第一篇：二等皮托管測風誤差分析及偏差模擬計算

二等皮托管測風誤差分析及偏差模擬計算

王 敏?，魏根寶，馬錦國，周昌文

（安徽省大氣探測技術保障中心，合肥 230031）

摘要 皮托管是組成風速檢定裝置的主要計量標準，其測量精度對檢定質量具有重要影響。文中從皮托管測風原理出發，詳細介紹了影響皮托管測風誤差的相關因素，模擬計算了各因素對風速測量產生的影響，分析了影響皮托管測風誤差的主要因子。結果表明：溫度和阻塞系數是影響二等皮托管測風誤差的主要因素。當環境溫度偏差±8℃時，可引起二等皮托管風速測量誤差?0.44m/s（v=30m/s）。當阻塞修正系數偏差±0.02時，可引起二等皮托管風速測量誤差±0.6m/s（v=30m/s）；皮托管系數、大氣壓力和濕度經修正后對二等皮托管測風精度影響相對較小。

關鍵詞 皮托管 風速檢定裝置 皮托管系數 阻塞系數

引言

風速是重要氣象參數之一，是氣象測量領域重點研究部分。風速傳感器的測量精度對提高氣象預報準確率、正確評估災害天氣、開發風能資源等具有重要意義[1-3]。為了確定風速傳感器的計量性能，氣象臺站使用的風速傳感器需要定期送省級氣象計量檢定站進行檢定。目前，省級氣象計量檢定站的風速檢定設備為二等標準風速檢定裝置，其主計量標準器為二等皮托管。皮托管的測量精度對檢定結果的可信度具有重要影響。皮托管是一種測量流體點速度的氣力式流速傳感裝置，其具有測量準確、結構簡單、使用方便、堅固耐用等優點[4-8]。國內外生產皮托管的廠家較多，如奧地利E+E公司，美國Omega公司，日本SK株式會社，法國KIMO公司，天津氣象儀器廠等。目前，國內生產的皮托管測風指標與國外相當[9]。從結構形式上，皮托管主要分為L型和S型兩種[10,11]。由于L型皮托管結構相對完善，測量精度較高，氣象用二等標準風速檢定裝置中采用天津氣象儀器廠生產的此型二等皮托管。使用時將皮托管固定在風洞工作段上方，并與微壓計相連組成標準流速測量系統。通過皮托管頂部和側面的小孔分別測出流體的總壓和靜壓，從而獲得流體的動壓即壓力差，并根據經典流體力學理論間接獲得測量點的流速。? 作者簡介：王敏（1981-），女，漢，碩士，從事氣象儀器檢定、檢修與計量方法研究工作。Email:wm810320@mail.ustc.edu.cn。目前，關于皮托管測風誤差分析的文獻相繼報道[4,11,12]，從皮托管全壓孔和靜壓孔的結構設計、安裝位置和角度、阻塞系數等方面分析了造成皮托管測量誤差的影響因素，這對皮托管的制作、安裝和使用具有指導意義。從皮托管測風理論上看，影響其測風精度的因子較多，如空氣密度修正系數、皮托管系數、阻塞系數、微壓計系數等多個參數，任意一個參數的變化均對風速測量精度造成影響。由于定量分析皮托管的各個因子在變化時對測風精度影響的文獻還未見經傳。針對這個問題，文中以皮托管測風理論為基礎，模擬計算了影響因子在發生變化時引起二等皮托管的測風偏差量，這為評定標準皮托管測量不確定度、及時修正測風誤差和避免主要影響因子對皮托管測風精度造成影響具有重要意義。1 基礎理論

皮托管總壓孔和靜壓孔的壓力差即為動壓，動壓可由與其相連的微壓計測得。根據標準狀態下氣體狀態方程可得，皮托管動壓與風速之間關系如（1）式所示。

?P?1?干v02（1）23式中?P為動壓（單位：Pa），?干為干空氣密度，?干=1.225kg/m，v0為風速（單位：m/s）。由（1）式可得，風速v0可表示為（2）式。

v0?2?干??P=1.278?P（2）

由于實際空氣密度不同于標準狀態下密度，同時，不同的皮托管和微壓計的系數也不同，在風洞內被測風速表的阻塞系數對風速的測量也造成影響。因此需要對風速進行空氣密度修正、風速表阻塞系數修正、皮托管修正、微壓計修正，總修正系數K如式（3）所示。

K?K?E??

