离心风机应用基础：大气压力、温度与湿度的测量解析

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：离心风机、大气压力、温度、湿度、空气密度、性能测试、仪表选型、测量方法

引言

在风机技术领域，尤其是离心风机的设计、选型、性能测试与故障诊断中，我们经常需要处理一个核心参数—空气密度。风机的压头、流量、轴功率等性能指标均与空气密度直接相关。而空气密度（ρ）并非一个恒定值，它主要由三个基本大气参数决定：大气压力 (Pb)、空气温度 (T) 和空气湿度（φ，即相对湿度）。因此，准确测量这三个参数是确保风机性能评估准确性的基石。

许多现场性能测试的偏差、能耗的异常以及选型不当的问题，其根源往往可以追溯到对大气环境测量的忽视或错误。本文旨在从风机工程师的视角出发，系统性地解析测量大气压力、温度与湿度的常用仪表及其科学规范的测量方法，为同仁们的实践工作提供一份详实的技术参考。

第一章：理论基础—空气密度与风机性能的关联

在深入测量方法之前，我们首先要彻底理解为何这三个参数如此重要。

根据理想气体状态方程，干空气的密度计算公式为：

干空气密度 = 大气压力 / （气体常数 × 绝对温度）

其中，气体常数（R）为287 J/(kg·K)，绝对温度（T） = 摄氏温度（t） + 273.15。

然而，实际空气中总是含有一定量的水蒸气，即存在湿度。湿空气的密度要略小于干空气密度（因为水蒸气的分子量18小于空气的平均分子量29）。因此，更为精确的湿空气密度计算公式为：

湿空气密度 = （大气压力 - 0.378 × 水蒸气分压力） / （气体常数 × 绝对温度）

其中，水蒸气分压力（Pv）又与相对湿度（φ）和该温度下的饱和水蒸气压力（Ps）有关：

水蒸气分压力 = 相对湿度 × 饱和水蒸气压力

饱和水蒸气压力（Ps）是温度的单值函数，可以通过经验公式（如安托因方程）查表或计算得到。

对风机性能的影响：
风机本质上是一个能量转换设备，其输出的能量（全压、静压）用于输送一定质量的流体。标准状态下（通常指压力101325 Pa，温度20℃，湿度50%的干空气）的风机性能曲线，在实际运行中会因空气密度的变化而发生改变。

风量（Q）： 风量是容积流量，理论上与密度无关，主要取决于风机转速和系统阻抗。但如果密度变化导致系统阻力变化，风量也会间接受影响。 全压/静压（P）： 风机产生的压力与空气密度成正比。即 P实际 / P标准 = ρ实际 / ρ标准。高原地区气压低，空气密度小，同一台风机产生的压力会低于样本标称值。 轴功率（N）： 风机消耗的功率与空气密度成正比。即 N实际 / N标准 = ρ实际 / ρ标准。在干燥寒冷的冬季，空气密度大，风机电机可能过载；在潮湿炎热的夏季，空气密度小，电机则可能欠载。

因此，无论是验收测试、能效评估还是故障排查，都必须现场测量大气压力、温度和湿度，计算出实际空气密度，并将测量到的性能参数换算到标准状态或合同规定的状态进行比对，才能得出准确结论。

第二章：大气压力的测量

大气压力是指单位面积上所受的空气柱的重力，单位为帕斯卡（Pa）或千帕（kPa），工程上也常用巴（bar）或毫米汞柱（mmHg）。

1. 测量仪表：空盒气压表

空盒气压表（又称波登管气压表）是现场最常用的气压测量工具。其核心是一个内部抽成真空的密封金属膜盒。当大气压力变化时，膜盒会产生弹性形变，通过一套杠杆传动机构放大后，驱动指针在刻度盘上指示出气压值。

优点： 结构简单、坚固耐用、便于携带、无需电源、价格适中。 缺点： 精度受温度影响较大（有温度补偿装置可减弱此影响），存在机械迟滞现象，精度通常为±0.5 hPa左右，需定期与标准气压表进行校准。

2. 测量方法：

准备工作： 将空盒气压表水平放置于测量位置，远离门窗、通风口、热源和风机自身的气流扰动区。 敲击表壳： 轻敲几下表壳或玻璃表蒙，以消除传动机构间的摩擦滞后的影响。 等待稳定： 静置数分钟，待指针完全稳定后进行读数。读数时视线应垂直于表盘，避免视差。 温度读数： 同时读取表盘上附属温度计的示值，用于后续的校准（如果仪表有此功能）。 结果修正： 高精度的测量需要根据仪表的检定证书进行示值修正。此外，如果测量点与风机进口位置有显著的高度差，还需进行高度修正（通常每升高8米，气压约降低100 Pa）。

3. 注意事项：

避免剧烈震动和撞击，以免损坏内部机构。 定期（建议每年一次）送计量部门或使用标准活塞式压力计进行校准。

第三章：空气温度的测量

空气温度是表征空气内能的重要参数，单位为摄氏度（℃）或开尔文（K）。

1. 测量仪表：

玻璃管温度计： 最传统的测温工具，基于液体热胀冷缩原理。优点是价格低廉、读数直观；缺点是易碎、响应慢、无法远传信号、读数易受人为主观影响。 热电偶温度计： 基于塞贝克效应，将两种不同金属导体连接成回路，当两端结点温度不同时会产生热电势。优点是测量范围广、响应快、可远传、可连接数据采集系统；缺点是需冷端补偿，精度相对较低。 热电阻温度计（Pt100）： 基于金属导体电阻随温度变化的特性。铂热电阻（Pt100）是工业测量中最常用的，其在0℃时电阻为100Ω。优点是精度高、稳定性好、可远传；缺点是价格稍高，需注意引线电阻的影响。

