現(xiàn)在風(fēng)量的測量方法主要包括皮托管差壓測風(fēng)量法、熱線熱膜式風(fēng)量法、超聲波測風(fēng)量法和機(jī)械式傳感器測風(fēng)量法。

風(fēng)量罩測量主要基于皮托管壓差法，只需知道節(jié)流裝置前后壓差量，就可以計(jì)算出被測風(fēng)的理論風(fēng)量，與風(fēng)量罩儀器中的實(shí)測風(fēng)量相比較，再利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，方便實(shí)現(xiàn)風(fēng)量罩的自動(dòng)檢驗(yàn)和校準(zhǔn)，從而能提高檢測精度，實(shí)用性強(qiáng)。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)洞結(jié)合變頻器控制的三相異步電機(jī)作為穩(wěn)定的風(fēng)量發(fā)生手段，輔以皮托管和差壓計(jì)測量風(fēng)洞內(nèi)氣流壓力，溫度傳感器測量風(fēng)洞內(nèi)溫度，氣壓傳感器測量大氣壓，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將相應(yīng)數(shù)據(jù)采集回來，根據(jù)公式算風(fēng)洞所產(chǎn)生的穩(wěn)定風(fēng)量值。

2 風(fēng)量罩校準(zhǔn)裝置及其原理

根據(jù)風(fēng)量的要求范圍，選用的是一臺(tái)EOE14A22型風(fēng)洞。變頻調(diào)速三相異步電機(jī)測量范圍（50～3000）m3/h，功率為1.5KW，風(fēng)洞的流量控制采用變頻器控制三相異步電機(jī)的任意風(fēng)量。風(fēng)量罩放置在風(fēng)洞的吸風(fēng)口，用帆布袋子封閉好風(fēng)量罩與風(fēng)洞的吸風(fēng)口位置。

風(fēng)量儀校準(zhǔn)裝置中的風(fēng)洞的工作基于如下原理：如果氣流體流經(jīng)一個(gè)收縮（節(jié)流）件時(shí)，氣流體將被加速。這種氣流體的加速將使它的動(dòng)能增加，而同時(shí)按照能量守恒定律，在氣流體被加速時(shí)它的靜壓力一定會(huì)降低一個(gè)相對應(yīng)的值。能量守恒定律告訴我們：在一個(gè)封閉的系統(tǒng)中，流體的總能量是一個(gè)常數(shù)。

當(dāng)檢測系統(tǒng)通過氣壓傳感器和溫度傳感器采集到大氣壓、風(fēng)洞內(nèi)氣流后可以通過下式計(jì)算空氣密度。

式中，？籽為空氣密度，P0為大氣壓，T為風(fēng)洞內(nèi)溫度。

皮托管是一種國際上通用的風(fēng)速風(fēng)量測試方法。它的作用是將風(fēng)速風(fēng)量轉(zhuǎn)變?yōu)閴翰?，通過測量總壓靜壓之差求得風(fēng)速風(fēng)量。皮托管的輸出與風(fēng)速的平方成正比，測量較高風(fēng)速時(shí)精確且分辨力好， 但當(dāng)風(fēng)速風(fēng)量較低時(shí)，皮托管上產(chǎn)生的壓差小，難以精確測量。使用時(shí)全壓孔需要正對風(fēng)向，而且由于其靜壓孔尺寸較小，儀器本身對流場會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)。

接在皮托管上的差壓傳感器測得差壓值后即可計(jì)算出風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的風(fēng)量值：

式中，Q為風(fēng)洞中產(chǎn)生的風(fēng)量，S為風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的橫截面積，△P是皮托管所取得的壓差，k是皮托管系數(shù)，？籽是空氣密度。

3 風(fēng)量罩示值誤差不確定度分析方法

不確定度是指由于測量過程中誤差不可避免的存在，對所測量結(jié)果的不肯定程度[1]。另一方面來說，也是對測量值的可信賴程度，根據(jù)其定義，不確定度指標(biāo)值越小的話，所述測量結(jié)果就跟真實(shí)結(jié)果越接近，說明測量方法恰當(dāng)，其使用參考價(jià)值越高；不確定度指標(biāo)值越大，測量結(jié)果與真實(shí)結(jié)果有較大偏離，方法使用不恰當(dāng)，因此就很難滿足我使用參考的需要。因此我們在檢測報(bào)告表示該測量對象時(shí)，必須給出相應(yīng)的不確定度，一方面便于使用它的人評定其可靠性，另一方面也可增強(qiáng)測量結(jié)果之間的可比性。

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》，已知測量模型：

式中：ΔQ-示值誤差，m3/h；Q-被檢風(fēng)量罩示值，m3/h；Q0-標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)測量的風(fēng)量值，m3/h。

