二等皮托静压管标准装置的误差分析和不确定度讨论

1、二等皮托静压管标准装置的误差分析和不确定度讨论蛋糕店 kxgdy 论文摘要：基于标准皮托静压管的工作原理,以标准皮托静压管系数检定结果和测量标准为研究对象,分析了二等标准皮托静压管系数检定时的测量不确定度来源,对其进行了测量不确定度评定。 关键词：低速风洞；二等皮托静压管；误差分析；不确定度 Abstract: Based on the standard Pitot static tube principle, standard pitot tube coefficient test results and measurement standards as the research objec

2、t, this paper analyzes two standard pitot tube coefficient test when the sources of measurement uncertainty, the uncertainty of measurement evaluation. Key words: low speed wind tunnel; two Pitot static tube; error analysis; uncertainty 引言：二等皮托静压管标准装置由低速风洞、标准皮托静压管和二等标准补偿式微压计等主要仪器、设备组成。目前由于各省局检定所现用的风

3、速检定设备不同，为方便误差分析，在这里需要明确，该套标准装置的标准器是指符合ISO3966要求的标准皮托静压管。低速风洞是指省局检定所使用的HDF-500型和DSZ-II型风洞。测量方法采用JJG518-1998皮托管检定规程所规定的方法。 一 误差来源： 由JJG518-1998皮托管检定规程可知： -（1） 式中：K-标准皮托静压管系数， -二等标准补偿式微压计的差压示值， P-经过修正的实际差压值。 由（1）式可得其误差传递式为： -（2） 将（2）式以相对误差表示： -（3） 各变量之间相互独立，则相对合成标准不确定度可表示为： -（4） 式中：-实际差压值的相对标准不确定度； -标准

4、皮托静压管系数的相对标准不确定度； -二等标准补偿式微压计差压示值的相对标准不确定度； 由（4）式可以看出实际差压值的相对标准不确定度大小一是取决于标准皮托静压管系数的相对标准不确定度，二是取决于二等标准补偿式微压计示值的相对标准不确定度。 误差分析理论告诉我们，在对标准装置的误差进行分析时，不仅要考虑测量装置的第一类误差因素，即标准装置附属的仪器、仪表及设备引入的误差，还要考虑到误差的第二类因素，即被测量的变化而引入的误差。这种变化往往由于测量环境条件和被测量的附属特性不同而引起的，据此，本装置的主要误差来源有： 1 由标准皮托静压管校准系数引入的误差； 2 由于提供给补偿式微压计的被测压力

5、的变化而引入的误差； 2.1 由标准皮托静压管探头相对气流来向偏斜而引入的误差； 2.2 由于风洞实验段流体存在紊流而引入的误差； 2.3 由于风洞实验段风速的不稳定而引入的误差； 2.4 由标准皮托静压管支杆的阻塞而引入的误差； 2.5 由于标准皮托静压管压头损失而引入的误差； 2.6 由于检定方法不完善等原因而引入的误差； 3 由二等标准补偿式微压计引入的基本误差。 二 各项误差的分析及其相对标准不确定度 1 由标准皮托静压管校准系数引入的误差。由上级计量检定部门通过高一级计量标准装置检定，给出的皮托静压管校准系数，具有一定的不确定性，这种不确定性所引起的误差将以系统误差的形式进入下一级量

6、传系统，根据国家气象计量站风洞实验室的实验结果，该项误差不超过0.5%。按均匀分布，其相对标准不确定度=0.29%。 2 由于提供给补偿式微压计的被测压力的变化而引入的误差 2.1 由标准皮托静压管探头相对气流来向偏斜而引入的误差 由JJG518-1998皮托管检定规程可知，在用皮托静压管进行流速测量时，皮托静压管探头的轴向跟气流的平均流动方向应一致，但在实际测量过程中，由于操作的原因，安装不可能使两者完全一致，由此对差压测量结果会产生一定误差。由ISO3966可知，当偏斜的角度不超过3°时，所引起的差压值的相对标准不确定度=0.3%。 2.2 由于风洞实验段流体存在紊流而引入的误差

7、 气流的高频脉动和紊流的存在直接影响着皮托静压管测得的总压和静压，这一误差随紊流强度的增大而增大，且恒为正值，即测得的速度总是大于流速。尽管同一流速在同一点测试，其影响值相同，但不同流速不同点的测量误差是不同的，虽然恒为正值，仍可以按随机误差处理。ISO3996国际标准给出，对于10%的紊流，根据皮托管头部的形状和流体流动的雷诺数的不同，局部速度值的修正量约为-0.5%-2%。该值相当于差压值的-1% -4%。根据HDF-500型风洞和DSZ-II型风洞紊流度的实际测试结果，其紊流度未超过0.5%。虽然紊流度较低，但对差压的测量结果估计仍会有一定的影响，其最大影响量取0.5%, 按均匀分布，其

8、相对标准不确定度=0.29%。 2.3 由于标准皮托静压管压头损失而引入的误差 因为标准皮托静压管的静压孔位于总压孔的下游并有一段距离，由于管道内存在摩阻损失，对于6倍的管径距离，差压的测量结果将产生0.4%误差。按均匀分布，其相对标准不确定度=0.2%。 2.4由于检定方法不完善等原因而引入的误差 由于测量方法不完善等原因而引起的最大误差不超过0.5%，按均匀分布，其相对标准不确定度=0.29%。 综上所述，因被测压力发生变化而引入的相对标准不确定度： 3 由二等标准补偿式微压计引入的基本误差 二等标准补偿式微压计在整个测量范围内的允许误差为0.8Pa。随着风速的增高，测量的差压值也逐渐增大

9、，其影响的量值也越来越小。相反，随着风速的降低，测量的差压值也逐渐减小，由于在整个测量范围内的允许误差0.8Pa是不变的。所以随着风速的降低，差压的相对误差值变大。为保证在一定的风速测量范围内，测量结果有一个可以接受的准确度，所以在低速段选择5m/s作为测量范围的下限风速。5m/s的相当风速，其相应的差压值为15.3Pa，在该风速点，其差压测值可能出现的最大误差为5.2%。误差分布按正态分布，其相对标准不确定度=1.74%。 由上述的分析可知，二等标准补偿式微压计示值误差即由提供给补偿式微压计的被测压力的变化而引入的误差和标准补偿式微压计本身的基本误差综合而成，其计算式为： -（5） 将=0.

10、70%，=1.74%代入（5）式得相对标准不确定度为： =1.88% 三 合成相对标准不确定度 实际差压值的合成相对标准不确定度由标准皮托静压管校准系数的相对标准不确定度与补偿式微压计示值的相对标准不确定度合成。设各项误差相互独立，根据（4）式，合成相对标准不确定度为： 四 扩展不确定度 在计算扩展不确定度时，包含因子取2，则 （约95%的置信概率） 计算结果表明，该套标准装置在5-30m/s测量范围内，其差压量值测量结果的扩展不确定度为3.9%，置信概率约为95%。 虽然该套标准装置在5-30m/s测量范围内的扩展不确定度为3.9%，实际上，风速不同，测量结果的准确度是不同的。为了解扩展不确定度随风速的变化情况，我们把看作随风速不变，或虽变但相对二等标准补偿式微压计的变化可忽略不计。以此为前提进行计算。 根据