小截面流线体翼型风速传感器技术领域
本发明涉及一种小截面流线体翼型风速传感器，适用于密闭流道内风速、
风量的检测。特别针对电站锅炉、工业锅炉及其它工业设备有关风道的风速、
风量检测。
背景技术
在现代工业生产和科学研究的活动中，对于流体(气体、液体)的速度测
量仍然广泛采用差压法，差压式速度测量的原理是建立在流体力学最基本的伯
努利方程之上的，这种较为古老的方法仍然焕发着应用的青春，并不断有所发
展。
基于压差式原理的流速检测传感器有如皮托管、笛型管、靠背管、文丘里
管(含双文丘利管)、机翼型测速装置、球形探针等较多类型。对于皮托管、笛
型管、靠背管、文丘里管所需密闭风道的测量直管段，在测量截面前要有(6－
8)D，测量截面有后(2－3)D长的直风道(D为风道的当量直径)，才能保证
测量的准确性和稳定性。球形探针用于较大空间不明气流方向的探测，多用于
科研，不适合工业风道检测。
常规机翼测风装置是由多个全机翼、取样传压管和一段矩形壳体1构成，
矩形壳体1两端分别连接被测量风道6。如图1所示，在壳体1中两侧壁各有一
半附壁机翼2，中间设置一个全机翼3作为测量机翼，于测量机翼中，设置有全
压传压管和静压传压管，机翼头部的全压感压孔4和全压传压管联通，机翼两
侧的静压感压孔5分别和静压传压管联通。
图2为图1的机翼测风装置入口视图。风道6越大壳体1越大，壳体1中
设置的机翼数量越多，图3所示，除两侧壁的附壁机翼2外，壳体1中间设置
了两个全机翼3，图4为图3的入口视图。这些机翼测风装置，具有压差大、敏
度高、压损较小、稳定性好的优点；上下游所需直管段较短，一般上游直段≥
0.6D，下游直段≥0.2D；但是该类型的测风装置属于风道型设备，体积大、造
价高、较笨重，搬运困难，安装不便。常规机翼测风装置多用于空气流量大，
大截面风道，流速较低，风道直段较短的场合。
另外，新的测量技术也在产生和发展，如热电式速度测量、激光测速、超
声波测速等。热电式速度测量精度高，能够测量较低风速，能够测量湍流及关
联量，多用于试验检测，近来虽然工业应用中也有出现，但仍不能准确测量变
截面、风速不匀的状况，或大风道全截面多点布置成本过高丧失应用价值。激
光测量方法有许多优点，首先测量探头在流场之外，对流场没有干扰；其二激
光测点可以聚焦在非常小的空间区域，适于边界区和边界层的流动测量；其次
的优点是动态反应快、惯性小；再是测量与流体物性无关，精度较高。但是其
装置昂贵，目前适用于科学研究，不适合工业应用。超声波测量已有研究，尚
未见工业应用信息。
在上世纪60、70年代出现了阿牛巴(Annubar)均速管风速传感器，90年
代出现了威力巴(Verabar)均速管风速传感器。阿牛巴均速管形式较多，按截
面形状有：圆形、菱形、椭圆形、扇形、机翼形等；威力巴均速管截面为子弹
头型，具有良好的防堵效果。这些基于皮托管测速原理发展起来的新型元件，
为杆状管件体，有很高的应用灵活性，可以全截面布点测量，对测量直管段的
长度要求有一定降低，但普遍降低幅度并不大。据有关文献显示，相关机翼型
均速管，其K值±10％的分散性造成的测量误差(K是结构修正系数)，极大的影
响了该技术的实用意义。
时至现在，在工业生产中、特别是电站锅炉或工业锅炉的设备中一些大型
风道、烟道直段较短仍然没有有效手段进行较准确测量，一些大截面低流速场
合也缺少手段进行较准确测量，对于变截面、流道转弯换向、流场多变、流速
不均匀、直段极短或没有直段的状况更是无法测量。这些测量技术的滞后发展，
