風量罩測量誤差原因及基于靜壓補償法的研究

劉世杰 鄒鉞 劉赟

1 東華大學環(huán)境科學與工程學院

2 上海典唯科技有限公司

0 引言

目前，通風量最普遍的測量方法有直接風量測量和間接風量測量兩種方法[1-2]。間接測量法是通過風速儀[3]測定各點風速，以各點風速測量值的算術(shù)平均值作為風口截面平均風速，將平均風速乘以風口截面積計算出風口風量。直接測量方法主要是采用風量罩進行風量測量，它的優(yōu)點是直接讀取風量，減去了大量計算的麻煩，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量且操作方便。在風口復雜的氣流方向條件下,相較于直接測量法,間接測量法中所用的風速儀對氣流方向不夠敏感,不能保證測試結(jié)果的準確性,且風速儀造價較高,風速探頭易斷,在結(jié)構(gòu)復雜的風口處,極易被損壞。因此在通風工程中，常采用各種形式的風量罩來測量風口風量。

盡管風量罩在我國的風量測量領(lǐng)域越來越普及，但在出風口處使用風量罩進行風量檢測時，所測風量相比于設(shè)計風量均偏小[4]。即便在檢測過程采用的是美國TSI、瑞典SWEMA 公司專業(yè)檢測工具，其測量精度達到國際標準且通過CNAS 專業(yè)機構(gòu)的計量認證，測量結(jié)果仍與設(shè)計風量不符。2014 年，羅運有介紹當前風量測量主要技術(shù)特點，在研究風量罩罩體阻力對測量結(jié)果的影響基礎(chǔ)上，得出風量罩精度所引起的不確定度為風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，黃聰進行了風量罩測量方法的研究，認為空氣流體流經(jīng)風量罩時，流速、靜壓和能量都會發(fā)生變化[6]。陸科,臧立新,張弦等利用以皮托管為主標準器的風洞進行風量罩風量的校準,得出風量罩風量示值誤差測量的不確定度為0.49%的結(jié)論[7]。國內(nèi)外相關(guān)文獻對于解決空調(diào)系統(tǒng)風量精確測量及補償這類問題的研究較少，因此針對這一現(xiàn)象，我們需要進行相關(guān)實驗。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

探尋風量罩測量不準確原因：首先在實驗室內(nèi)搭建實驗臺模擬空調(diào)系統(tǒng)出風過程。通過風量罩安裝在出風口前后，測量得到出風口靜壓大小的變化，探尋風量罩測量風量不準確的原因。

提出解決方案：基于風量罩測量不準確的原因，提出相應(yīng)的解決方案，即通過靜壓補償[8]的方式將出風口靜壓影響消除，保證氣流無阻力出風，使風量罩可測得準確風量值。

解決方案的驗證：在標準風洞實驗室內(nèi)，風洞系統(tǒng)內(nèi)的實際風量值已知的情況下，測量將風量罩安裝在風洞風口前后風洞出口處的靜壓大小變化進一步驗證原因，并通過靜壓補償?shù)姆绞綄L洞出口處靜壓降低至0 Pa，比較風洞此時風量大小是否與設(shè)定值相等來判斷此方法的有效性。

2 模擬風口出風實驗

2.1 實驗介紹

在實驗室內(nèi)模擬風口出風試驗初步探究風量罩測量不準確原因。通過小型軸流風機模擬系統(tǒng)中動力裝置，再通過靜壓箱出風。Swema 風量罩與靜壓箱連接，在靜壓箱出口處設(shè)置靜壓采集點，實時監(jiān)測出口靜壓的狀況。整體裝置示意圖如圖1 所示：

圖1 實驗裝置連接示意圖

2.2 實驗裝置

表1 為模擬風口出風實驗器材及型號。

2.3 實驗過程

1）將軸流風機與靜壓箱相連，靜壓箱出口截面設(shè)置采壓點，采壓點利用Swema3000 與壓力探頭進行靜壓力采集讀數(shù)。采集靜壓時，注意壓力探頭與氣流方向保持垂直或背對狀態(tài)，將風速帶來的動壓的影響降低到最小以測得靜壓大小。

2）運行小型軸流式風機，將風速調(diào)至固定值大小。測量并記錄采壓點此時的靜壓值。

3）將靜壓箱出口與風量罩相連，再次測量并記錄采壓點靜壓值，觀察靜壓值的變化

4）參照風量罩出口尺寸改變靜壓箱出口截面尺寸，重復進行上述的實驗。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

實驗測得在靜壓箱出口處不加風量罩的情況下，采壓點靜壓值基本維持在0 pa 左右，表明該系統(tǒng)自然出流無阻力影響。風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時抽穗最早，為6月7日；播量為150 kg/hm2、210 kg/hm2、240 kg/hm2 時次之，均為6月8日，播量為 270 kg/hm2、300kg/hm2時最遲，為6月9日。在成熟期上，播量為150～240kg/hm2時均在7月23日成熟，而播量為 270kg/hm2、300kg/hm2時成熟較晚，為7月24日。總整體來看，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，延長了生育期，為99 d。

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

表2 采壓點測得數(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，采壓點靜壓值從1.2 Pa 增大至8.2 Pa，風量罩產(chǎn)生的阻力影響越大。

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

3 基于靜壓補償法的概念及模型

由上述實驗得出風量罩罩體對出風產(chǎn)生阻力[9]這一特點，主要體現(xiàn)在風量罩罩體對出風性能產(chǎn)影響。對此，提出一種靜壓補償?shù)姆椒ǎ瑢L量罩罩體產(chǎn)生的靜壓影響消除，得到系統(tǒng)內(nèi)實際風量大小。

