風(fēng)速儀檢定中存在的問題

楊偉浩 林 芳 趙海山 劉 悅 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

風(fēng)速，簡言之即風(fēng)的速度，指單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)移動(dòng)的距離，計(jì)量單位通常為“m/s”、“km/h”等。風(fēng)速儀（或稱風(fēng)速表、風(fēng)速計(jì)，以下統(tǒng)稱風(fēng)速儀）就是測量風(fēng)速的儀表，作為一個(gè)重要的計(jì)量器具，列入《中華人民共和國依法管理的計(jì)量器具目錄(型式批準(zhǔn)部分)》 （第21項(xiàng)：風(fēng)速表），相對(duì)應(yīng)的國家計(jì)量檢定規(guī)程為JJG 431-1986 《DEM6型輕便三杯風(fēng)向風(fēng)速表》、JJG 515-1987《輕便磁感風(fēng)向風(fēng)速表試行》、JJG 613-1989《電接風(fēng)向風(fēng)速儀》。

1 現(xiàn)有檢定規(guī)程

現(xiàn)有的三個(gè)檢定規(guī)程都起草于20世紀(jì)90年代，針對(duì)的風(fēng)速儀都是“三杯式”，即風(fēng)速儀的核心感應(yīng)器件由三個(gè)風(fēng)杯組成。當(dāng)某一個(gè)風(fēng)杯的凹面對(duì)著風(fēng)向時(shí)，另一個(gè)風(fēng)杯的凸面對(duì)著風(fēng)向，風(fēng)杯的凹面迎風(fēng)受到的風(fēng)壓比風(fēng)杯凸面迎風(fēng)所受到的風(fēng)壓大，就產(chǎn)生了使風(fēng)杯感應(yīng)器向凹面方向轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩。風(fēng)速越大，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩也越大，風(fēng)杯感應(yīng)器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度也越大?？筛鶕?jù)風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的信號(hào)，通過函數(shù)關(guān)系得到風(fēng)速的大小。該類風(fēng)速儀主要應(yīng)用于氣象行業(yè)，測量大氣環(huán)境中的風(fēng)速，當(dāng)時(shí)主要的應(yīng)用領(lǐng)域是氣象預(yù)報(bào)、風(fēng)力監(jiān)測的預(yù)警報(bào)警。例如，GB/T 5031-2008《塔式起重機(jī)》中規(guī)定“安裝架設(shè)時(shí)塔機(jī)頂部風(fēng)速不大于12 m/s，工作狀態(tài)時(shí)塔機(jī)頂部風(fēng)速不大于20 m/s”。計(jì)量合格的風(fēng)速儀為此類安全作業(yè)提供了強(qiáng)大的技術(shù)保障。

現(xiàn)有檢定規(guī)程主要由國家氣象部門起草，最主要的檢定項(xiàng)目是“風(fēng)速示值”，檢定設(shè)備是風(fēng)洞，所使用的標(biāo)準(zhǔn)器由標(biāo)準(zhǔn)皮托管和精密差壓計(jì)組成。由于規(guī)程起草的年代尚未完善計(jì)量檢定規(guī)程的編寫要求，因此在檢定規(guī)程中缺乏較為詳細(xì)的不確定度分析，某些專業(yè)術(shù)語的定義和表達(dá)也與現(xiàn)在的要求有所差異。當(dāng)時(shí)風(fēng)速儀的生產(chǎn)單位是為數(shù)不多的幾家國有氣象儀器廠，因此開展檢定工作時(shí)針對(duì)的樣品也相對(duì)單一。