測量結(jié)果是由幾個(gè)量的計(jì)算結(jié)果所得，所以風(fēng)量罩示值誤差不確定度包括由系統(tǒng)影響引起的分量：測量重復(fù)性引起的不確定度、被檢風(fēng)量罩讀數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、標(biāo)準(zhǔn)裝置示值誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量、風(fēng)洞的均勻性，穩(wěn)定性引起的不確定度、標(biāo)準(zhǔn)畢托靜壓管系數(shù)引起的不確定度，現(xiàn)分述如下，并構(gòu)建合成不確定度的計(jì)算公式。

3.1 測量重復(fù)性引起的不確定度u（Q）

風(fēng)量罩校準(zhǔn)過程中風(fēng)場的穩(wěn)定性、溫濕度波動(dòng)，大氣壓力變化，人員操作等引起的變化，其量值體現(xiàn)在重復(fù)性中。選取一臺(tái)量程（0～3500）m3/h的風(fēng)量罩，與風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)裝置相連通，在3000m3/h點(diǎn)重復(fù)測量10次，為方便說明列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示：

3.2 被檢風(fēng)量罩讀數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（d）

被檢風(fēng)量罩讀數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（d），用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度進(jìn)行評定。如被檢風(fēng)量罩的分辨力為1m3/h時(shí)，則不確定區(qū)間半寬為0.5m3/h，按均勻分布計(jì)算：

用相對不確定度表示，則u（d）=0.01%。

由于重復(fù)性風(fēng)量包含人員讀數(shù)引入的不確定度分量，為避免重復(fù)計(jì)算，只計(jì)最大影響量u（d）。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)裝置示值誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（V）

標(biāo)準(zhǔn)裝置示值誤差為±0.5%，其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.4 風(fēng)洞的均勻性、穩(wěn)定性引起的不確定度u（T）

（1）風(fēng)洞均勻性引起的不確定度u（T1）

據(jù)風(fēng)洞校準(zhǔn)證書得知，風(fēng)洞均勻性≤1.0%，取1.0%計(jì)算，則不確定度區(qū)間半寬為0.5%，按均勻分布處理，

（2）風(fēng)洞的穩(wěn)定性引起的不確定度u（T2）

據(jù)風(fēng)洞校準(zhǔn)證書得知，風(fēng)洞穩(wěn)定性≤0.5%，取0.5%計(jì)算，則不確定度區(qū)間半寬為0.25%，按均勻分布處理。

3.5 標(biāo)準(zhǔn)皮托靜壓管系數(shù)引起的不確定度u

標(biāo)準(zhǔn)皮托靜壓管靜壓系數(shù)為1.002，MPE：±0.01，則不確定度為U≈1.0%，當(dāng)k=2，則u（K）=1.0%/2=0.5%。

3.6 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

本風(fēng)量罩檢測系統(tǒng)的測量結(jié)果是由若干個(gè)量（如上，示值讀數(shù)、畢托靜系數(shù)等）的值求得，按這些量的方差和協(xié)方差算得的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。如各分量彼此相互獨(dú)立，則協(xié)方差計(jì)算結(jié)果為零。它是測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計(jì)值，用符號uc表示。當(dāng)測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度由若干標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量構(gòu)成時(shí)，按方和根得到的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，它表明了所風(fēng)量罩檢測結(jié)果評定的可靠程度。

3.7 擴(kuò)展不確定度

擴(kuò)展不確定度是表示測量結(jié)果的取值區(qū)間，因此也被稱為范圍不確定度。擴(kuò)展不確定度是由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的倍數(shù)表示的測量不確定度，通常用符號U表示：合成不確定度與包含因子k的乘積，作為總不確定度（符號為U）。此外k值一般取2，有時(shí)取3，這主要取決于被測量的重要性、效益和風(fēng)險(xiǎn)，論文在綜合權(quán)衡后選取k=2。

4 結(jié)束語

目前風(fēng)量罩的使用，還缺少相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)量罩使用方便，但是對其檢測原理和檢測條件尚無相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行過細(xì)致的研究。目前國內(nèi)風(fēng)量罩產(chǎn)品廠家良莠不齊，在測量過程中存在測量結(jié)果偏差的問題，特別是工程驗(yàn)收過程中不可避免產(chǎn)生的商業(yè)糾紛。本文通過對風(fēng)量罩的校準(zhǔn)及其不確定度分析，對其在應(yīng)用和推廣過程中所存在的問題處理有現(xiàn)實(shí)的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]朱正憲.通風(fēng)機(jī)流量測量不確定度評定[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2001（06）.