現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置的性能分析及核查方法

鄭亮 張虎 劉宗慶 陳濤 黃小靜 李曉紅

摘 要：通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)2010～2015年期間現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，分析和驗(yàn)證該標(biāo)準(zhǔn)裝置復(fù)現(xiàn)起動(dòng)風(fēng)速量值的漂移特性。為確?，F(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性，提出采用傳遞比較法對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行年度核查的方法以保證其性能處于受控狀態(tài)。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：通過該方法可使現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)裝置的量值具有溯源性，實(shí)際運(yùn)用中大大降低風(fēng)速測(cè)量?jī)x器起動(dòng)風(fēng)速的現(xiàn)場(chǎng)誤判率，與實(shí)驗(yàn)室起動(dòng)風(fēng)速檢定結(jié)果的判定基本一致。

關(guān)鍵詞：起動(dòng)風(fēng)速；量值溯源；現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)；質(zhì)量控制

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2017）12-0135-05

Abstract： Based on comparison test and statistics of field test data of staring wind velocity standard device from 2010 to 2015， the drift characteristics of the staring wind velocity quantity value reproduced by the standard device wereare analyzed and verified. In order to ensure the reliability of the staring wind velocity calibration results in the field， transmission comparison method wais adopted for annual verification of the standard device to ensure that its performance wais under control. The results of the comparison test show that the method can make the quantity value of the field staring wind velocity standard device traceable， which greatly reduces the field misjudgment rate of the wind speed measuring instrument about staring wind velocity in the practical application and the staring wind velocity conclusion of the judgment in the field is basically consistent with verification results.

Keywords： starting wind velocity； traceability； field calibration； quality control

0 引 言

目前，氣象計(jì)量業(yè)務(wù)量增長(zhǎng)迅猛，數(shù)據(jù)是否可靠，關(guān)系到氣象預(yù)報(bào)、探測(cè)等諸多領(lǐng)域。量值準(zhǔn)確的前提是計(jì)量結(jié)果必須具有溯源性[1]。近年來，關(guān)于風(fēng)速儀器計(jì)量方面的研究，如標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速測(cè)量值的影響量分析[2]、風(fēng)速傳感器檢定結(jié)果的不確定度分析[3]等，主要是對(duì)風(fēng)速檢定中實(shí)驗(yàn)室溫度、空氣密度修正系數(shù)對(duì)風(fēng)速檢定的影響進(jìn)行分析，目的在于找出風(fēng)速檢定中的主要影響量，并加以消除，使檢定結(jié)果更加真實(shí)、可靠。對(duì)風(fēng)速傳感器檢定結(jié)果不確定度分析，也是基于此目的。但目前對(duì)于起動(dòng)風(fēng)速的研究較少，所謂起動(dòng)風(fēng)速是指回轉(zhuǎn)型風(fēng)速表開始并能維持轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)向標(biāo)在某一偏角釋放返回到與規(guī)定氣流方向的角度相同，能輸出信號(hào)并指明風(fēng)的速度與方向變化的最低風(fēng)速[4]?，F(xiàn)階段起動(dòng)風(fēng)速的實(shí)驗(yàn)室計(jì)量已有完整的計(jì)量體系[5-7]，而現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器未實(shí)現(xiàn)溯源到上一級(jí)，這將直接影響被檢儀表的準(zhǔn)確性[8]。為了保證量值傳遞準(zhǔn)確可靠，減小不確定性對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果造成的誤判，必須對(duì)其進(jìn)行量值溯源。

本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)室起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器溯源的方式與經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用相關(guān)的背景資料和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)相結(jié)合的技術(shù)[9-10]，研討出一種對(duì)現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器溯源的方法，保證我國(guó)各省現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器的長(zhǎng)期準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可控性。

