二等皮托靜壓管標準裝置的誤差分析和不確定度討論

1、二等皮托靜壓管標準裝置的誤差分析和不確定度討論蛋糕店 kxgdy 論文摘要：基于標準皮托靜壓管的工作原理,以標準皮托靜壓管系數(shù)檢定結(jié)果和測量標準為研究對象,分析了二等標準皮托靜壓管系數(shù)檢定時的測量不確定度來源,對其進行了測量不確定度評定。 關(guān)鍵詞：低速風洞；二等皮托靜壓管；誤差分析；不確定度 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：二等皮托靜壓管標準裝置由低速風洞、標準皮托靜壓管和二等標準補償式微壓計等主要儀器、設(shè)備組成。目前由于各省局檢定所現(xiàn)用的風

3、速檢定設(shè)備不同，為方便誤差分析，在這里需要明確，該套標準裝置的標準器是指符合ISO3966要求的標準皮托靜壓管。低速風洞是指省局檢定所使用的HDF-500型和DSZ-II型風洞。測量方法采用JJG518-1998皮托管檢定規(guī)程所規(guī)定的方法。 一 誤差來源： 由JJG518-1998皮托管檢定規(guī)程可知： -（1） 式中：K-標準皮托靜壓管系數(shù)， -二等標準補償式微壓計的差壓示值， P-經(jīng)過修正的實際差壓值。 由（1）式可得其誤差傳遞式為： -（2） 將（2）式以相對誤差表示： -（3） 各變量之間相互獨立，則相對合成標準不確定度可表示為： -（4） 式中：-實際差壓值的相對標準不確定度； -標準

4、皮托靜壓管系數(shù)的相對標準不確定度； -二等標準補償式微壓計差壓示值的相對標準不確定度； 由（4）式可以看出實際差壓值的相對標準不確定度大小一是取決于標準皮托靜壓管系數(shù)的相對標準不確定度，二是取決于二等標準補償式微壓計示值的相對標準不確定度。 誤差分析理論告訴我們，在對標準裝置的誤差進行分析時，不僅要考慮測量裝置的第一類誤差因素，即標準裝置附屬的儀器、儀表及設(shè)備引入的誤差，還要考慮到誤差的第二類因素，即被測量的變化而引入的誤差。這種變化往往由于測量環(huán)境條件和被測量的附屬特性不同而引起的，據(jù)此，本裝置的主要誤差來源有： 1 由標準皮托靜壓管校準系數(shù)引入的誤差； 2 由于提供給補償式微壓計的被測壓力

5、的變化而引入的誤差； 2.1 由標準皮托靜壓管探頭相對氣流來向偏斜而引入的誤差； 2.2 由于風洞實驗段流體存在紊流而引入的誤差； 2.3 由于風洞實驗段風速的不穩(wěn)定而引入的誤差； 2.4 由標準皮托靜壓管支桿的阻塞而引入的誤差； 2.5 由于標準皮托靜壓管壓頭損失而引入的誤差； 2.6 由于檢定方法不完善等原因而引入的誤差； 3 由二等標準補償式微壓計引入的基本誤差。 二 各項誤差的分析及其相對標準不確定度 1 由標準皮托靜壓管校準系數(shù)引入的誤差。由上級計量檢定部門通過高一級計量標準裝置檢定，給出的皮托靜壓管校準系數(shù)，具有一定的不確定性，這種不確定性所引起的誤差將以系統(tǒng)誤差的形式進入下一級量

6、傳系統(tǒng)，根據(jù)國家氣象計量站風洞實驗室的實驗結(jié)果，該項誤差不超過0.5%。按均勻分布，其相對標準不確定度=0.29%。 2 由于提供給補償式微壓計的被測壓力的變化而引入的誤差 2.1 由標準皮托靜壓管探頭相對氣流來向偏斜而引入的誤差 由JJG518-1998皮托管檢定規(guī)程可知，在用皮托靜壓管進行流速測量時，皮托靜壓管探頭的軸向跟氣流的平均流動方向應(yīng)一致，但在實際測量過程中，由于操作的原因，安裝不可能使兩者完全一致，由此對差壓測量結(jié)果會產(chǎn)生一定誤差。由ISO3966可知，當偏斜的角度不超過3°時，所引起的差壓值的相對標準不確定度=0.3%。 2.2 由于風洞實驗段流體存在紊流而引入的誤差

