二等皮托管测风误差分析及偏差模拟计算

第一篇：二等皮托管测风误差分析及偏差模拟计算

二等皮托管测风误差分析及偏差模拟计算

王 敏，魏根宝，马锦国，周昌文

（安徽省大气探测技术保障中心，合肥 230031）

摘要 皮托管是组成风速检定装置的主要计量标准，其测量精度对检定质量具有重要影响。文中从皮托管测风原理出发，详细介绍了影响皮托管测风误差的相关因素，模拟计算了各因素对风速测量产生的影响，分析了影响皮托管测风误差的主要因子。结果表明：温度和阻塞系数是影响二等皮托管测风误差的主要因素。当环境温度偏差±8℃时，可引起二等皮托管风速测量误差0.44m/s（v=30m/s）。当阻塞修正系数偏差±0.02时，可引起二等皮托管风速测量误差±0.6m/s（v=30m/s）；皮托管系数、大气压力和湿度经修正后对二等皮托管测风精度影响相对较小。

关键词 皮托管 风速检定装置 皮托管系数 阻塞系数

引言

风速是重要气象参数之一，是气象测量领域重点研究部分。风速传感器的测量精度对提高气象预报准确率、正确评估灾害天气、开发风能资源等具有重要意义[1-3]。为了确定风速传感器的计量性能，气象台站使用的风速传感器需要定期送省级气象计量检定站进行检定。目前，省级气象计量检定站的风速检定设备为二等标准风速检定装置，其主计量标准器为二等皮托管。皮托管的测量精度对检定结果的可信度具有重要影响。皮托管是一种测量流体点速度的气力式流速传感装置，其具有测量准确、结构简单、使用方便、坚固耐用等优点[4-8]。国内外生产皮托管的厂家较多，如奥地利E+E公司，美国Omega公司，日本SK株式会社，法国KIMO公司，天津气象仪器厂等。目前，国内生产的皮托管测风指标与国外相当[9]。从结构形式上，皮托管主要分为L型和S型两种[10,11]。由于L型皮托管结构相对完善，测量精度较高，气象用二等标准风速检定装置中采用天津气象仪器厂生产的此型二等皮托管。使用时将皮托管固定在风洞工作段上方，并与微压计相连组成标准流速测量系统。通过皮托管顶部和侧面的小孔分别测出流体的总压和静压，从而获得流体的动压即压力差，并根据经典流体力学理论间接获得测量点的流速。 作者简介：王敏（1981-），女，汉，硕士，从事气象仪器检定、检修与计量方法研究工作。Email:wm810320@mail.ustc.edu.cn。目前，关于皮托管测风误差分析的文献相继报道[4,11,12]，从皮托管全压孔和静压孔的结构设计、安装位置和角度、阻塞系数等方面分析了造成皮托管测量误差的影响因素，这对皮托管的制作、安装和使用具有指导意义。从皮托管测风理论上看，影响其测风精度的因子较多，如空气密度修正系数、皮托管系数、阻塞系数、微压计系数等多个参数，任意一个参数的变化均对风速测量精度造成影响。由于定量分析皮托管的各个因子在变化时对测风精度影响的文献还未见经传。针对这个问题，文中以皮托管测风理论为基础，模拟计算了影响因子在发生变化时引起二等皮托管的测风偏差量，这为评定标准皮托管测量不确定度、及时修正测风误差和避免主要影响因子对皮托管测风精度造成影响具有重要意义。1 基础理论

皮托管总压孔和静压孔的压力差即为动压，动压可由与其相连的微压计测得。根据标准状态下气体状态方程可得，皮托管动压与风速之间关系如（1）式所示。

P1干v02（1）23式中P为动压（单位：Pa），干为干空气密度，干=1.225kg/m，v0为风速（单位：m/s）。由（1）式可得，风速v0可表示为（2）式。

v02干P=1.278P（2）

由于实际空气密度不同于标准状态下密度，同时，不同的皮托管和微压计的系数也不同，在风洞内被测风速表的阻塞系数对风速的测量也造成影响。因此需要对风速进行空气密度修正、风速表阻塞系数修正、皮托管修正、微压计修正，总修正系数K如式（3）所示。

KKE

=E1013.25(273.15t)（3）

288.15(P0.378Uew)式中K为总修正系数，E为风速表阻塞修正系数、K为空气密度修正系数，t为环境温度（单位：℃），P为大气压力（单位：hPa），U为环境湿度（单位：%RH），ew为饱和水汽压（单位：hPa），是温度t的函数，可表示为ewe0107.5t273.15t,e0为温度为0时饱和水汽压，e0=6.11hPa，为皮托管系数，为微压计系数。经过修正后的实测风速v表示为（4）式[13,14]。