对于生产水平的提高，成本的降低、减少有害物质的排放、保护环境带来了巨
大的困难和阻碍。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种小截面流线体翼
型风速传感器，本发明完全改变了常规机翼测风装置体积庞大，结构笨重，仅
能使用在有限场合的现状。小截面流线体翼型传感器成为结构精巧，细致精良，
轻便灵活的测量元件，彻底改变了常规机翼测风装置是风道型设备的技术面貌，
带来了脱胎换骨的跃升变化和技术进步。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
小截面流线体翼型风速传感器，包括细长的管状体，所述管状体截面为流
线体翼型，在管状体外壁上设置有若干个全压感压孔和静压感压孔；所述风速
传感器与风道轴线垂直的方式插入被测风道中安装，管状体头部正对气流，尾
部顺向气流方向，全压感压孔正对气流，静压感压孔设置在管状体两侧；所述
管状体内部设置有结构加强件。
进一步，所述翼型截面的边缘由半圆形和两段弧线构成，半圆形为头部，
弧线相交端为尾部。
进一步，所述翼型截面的边缘由半椭圆形和两段弧线构成，以半椭圆形长
轴饼缘为头部，弧线相交端为尾部。
进一步，所述风速传感器包括1根所述管状体，或者包括十字交叉型的所
述管状体，或者包括平行布置的若干所述管状体；十字交叉型的所述管状体两
者内部连通或者不连通。
进一步，所述全压感压孔连接有全压传压管，静压感压孔连接有静压传压
管，所述全压传压管和静压传压管均设置在管状体内部，在管状体的一端设置
有伸出的全压传压管接头和静压传压管接头；所述静压传压管设置为1根或2
根，设置1根静压传压管分别连通管状体两侧的静压感压孔，设置1根静压传
压管的截面为圆形或长圆形，两侧有延伸的管道连通静压感压孔，全压传压管
和1根静压传压管两者互相依靠，同时构成管状体的内部结构加强件；设置2
根静压传压管时，全压传压管和2根静压传压管三者互相依靠，同时构成管状
体的内部结构加强件。
进一步，所述管状体中设置有1根静压传压管，静压传压管的截面为圆形
或长圆形，两侧有延伸的管道连通静压感压孔，该静压传压管同时构成管状体
的内部结构加强件；所述全压感压孔直接连通所述管状体内腔。
进一步，所述管状体中还设置有隔板，隔板一侧边与所述静压传压管外壁
连接固定，隔板另一侧边与管状体尾部连接固定，隔板位于管状体头部至尾部
的中心轴线上，该静压传压管和隔板同时构成管状体的内部结构加强件。
进一步，所述全压感压孔连接有全压传压管，所述全压传压管设置在管状
体内部，所述管状体中还设置有隔板，隔板一侧边与所述全压传压管外壁连接
固定，隔板另一侧边与管状体尾部连接固定，隔板上设置有透孔构成压力平衡
孔，隔板位于管状体头部至尾部的中心轴线上，该动压传压管和隔板同时构成
管状体的内部结构加强件。
进一步，所述管状体中设置有Y型或T型隔板，隔板两条侧边与管状体头
部内壁连接固定，隔板另一侧边与管状体尾部连接固定，隔板将管状体内部分
隔成三个腔室，其中一个腔室与全压感压孔连通，另外两个腔室分别连通两侧
的静压感压孔，这两个腔室之间的隔板上设置有透孔构成压力平衡孔，所述隔
板同时构成管状体的内部结构加强件。
进一步，所述管状体头部为半圆形时，头部直径为D1，管状体宽度L1为
“(2.5-3)D1”范围；全压感压孔直径d1为“D1(5-10)％”范围，静压感压
孔直径d2和d1相等；所述静压感压孔轴线和全压感压孔轴线旳夹角α为90°
-120°的范围；所述管状体迎风面积占被测风道截面面积的2-9％。
