风量罩的测量与不确定度评定

黄聪

摘 要：为了保证风量罩测量风速量的准确和统一，通过风洞测试对比实验对其进行检测，解决了风量罩各测量参数进行校准的问题，并对测量结果的不确定度进一步分析。

关键词：风量罩；校准；不确定度

引言

随着社会发展和技术进步，人们对自身居住环境要求也不断提高，特别是大型建筑、会所等室内的空气品质，而空调通风系统是保证良好空气品质的重要方法，因此人们会定期对空调系统进行风量检测，以判定空调系统是否正常工作，进而确认能否充分保证室内的通风量。通常使用风量罩直接风量测量，其明显的优点是，直接读取示值，能够实现快速测量的过程。

1 风量罩检测方法

现在风量的测量方法主要包括皮托管差压测风量法、热线热膜式风量法、超声波测风量法和机械式传感器测风量法。

风量罩测量主要基于皮托管压差法，只需知道节流装置前后压差量，就可以计算出被测风的理论风量，与风量罩仪器中的实测风量相比较，再利用现代传感技术、自动控制技术，方便实现风量罩的自动检验和校准，从而能提高检测精度，实用性强。在风洞实验室，风洞结合变频器控制的三相异步电机作为稳定的风量发生手段，辅以皮托管和差压计测量风洞内气流压力，温度传感器测量风洞内温度，气压传感器测量大气压，通过数据采集系统将相应数据采集回来，根据公式算风洞所产生的稳定风量值。

2 风量罩校准装置及其原理

根据风量的要求范围，选用的是一台EOE14A22型风洞。变频调速三相异步电机测量范围（50～3000）m3/h，功率为1.5KW，风洞的流量控制采用变频器控制三相异步电机的任意风量。风量罩放置在风洞的吸风口，用帆布袋子封闭好风量罩与风洞的吸风口位置。

风量仪校准装置中的风洞的工作基于如下原理：如果气流体流经一个收缩（节流）件时，气流体将被加速。这种气流体的加速将使它的动能增加，而同时按照能量守恒定律，在气流体被加速时它的静压力一定会降低一个相对应的值。能量守恒定律告诉我们：在一个封闭的系统中，流体的总能量是一个常数。

当检测系统通过气压传感器和温度传感器采集到大气压、风洞内气流后可以通过下式计算空气密度。

式中，？籽为空气密度，P0为大气压，T为风洞内温度。

皮托管是一种国际上通用的风速风量测试方法。它的作用是将风速风量转变为压差，通过测量总压静压之差求得风速风量。皮托管的输出与风速的平方成正比，测量较高风速时精确且分辨力好， 但当风速风量较低时，皮托管上产生的压差小，难以精确测量。使用时全压孔需要正对风向，而且由于其静压孔尺寸较小，仪器本身对流场会产生扰动。

接在皮托管上的差压传感器测得差压值后即可计算出风洞实验中的风量值：

式中，Q为风洞中产生的风量，S为风洞实验段的横截面积，△P是皮托管所取得的压差，k是皮托管系数，？籽是空气密度。

3 风量罩示值误差不确定度分析方法

不确定度是指由于测量过程中误差不可避免的存在，对所测量结果的不肯定程度[1]。另一方面来说，也是对测量值的可信赖程度，根据其定义，不确定度指标值越小的话，所述测量结果就跟真实结果越接近，说明测量方法恰当，其使用参考价值越高；不确定度指标值越大，测量结果与真实结果有较大偏离，方法使用不恰当，因此就很难满足我使用参考的需要。因此我们在检测报告表示该测量对象时，必须给出相应的不确定度，一方面便于使用它的人评定其可靠性，另一方面也可增强测量结果之间的可比性。

依据相关标准：JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》，已知测量模型：

式中：ΔQ-示值误差，m3/h；Q-被检风量罩示值，m3/h；Q0-標准流量计测量的风量值，m3/h。

测量结果是由几个量的计算结果所得，所以风量罩示值误差不确定度包括由系统影响引起的分量：测量重复性引起的不确定度、被检风量罩读数引入的标准不确定度、标准装置示值误差引起的标准不确定度分量、风洞的均匀性，稳定性引起的不确定度、标准毕托静压管系数引起的不确定度，现分述如下，并构建合成不确定度的计算公式。

3.1 测量重复性引起的不确定度u（Q）

风量罩校准过程中风场的稳定性、温湿度波动，大气压力变化，人员操作等引起的变化，其量值体现在重复性中。选取一台量程（0～3500）m3/h的风量罩，与风量标准装置相连通，在3000m3/h点重复测量10次，为方便说明列实验数据如表1所示：

3.2 被检风量罩读数引入的标准不确定度u（d）

被检风量罩读数引入的标准不确定度u（d），用B类标准不确定度进行评定。如被检风量罩的分辨力为1m3/h时，则不确定区间半宽为0.5m3/h，按均匀分布计算：

用相对不确定度表示，则u（d）=0.01%。

由于重复性风量包含人员读数引入的不确定度分量，为避免重复计算，只计最大影响量u（d）。

3.3 标准装置示值误差引起的标准不确定度分量u（V）

标准装置示值误差为±0.5%，其引入的标准不确定度为：

3.4 风洞的均匀性、稳定性引起的不确定度u（T）

（1）风洞均匀性引起的不确定度u（T1）

据风洞校准证书得知，风洞均匀性≤1.0%，取1.0%计算，则不确定度区间半宽为0.5%，按均匀分布处理，

（2）风洞的稳定性引起的不确定度u（T2）

据风洞校准证书得知，风洞稳定性≤0.5%，取0.5%计算，则不确定度区间半宽为0.25%，按均匀分布处理。

3.5 标准皮托静压管系数引起的不确定度u

标准皮托静压管静压系数为1.002，MPE：±0.01，则不确定度为U≈1.0%，当k=2，则u（K）=1.0%/2=0.5%。

3.6 合成标准不确定度

本风量罩检测系统的测量结果是由若干个量（如上，示值读数、毕托静系数等）的值求得，按这些量的方差和协方差算得的标准不确定度。如各分量彼此相互独立，则协方差计算结果为零。它是测量结果标准偏差的估计值，用符号uc表示。当测量结果的标准不确定度由若干标准不确定度分量构成时，按方和根得到的标准不确定度，它表明了所风量罩检测结果评定的可靠程度。

3.7 扩展不确定度

扩展不确定度是表示测量结果的取值区间，因此也被称为范围不确定度。扩展不确定度是由合成标准不确定度的倍数表示的测量不确定度，通常用符号U表示：合成不确定度与包含因子k的乘积，作为总不确定度（符号为U）。此外k值一般取2，有时取3，这主要取决于被测量的重要性、效益和风险，论文在综合权衡后选取k=2。

4 结束语

目前风量罩的使用，还缺少相关的国家标准。风量罩使用方便，但是对其检测原理和检测条件尚无相关文献进行过细致的研究。目前国内风量罩产品厂家良莠不齐，在测量过程中存在测量结果偏差的问题，特别是工程验收过程中不可避免产生的商业纠纷。本文通过对风量罩的校准及其不确定度分析，对其在应用和推广过程中所存在的问题处理有现实的意义。

参考文献

[1]朱正宪.通风机流量测量不确定度评定[J].矿业安全与环保，2001（06）.