傾角測壓裝置設計與測試

郭 琪，李 琳

（湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南長沙 410000）

1 引言

在工業生產中，壓力的準確測量對安全生產有著十分重要的意義?，F有測壓儀表主要分為兩類，一類是電子傳感器測壓；另一類是以皮托管為代表的傳統測壓。傳統測壓器工作原理簡單、成本低、使用方便，但存在測量精度低，適用范圍有限等缺點[1]。根據儀表的適用范圍篩選分析發現，傳統測壓器在開放空間的測量準確度相比在密閉空間內有待改善。

在實際生產工作中，較多通風環境為開放空間，該類型通風環境中空氣流動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得的壓力常常偏小，此時測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不到壓力。因此，為更準確地測量開口處的壓力，本文設計了一種簡易的專用來測量管道開口處（即開放空間）的測壓裝置——傾角測壓裝置。

2 傳統測壓裝置存在的問題

傳統測壓裝置在測量風壓時常用皮托管與單管傾斜式微壓計配合使用，而皮托管測量的準確性要保證全壓孔和靜壓孔所接受的壓力是被測點的全壓和靜壓，但由于測量環境的溫度、濕度及阻塞系數等因素的不同，導致測量風壓與實際風壓存在一定誤差，測量準確度下降。

對于全壓孔，傳統測壓器測得的壓力實際上是全壓孔整個孔面積上的平均壓力，而非流速等于零點的壓力。由于孔面上速度不等于零的各點壓力被全壓孔全部接受，導致平均結果比速度等于零點的壓力小，這現象常被稱為“偏移效應（Displacement Effect）”[2]。由此，全壓孔測得的壓力并非真正的全壓。對于靜壓孔，測量過程存在的問題更為嚴重。一方面，當氣流流經皮托管表面時，由于受到皮管表面的摩擦影響，皮托管測到的靜壓偏小，測的壓差要比實際壓差偏大，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狀態，既受上游水平檢測桿頭部繞流的影響，又受下游豎直檢測桿繞流的影響，使得其靜壓測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]。

工業中常用的普通壓力表接頭結構簡單，內腔為通孔，風壓通過通孔時會受到與皮托管相類似的問題，而引起測量結果的偏小。

3 傾角測壓裝置

3.1 傾角測壓的原理

傾角測壓裝置的原理是把一定質量且單邊固定的光滑長方形鐵片懸掛在管道內上部空間，鐵片表面和管道風流方向垂直，即鐵片正對通風來流。當無風時，在重力作用下，鐵片平面與地面垂直。當管道內風流過鐵片對鐵片產生正向壓力，通風氣流會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，管道內的氣流可假定為定常氣流，而在定常氣流中動靜壓之和為常數。雖然鐵片會有輕微擺動，氣流穩定時鐵片擺動幅度極小，此時氣流在鐵片上速度可近似為零，氣流的動壓1/2v2轉變成了壓強，和靜壓一起形成總壓，表現為傾角的度數。即這個傾角大小不僅與鐵片自身所受重力有關，也反映了鐵片所在管道區域的風壓大小。

從力學角度分析，形成傾角θ的穩定狀態，鐵片受到三個平衡力的作用，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就是由于通風氣流通過鐵片而引起的。鐵片懸掛軸為強度極高的光滑鋼絲，且接觸位置涂抹潤滑油，故接觸面摩擦力忽略不計。力矩平衡計算式如下：

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為單位面積的風壓，Pa。

3.2 傾角測壓裝置的構造

按照上述原理設計用于實驗研究的傾角測壓裝置由高強度鋼絲、鐵片、量角器及角度指示器組成，裝置示意圖和實體圖形見圖1、圖2。

圖1 測壓裝置示意圖

圖2 測壓裝置實物圖

主要部件尺寸參數如下：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；為對比分析實驗結果，選用了四種不同質量的鐵片，分別為5.290g、5.514g、10.860g、25.725g，鐵片面積為80cm2。

4 傾角測壓裝置測壓實驗

4.1 實驗目的

（1）驗證傾角測壓裝置設計的可行性；

（2）研究鐵片質量對壓力測量的影響；

（3）發現傾角測壓裝置的設計缺陷，為今后的改進提供方向和依據。

4.2 實驗過程

在水平管道內離開口處20cm 位置設了一個風壓測點。通過改變風流的頻數，用傾角測壓裝置測出該測點相應的偏移角度，并分別用4塊不同質量的鐵片做類比實驗。根據式1，計算此測點全壓。另外，為對比分析實驗結果的準確性，用單管傾斜壓差計在同一處測量全壓，并采用QBF-3熱球風速儀測出該處的風速，計算此處動壓。動壓pd計算見式2：

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

4.3 實驗數據及分析

通過傾角測壓裝置算出的全壓值與單管傾斜壓差計測得的全壓值如表1。

表1 傾角測壓裝置與單管傾斜壓差計的實驗數據

由表1可知，風壓測點處單管傾斜壓差計測得的全壓比風速算出的動壓小。但風流在出口處是向外壓出的（用單管傾斜壓差計測得的靜壓雖然很小，但均大于零），此處的靜壓是正數，所以全壓一定大于動壓。因此可知單管傾斜壓差計在出口處測得的全壓值嚴重偏小。而傾角測壓裝置算出的全壓比風速算出的動壓大，滿足全壓是動壓和靜壓之和的原則。

圖3為在不同頻數下對應不同質量鐵片計算的全壓與用單管傾斜壓差計測得的全壓。由圖3可知，傾角測壓裝置測得的全壓比單管傾斜壓差計測得的全壓大。傾角測壓裝置在不同頻數下測得的全壓軌跡基本都呈線性變化。用不同質量的鐵片在不同頻數下測得的全壓的軌跡是不一樣的，質量越大，傾斜的角度即斜率就越大。鐵片在一定質量內，鐵片質量越大，傾角測壓裝置對風流改變的敏感度也就越大。但管道出口處要選擇何種質量的鐵片對測量工作的準確性更有幫助，今后有待研究。

圖3 不同頻數下的全壓

5 結論

根據風壓之間關系，分析了傾角測壓裝置的原理及特點，設計了一臺實驗傾角測量裝置，并進行了初步實驗。實驗表明，單管傾斜壓差計在出口處測得的全壓嚴重偏小，誤差較大，而傾角測壓裝置具有在開口處壓力測量的功能，測得的全壓比單管傾斜壓差計測得的全壓更為準確，但該裝置仍然存在較多的缺陷，需在今后實驗中進一步改進。