进一步，所述被测风道中气流在雷诺数Re＝1×105—1×106范围，适配的最
大圆头直径关系式如下：Dmax＝9.26×10-5Re+20；D1≥15mm。
进一步，所述管状体头部为半圆形或半椭圆形，圆直径或椭圆短轴直径为
D1，所述管状体内部动压传压管内径d3为“D1(25-65)％”范围。
进一步，所述管状体头部为半圆形或半椭圆形，圆直径或椭圆短轴直径为
D1，所述压力平衡孔直径d4为“D1(20-70)％”范围。
进一步，所述管状体头部为半椭圆时，椭圆短轴直径为D1，椭圆长轴半径
L3为(0.5-2)D1范围,雷诺数较小、流速较低时L3趋大值；管状体尾部长度
L2为“(2-3.5)D1”范围，雷诺数较小、流速较低时L2趋大值；翼弦长L＝L3+L2,
管状体轴向长度Z即翼展，翼型展弦比Z/L＝3-25；全压感压孔直径d1为“D1
(5-10)％”范围，静压感压孔直径d2和d1相等；所述静压感压孔轴线和全压
感压孔轴线旳夹角α为90°-120°的范围；所述管状体迎风面积占被测风道截
面面积的2-9％。
进一步，所述管状体表面光滑，材质为铬、镍、钛不锈钢。
采用上述结构设置的小截面流线体翼型风速传感器具有以下优点：
本发明采用小截面圆形或椭圆形流线体翼型元件，使翼型成为细长的管状
体。流线体头部正对气流，其尾部顺向气流方向。全压感压孔正对气流，静压
感压孔设置在流线体两侧高速区。在管状体的一端有伸出的全压传压管接头和
静压传压管接头。
小截面流线体翼型传感器成为结构精巧，细致精良，轻便灵活的测量元件，
彻底改变了常规机翼测风装置是风道型设备的技术面貌。它也可以和笛形管传
感器一样灵活的布置和应用，可以对风道进行全截面多点采样，实现风道内气
流流速极不均匀情况下的准确测量。同时，它要求的风道长度极短，仅直段≥
0.6D当量直径。它保持了翼型传感器独特的技术优势，又能灵活的适应一些风
道流速不匀的准确测量，极大的拓展了使用范围。
椭圆尖头小截面翼型传感器，比现有圆头三曲线翼型均速管传感器更接近
理想流线，能够更好地适应较低雷诺数、较低风速的测量。
管状体流线合理、外形流畅，表面光滑，防止产生分离涡和流动分离现象，
增强低雷诺数湍流附面层流体的稳定性。
管状体材质为铬、镍、钛不锈钢，具有一定耐温、抗腐蚀性能，避免腐蚀、
变形引起检测性能的改变。
附图说明
图1为现有技术中三机翼测风装置结构示意图；
图2为现有技术中三机翼入口风道示意图；
图3为现有技术中四机翼测风装置结构示意图；
图4为现有技术中四机翼入口风道示意图；
图5为本发明实施例1的剖面示意图(传压孔位置)；
图6为本发明实施例2的剖面示意图(传压孔位置)；
图7为本发明实施例3的剖面示意图(传压孔位置)；
图8为本发明实施例2的剖面尺寸比例示意图(传压孔位置)；
图9为本发明的主视图；
图10(a-h)为本发明采用半圆形头部管状体的各个实施例的对比图(传压
孔位置)；
图11为本发明在较小圆形风道中的应用布置图；
图12为本发明在大圆形风道中的应用布置图；
图13为本发明在矩形风道中的应用布置图；
图14为本发明实施例6的剖面示意图(传压孔位置)；
图15为本发明实施例6的剖面尺寸比例示意图(传压孔位置)；
图16为本发明实施例7的剖面示意图(传压孔位置)；
图17(i-p)为本发明采用半椭圆形头部管状体的各个实施例的对比图(传压
孔位置)。
图中：1.壳体；2.附壁半机翼；3.全机翼；4.全压感压孔；5.静压感
压孔；6.风道；7.管状体；8.全压感压孔；9.静压感压孔；10.隔板；10-1.
