陳 權(quán) 張 于 盧從俊/ 北京東方計(jì)量測試研究所

0 引言

礦用風(fēng)速測量儀表是國家強(qiáng)制檢定的計(jì)量器具之一。為了保證其技術(shù)性能和技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)定的要求,在初次使用前或使用一段時(shí)間及修理后,都應(yīng)進(jìn)行計(jì)量檢定。因此，其檢測方法是否科學(xué)可靠直接關(guān)系到礦井生產(chǎn)的安全性。

通常情況下，濕度對(duì)于空氣密度的測量結(jié)果有著很大的影響，而空氣密度是測量風(fēng)速很重要的參數(shù)，空氣密度測量的準(zhǔn)確性直接影響風(fēng)速測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文探討濕度因素對(duì)檢定結(jié)果的影響。

采用風(fēng)洞式檢定方法進(jìn)行測量，對(duì)不同濕度條件下的空氣密度進(jìn)行分析和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)檢定時(shí)環(huán)境濕度越大，濕度對(duì)空氣密度的影響越大，即對(duì)風(fēng)速值影響越大。此外，對(duì)不同溫度條件下的空氣密度進(jìn)行了分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在濕度相同的條件下，檢定溫度越高，濕度對(duì)空氣密度的影響越大，即對(duì)風(fēng)速值影響越大。

1 礦用低速風(fēng)洞

能造成氣流流動(dòng)并能在其中進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的裝置叫風(fēng)洞。根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式分為閉口直路式、閉口單回流式和開式等。

本文著重介紹當(dāng)前我國用于風(fēng)速儀表檢測的幾種風(fēng)洞。用于風(fēng)速儀表檢測等工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的低速風(fēng)洞，習(xí)慣稱礦用低速風(fēng)洞。它是當(dāng)前世界各國檢定風(fēng)速表、風(fēng)速傳感器和皮托管的主要裝置。

1.1 閉口直路式風(fēng)洞

分為單工作段和雙工作段兩種[1]。為了提高風(fēng)速表檢定結(jié)果的準(zhǔn)確度,我國目前普遍采用雙工作段風(fēng)洞。雙工作段風(fēng)洞的組成如圖1所示。

圖1 閉口直路式風(fēng)洞示意圖

1.2 閉口單回流式風(fēng)洞

閉口單回流式風(fēng)洞同樣分單工作段和雙工作段兩種。用于風(fēng)速表、皮托管檢定的風(fēng)洞是閉口單回流式雙工作段風(fēng)洞，組成如圖2所示。

閉口直路式與閉口單回流式雙工作段風(fēng)洞主要組成基本相同，工作面都是封閉的，不同點(diǎn)是回流式是環(huán)形，氣流在風(fēng)洞內(nèi)循環(huán);直路式是流入試驗(yàn)室，試驗(yàn)室是一個(gè)不很規(guī)則的回流道。

圖2 閉口單回流式風(fēng)洞示意圖

目前規(guī)程要求的礦用風(fēng)速表檢定裝置為礦用低速風(fēng)洞，包括閉口直路式或閉口回流式、雙工作段風(fēng)洞。

2 主要設(shè)備及相關(guān)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)使用的是閉口回流式雙工作段風(fēng)洞[2]。

主要性能：風(fēng)速表在工作段內(nèi)的阻塞比不大于5%，總收縮比不小于10。

檢驗(yàn)用風(fēng)洞的風(fēng)速范圍應(yīng)大于風(fēng)速表的測量范圍，氣流均勻性不大于1.50%，氣流穩(wěn)定性不大于0.50%。

實(shí)際風(fēng)速值計(jì)算：

式中：VS—實(shí)際風(fēng)速值，m/s；

p—實(shí)際動(dòng)壓值，Pa；

ρ—空氣密度，kg/m3；

ξ—皮托管校準(zhǔn)系數(shù)；

N—第二工作段與第一工作段內(nèi)平均風(fēng)速比

3 空氣密度的計(jì)算方法

根據(jù)JJG（煤炭） 01—96《礦用風(fēng)速表》的要求[3]，空氣密度ρ的計(jì)算公式為

式中：ρ—空氣密度，kg/m3；

p0—大氣壓力，Pa；

t—溫度，℃

事實(shí)上，空氣濕度對(duì)于空氣密度的影響很大，下文從理論上推導(dǎo)濕度的影響，并通過實(shí)驗(yàn)來比較兩種測量結(jié)果的差別。