vKv0

=1.278E

1013.25(273.15t)P（4）288.15(P0.378Uew)此式为皮托管测风基本原理。2 影响因素分析

由皮托管测风原理可知，皮托管测风主要与环境温度、湿度、大气压力、风速表阻塞系数、皮托管系数、微压计系数等参数有关，各个参数的变化及仪器的测量精度对实际风速均造成影响。目前，气象用二等风速检定装置使用数字式微压计测量皮托管的总压和静压，此参数对皮托管的影响可以省略。环境温度、湿度和大气压力是影响空气密度的重要参数，三者的变化通过空气密度影响了皮托管测风精度。风速表阻塞系数是指风速传感器的不动部分投影面积与风洞工作段截面积之比。朱乐坤、李国森等人指出当风速传感器的阻塞系数大于5.0%时，需要对其进行修正以减少对测试结果带来附加误差[12,15]。同时，JJG518-1998《皮托管检定规程》中规定，二等皮托管系数应在0.99-1.01之间，检定周期为5年，若在使用过程中皮托系数发生变化，则也可对测风精度造成影响。3偏差模拟计算 3.1 空气密度影响

为了提高皮托管测风精度，气象用二等风速检定装置在检定开始和结束时需要测量环境温度、湿度和大气压力。若环境参数在始末两次测量时发生变化但符合规程技术要求，数据处理时求得始末两次测量结果平均值作为风速检定过程中的环境参数进行空气密度修正。如JJG431-1986 《DEM6型轻便三杯风向风速表检定规程》中，要求工作室内温度在（15～30）℃范围内，湿度和大气压力未进行规定。下面以JJG431-1986中对环境参数的要求为例，模拟计算温度、湿度、气压三个参数的变化对皮托管测风误差的影响。（1）温度

在检定过程中，若大气压力和湿度保持不变，分别为1000hPa和60%，风速表阻塞修正系数E=1，皮托管系数=1时，环境温度在始末两次测得结果分别为15℃和30℃，平均温度为22℃，则环境温度可产生最大8℃的偏差。在不同的风速下，温度的偏差对皮托管测得风速v的影响如图1所示。从图中可以看出，当环境温度高于平均温度时，皮托管测得风速值将低于真实风速值，即皮托管将产生负偏差；当环境温度低于平均温度时，皮托管测得风速值将高于真实风速值，即皮托管产生正偏差。温度偏差越大，引起的皮托管测风误差也越大。当△T=2℃时，皮托管测风误差△v=0.11m/s（v=30m/s），当△T=8℃时，皮托管测风误差△v=0.44m/s（v=30m/s）。

0.50.40.30.2 △T=-8℃ △T=-4℃ △T=+2℃ △T=+6℃ △T=-6℃ △T=-2℃ △T=+4℃ △T=+8℃风速误差 m/s0.10.0-0.1-0.2-0.3-0.4-0.50246810121416***83032风速 m/s

图1 环境温度的偏差（相对于22℃）引起皮托管的风速误差

（2）大气压力

若环境温度和湿度保持不变，分别为20℃和60%，风速表阻塞修正系数E=1，皮托管系数=1时，大气压力相对于1000hPa偏差10hPa之内时，在不同的风速下，引起皮托管风速误差v如图2所示。

0.180.160.140.120.100.080.060.040.020.00-0.02-0.04-0.06-0.08-0.10-0.12-0.14-0.16-0.1802 △P=+10hPa △P=+1hPa △P=-5hPa △P=+5hPa △P=-1hPa △P=-10hPa 风速误差 /m/s46810121416***83032风速 /m/s

图2 大气压力的偏差（相对于1000hPa）引起皮托管的风速误差

从图中可以看出，当气压相对1000hPa偏差10hPa时，可引起皮托管测风误差（v=30m/s）；当气压相对1000hPa偏差5hPa时，可引起皮托管测风误差0.07hPa0.15hPa（v=30m/s）。通常一台风速表的检定时间不超过1小时，气压的变化一般不大于5hPa，由此可见气压对皮托管测风的影响相对较小。（3）湿度

同样，若环境温度和大气压力保持不变，分别为20℃和1000hPa，风速表阻塞修正系数E=1，皮托管系数=1时，湿度相对于60%偏差20%之内时，在不同的风速下，引起皮托管测得风速误差v如图3所示。从图中可以看出，当湿度相对60%偏差20%时，可引起皮托管测风误差0.02hPa（v=30m/s）；当湿度相对60%偏差10%时，可引起皮托管测风误差0.01hPa（v=30m/s）。模拟计算结果表明：湿度对皮托管测风的影响较小。

0.0250.0200.0150.010 △U=+20% △U=+5% △U=-10% △U=+10% △U=-5% △U=-20%风速误差 /m/s0.0050.000-0.005-0.010-0.015-0.020-0.***6***83032风速 /m/s

图3湿度的偏差（相对于60%RH）引起皮托管的风速误差

3.2 皮托管系数

皮托管在测量总压和静压时存在误差，为避免风速计算时产生偏差而引入皮托管系数。根据JJG518-1998中对二等皮托管系数的技术要求，L型皮托管的应在0.99-1.01之内。气象用二等风速检定装置的应用软件中增加了对皮托管系数的修正项。为了考察皮托管系数的稳定性，统计了本单位在用两支皮托管的系数变化情况。表1为（1988-2010）年两支L型皮托管在国家气象计量检定站皮托管系数的检定结果。

