韓書新，黃清治

（黑龍江省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

皮托管又稱皮托靜壓管， 是一種測(cè)量氣流總壓和靜壓以確定氣流速度的設(shè)備。 它是由一個(gè)垂直在支桿上的圓筒形流量頭組成的管狀裝置。 在皮托管的側(cè)壁周圍有一些靜壓孔, 頂端有一個(gè)迎流的全壓孔。 它能測(cè)出差壓，并根據(jù)壓差確定流場(chǎng)中某處的流速[1]。

皮托管作為一種高精度的測(cè)量設(shè)備， 經(jīng)過精密加工及標(biāo)定后，在馬赫數(shù)<2 的流速范圍內(nèi)，其精度可達(dá)10-3級(jí)別，所以即便皮托管已有二百多年的歷史，但它至今仍被廣泛應(yīng)用于工業(yè)及民用領(lǐng)域[2]。

2 皮托管的構(gòu)造及工作原理

2.1 皮托管的結(jié)構(gòu)

圖1 皮托管結(jié)構(gòu)示意圖

皮托管的構(gòu)造如圖1 所示。 皮托管外形為直角彎折的金屬管，頂端有一個(gè)總壓孔，在其側(cè)壁上排布著若干的靜壓孔。 總壓孔與靜壓孔相互獨(dú)立，分別用導(dǎo)壓管引出連接至微壓計(jì)[3]。 較長(zhǎng)的支桿將總壓孔和靜壓孔的接頭引出以便于二者與微壓計(jì)相連。 在支桿的下部有定向桿， 其作用是為了保證皮托管使用中總壓孔與氣流方向上的定位。 圖中豎直向下的管是用來測(cè)量總壓力的，被稱為皮托管；而水平向右的管子是測(cè)量靜壓力的，被稱為靜壓管。

實(shí)際上通常所說的皮托管均為皮托管和靜壓管的組合，而且多數(shù)使用實(shí)驗(yàn)系數(shù)近似為1 的形狀，即國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中所推薦的錐形頭 （GETIAT）、 橢圓形頭（MPL）、球形頭（AMCA）等三種形式。

2.2 皮托管的工作原理

圖2 皮托管工作原理圖

皮托管是一種伯努利方程在空氣中的應(yīng)用[4]。 如圖2 所示，當(dāng)理想流體均勻且平行流向靜止物體時(shí)，設(shè)想其中一條流線撞擊在物體的駐點(diǎn)A 上， 則流體在該點(diǎn)將發(fā)生分流， 駐點(diǎn)A 處的流體流速為零，即VA=0。

選擇兩個(gè)截面K1和K2， 其中K1截面流動(dòng)沒有受到任何的影響，流束是平行的，流速形成規(guī)則的速度分布，截面上各點(diǎn)的靜壓力相等。K2截面流動(dòng)受到影響，流束密集，流速加快，靜壓降低。 則在K1，K2面上的伯努利方程為：

其中:ε 為截面K1、K2間的流體阻尼系數(shù)，這里設(shè)ε=0；ρ1，ρ2為流體密度， ρ1=ρ2=ρ流體；K1,K2為速度分布不均系數(shù)，K1=K2=1；P1，P2為兩個(gè)截面的靜壓力；V1、V2為兩個(gè)截面的流體流速，V2=VA=0。

從而式（1）變?yōu)椋?/p>

其中:P2為總壓力 （A 點(diǎn)處動(dòng)壓為零）；P1為靜壓力。

由于均勻流場(chǎng)中靜壓力相等，則PB=P1=P0，此時(shí)令P2=P，V1=V，式（2）變?yōu)镻-P0= ρ流體V2，整理后得到：

其中:P-P0表示流場(chǎng)中某點(diǎn)的動(dòng)壓力。

由此可知， 當(dāng)?shù)玫搅鲌?chǎng)中某點(diǎn)的動(dòng)壓力且知道流場(chǎng)中流體的密度時(shí)， 即可得到流場(chǎng)中流體在該點(diǎn)的速度。

通過以上分析可知， 要得到流場(chǎng)中某點(diǎn)準(zhǔn)確的流體速度， 皮托管在該流場(chǎng)中一定要保證其總壓孔正對(duì)流體流向[5-6]，且皮托管在流場(chǎng)中一定要保持穩(wěn)定，避免其在流體的作用下發(fā)生偏移[7]。 這就要求在皮托管安裝時(shí)，要盡可能的減小安裝誤差，從而保證其安裝的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3 皮托管夾具的設(shè)計(jì)

3.1 夾具設(shè)計(jì)的原則

夾具要能夠滿足測(cè)量原理所需滿足的條件，即皮托管在流場(chǎng)中要保證總壓孔正對(duì)氣流流向， 且要保證其在流場(chǎng)中的穩(wěn)定， 避免在流體的作用下發(fā)生移動(dòng)或偏轉(zhuǎn)。 根據(jù)以上的安裝要求，總結(jié)夾具設(shè)計(jì)要保證以下幾點(diǎn)原則：