靜壓補償法目的是為了通過添加一個輔助動力的方式讓出風口處存在的靜壓降低為0 Pa。這一方式的實現(xiàn)是在風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扇。將風扇安裝至風量罩內(nèi)，通過風扇的抽吸作用將靜壓降低至0 Pa，實現(xiàn)補償?shù)哪康摹Ｑb置模型如圖2 所示。

圖2 裝置模型圖

系統(tǒng)由風量采集罩1、采壓儀器2、補償風扇4 及補償風扇的控制裝置構(gòu)成。風量顯示屏3 可直接讀出實時風量罩測得風量大小。其特征在于：通過測量系統(tǒng)出風口2 處靜壓值的正負及其大小來判斷風量采集罩對出風性能產(chǎn)生的影響，進而通過補償風扇4 的抽吸作用將采壓點2 的靜壓值降低至0 Pa。其中，補償風扇4 固定于風量罩下方，不影響風量罩測量段測量風量過程、易于攜帶且安裝拆卸方便。風扇風量可通過控制裝置調(diào)節(jié)。

由于模擬風口出風實驗無法明確知道軸流式風機的實時風量大小，使用基于靜壓補償這一方法無法判斷是否有效。因此在已知系統(tǒng)內(nèi)實時風量大小的標準風洞實驗室內(nèi)展開壓力測試及補償實驗，判斷上述方法的有效性。

4 標準風洞實驗室出風測試

4.1 實驗裝置

表3 標準風洞實驗室出風測試器材及型號

在風量罩罩體內(nèi)設(shè)置三個采壓點，分別位于風量罩最小截面處點1、風量罩與風洞連接處點3、風量罩罩體中間點2，采壓點處的橡膠管背風固定在風量罩罩體上。設(shè)置三個采壓點的目的在于：測出采壓點1、2、3 三處的靜壓值，若測量靜壓值不同，則分別作為補償基準點進行補償，將補償過后的風量值與系統(tǒng)設(shè)定風量值進行對比驗證，判斷各點是否為補償參考點。采壓點布置圖及整體實驗裝置連接示意圖分別如圖3、圖4 所示。

圖3 風量罩內(nèi)部采壓點

圖4 實驗裝置連接示意圖

4.2 實驗過程

1）在風洞出風口上罩上風量罩。若風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。本次實驗中，風量罩面積與風洞出口截面積近似相等，于是僅用膠帶進行密封措施，密封后將風量罩取下。

2）在風量罩內(nèi)設(shè)置采壓點1、2、3，在風洞運行穩(wěn)定后依次測量各點靜壓值大小。

3）設(shè)定風洞系統(tǒng)風量值Q，運行風洞系統(tǒng)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，在風洞出口處加上風量罩，對比此時系統(tǒng)實際風量值Q’與設(shè)定風量值Q，判斷風量罩對風洞系統(tǒng)產(chǎn)生的阻力大小。

4）分別對三個采壓點進行壓力采集，記錄為P1、P2、P3。

5）將小型軸流風機固定在風量罩內(nèi)，分別將三處壓力點均降低至0 Pa，記錄下每個采壓點降低至0 Pa時，對應(yīng)的風洞內(nèi)實時風量Q1、Q2、Q3的大小。比較風量Q1、Q2、Q3與系統(tǒng)設(shè)定風洞風量值Q 是否相等。

6）改變風洞內(nèi)設(shè)定的風量值Q，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，重復上述實驗步驟。

4.3 數(shù)據(jù)及分析

設(shè)定風量值由小到大。前三個風量值風洞系統(tǒng)采用Φ60 的孔板，流量范圍為50～350 m3/h，稱為第一種工況。后兩個風量值采用Φ225 的孔板，流量范圍為350～600 m3/h，稱為第二種工況。實驗所得數(shù)據(jù)如表4：

表4 靜壓補償法所得實驗數(shù)據(jù)

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

三個采壓點，對于每個不同的風量值，在將P1壓力補償為0時，Q1對應(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)定風量值Q都不等相，表明采壓點1 在靜壓補償方面不具有參考意義。相反地，可以發(fā)現(xiàn)五個測量風量下，P2=P3，采壓點2、3 處的靜壓值相等。運用靜壓補償法將P2、P3壓力值降低為0 時，系統(tǒng)風量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。考慮到一定的測量誤差，可以判斷補償后的風量值Q2和Q3與系統(tǒng)設(shè)定風量值Q 相等。

5 結(jié)論

1）通過實驗表明風量罩對于送風系統(tǒng)存在送風阻力影響，主要體現(xiàn)于在風口處安裝風量罩會對出風口處產(chǎn)生靜壓的作用，阻礙系統(tǒng)自然出風，從而減小了系統(tǒng)內(nèi)風量大小，風量罩風量測量不準確。

2）提出了一種基于靜壓補償?shù)姆椒ǎㄟ^在風量罩內(nèi)安裝小型風扇，利用風扇的動力作用將出風口處存在的靜壓降低為0 Pa，保證系統(tǒng)自然無阻力地出風，可使得標準風量罩測得的風量大小準確無誤。

3）在標準風洞實驗室內(nèi)，通過實驗證實了這一方法的可行性。例如設(shè)定風量為503 m3/h，安裝風量罩后，風量降低至255.0 m3/h，出風口處靜壓為15.6 Pa，運用靜壓補償法將出風口靜壓降低為0 Pa 時，風量值大小返回為502.7 m3/h，驗證了該方法的有效性。