1 起動(dòng)風(fēng)速校準(zhǔn)裝置簡(jiǎn)介及數(shù)據(jù)來源

1.1 起動(dòng)風(fēng)速校準(zhǔn)裝置簡(jiǎn)介

現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速校準(zhǔn)裝置由起動(dòng)風(fēng)速發(fā)生器、數(shù)字葉輪風(fēng)速表和風(fēng)速校驗(yàn)儀組成，用于校準(zhǔn)杯式風(fēng)速傳感器的起動(dòng)風(fēng)速特性。數(shù)字葉輪風(fēng)速表為標(biāo)準(zhǔn)器，起動(dòng)風(fēng)速發(fā)生器和風(fēng)速校驗(yàn)儀為配套設(shè)備。我國(guó)氣象用的杯式風(fēng)速傳感器類型主要是WAA151型、EZC-1型、EL15-1A型、EL15-1C型、ZQZ-TF型，數(shù)字葉輪風(fēng)速判定起動(dòng)風(fēng)速合格與否的要求[10]，如表1所示。

1.2 數(shù)據(jù)資料來源

研究使用數(shù)據(jù)資料來自四川省2010年9月～2015年9月部分國(guó)家站的起動(dòng)風(fēng)速現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)記錄，四川省氣象局風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室風(fēng)速傳感器檢定記錄，起動(dòng)風(fēng)速校驗(yàn)儀出廠說明初始數(shù)據(jù)，以及2010年9月～2015年9月每半年一個(gè)周期的現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)。

特此說明：因傳感器類型不同，其技術(shù)指標(biāo)和判定要求不同，但校準(zhǔn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)裝置以及校準(zhǔn)方法都相同，因此研究中所用到的實(shí)驗(yàn)、測(cè)試、記錄等數(shù)據(jù)均以天津廠的EL15-1C型風(fēng)速傳感器為代表，后不贅述。

2 起動(dòng)風(fēng)速測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器在時(shí)間與地點(diǎn)上的類比差異分析

2.1 起動(dòng)風(fēng)速測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器在時(shí)間上的類比差異分析

對(duì)起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器在使用時(shí)間上進(jìn)行追蹤實(shí)驗(yàn)記錄。在2010年9月至2015年9月，每隔半年對(duì)起動(dòng)風(fēng)速測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行一組試驗(yàn)測(cè)試，觀察其年際變化[11]結(jié)果。

圖1為起動(dòng)風(fēng)速現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)原型。標(biāo)準(zhǔn)器的數(shù)值由起動(dòng)風(fēng)速校驗(yàn)儀內(nèi)的氣流強(qiáng)度決定。氣流由可調(diào)電壓源供電于起動(dòng)風(fēng)速校驗(yàn)儀里的風(fēng)機(jī)產(chǎn)生，起動(dòng)風(fēng)速校驗(yàn)儀內(nèi)放置的風(fēng)速傳感器其風(fēng)杯與殼體對(duì)氣流有一定的阻塞作用。由于風(fēng)速傳感器隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，性能會(huì)下降，所需的起動(dòng)風(fēng)速就會(huì)增大，因此起動(dòng)風(fēng)速校驗(yàn)儀內(nèi)放置傳感器對(duì)氣流有一定的影響，為了更好地檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確性和可靠性，采用不在起動(dòng)風(fēng)速校驗(yàn)儀內(nèi)放置傳感器空吹的方式追蹤測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)器，模型如圖2所示。

測(cè)試實(shí)驗(yàn)首先確定恒壓源的電壓值。EL15-1C型風(fēng)速傳感器起動(dòng)風(fēng)速判定合格與否的要求是標(biāo)準(zhǔn)器表示值≤30，標(biāo)準(zhǔn)器數(shù)值為30時(shí)等同于0.5 m/s風(fēng)速產(chǎn)生。標(biāo)準(zhǔn)器表示值穩(wěn)定持續(xù)的顯示為30時(shí)，確定恒壓源電壓值，此后，從2010年9月～2015年9月的測(cè)試實(shí)驗(yàn)皆用此電壓值。表2為3個(gè)起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器追蹤測(cè)試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。從表中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，在恒定的0.5 m/s風(fēng)速中連續(xù)5年且每隔半年做一組測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)器的數(shù)值表示均是逐年減小的，即正常損耗，性能下降。若一直延用出廠時(shí)給定的判定要求≤30，顯然是不可靠的，必須對(duì)起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行溯源性研究，保證其準(zhǔn)確性和可靠性。