3.1 空氣密度的計(jì)算方法及相關(guān)步驟

3.1.1 空氣密度

空氣密度ρ 是指單位容積中的空氣的質(zhì)量：

式中：M—空氣的質(zhì)量，kg；

V—空氣占有的空間(或容積)，m3

3.1.2 空氣密度的計(jì)算

空氣由干空氣和水蒸氣組成。在某一溫度下,空氣的密度ρ 應(yīng)為相同溫度下干空氣的密度ρ空和水蒸氣的密度ρ水之和。

根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程，pV=RT，則

式中：R—?dú)怏w常數(shù)，J/（kg·K）；

V—比容，m3/ kg；

p—絕對(duì)靜壓，Pa；

T—絕對(duì)溫度，K

因ρ=1/V，則ρ=p/ RT。干空氣的氣體常數(shù)R空=287.041 J/（kg·K），水蒸氣的氣體常數(shù)R水=461.393 J/（kg·K）。

故得干空氣的密度為

水蒸氣的密度為

式中：p空、p水—分別為干空氣和水蒸氣的絕對(duì)靜分壓(Pa)

根據(jù)道爾頓定律知,這兩項(xiàng)分壓力之和等于濕空氣的絕對(duì)靜壓(帕斯卡)。即

若已知濕空氣的相對(duì)濕度Φ、飽和水蒸氣的絕對(duì)靜分壓為p飽(飽和水蒸氣的絕對(duì)靜分壓可在表1中查得)，在相對(duì)濕度為Φ的濕空氣中，水蒸氣的絕對(duì)靜分壓為p水＝Φ p飽，代入式（7）得：

所以

因?yàn)?p空=p0，由式（2）、（8）可得出：

式中：t—實(shí)測的溫度，℃

式（11）表明：濕空氣密度的影響因素是攝氏溫度、絕對(duì)靜壓，濕度。

3.2 數(shù)據(jù)記錄及處理

如上所述，在其他條件均不變的情況下，相對(duì)濕度分別為30%，35%，40%，45%，50%，55%時(shí)，用閉口回流式雙工作段風(fēng)洞對(duì)一塊風(fēng)速表進(jìn)行檢定，數(shù)據(jù)如表2所示。

在其他條件均不變的情況下，檢定溫度分別為15 ℃，17 ℃，19 ℃，20 ℃，21 ℃，23 ℃，25 ℃時(shí)，用閉口回流式雙工作段風(fēng)洞對(duì)一塊風(fēng)速表進(jìn)行了檢定，數(shù)據(jù)如表3所示。

3.3 結(jié)果與討論

使用origin 專業(yè)繪圖軟件對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。（如圖3、圖4所示）。

由圖3可知，相對(duì)濕度越大，考慮與不考慮濕度影響的空氣密度的差值越大，濕度對(duì)空氣密度的影響越大。

表1 水蒸氣的絕對(duì)靜分壓換算表

表2 溫度20℃、大氣壓力8000 Pa 檢定時(shí)的測量結(jié)果

圖3 檢定溫度20℃時(shí)的濕度影響

由圖4可知，檢定溫度越高，考慮濕度影響的空氣密度與不考慮濕度影響的空氣密度的差值越大，濕度對(duì)空氣密度的影響越大。這可能是由于溫度的改變導(dǎo)致了水蒸氣的絕對(duì)靜壓的改變而造成的。

表3 濕度50 %RH、檢定大氣壓力8000 Pa時(shí)的測量結(jié)果

圖4 檢定濕度50%RH時(shí)的濕度影響

4 結(jié)語

1）濕度的改變對(duì)空氣密度的大小確實(shí)有影響。濕度越大，影響越大。

2）濕度對(duì)空氣密度的影響程度會(huì)隨著溫度的升高而升高。這是由于溫度的改變導(dǎo)致了水蒸氣的絕對(duì)靜壓的改變而造成的。當(dāng)檢定溫度在15℃時(shí)已有這種影響，而隨著溫度的升高，這種影響越來越明顯。

3）空氣密度直接影響著風(fēng)速表的檢定結(jié)果，因此不考慮濕度對(duì)空氣密度的影響，會(huì)影響風(fēng)速表檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

[1]惲起麟.風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[2]鄭建光，任海洋，聶年曉.回流式低速風(fēng)洞流動(dòng)特性的研究[J].中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，03：0212-0217.

[3]煤炭工業(yè)部科技教育司.JJG（煤炭）01—96[S].北京：中國計(jì)量出版社，1996.

[4]張也影.流體力學(xué)，2版[M].北京：高等教育出版社，2003.