压力平衡孔；11.全压传压管；12.静压传压管；13.全压传压管接头；14.静压
传压管接头。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达到预定技术目的所采取的技术手段及功效，以
下结合附图和较佳实施例，对本发明的结构、特征以及功效详细说明如下。
实施例1
如图5、图9、图11、图12、图13所示为本发明的一个实施例，该实施例
中的小截面流线体翼型风速传感器，包括细长的管状体7，管状体截面为翼型，
形成流线体，在管状体7外壁上设置有若干个全压感压孔8和静压感压孔9；风
速传感器与风道轴线垂直的方式插入被测风道中安装，管状体7头部正对气流，
尾部顺向气流方向，全压感压孔8正对气流，静压感压孔9设置在管状体7两
侧；管状体7内部设置有结构加强件。
由于管状体7是细长的管体，为了防止在风道中受力变弯曲，所以要设置
内部结构加强件，从而提高风速传感器的稳定性，具有较强的抗变形作用。
全压感压孔8和静压感压孔9的数量需要依据管状体7的长度以及被测风
道的截面积大小来确定。管状体7越长，被测风道的截面积越大，需要设置的
全压感压孔8和静压感压孔9的数量越多。
如图5所示，以及如图10a-h各个设计方案所示，翼型截面的边缘由半圆
形和两段弧线构成，半圆形为头部，弧线相交端为尾部。
本发明的风速传感器可以包括1根管状体7，如图11所示；或者包括十字
交叉型的管状体7，如图12所示；或者包括平行布置的若干管状体7；如图13
所示。十字交叉型的管状体7两者内部连通或者不连通。
作为参考设计，对于截面内经大于600mm的风道，可以设置十字交叉型的
管状体7。对于截面为矩形的风道，可以设置4根平行布置的管状体7。管状体
7与风道6外壁的连接部位可以采用焊接密封固定，也可采用法兰式装配密封固
定(便于维护或更换)。
如图5所示，全压感压孔8连接有全压传压管11，静压感压孔9连接有静
压传压管12，全压传压管11和静压传压管12均设置在管状体7内部，在管状
体7的一端设置有伸出的全压传压管接头13和静压传压管接头14。全压传压管
接头13和静压传压管接头14可以通过法兰与管状体7连接固定，向外部再连
接微差压显示器或变送器，以差压的大小测定风道6内风速的大小。
对于十字交叉型的管状体7或者多根管状体7，全压传压管接头13和静压
传压管接头14可以分别汇总在一起。
如图5所示，静压传压管设置为2根，设置2根静压传压管时，全压传压
管和2根静压传压管三者互相依靠，同时构成管状体7的内部结构加强件。全
压传压管和静压传压管互相依靠的位置可以采用焊接将三者固定，也可以不固
定。静压传压管的截面为圆形，有延伸的管道连通静压感压孔。延伸的管道与
管状体7的壁之间可以焊接固定。
现有技术中的均速管，有些类型内部通过隔板分隔出全压传压管和静压传
压管，但是所设置的隔板垂直于气流方向，加强作用没有本发明的好。
风速传感器的尺寸比例如图8所示，管状体头部直径为D1，管状体宽度L1
为“(2.5-3)D1”范围；全压感压孔直径d1为“D1(5-10)％”范围，静压感
压孔直径d2和d1相等；静压孔轴线和全压孔轴线旳夹角α为90°-120°的范
围；管状体7迎风面积占被测风道6截面面积的2-9％。
管状体头部直径为D1，管状体内部动压传压管内径d3为“D1(25-65)％”
范围。
实施例2
如图6所示为本发明实施例2，在本实施例中，全压感压孔8连接有全压传
压管11，全压传压管11设置在管状体7内部，管状体7中还设置有隔板10，
隔板10一侧边与全压传压管外壁连接固定，隔板10另一侧边与管状体7尾部