=E1013.25?(273.15?t)????（3）

288.15?(P?0.378Uew)式中K為總修正系數，E為風速表阻塞修正系數、K?為空氣密度修正系數，t為環境溫度（單位：℃），P為大氣壓力（單位：hPa），U為環境濕度（單位：%RH），ew為飽和水汽壓（單位：hPa），是溫度t的函數，可表示為ew?e0?107.5t273.15?t,e0為溫度為0時飽和水汽壓，e0=6.11hPa，?為皮托管系數，?為微壓計系數。經過修正后的實測風速v表示為（4）式[13,14]。

v?K?v0

=1.278E

1013.25?(273.15?t)??????P（4）288.15?(P?0.378Uew)此式為皮托管測風基本原理。2 影響因素分析

由皮托管測風原理可知，皮托管測風主要與環境溫度、濕度、大氣壓力、風速表阻塞系數、皮托管系數、微壓計系數等參數有關，各個參數的變化及儀器的測量精度對實際風速均造成影響。目前，氣象用二等風速檢定裝置使用數字式微壓計測量皮托管的總壓和靜壓，此參數對皮托管的影響可以省略。環境溫度、濕度和大氣壓力是影響空氣密度的重要參數，三者的變化通過空氣密度影響了皮托管測風精度。風速表阻塞系數是指風速傳感器的不動部分投影面積與風洞工作段截面積之比。朱樂坤、李國森等人指出當風速傳感器的阻塞系數大于5.0%時，需要對其進行修正以減少對測試結果帶來附加誤差[12,15]。同時，JJG518-1998《皮托管檢定規程》中規定，二等皮托管系數應在0.99-1.01之間，檢定周期為5年，若在使用過程中皮托系數發生變化，則也可對測風精度造成影響。3偏差模擬計算 3.1 空氣密度影響

為了提高皮托管測風精度，氣象用二等風速檢定裝置在檢定開始和結束時需要測量環境溫度、濕度和大氣壓力。若環境參數在始末兩次測量時發生變化但符合規程技術要求，數據處理時求得始末兩次測量結果平均值作為風速檢定過程中的環境參數進行空氣密度修正。如JJG431-1986 《DEM6型輕便三杯風向風速表檢定規程》中，要求工作室內溫度在（15～30）℃范圍內，濕度和大氣壓力未進行規定。下面以JJG431-1986中對環境參數的要求為例，模擬計算溫度、濕度、氣壓三個參數的變化對皮托管測風誤差的影響。（1）溫度

在檢定過程中，若大氣壓力和濕度保持不變，分別為1000hPa和60%，風速表阻塞修正系數E=1，皮托管系數?=1時，環境溫度在始末兩次測得結果分別為15℃和30℃，平均溫度為22℃，則環境溫度可產生最大8℃的偏差。在不同的風速下，溫度的偏差對皮托管測得風速v的影響如圖1所示。從圖中可以看出，當環境溫度高于平均溫度時，皮托管測得風速值將低于真實風速值，即皮托管將產生負偏差；當環境溫度低于平均溫度時，皮托管測得風速值將高于真實風速值，即皮托管產生正偏差。溫度偏差越大，引起的皮托管測風誤差也越大。當△T=?2℃時，皮托管測風誤差△v=?0.11m/s（v=30m/s），當△T=?8℃時，皮托管測風誤差△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℃風速誤差 m/s0.10.0-0.1-0.2-0.3-0.4-0.50246810121416***83032風速 m/s

圖1 環境溫度的偏差（相對于22℃）引起皮托管的風速誤差

（2）大氣壓力

若環境溫度和濕度保持不變，分別為20℃和60%，風速表阻塞修正系數E=1，皮托管系數?=1時，大氣壓力相對于1000hPa偏差10hPa之內時，在不同的風速下，引起皮托管風速誤差v如圖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 風速誤差 /m/s46810121416***83032風速 /m/s

圖2 大氣壓力的偏差（相對于1000hPa）引起皮托管的風速誤差

從圖中可以看出，當氣壓相對1000hPa偏差?10hPa時，可引起皮托管測風誤差（v=30m/s）；當氣壓相對1000hPa偏差?5hPa時，可引起皮托管測風誤差?0.07hPa?0.15hPa（v=30m/s）。通常一臺風速表的檢定時間不超過1小時，氣壓的變化一般不大于5hPa，由此可見氣壓對皮托管測風的影響相對較小。（3）濕度

同樣，若環境溫度和大氣壓力保持不變，分別為20℃和1000hPa，風速表阻塞修正系數E=1，皮托管系數?=1時，濕度相對于60%偏差20%之內時，在不同的風速下，引起皮托管測得風速誤差v如圖3所示。從圖中可以看出，當濕度相對60%偏差?20%時，可引起皮托管測風誤差?0.02hPa（v=30m/s）；當濕度相對60%偏差?10%時，可引起皮托管測風誤差?0.01hPa（v=30m/s）。模擬計算結果表明：濕度對皮托管測風的影響較小。