2.2 起動(dòng)風(fēng)速測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器在地點(diǎn)上的類比差異分析

起動(dòng)風(fēng)速的測(cè)量有現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)室風(fēng)洞檢定兩種方式。每年選定一定數(shù)量的兩種方式樣本類比的判定結(jié)果一致率。判定結(jié)果一致率體現(xiàn)兩種方式判定結(jié)果的一致性程度[12]，即判定合格與否的一致性程度，公式如下：

C=■×100%

式中：n——樣本數(shù)量；

m——兩種方式判定結(jié)果相同時(shí)的個(gè)體數(shù)量。

表3統(tǒng)計(jì)了2010～2015年四川省部分國(guó)家站起動(dòng)風(fēng)速現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)與實(shí)驗(yàn)室檢定結(jié)果的對(duì)比情況?，F(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器是編號(hào)為1122的數(shù)字葉輪風(fēng)速表，對(duì)比結(jié)果表明：現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的合格率逐年略顯上升，實(shí)驗(yàn)室檢定的合格率逐年下降，且幅度較大?，F(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)與實(shí)驗(yàn)室檢定的判定結(jié)果一致率逐年下降。

起動(dòng)風(fēng)速的實(shí)驗(yàn)室檢定有完整的計(jì)量體系，符合計(jì)量的統(tǒng)一性、準(zhǔn)確性、科學(xué)性、法制性。起動(dòng)風(fēng)速現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器自出廠后一直延用，未對(duì)其進(jìn)行溯源。

結(jié)合表2、表3可以看出，起動(dòng)風(fēng)速現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器隨使用時(shí)間增長(zhǎng)，其準(zhǔn)確性下降。在2015年，編號(hào)為1122的起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器表示值為25時(shí)，對(duì)應(yīng)0.5 m/s的風(fēng)速。而起動(dòng)風(fēng)速判定要求是≤30即為合格，所以，當(dāng)25<現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)器表示值≤30時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)判定結(jié)果為合格。但實(shí)驗(yàn)室檢定該范圍內(nèi)的起動(dòng)風(fēng)速值都超過最大允許誤差，即風(fēng)速>0.5 m/s。實(shí)驗(yàn)室判定結(jié)果為不合格。實(shí)際上，在25<現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)器表示值≤30范圍內(nèi)的起動(dòng)風(fēng)速現(xiàn)場(chǎng)判定為誤判。誤判率是隨著時(shí)間逐年提高，如圖3所示。

如果不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速器進(jìn)行溯源，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的起動(dòng)風(fēng)速誤判率會(huì)逐年增大，從而影響傳感器的準(zhǔn)確性，所以必須制定出有效的方法對(duì)其進(jìn)行溯源。