2 風(fēng)速儀的發(fā)展和新應(yīng)用

近年來，工業(yè)風(fēng)速測量的需求發(fā)展迅速，風(fēng)速儀已被廣泛應(yīng)用于各種氣體流速測量領(lǐng)域，除了傳統(tǒng)應(yīng)用在氣象行業(yè)的“三杯式”風(fēng)速儀以外，還有“葉輪式”、“壓差式”、“熱轉(zhuǎn)換式”、“超聲波式”等各種原理的風(fēng)速儀。不只局限于氣象行業(yè)，還涵蓋到環(huán)境監(jiān)測、衛(wèi)生監(jiān)督、潔凈作業(yè)（手術(shù)室、微電子、食品藥品安全生產(chǎn)、生物安全）、消防安全、暖通安裝、工程建設(shè)等等領(lǐng)域，風(fēng)速測量涉及更多關(guān)系民生健康安全的行業(yè)。由于現(xiàn)有規(guī)程針對(duì)的“三杯式”風(fēng)速儀占整個(gè)風(fēng)速測量儀表行業(yè)的比重越來越小，所以完全按檢定規(guī)程開展全項(xiàng)目檢定的社會(huì)需求并不多，更為貼近用戶的校準(zhǔn)服務(wù)或校準(zhǔn)項(xiàng)目為“風(fēng)速示值誤差”。

風(fēng)速儀的發(fā)展過程中，還突出體現(xiàn)了一個(gè)新的使用要求：微風(fēng)0～ 5 m/s測量。微風(fēng)測量自非典型性肺炎（SARS）爆發(fā)以后受到高度關(guān)注，在醫(yī)藥、衛(wèi)生監(jiān)督、疾病預(yù)防控制等行業(yè)中得到廣泛使用，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 18204.15-2000《公共場所風(fēng)速測定方法》、JG 170-2005《生物安全柜》、YY 0569-2005《生物安全柜》、GB 50591-2010《潔凈室施工及驗(yàn)收規(guī)范》）中風(fēng)速測量均作為一個(gè)重要的檢測指標(biāo)。例如參照YY 0569-2005，對(duì)下降氣流進(jìn)行測量，常規(guī)測量值在0.3 m/s附近，標(biāo)準(zhǔn)中就規(guī)定風(fēng)速儀“精確度為±0.015 m/s或者示值誤差的3%，取最大值”。最近H7N9禽流感的爆發(fā)，更會(huì)激發(fā)大量疾控系統(tǒng)對(duì)微風(fēng)測量的需要。

3 問題與分析

3.1 檢定規(guī)程的技術(shù)要求滯后市場發(fā)展

目前，市場主流風(fēng)速儀的準(zhǔn)確度等級(jí)遠(yuǎn)高于規(guī)程，現(xiàn)有規(guī)程中的部分條款無法滿足客戶的使用需求?？蛻羲蜋z時(shí)注明要求檢測機(jī)構(gòu)按規(guī)程給出合格性判定，但很多情況下依據(jù)規(guī)程給出合格判定，客戶卻發(fā)現(xiàn)不能適用其開展正常的工作。

舉例說明：

現(xiàn)有的風(fēng)速儀國家檢定規(guī)程及計(jì)量特性要求，如表1所示。

表1 檢定規(guī)程及技術(shù)要求

某藥廠工程部購買了一臺(tái)市場主流風(fēng)速儀用于測量通風(fēng)管道中的風(fēng)速，使用要求是0.1～ 10 m/s，常用點(diǎn)5 m/s。儀器說明書的技術(shù)指標(biāo)“量程為0～ 10 m/s，示值誤差允許在±(0.01 m/s+3%×指示風(fēng)速)”，這也是客戶的實(shí)際使用要求。校準(zhǔn)報(bào)告的結(jié)果與符合性判斷分析如表2所示。

表2 校準(zhǔn)結(jié)果與判定

氣象行業(yè)傳統(tǒng)使用的“三杯式”風(fēng)速儀的工作原理和技術(shù)水平具有局限性，在示值誤差的表述中有一個(gè)“0.5 m/s”的固有誤差，這對(duì)于滿足氣象監(jiān)測使用已經(jīng)足夠了，但不適合其他量大面廣的、準(zhǔn)確度要求較高的行業(yè)?！?.5 m/s”的固有誤差導(dǎo)致在5 m/s以下，所允許的相對(duì)示值誤差至少是10%，而對(duì)于廣大微風(fēng)測量需求來說，符合規(guī)程要求出具的合格判定是沒有意義的。

