風(fēng)量罩測(cè)量誤差原因及基于靜壓補(bǔ)償法的研究

劉世杰 鄒鉞 劉赟

1 東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2 上海典唯科技有限公司

0 引言

目前，通風(fēng)量最普遍的測(cè)量方法有直接風(fēng)量測(cè)量和間接風(fēng)量測(cè)量?jī)煞N方法[1-2]。間接測(cè)量法是通過(guò)風(fēng)速儀[3]測(cè)定各點(diǎn)風(fēng)速，以各點(diǎn)風(fēng)速測(cè)量值的算術(shù)平均值作為風(fēng)口截面平均風(fēng)速，將平均風(fēng)速乘以風(fēng)口截面積計(jì)算出風(fēng)口風(fēng)量。直接測(cè)量方法主要是采用風(fēng)量罩進(jìn)行風(fēng)量測(cè)量，它的優(yōu)點(diǎn)是直接讀取風(fēng)量，減去了大量計(jì)算的麻煩，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測(cè)量且操作方便。在風(fēng)口復(fù)雜的氣流方向條件下,相較于直接測(cè)量法,間接測(cè)量法中所用的風(fēng)速儀對(duì)氣流方向不夠敏感,不能保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性,且風(fēng)速儀造價(jià)較高,風(fēng)速探頭易斷,在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的風(fēng)口處,極易被損壞。因此在通風(fēng)工程中，常采用各種形式的風(fēng)量罩來(lái)測(cè)量風(fēng)口風(fēng)量。

盡管風(fēng)量罩在我國(guó)的風(fēng)量測(cè)量領(lǐng)域越來(lái)越普及，但在出風(fēng)口處使用風(fēng)量罩進(jìn)行風(fēng)量檢測(cè)時(shí)，所測(cè)風(fēng)量相比于設(shè)計(jì)風(fēng)量均偏小[4]。即便在檢測(cè)過(guò)程采用的是美國(guó)TSI、瑞典SWEMA 公司專(zhuān)業(yè)檢測(cè)工具，其測(cè)量精度達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)且通過(guò)CNAS 專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)的計(jì)量認(rèn)證，測(cè)量結(jié)果仍與設(shè)計(jì)風(fēng)量不符。2014 年，羅運(yùn)有介紹當(dāng)前風(fēng)量測(cè)量主要技術(shù)特點(diǎn)，在研究風(fēng)量罩罩體阻力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響基礎(chǔ)上，得出風(fēng)量罩精度所引起的不確定度為風(fēng)量罩罩體自身阻力所引起的不確定度的2.5 倍這樣的結(jié)論[5]。2016 年，黃聰進(jìn)行了風(fēng)量罩測(cè)量方法的研究，認(rèn)為空氣流體流經(jīng)風(fēng)量罩時(shí)，流速、靜壓和能量都會(huì)發(fā)生變化[6]。陸科,臧立新,張弦等利用以皮托管為主標(biāo)準(zhǔn)器的風(fēng)洞進(jìn)行風(fēng)量罩風(fēng)量的校準(zhǔn),得出風(fēng)量罩風(fēng)量示值誤差測(cè)量的不確定度為0.49%的結(jié)論[7]。國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)于解決空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量精確測(cè)量及補(bǔ)償這類(lèi)問(wèn)題的研究較少，因此針對(duì)這一現(xiàn)象，我們需要進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。旨在探求造成這種現(xiàn)象的原因及提出一種解決方案。

1 本文思路

探尋風(fēng)量罩測(cè)量不準(zhǔn)確原因：首先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬空調(diào)系統(tǒng)出風(fēng)過(guò)程。通過(guò)風(fēng)量罩安裝在出風(fēng)口前后，測(cè)量得到出風(fēng)口靜壓大小的變化，探尋風(fēng)量罩測(cè)量風(fēng)量不準(zhǔn)確的原因。

提出解決方案：基于風(fēng)量罩測(cè)量不準(zhǔn)確的原因，提出相應(yīng)的解決方案，即通過(guò)靜壓補(bǔ)償[8]的方式將出風(fēng)口靜壓影響消除，保證氣流無(wú)阻力出風(fēng)，使風(fēng)量罩可測(cè)得準(zhǔn)確風(fēng)量值。

解決方案的驗(yàn)證：在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，風(fēng)洞系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)際風(fēng)量值已知的情況下，測(cè)量將風(fēng)量罩安裝在風(fēng)洞風(fēng)口前后風(fēng)洞出口處的靜壓大小變化進(jìn)一步驗(yàn)證原因，并通過(guò)靜壓補(bǔ)償?shù)姆绞綄L(fēng)洞出口處?kù)o壓降低至0 Pa，比較風(fēng)洞此時(shí)風(fēng)量大小是否與設(shè)定值相等來(lái)判斷此方法的有效性。