对于风机测试，推荐使用精度更高的Pt100热电阻，并配合便携式的高精度数字显示仪表。

2. 测量方法：

测点布置： 温度测点应布置在风机进风口附近气流平稳的直管段上。若在风管内测量，需采用多点网格法取平均值。 防辐射屏蔽： 温度传感器必须采取有效的防辐射措施，避免太阳直射或周围热壁面的热辐射影响。应将传感器置于通风良好的防辐射罩内，确保其测量的是真实的环境空气温度，而非辐射温度。 确保热平衡： 将传感器置于测点后，需等待足够长的时间（通常至少3-5分钟），使其与周围空气充分达到热平衡后再读数。 多点测量： 对于大截面风道，应在不同位置多点布置传感器，取算术平均值作为最终温度值。

3. 注意事项：

确保传感器与被测空气充分接触，避免与管壁接触。 定期对温度传感器进行校准，通常采用冰点槽（0℃）和恒温油浴槽（如50℃）进行两点校准。

第四章：空气湿度的测量

湿度测量是三个参数中最复杂的一环。湿度有多种表示方法，如相对湿度、绝对湿度、含湿量等，其中最常用的是相对湿度（φ），即空气中水蒸气分压力与同温度下饱和水蒸气压力的比值，用百分比表示。

1. 测量仪表：

干湿球温度计： 由两支完全相同的温度计组成。一支直接测量空气温度，为“干球”；另一支的感温包被洁净的蒸馏水浸湿的纱布包裹，为“湿球”。由于湿球表面水分蒸发吸热，湿球温度会低于干球温度。根据干球温度（t）和湿球温度（tw），可通过查“焓湿图”或经验公式计算得出相对湿度。
通风干湿球温度计（阿斯曼湿度计）： 是干湿球法的标准仪器，其自带一个小风扇，以恒定风速（通常≥2.5 m/s）吹过两支温度计的感温包，消除了空气自然流动速度对测量的影响，精度很高。 优点： 原理经典、可靠，在特定条件下精度高，可作为校准其他湿度仪的方法。 缺点： 操作计算繁琐，需要供水，对纱布的清洁度和包裹方式有严格要求。
电子湿度传感器（高分子电容/电阻式）： 现代最常用的便携式湿度计。其传感器采用高分子薄膜材料，其介电常数或电阻随环境湿度变化而变化。
优点： 响应速度快、读数直观、可集成温湿度测量于一体、便于数据记录和远传。 缺点： 存在漂移现象，精度会随时间衰减，易受化学污染、油污等影响，需要定期重新校准。

2. 测量方法：

采用通风干湿球温度计：
准备： 用蒸馏水浸湿湿球的纱布，确保纱布清洁并紧密包裹感温包。 通风： 上紧发条或启动电机，让风扇以额定转速运行。 等待稳定： 将仪器置于测点，等待3-5分钟，直至湿球温度读数稳定不变。 读数： 同时读取干球温度（t）和湿球温度（tw）。 查算： 根据测得的t和tw值，查阅仪器附带的热工换算表，或使用公式计算，即可得到相对湿度φ值。
采用电子温湿度计：

预热与置放： 开机预热后，将其传感器置于测点。同样需要防辐射罩，避免传感器被加热。 等待稳定： 等待读数稳定（通常几十秒到一分钟）。 直接读数： 直接从液晶屏上读取相对湿度（φ）和温度（t）值。

3. 注意事项：

湿度传感器对污染非常敏感，应避免在粉尘大、有油雾或腐蚀性气体的环境中长期使用。 电子湿度计必须定期（建议每半年到一年）进行校准。校准通常需要在恒温恒湿箱中进行，或送至专业计量机构。简易的现场核对方法可使用“饱和盐溶液法”产生一个固定的湿度环境进行比对。 测量时，仪表不能被人手握住，以免人体热量影响测量结果。

第五章：综合应用与测量实践建议

在实际的风机测试现场，建议将三个参数的测量集成化、同步化。

测点选择： 最佳测点位于风机进风口前1.5倍管径距离、气流稳定且不受干扰的位置。如果进风口是开放空间，则测量点应能代表进入风机的整体空气状态。 仪表配置： 推荐配备一个高精度的空盒气压表、一个Pt100数字温度计（带防辐射罩）和一个经过校准的电子温湿度计（或一套通风干湿球温度计）。同时记录所有数据。 同步测量： 在进行风机性能参数（风压、风量、功率）测量的同时，应同步记录大气压力、进气温度和湿度。至少在整个测试过程中，每隔10-15分钟记录一组环境数据，最后取平均值用于计算。 数据记录表： 设计规范的现场数据记录表，应包含环境参数栏位，如下表示例：

密度计算与性能换算： 获得平均的Pb、t、φ后，利用前述公式或专业软件计算出实际空气密度ρ实际。然后将实测的风机压力、轴功率换算到标准状态或规定状态下的值，再与样本曲线或保证值进行对比。

换算公式示例：

标准状态下的全压 = 实测全压 × （标准空气密度 / 实际空气密度）

标准状态下的轴功率 = 实测轴功率 × （标准空气密度 / 实际空气密度）

结语

对大气压力、温度与湿度的精确测量，绝非风机技术中的细枝末节，而是衡量工程师专业水平、保证测试结果准确可靠的关键环节。忽视环境参数，就如同用一把刻度不准的尺子去测量工件，一切后续的分析与决策都将建立在错误的基础之上。

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