3.2 低風(fēng)速區(qū)間的校準(zhǔn)不確定度水平較低

低風(fēng)速區(qū)間（低于5 m/s）無法提供不確定度水平較高的校準(zhǔn)服務(wù)，無法滿足微風(fēng)校準(zhǔn)的市場需要。目前國內(nèi)具有“CNAS認(rèn)證”的國家級(jí)計(jì)量測試機(jī)構(gòu)在風(fēng)速校準(zhǔn)中所使用的標(biāo)準(zhǔn)器均為皮托管與微差壓計(jì)，數(shù)學(xué)模型為

式中：ΔP — 皮托管測得的差壓值(Pa)；

ρ — 空氣密度（kg/m3）；

K — 皮托管系數(shù)。

在5 m/s以下開展風(fēng)速校準(zhǔn)工作時(shí)，測量結(jié)果的相對(duì)不確定度都比較大，主要原因在于低風(fēng)速區(qū)間，壓差信號(hào)太小。在5 m/s時(shí)測得的差壓值約為15 Pa，一等補(bǔ)償微壓計(jì)的示值誤差允許值為±0.4 Pa，不考慮其他不確定度分量，由差壓計(jì)引起的不確定度分量已經(jīng)達(dá)到±2.7%。雖然可以通過挑選更高準(zhǔn)確度的壓差計(jì)來提高不確定度水平，但效果也是有限的。因此皮托管與微差壓計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器的校準(zhǔn)方法，無法滿足微風(fēng)領(lǐng)域高精度風(fēng)速儀的校準(zhǔn)需要。

4 結(jié)語

現(xiàn)有的檢定規(guī)程雖然有三個(gè)，但都是針對(duì)“三杯式”這一工作原理的風(fēng)速儀，20多年來沒有更新。針對(duì)市場上各式各樣風(fēng)速儀的溯源要求，應(yīng)該對(duì)檢定規(guī)程進(jìn)行整合，按工作原理或者準(zhǔn)確度等級(jí)重新分類，更新或起草檢定規(guī)程，并給出不確定度分析。

皮托管作為一個(gè)經(jīng)典的流速測量器具，價(jià)格低廉而且實(shí)用，作為5 m/s以上流速測量的標(biāo)準(zhǔn)器非常有效，但已經(jīng)無法滿足目前市場上越來越多低速測量的溯源要求。美國“national institute of standard and technology”在開展風(fēng)速校準(zhǔn)服務(wù)中，標(biāo)準(zhǔn)器已由皮托管更新為激光多普勒風(fēng)速儀，提供了不確定度水平較高的低風(fēng)速校準(zhǔn)服務(wù)，風(fēng)速下限拓展到0.15 m/s（U = 0.006 m/s，k = 2），足以滿足市場上所有風(fēng)速儀的溯源要求?；诩す舛嗥绽占夹g(shù)的風(fēng)速校準(zhǔn)方法的研究，可以彌補(bǔ)現(xiàn)有的“皮托管-差壓”技術(shù)在準(zhǔn)確度和量程上的不足，并與國際同行接軌。

[1]國家質(zhì)檢總局公告. 2005年第145號(hào)——中華人民共和國依法管理的計(jì)量器具目錄(型式批準(zhǔn)部分)[S]. 北京：2005.

[2]國家氣象局氣象計(jì)量檢定研究所. JJG 613-1989[S]. 北京：中國計(jì)量出版社，1989.

[3]國家氣象局氣象計(jì)量檢定研究所. JJG 515-1987[S]. 北京：中國計(jì)量出版社，1987.

[4]國家氣象局氣象科學(xué)研究院氣象計(jì)量檢定研究所. JJG 431-1986[S]. 北京：中國計(jì)量出版社，1986.

[5]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布.GB/T 5031-2008[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[6]全國醫(yī)用臨床檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室和體外診斷系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).YY 0569-2005[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.