3 現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器的溯源及驗(yàn)證結(jié)果

3.1 現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器的溯源方法

《自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法》[13]和JJG（氣象）004——2011《自動(dòng)氣象站風(fēng)向風(fēng)速傳感器》[6]檢定規(guī)程中對(duì)于起動(dòng)風(fēng)速的校準(zhǔn)和檢定都做出了類似的規(guī)定，即風(fēng)杯由靜止變?yōu)榫鶆蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，讀取一定次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值，標(biāo)準(zhǔn)值的平均值為風(fēng)速傳感器的起動(dòng)風(fēng)速。起動(dòng)風(fēng)速的計(jì)量性能要求是：起動(dòng)風(fēng)速≤0.5 m/s。因此，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器（數(shù)字葉輪風(fēng)速表）的溯源，就是對(duì)其進(jìn)行0.5 m/s的風(fēng)速校驗(yàn)，將其最終溯源到實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)洞上。為了準(zhǔn)確溯源現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器，在不改變起動(dòng)風(fēng)速現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)原型的前提下采用間接溯源的方法，具體步驟是：首先，選擇起動(dòng)風(fēng)速合格（≤0.5 m/s）且起動(dòng)風(fēng)速小的風(fēng)速傳感器作為量傳風(fēng)頭。量傳風(fēng)頭作為風(fēng)洞與現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器裝置量值傳遞的中間介質(zhì)。其次，通過風(fēng)洞給出V=0.5 m/s的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速，穩(wěn)定后記錄此時(shí)量傳風(fēng)頭的顯示值（V′）。最后，將量傳風(fēng)頭作為中間傳遞，校驗(yàn)起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器（數(shù)字葉輪風(fēng)速表），中間傳遞量值為V′。圖4詳細(xì)說明了現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速的溯源過程。

通過上述溯源步驟，對(duì)3臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行溯源，溯源數(shù)據(jù)見表4。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器溯源后的驗(yàn)證

對(duì)溯源完成后的標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行驗(yàn)證，隨機(jī)選取EL15-1C和ZQZ-TF型風(fēng)速傳感器各20個(gè)作為測(cè)試樣本。3臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)器按照現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)步驟分別對(duì)測(cè)試樣本的起動(dòng)風(fēng)速進(jìn)行校準(zhǔn)，分別記錄下測(cè)試樣本對(duì)應(yīng)于該標(biāo)準(zhǔn)器的起動(dòng)風(fēng)速表示值。然后，將測(cè)試樣本逐一在實(shí)驗(yàn)室風(fēng)洞進(jìn)行起動(dòng)風(fēng)速檢定，記錄下檢定結(jié)果。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的起動(dòng)風(fēng)速表示值和實(shí)驗(yàn)室檢定的起動(dòng)風(fēng)速結(jié)果繪制成圖（如圖5、圖6）進(jìn)行比較分析。注意：每個(gè)風(fēng)速傳感器的起動(dòng)風(fēng)速是獨(dú)立、離散的值，與其他傳感器無任何聯(lián)系，這里用線進(jìn)行連接是為了更好地比較現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)室檢定起動(dòng)風(fēng)速的趨勢(shì)區(qū)別。

圖5、圖6中可以明顯看出同一測(cè)試樣本分別用3臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速校準(zhǔn)，其起動(dòng)風(fēng)速表示值略微有差異，這跟溯源標(biāo)準(zhǔn)器時(shí)確定的0.5 m/s的表示值有關(guān)系，但是，趨勢(shì)很一致。簡(jiǎn)而言之，不同標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)應(yīng)于0.5 m/s時(shí)的表示值不同，但通過其判別風(fēng)速傳感器起動(dòng)風(fēng)速是否超差，判定結(jié)果一致。

對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)與實(shí)驗(yàn)室檢定測(cè)試樣本起動(dòng)風(fēng)速的判定結(jié)果，可以看出，同一測(cè)試樣本的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)室檢定起動(dòng)風(fēng)速的判定結(jié)果完全一致。

所以，溯源后的現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性都大大提升，很大程度上減少了誤判。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)全國(guó)氣象部門自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器（數(shù)字葉輪風(fēng)速表）一直以來沒有溯源的問題進(jìn)行了探討分析。根據(jù)儀器本身的原理特性、現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)模式和有關(guān)風(fēng)項(xiàng)的溯源經(jīng)驗(yàn)制定出現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器的溯源方法。現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器通過該溯源方法檢測(cè)后，用于現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)風(fēng)速校準(zhǔn)的判定與實(shí)驗(yàn)室起動(dòng)風(fēng)速檢定后的判定結(jié)果一致，很好地解決了誤判的問題，很大程度上提高了判定的準(zhǔn)確性和可靠性，保證了數(shù)據(jù)的可信度。

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（編輯：李妮）