2 模擬風(fēng)口出風(fēng)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)介紹

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬風(fēng)口出風(fēng)試驗(yàn)初步探究風(fēng)量罩測(cè)量不準(zhǔn)確原因。通過(guò)小型軸流風(fēng)機(jī)模擬系統(tǒng)中動(dòng)力裝置，再通過(guò)靜壓箱出風(fēng)。Swema 風(fēng)量罩與靜壓箱連接，在靜壓箱出口處設(shè)置靜壓采集點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出口靜壓的狀況。整體裝置示意圖如圖1 所示：

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置連接示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

表1 為模擬風(fēng)口出風(fēng)實(shí)驗(yàn)器材及型號(hào)。

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1）將軸流風(fēng)機(jī)與靜壓箱相連，靜壓箱出口截面設(shè)置采壓點(diǎn)，采壓點(diǎn)利用Swema3000 與壓力探頭進(jìn)行靜壓力采集讀數(shù)。采集靜壓時(shí)，注意壓力探頭與氣流方向保持垂直或背對(duì)狀態(tài)，將風(fēng)速帶來(lái)的動(dòng)壓的影響降低到最小以測(cè)得靜壓大小。

2）運(yùn)行小型軸流式風(fēng)機(jī)，將風(fēng)速調(diào)至固定值大小。測(cè)量并記錄采壓點(diǎn)此時(shí)的靜壓值。

3）將靜壓箱出口與風(fēng)量罩相連，再次測(cè)量并記錄采壓點(diǎn)靜壓值，觀(guān)察靜壓值的變化

4）參照風(fēng)量罩出口尺寸改變靜壓箱出口截面尺寸，重復(fù)進(jìn)行上述的實(shí)驗(yàn)。探尋兩者尺寸與靜壓值大小之間是否存在必然關(guān)系。

2.4 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)得在靜壓箱出口處不加風(fēng)量罩的情況下，采壓點(diǎn)靜壓值基本維持在0 pa 左右，表明該系統(tǒng)自然出流無(wú)阻力影響。風(fēng)量罩出口截面尺寸為13.5×14.5 mm。

在不同播種量下，小麥的出苗期完全相同，均為4月16日出苗。但抽穗期偶有不同，其中以播量為180 kg/hm2時(shí)抽穗最早，為6月7日；播量為150 kg/hm2、210 kg/hm2、240 kg/hm2 時(shí)次之，均為6月8日，播量為 270 kg/hm2、300kg/hm2時(shí)最遲，為6月9日。在成熟期上，播量為150～240kg/hm2時(shí)均在7月23日成熟，而播量為 270kg/hm2、300kg/hm2時(shí)成熟較晚，為7月24日?？傉w來(lái)看，隨著播種密度的增大，小麥的抽穗期和成熟期均有一定的推遲。生育期也在播量較小的情況下較短，均為98 d，播量較大時(shí)，延長(zhǎng)了生育期，為99 d。

將靜壓箱出口與風(fēng)量罩相連，用膠布等輔助工具進(jìn)行密封措施，避免風(fēng)量泄露。風(fēng)量罩出口截面尺寸為13.5×14.5 mm。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表2：

表2 采壓點(diǎn)測(cè)得數(shù)據(jù)

靜壓箱出口截面尺寸由13.5 mm×14.5 mm 增大至18 mm×18 mm 時(shí)，采壓點(diǎn)靜壓值從1.2 Pa 增大至8.2 Pa，風(fēng)量罩產(chǎn)生的阻力影響越大。

更重要地，靜壓箱出口罩上風(fēng)量罩后，出口處的靜壓從0 Pa 增加至1.2 Pa。風(fēng)量罩罩體對(duì)出風(fēng)性能產(chǎn)生了影響，阻礙了系統(tǒng)出風(fēng)，使得風(fēng)量罩測(cè)量的風(fēng)量不準(zhǔn)確。

3 基于靜壓補(bǔ)償法的概念及模型

由上述實(shí)驗(yàn)得出風(fēng)量罩罩體對(duì)出風(fēng)產(chǎn)生阻力[9]這一特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在風(fēng)量罩罩體對(duì)出風(fēng)性能產(chǎn)影響。對(duì)此，提出一種靜壓補(bǔ)償?shù)姆椒?，將風(fēng)量罩罩體產(chǎn)生的靜壓影響消除，得到系統(tǒng)內(nèi)實(shí)際風(fēng)量大小。