表1（1988-2010）年两支L型皮托管系数检定结果

检定有效期 1988-1993 1993-1998 1997-2002 2000-2005 2006-2011平均值 最大偏差

皮托管系数（NO：216）

1.008 1.005 1.005 1.006 1.006 1.006 0.003

检定有效期 1988-1993 1997-2002 2004-2009 2010-2015

/平均值 最大偏差

皮托管系数（NO：235）

1.008 1.005 1.005 1.006 / 1.006 0.003 如表1所示，相邻检定周期之间，两支皮托管系数最大偏差为0.003，皮托管系数还是比较稳定的。下面我们模拟计算皮托管系数相对于1.00产生±0.003的偏差时，在不同的风速下对皮托管测风产生的影响。假设环境温度、湿度和大气压力保持不变，分别为20℃、60%和1000hPa时，风速表阻塞修正系数E=1，皮托管系数的变化引起其测得风速误差如图4所示。

0.050.040.030.02 y1.003 y1.001 y0.998 y1.002 y0.999 y0.997风速误差 /m/s0.010.00-0.01-0.02-0.03-0.04-0.******83032风速 /m/s

图4 皮托管系数的偏差（相对于1.00）引起皮托管的风速误差

图4中，当皮托管系数偏差分别为0.001、0.002和0.003时，皮托管测得风速误差分别为0.01m/s、0.03m/s和0.04m/s（v=30m/s）。由图中数据可得，经修正后皮托管系数对其测风精度影响较小，即使在使用中发生0.003的变化，引起皮托管测风误差不超过0.05m/s（v=30m/s）。3.3 阻塞系数影响

皮托管测得风速与风速表阻塞修正系数成线性关系，阻塞修正系数的大小直接影响了皮托管测风精度。国内自动气象站常用EC9-1型（长春气象仪器研究所）、EL15-1A型（天津气象仪器厂）、EZC-1型（长春气象仪器厂）、WA151-1A型（Vaisala公司）风速传感器，其阻塞系数分别为5.0%、5.8%、4.7%和5.0%[15]。气象用二等风速检定装置的应用软件中对各种风速传感器的阻塞系数进行修正，其修正系数分别为1.034、1.035、1.022和1.024。由于应用软件中使用的风速传感器阻塞修正系数为经验值，对于不同的风洞和同种型号不同风速传感器来说，此值也有所差异，需要有针对性的测试确定各自的修正系数。因风速表阻塞系数测量上的不便和风速传感器型号多样等影响，气象用二等风速检定装置应用软件中，仍然使用风速传感器的经验值。如果风速传感器阻塞修正系数偏差±0.02时，当风速为30m/s时，可引起皮托管测量误差±0.6m/s。由于由此看见，阻塞系数的偏差对皮托管测风误差影响是较大的。4 结论

皮托管是气象用风速检定装置中常用的计量标准，其具有测量精度高、计量性能稳定、坚固耐用等优点。但是，其测风精度影响因素也较多，如何正确使用皮托管，减少测量误差，在实际工作中尤为重要。现将本文研究结果结合实际工作情况进行总结。（1）皮托管测风应用软件中，有必要对空气密度、皮托管系数、风速表阻塞系数进行修正。研究中发现，经过空气密度、皮托管系数和阻塞系数修正后，皮托管测风误差相对减少。（2）尤其重视温度和阻塞系数的修正。研究表明：温度和风速表阻塞系数是影响皮托管测量误差的主要因素。在检定过程中，注意环境温度的变化，及时进行误差修正。在环境变化剧烈、超出规程允许范围的情况下，停止风速检测工作。同时，对于风速表阻塞系数要引起足够重视。由于风速表种类多样，阻塞修正系数不便确定，往往采用经验值进行代替。实际工作中，可采用计算法确定阻塞修正系数，从而减少其测风误差。（3）定期对皮托管进行核查和检定。在5年检定周期内皮托管系数可能发生漂移，因此要做好皮托管的期间核查和定期送检工作，避免使用计量失控和超检仪表。参考文献

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Second-class Pitot Tube Wang Min, Wei Genbao, Ma Jinguo, Zhou Changwen(Anhui Atmospheric Observation and Technical Support Center, Hefei 230031)Abstract: The pitot tube is the main standard composing of wind calibration device and the measurement accuracy is important to influence on the calibration quality.From the pitot tube measurement principle, the influence factors of measurement error for pitot tube were introduced in detail in the paper.The measurement deviation causing by the influence factors was simulated.The main error influence factors of pitot tube were analyzed.The results showed that the temperature and obstruction coefficient were the main factors to beget the measurement error for the second-class pitot tube.When the deviation of environment temperature reached ±8℃, the wind error of pitot tube could be 0.44m/s（v=30m/s）.When the deviation of obstruction coefficient reached ±0.02, the wind error of pitot tube could be ±0.6m/s（v=30m/s）.As amended, the effect of the pitot tube coefficient, pressure and humidity were smaller.Key words: pitot tube, wind calibration device, pitot tube coefficient, obstruction coefficient