7、 氣流的高頻脈動和紊流的存在直接影響著皮托靜壓管測得的總壓和靜壓，這一誤差隨紊流強度的增大而增大，且恒為正值，即測得的速度總是大于流速。盡管同一流速在同一點測試，其影響值相同，但不同流速不同點的測量誤差是不同的，雖然恒為正值，仍可以按隨機誤差處理。ISO3996國際標準給出，對于10%的紊流，根據(jù)皮托管頭部的形狀和流體流動的雷諾數(shù)的不同，局部速度值的修正量約為-0.5%-2%。該值相當于差壓值的-1% -4%。根據(jù)HDF-500型風洞和DSZ-II型風洞紊流度的實際測試結(jié)果，其紊流度未超過0.5%。雖然紊流度較低，但對差壓的測量結(jié)果估計仍會有一定的影響，其最大影響量取0.5%, 按均勻分布，其

8、相對標準不確定度=0.29%。 2.3 由于標準皮托靜壓管壓頭損失而引入的誤差 因為標準皮托靜壓管的靜壓孔位于總壓孔的下游并有一段距離，由于管道內(nèi)存在摩阻損失，對于6倍的管徑距離，差壓的測量結(jié)果將產(chǎn)生0.4%誤差。按均勻分布，其相對標準不確定度=0.2%。 2.4由于檢定方法不完善等原因而引入的誤差 由于測量方法不完善等原因而引起的最大誤差不超過0.5%，按均勻分布，其相對標準不確定度=0.29%。 綜上所述，因被測壓力發(fā)生變化而引入的相對標準不確定度： 3 由二等標準補償式微壓計引入的基本誤差 二等標準補償式微壓計在整個測量范圍內(nèi)的允許誤差為0.8Pa。隨著風速的增高，測量的差壓值也逐漸增大

9、，其影響的量值也越來越小。相反，隨著風速的降低，測量的差壓值也逐漸減小，由于在整個測量范圍內(nèi)的允許誤差0.8Pa是不變的。所以隨著風速的降低，差壓的相對誤差值變大。為保證在一定的風速測量范圍內(nèi)，測量結(jié)果有一個可以接受的準確度，所以在低速段選擇5m/s作為測量范圍的下限風速。5m/s的相當風速，其相應(yīng)的差壓值為15.3Pa，在該風速點，其差壓測值可能出現(xiàn)的最大誤差為5.2%。誤差分布按正態(tài)分布，其相對標準不確定度=1.74%。 由上述的分析可知，二等標準補償式微壓計示值誤差即由提供給補償式微壓計的被測壓力的變化而引入的誤差和標準補償式微壓計本身的基本誤差綜合而成，其計算式為： -（5） 將=0.

10、70%，=1.74%代入（5）式得相對標準不確定度為： =1.88% 三 合成相對標準不確定度 實際差壓值的合成相對標準不確定度由標準皮托靜壓管校準系數(shù)的相對標準不確定度與補償式微壓計示值的相對標準不確定度合成。設(shè)各項誤差相互獨立，根據(jù)（4）式，合成相對標準不確定度為： 四 擴展不確定度 在計算擴展不確定度時，包含因子取2，則 （約95%的置信概率） 計算結(jié)果表明，該套標準裝置在5-30m/s測量范圍內(nèi)，其差壓量值測量結(jié)果的擴展不確定度為3.9%，置信概率約為95%。 雖然該套標準裝置在5-30m/s測量范圍內(nèi)的擴展不確定度為3.9%，實際上，風速不同，測量結(jié)果的準確度是不同的。為了解擴展不確定度隨風速的變化情況，我們把看作隨風速不變，或雖變但相對二等標準補償式微壓計的變化可忽略不計。以此為前提進行計算。 根據(jù)