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

圖3濕度的偏差（相對于60%RH）引起皮托管的風速誤差

3.2 皮托管系數

皮托管在測量總壓和靜壓時存在誤差，為避免風速計算時產生偏差而引入皮托管系數。根據JJG518-1998中對二等皮托管系數的技術要求，L型皮托管的?應在0.99-1.01之內。氣象用二等風速檢定裝置的應用軟件中增加了對皮托管系數的修正項。為了考察皮托管系數的穩定性，統計了本單位在用兩支皮托管的系數變化情況。表1為（1988-2010）年兩支L型皮托管在國家氣象計量檢定站皮托管系數的檢定結果。

表1（1988-2010）年兩支L型皮托管系數檢定結果

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

皮托管系數?（NO：216）

1.008 1.005 1.005 1.006 1.006 1.006 0.003

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

/平均值 最大偏差

皮托管系數?（NO：235）

1.008 1.005 1.005 1.006 / 1.006 0.003 如表1所示，相鄰檢定周期之間，兩支皮托管系數最大偏差為0.003，皮托管系數還是比較穩定的。下面我們模擬計算皮托管系數相對于1.00產生±0.003的偏差時，在不同的風速下對皮托管測風產生的影響。假設環境溫度、濕度和大氣壓力保持不變，分別為20℃、60%和1000hPa時，風速表阻塞修正系數E=1，皮托管系數的變化引起其測得風速誤差如圖4所示。

0.050.040.030.02 y1.003 y1.001 y0.998 y1.002 y0.999 y0.997風速誤差 /m/s0.010.00-0.01-0.02-0.03-0.04-0.******83032風速 /m/s

圖4 皮托管系數的偏差（相對于1.00）引起皮托管的風速誤差

圖4中，當皮托管系數偏差分別為?0.001、?0.002和?0.003時，皮托管測得風速誤差分別為?0.01m/s、?0.03m/s和?0.04m/s（v=30m/s）。由圖中數據可得，經修正后皮托管系數對其測風精度影響較小，即使在使用中發生0.003的變化，引起皮托管測風誤差不超過0.05m/s（v=30m/s）。3.3 阻塞系數影響

皮托管測得風速與風速表阻塞修正系數成線性關系，阻塞修正系數的大小直接影響了皮托管測風精度。國內自動氣象站常用EC9-1型（長春氣象儀器研究所）、EL15-1A型（天津氣象儀器廠）、EZC-1型（長春氣象儀器廠）、WA151-1A型（Vaisala公司）風速傳感器，其阻塞系數分別為5.0%、5.8%、4.7%和5.0%[15]。氣象用二等風速檢定裝置的應用軟件中對各種風速傳感器的阻塞系數進行修正，其修正系數分別為1.034、1.035、1.022和1.024。由于應用軟件中使用的風速傳感器阻塞修正系數為經驗值，對于不同的風洞和同種型號不同風速傳感器來說，此值也有所差異，需要有針對性的測試確定各自的修正系數。因風速表阻塞系數測量上的不便和風速傳感器型號多樣等影響，氣象用二等風速檢定裝置應用軟件中，仍然使用風速傳感器的經驗值。如果風速傳感器阻塞修正系數偏差±0.02時，當風速為30m/s時，可引起皮托管測量誤差±0.6m/s。由于由此看見，阻塞系數的偏差對皮托管測風誤差影響是較大的。4 結論

皮托管是氣象用風速檢定裝置中常用的計量標準，其具有測量精度高、計量性能穩定、堅固耐用等優點。但是，其測風精度影響因素也較多，如何正確使用皮托管，減少測量誤差，在實際工作中尤為重要。現將本文研究結果結合實際工作情況進行總結。（1）皮托管測風應用軟件中，有必要對空氣密度、皮托管系數、風速表阻塞系數進行修正。研究中發現，經過空氣密度、皮托管系數和阻塞系數修正后，皮托管測風誤差相對減少。（2）尤其重視溫度和阻塞系數的修正。研究表明：溫度和風速表阻塞系數是影響皮托管測量誤差的主要因素。在檢定過程中，注意環境溫度的變化，及時進行誤差修正。在環境變化劇烈、超出規程允許范圍的情況下，停止風速檢測工作。同時，對于風速表阻塞系數要引起足夠重視。由于風速表種類多樣，阻塞修正系數不便確定，往往采用經驗值進行代替。實際工作中，可采用計算法確定阻塞修正系數，從而減少其測風誤差。（3）定期對皮托管進行核查和檢定。在5年檢定周期內皮托管系數可能發生漂移，因此要做好皮托管的期間核查和定期送檢工作，避免使用計量失控和超檢儀表。參考文獻

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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