连接固定，隔板10上设置有透孔构成压力平衡孔10-1，该动压传压管11和隔
板10同时构成管状体7的内部结构加强件。该结构中管状体7内腔起到了静压
传压管的作用。
隔板10位于管状体7头部至尾部的中心轴线上。
管状体7头部直径为D1，压力平衡孔10-1直径d4为“D1(20-70)％”范
围。
实施例3
如图7所示为本发明实施例3，在本实施例中，管状体7中设置有Y型隔板，
Y型隔板两条侧边与管状体7头部内壁连接固定，隔板另一侧边与管状体7尾部
连接固定，隔板将管状体7内部分隔成三个腔室，其中一个腔室与全压感压孔8
连通，该腔室起到了动压传压管的作用，另外两个腔室分别连通两侧的静压感
压孔9，这两个腔室之间的隔板上设置有透孔构成压力平衡孔，这两个腔室起到
了静压传压管的作用，隔板同时构成管状体7的内部结构加强件。
管状体头部直径为D1，压力平衡孔10-1直径d4为“D1(20-70)％”范围。
或者如图10h所示，管状体中设置有T型隔板，T型隔板在管状体内部与Y
型隔板的固定方式相同。
实施例4
如图10b、10c所示为本发明实施例4，在本实施例中，管状体中设置有1
根静压传压管，静压传压管分别连通管状体两侧的静压感压孔，静压传压管的
截面为圆形或长圆形，两侧有延伸的管道连通静压感压孔。全压传压管和1根
静压传压管两者互相依靠，同时构成管状体的内部结构加强件。
实施例5
如图10d所示为本发明实施例5，在本实施例中，管状体中设置有1根静压
传压管，静压传压管分别连通管状体两侧的静压感压孔，静压传压管的截面为
圆形或长圆形，两侧有延伸的管道连通静压感压孔，该静压传压管同时构成管
状体的内部结构加强件。该结构中全压感压孔直接连通管状体内腔，管状体内
腔起到全压传压管的作用。
进一步优化设计方案如图10e所示，管状体中还设置有隔板，隔板一侧边
与静压传压管外壁连接固定，隔板另一侧边与管状体尾部连接固定，该静压传
压管和隔板同时构成管状体的内部结构加强件。
经试验研究，小截面流线体翼型传感器在气流中，流线体头部正对气流，
其尾部顺向气流方向，元件尾部区域不产生涡流，减少了气体的流动阻力；由
于全压感压孔设置在流线体的头部正对气流处于驻点位置，静压感压孔设置在
流线体的两侧高速区，形成的压差比一般测量元件放大3～5倍。如此，该传感
器既具有了阻力小、灵敏度高的显著优点。同时，翼型体元件测量要求风道直
段较短，头前直段≥0.6D，尾后直段≥0.2D，由于流线体截面的微型化、管状
元件的细长化演变，所占安装空间极度缩短，其安装、测量要求的风道直段实
际上被极大地缩短。这样以来，极大地改善了翼型传感器的技术性能，又极大
地拓展了小截面流线体翼型风速传感器的应用范围和场合。
当小截面流线体翼型风速传感器成为细长的管状翼型体后，它也可以和笛
形管传感器一样灵活的布置和应用，可以对风道进行全截面多点采样，实现风
道内气流流速极不均匀情况下的准确测量。同时，它又不像笛形管要求测量段
风道直段较长，它要求的风道长度极短，仅直段≥0.6D。小翼型可在风道中插
入式固定布置，仅占风道截面的2％-9％，阻力变化甚小，影响微乎其微，有时可
以忽略不计。小截面流线体翼型风速传感器保持了翼型传感器独特优势，又能
灵活的适应一些风道流速不匀的准确测量，极大的拓展了使用范围。
实施例6
通常风速测量中使用修正后的伯努利方程：
ω = K · 2 g Δ p ρ = 4.43 K · Δ p ρ m / s ]]>
式中：ω——测量点的气流速度；
K——结构修正系数；
ρ——流体密度，kg/m3；
△p——流体在流动过程中产生的压差，mmH2O；
g——重力加速度，m/s2。