（1）要保證皮托管在流場(chǎng)內(nèi)安裝的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性；

（2）要保證夾具的通用性，即不同類型、長(zhǎng)度的皮托管均可使用；

（3）要保證方便安裝。

所以， 皮托管夾具的設(shè)計(jì)需依據(jù)以上的原則來進(jìn)行。

3.2 夾具的設(shè)計(jì)

根據(jù)夾具設(shè)計(jì)的原則。 皮托管夾具設(shè)計(jì)主要由上夾板、支撐桿、支撐座、固定螺絲等部件組成。 它可將不同型號(hào)、 長(zhǎng)度的皮托管較為穩(wěn)定地安裝在風(fēng)場(chǎng)內(nèi)。

夾具的支撐座通過螺紋為M8， 螺距為1 mm 的細(xì)牙螺紋孔與兩根支撐桿相連， 從而可以保證安裝皮托管時(shí)，其能夠豎直地固定在風(fēng)洞風(fēng)場(chǎng)內(nèi)。

上夾板起到固定作用。 通過固定螺絲將皮托管牢牢固定在支撐桿上。 同時(shí)，通過上夾板和固定螺絲的上下調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度皮托管的安裝。

該皮托管夾具整體長(zhǎng)度約310 mm， 寬度約60 mm，支撐座部分配有M18，螺距2.5 mm 的安裝螺紋孔， 以便于與氣象用DZS-II 型低速直路風(fēng)洞安裝孔配合，以適用于氣象風(fēng)洞的皮托管檢定工作。

4 夾具的實(shí)際應(yīng)用

實(shí)際應(yīng)用中， 該款?yuàn)A具便于將皮托管安裝在風(fēng)洞洞體內(nèi)， 并且可以很好的保證皮托管檢定過程的穩(wěn)定性， 可適用于不同長(zhǎng)度、 類型的皮托管檢定工作。

表1 L 型（長(zhǎng)800 mm）皮托管檢測(cè)數(shù)據(jù)

從表1 數(shù)據(jù)可以看出，某一L 型800 mm 長(zhǎng)的皮托管，通過夾具對(duì)皮托管進(jìn)行固定，數(shù)據(jù)輸出比較穩(wěn)定。 從而表明該夾具可大大地減小安裝誤差對(duì)檢定數(shù)據(jù)的影響。

從表2 可以看出， 該皮托管的檢測(cè)數(shù)據(jù)符合檢定規(guī)程中的要求。 從而保證了檢定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。在較大尺寸的皮托管檢定中，效果尤為顯著,大大提高了檢定工作的質(zhì)量。

表2 檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

通過氣象風(fēng)洞在皮托管檢定中的要求， 總結(jié)了皮托管檢定中的安裝夾具的幾點(diǎn)原則。 并依此原則，通過CAD 及三維仿真軟件， 設(shè)計(jì)了基于氣象直路低速風(fēng)洞的皮托管檢定夾具。 該款?yuàn)A具在理論上可以很好地對(duì)皮托管進(jìn)行固定。

通過對(duì)該皮托管夾具的實(shí)際操作以及對(duì)檢定數(shù)據(jù)結(jié)果的分析，該夾具在安裝上較為方便，并可適應(yīng)于各種不同長(zhǎng)度、類型的皮托管的檢定工作。 同時(shí)可以減小特別是在較大尺寸皮托管檢定中的安裝誤差對(duì)檢定數(shù)據(jù)的影響， 很好的保證檢定過程中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性， 進(jìn)而可以很好的保證皮托管檢定工作的質(zhì)量。 這對(duì)進(jìn)行皮托管檢定工作的開展及檢定結(jié)果的質(zhì)量控制都有著一定的促進(jìn)作用。

[1]汪玉忠, 張寧. 文丘里皮托管流量計(jì)的應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化儀表,1994.

[2]楊大業(yè), 周臨川. S 型皮托管的應(yīng)用及標(biāo)定分析[J].計(jì)量技術(shù),2000.

[3]王敏, 周樹道, 王彥杰, 朱國(guó)濤. 影響皮托管測(cè)風(fēng)精度的幾個(gè)因素[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010.

[4]郭仁東, 胡冰, 王立捷, 蘇丹丹, 齊宏宇. 圓管流體平均流速與管道半徑的關(guān)系[J]. 沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào),2008.

[5]孫志強(qiáng), 周孑民, 張宏建, 胡劍. 皮托管測(cè)量影響因素分析I. 檢測(cè)桿與安裝角的影響[J]. 傳感器技術(shù)學(xué)報(bào),2007.

[6]孫志強(qiáng), 周孑民, 張宏建, 胡劍. 皮托管測(cè)量影響因素分析Ⅱ.全壓孔與靜壓孔的影響[J]. 傳感器技術(shù)學(xué)報(bào),2007.

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