靜壓補(bǔ)償法目的是為了通過(guò)添加一個(gè)輔助動(dòng)力的方式讓出風(fēng)口處存在的靜壓降低為0 Pa。這一方式的實(shí)現(xiàn)是在風(fēng)量罩上增加一輔助裝置。本方法采用的輔助裝置為小型軸承風(fēng)扇。將風(fēng)扇安裝至風(fēng)量罩內(nèi)，通過(guò)風(fēng)扇的抽吸作用將靜壓降低至0 Pa，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)哪康?。裝置模型如圖2 所示。

圖2 裝置模型圖

系統(tǒng)由風(fēng)量采集罩1、采壓儀器2、補(bǔ)償風(fēng)扇4 及補(bǔ)償風(fēng)扇的控制裝置構(gòu)成。風(fēng)量顯示屏3 可直接讀出實(shí)時(shí)風(fēng)量罩測(cè)得風(fēng)量大小。其特征在于：通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)出風(fēng)口2 處?kù)o壓值的正負(fù)及其大小來(lái)判斷風(fēng)量采集罩對(duì)出風(fēng)性能產(chǎn)生的影響，進(jìn)而通過(guò)補(bǔ)償風(fēng)扇4 的抽吸作用將采壓點(diǎn)2 的靜壓值降低至0 Pa。其中，補(bǔ)償風(fēng)扇4 固定于風(fēng)量罩下方，不影響風(fēng)量罩測(cè)量段測(cè)量風(fēng)量過(guò)程、易于攜帶且安裝拆卸方便。風(fēng)扇風(fēng)量可通過(guò)控制裝置調(diào)節(jié)。

由于模擬風(fēng)口出風(fēng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法明確知道軸流式風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)風(fēng)量大小，使用基于靜壓補(bǔ)償這一方法無(wú)法判斷是否有效。因此在已知系統(tǒng)內(nèi)實(shí)時(shí)風(fēng)量大小的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室內(nèi)展開(kāi)壓力測(cè)試及補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，判斷上述方法的有效性。

4 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室出風(fēng)測(cè)試

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置

表3 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室出風(fēng)測(cè)試器材及型號(hào)

在風(fēng)量罩罩體內(nèi)設(shè)置三個(gè)采壓點(diǎn)，分別位于風(fēng)量罩最小截面處點(diǎn)1、風(fēng)量罩與風(fēng)洞連接處點(diǎn)3、風(fēng)量罩罩體中間點(diǎn)2，采壓點(diǎn)處的橡膠管背風(fēng)固定在風(fēng)量罩罩體上。設(shè)置三個(gè)采壓點(diǎn)的目的在于：測(cè)出采壓點(diǎn)1、2、3 三處的靜壓值，若測(cè)量靜壓值不同，則分別作為補(bǔ)償基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，將補(bǔ)償過(guò)后的風(fēng)量值與系統(tǒng)設(shè)定風(fēng)量值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，判斷各點(diǎn)是否為補(bǔ)償參考點(diǎn)。采壓點(diǎn)布置圖及整體實(shí)驗(yàn)裝置連接示意圖分別如圖3、圖4 所示。

圖3 風(fēng)量罩內(nèi)部采壓點(diǎn)

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置連接示意圖

4.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1）在風(fēng)洞出風(fēng)口上罩上風(fēng)量罩。若風(fēng)量采集罩截面面積大于出口面積，使用海綿條、單面膠，膠帶等材料達(dá)成轉(zhuǎn)接目的，并纏繞膠帶于兩者連接處以保證密封性。本次實(shí)驗(yàn)中，風(fēng)量罩面積與風(fēng)洞出口截面積近似相等，于是僅用膠帶進(jìn)行密封措施，密封后將風(fēng)量罩取下。

2）在風(fēng)量罩內(nèi)設(shè)置采壓點(diǎn)1、2、3，在風(fēng)洞運(yùn)行穩(wěn)定后依次測(cè)量各點(diǎn)靜壓值大小。

3）設(shè)定風(fēng)洞系統(tǒng)風(fēng)量值Q，運(yùn)行風(fēng)洞系統(tǒng)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，在風(fēng)洞出口處加上風(fēng)量罩，對(duì)比此時(shí)系統(tǒng)實(shí)際風(fēng)量值Q’與設(shè)定風(fēng)量值Q，判斷風(fēng)量罩對(duì)風(fēng)洞系統(tǒng)產(chǎn)生的阻力大小。