所有的均速管测量技术都是基于伯努利原理，核心是追求结构修正系数K
值的准确、稳定。
在电站锅炉的风道中气流的雷诺数Re＝2×105-9.8×105，为较低雷诺数区
域。对于现有三曲线翼型均速管技术，机翼头部是半圆弧的柱面。经试验研究，
机翼高度(半圆弧直径)的大小与雷诺数(或风速的大小)有一个适配关系，
即雷诺数越大、风速越高适配的翼型体允许头部最大直径也越大；雷诺数越小、
风速越低适配的翼型体允许头部最大直径也越小。当头部直径大于测定风速下
允许头部最大直径时，在柱面后部产生小的分离涡，使翼型测速管后面的静压
孔处于流动分离区，形成不稳定状态。这是造成测量误差±10％的原因。因此，
对于所测气流，了解最低流速，针对实际最低流速，选准翼型测速管直径，可
以控制测量误差在2％以内。
气流在雷诺数Re＝1×105—1×106范围，试验得出半圆头三曲线翼型传感器
对应雷诺数下，适配的最大圆头直径关系式如下：
Dmax＝9.26×10-5Re+20
当D＜Dmax情况下，测量误差基本可以控制2％以内，但随着直径的减小，翼
型传感器的测量灵敏度、放大作用也随着有所降低。因此，一般翼高、即直径D
不小于15mm。
解决了翼高和气流雷诺数的适配问题，减少测量误差达2％以内，已经有了
极大的工业应用价值。但圆头翼的缺点已经显而易见，应寻找更好的技术方法。
较好的流线体翼型二维曲线坐标为：
XU＝X-YtSinθyu＝yC+yiCosθ
为了使翼型均速管传感器的流线尽量靠近理想流线，又要保持“结构简单、
加工容易”的均速管原则，用流线型的优化，改变现有圆头三曲线小机翼均速
管的缺点。用五曲线小翼型、七曲线小翼型、八曲线小翼型、九曲线小翼型或
椭圆尖头小翼型均可优化流线体性能，选用椭圆尖头小翼型更加简单方便。
如图14所示，以及如图17i-p各个设计方案所示，翼型截面的边缘由半椭
圆形和两段弧线构成，以半椭圆形长轴饼缘为头部，弧线相交端为尾部。
管状体头部为椭圆时，风速传感器的尺寸比例如图15所示，椭圆短轴直径
为D1，椭圆长轴半径L3为(0.5-2)D1范围,雷诺数较小、流速较低时L3趋大
值；管状体尾部长度L2为“(2-3.5)D1”范围，雷诺数较小、流速较低时L2
趋大值；翼弦长L＝L3+L2,管状体轴向长度Z即翼展，翼型展弦比Z/L＝3-25；全
压感压孔直径d1为“D1(5-10)％”范围，静压感压孔直径d2和d1相等；所
述静压感压孔轴线和全压感压孔轴线旳夹角α为90°-120°的范围；所述管状
体迎风面积占被测风道截面面积的2-9％。
椭圆尖头小截面翼型传感器，比现有圆头三曲线翼型均速管传感器更接近
理想流线，能够更好地适应较低雷诺数、较低风速的测量。
实施例7
如图16所示为本发明实施例7，在本实施例中，管状体7中设置有Y型隔
板，Y型隔板两条侧边与管状体7头部内壁连接固定，隔板另一侧边与管状体7
尾部连接固定，隔板将管状体7内部分隔成三个腔室，其中一个腔室与全压感
压孔8连通，该腔室起到了动压传压管的作用，另外两个腔室分别连通两侧的
静压感压孔9，这两个腔室之间的隔板上设置有透孔构成压力平衡孔，这两个腔
室起到了静压传压管的作用，隔板同时构成管状体7的内部结构加强件。
管状体头部椭圆短轴直径为D1，压力平衡孔10-1直径d4为“D1(20-70)％”
范围。
或者如图17p所示，管状体中设置有T型隔板，T型隔板在管状体内部与Y
型隔板的固定方式相同。
上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，
符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。