4）分別對(duì)三個(gè)采壓點(diǎn)進(jìn)行壓力采集，記錄為P1、P2、P3。

5）將小型軸流風(fēng)機(jī)固定在風(fēng)量罩內(nèi)，分別將三處壓力點(diǎn)均降低至0 Pa，記錄下每個(gè)采壓點(diǎn)降低至0 Pa時(shí)，對(duì)應(yīng)的風(fēng)洞內(nèi)實(shí)時(shí)風(fēng)量Q1、Q2、Q3的大小。比較風(fēng)量Q1、Q2、Q3與系統(tǒng)設(shè)定風(fēng)洞風(fēng)量值Q 是否相等。

6）改變風(fēng)洞內(nèi)設(shè)定的風(fēng)量值Q，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。

4.3 數(shù)據(jù)及分析

設(shè)定風(fēng)量值由小到大。前三個(gè)風(fēng)量值風(fēng)洞系統(tǒng)采用Φ60 的孔板，流量范圍為50～350 m3/h，稱(chēng)為第一種工況。后兩個(gè)風(fēng)量值采用Φ225 的孔板，流量范圍為350～600 m3/h，稱(chēng)為第二種工況。實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如表4：

表4 靜壓補(bǔ)償法所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

風(fēng)洞所設(shè)定的五個(gè)風(fēng)量值在罩上風(fēng)量罩后，均出現(xiàn)系統(tǒng)風(fēng)量變小的現(xiàn)象。在第一種工況下，設(shè)定風(fēng)量Q從97.0 m3/h、199.2 m3/h 和299.7 m3/h 減小至Q’為95.0 m3/h、197.0 m3/h、295.6 m3/h，風(fēng)量減小，但風(fēng)量罩對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響不大。在第二種工況下，設(shè)定風(fēng)量Q從397.0 m3/h 和503.0 m3/h 減小至Q’為206.9 m3/h 和255 m3/h，風(fēng)量減小至設(shè)定風(fēng)量的一半。表明風(fēng)量罩對(duì)系統(tǒng)出風(fēng)產(chǎn)生較大影響。

三個(gè)采壓點(diǎn)，對(duì)于每個(gè)不同的風(fēng)量值，在將P1壓力補(bǔ)償為0時(shí)，Q1對(duì)應(yīng)的96.8 m3/h、197.4 m3/h、295.9 m3/h、274.0 m3/h 和349.0 m3/h 與其設(shè)定風(fēng)量值Q都不等相，表明采壓點(diǎn)1 在靜壓補(bǔ)償方面不具有參考意義。相反地，可以發(fā)現(xiàn)五個(gè)測(cè)量風(fēng)量下，P2=P3，采壓點(diǎn)2、3 處的靜壓值相等。運(yùn)用靜壓補(bǔ)償法將P2、P3壓力值降低為0 時(shí)，系統(tǒng)風(fēng)量Q2=Q3，均增加至97.0 m3/h、199.2 m3/h、299.0 m3/h、397.0 m3/h 和502.7 m3/h。考慮到一定的測(cè)量誤差，可以判斷補(bǔ)償后的風(fēng)量值Q2和Q3與系統(tǒng)設(shè)定風(fēng)量值Q 相等。

5 結(jié)論

1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明風(fēng)量罩對(duì)于送風(fēng)系統(tǒng)存在送風(fēng)阻力影響，主要體現(xiàn)于在風(fēng)口處安裝風(fēng)量罩會(huì)對(duì)出風(fēng)口處產(chǎn)生靜壓的作用，阻礙系統(tǒng)自然出風(fēng)，從而減小了系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)量大小，風(fēng)量罩風(fēng)量測(cè)量不準(zhǔn)確。

2）提出了一種基于靜壓補(bǔ)償?shù)姆椒?，通過(guò)在風(fēng)量罩內(nèi)安裝小型風(fēng)扇，利用風(fēng)扇的動(dòng)力作用將出風(fēng)口處存在的靜壓降低為0 Pa，保證系統(tǒng)自然無(wú)阻力地出風(fēng)，可使得標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量罩測(cè)得的風(fēng)量大小準(zhǔn)確無(wú)誤。

3）在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一方法的可行性。例如設(shè)定風(fēng)量為503 m3/h，安裝風(fēng)量罩后，風(fēng)量降低至255.0 m3/h，出風(fēng)口處?kù)o壓為15.6 Pa，運(yùn)用靜壓補(bǔ)償法將出風(fēng)口靜壓降低為0 Pa 時(shí)，風(fēng)量值大小返回為502.7 m3/h，驗(yàn)證了該方法的有效性。