自動(dòng)氣象站風(fēng)速傳感器的檢定及提高檢定精度的方法

毛壽興

（廣西區(qū)氣象技術(shù)裝備中心，南寧 530022）

引言

氣象觀測(cè)要素中，風(fēng)要素是不可缺少的觀測(cè)項(xiàng)目之一[1]，風(fēng)速傳感器是測(cè)量風(fēng)速的主要設(shè)備。我區(qū)93 個(gè)國(guó)家站以及六要素區(qū)域自動(dòng)站都安裝有風(fēng)向風(fēng)速傳感器，風(fēng)速傳感器使用一段時(shí)間后，由于環(huán)境因素或者人為因素的影響，其物理特性和數(shù)據(jù)采集器的電子元件特性均會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差。為了保證風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和可比性，必須定期送計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定校準(zhǔn)[2-4]。風(fēng)速檢定是一個(gè)復(fù)雜的過程，是將風(fēng)速傳感器安裝在風(fēng)洞內(nèi)通過系統(tǒng)控制設(shè)備來完成的，傳感器、標(biāo)準(zhǔn)器、各種配套設(shè)備的性能以及風(fēng)洞內(nèi)流場(chǎng)的特性，直接決定著檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 風(fēng)速傳感器的工作原理

我區(qū)采用的測(cè)風(fēng)儀器是中環(huán)天儀（天津）氣象儀器有限公司生產(chǎn)的EL15-1A 和EL15-1C 型杯式風(fēng)速傳感器、江蘇省無線電科學(xué)研究所有限公司生產(chǎn)的ZQZ-TF 系列風(fēng)速傳感器。雖然它們的外型、尺寸、測(cè)速范圍有所不同，但其工作原理是相同的，是由3 個(gè)互成120°的風(fēng)杯組件、傳動(dòng)軸、內(nèi)裝有截光盤光電轉(zhuǎn)換器的殼體、信號(hào)輸出插座等部件組成[5-6]。通過風(fēng)杯的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)截光盤切割光電轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生電脈沖，輸出相應(yīng)的電脈沖信號(hào)[7-8]，其電脈沖信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)器處理后，輸出風(fēng)速值（如圖1）。

圖1 風(fēng)速傳感器的工作原理框圖

2 風(fēng)速檢定

2.1 風(fēng)速檢定的工作原理

將標(biāo)準(zhǔn)器皮托管、被檢風(fēng)速傳感器安裝在風(fēng)洞體內(nèi)，控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，氣流在風(fēng)洞體內(nèi)運(yùn)動(dòng)。使被檢風(fēng)速傳感器風(fēng)杯轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出電脈沖信號(hào)傳送到萬用表，得出頻率值，頻率值根據(jù)頻率與風(fēng)速關(guān)系公式換算成風(fēng)速值即指示風(fēng)速；同時(shí)皮托管也測(cè)得氣流的總壓和靜壓，總壓通過總壓孔經(jīng)皮托管的內(nèi)管傳送到微壓計(jì)，靜壓通過靜壓孔經(jīng)皮托管的外管傳送到微壓計(jì)，得到差壓值，差壓值根據(jù)相當(dāng)風(fēng)速公式換算成風(fēng)速值，再進(jìn)行經(jīng)計(jì)算得出的總修正系數(shù)修正，修正后的風(fēng)速值即實(shí)測(cè)風(fēng)速。指示風(fēng)速減去實(shí)際風(fēng)速等于示值誤差，根據(jù)起動(dòng)風(fēng)速值和各檢定點(diǎn)的示值誤差是否符合有關(guān)要求，判斷被檢風(fēng)速傳感器是否合格（圖2）。

圖2 風(fēng)速檢定工作原理框圖

2.2 風(fēng)速傳感器計(jì)量性能

EL15型測(cè)量范圍：（0～60）m·s-1；ZQZ-TF型測(cè)量范圍：（0～90）m·s-1。

最大允誤：±（0.5+0.03V）m·s-1（V 為指示風(fēng)速）；起動(dòng)風(fēng)速：≤0.5m·s-1。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)器

皮托管：皮托管的K 值應(yīng)在0.99～1.01 之間。皮托管系數(shù)的允許誤差：當(dāng)（5～10）m·s-1時(shí)，不超過±0.04；當(dāng)（10～25）m·s-1時(shí)，不超過±0.05。

數(shù)字微壓計(jì)：測(cè)量范圍（0～800）Pa，最大允許誤差0.8Pa。

2.4 配套設(shè)備

回路低速風(fēng)洞，數(shù)字變頻器、調(diào)頻控制器、萬用表、壓溫濕記錄儀、計(jì)算機(jī)。

2.5 系統(tǒng)連接

目前所采用的是HDF500 回路低速風(fēng)洞，通過標(biāo)準(zhǔn)皮托管、數(shù)字微壓計(jì)、數(shù)字變頻器、壓溫濕記錄儀、萬用表、調(diào)頻控制器、計(jì)算機(jī)等組成的檢定系統(tǒng)來完成檢定。檢定系統(tǒng)的連接如圖3。

2.6 檢定的實(shí)現(xiàn)

風(fēng)速檢定是通過系統(tǒng)控制來完成的，控制風(fēng)速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生氣流在風(fēng)洞體內(nèi)作循環(huán)運(yùn)動(dòng)。通過萬用表和數(shù)字微壓計(jì)同步讀取風(fēng)速傳感器和標(biāo)準(zhǔn)皮托管的讀數(shù)[9-10]，也同時(shí)讀取氣壓、溫度、濕度的讀數(shù)；數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算處理，得出風(fēng)速傳感器指示風(fēng)速值和標(biāo)準(zhǔn)皮托管實(shí)測(cè)風(fēng)速值，計(jì)算出示值誤差。再轉(zhuǎn)換到下一個(gè)檢定點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)變頻器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使風(fēng)速達(dá)到各個(gè)檢定點(diǎn)的目標(biāo)值來完成各個(gè)檢定點(diǎn)的檢定，直至檢定結(jié)束[11]。最后生成線性回歸方程[12]。

圖3 檢定系統(tǒng)連接示意框圖

2.7 檢定方法

（1）外觀檢查

按照通用技術(shù)要求進(jìn)行外觀檢查。用目測(cè)方法檢查風(fēng)速傳感器外型結(jié)構(gòu)是否完好，轉(zhuǎn)軸豎直時(shí)其轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)平穩(wěn)、靈活。轉(zhuǎn)軸呈水平狀態(tài)時(shí)，風(fēng)杯應(yīng)能隨遇平衡。傳感器表面不應(yīng)有明顯凹跡、外傷、裂縫、變形等現(xiàn)象，表面涂層不應(yīng)起泡、龜裂和脫落，金屬件不應(yīng)有嚴(yán)重銹蝕及其它機(jī)械損傷。傳感器型號(hào)、出廠編號(hào)是否清晰。外觀檢查合格的才進(jìn)行啟動(dòng)風(fēng)速、示值檢定。

（2）檢定點(diǎn)選擇：2m·s-1、5m·s-1、10m·s-1、15m·s-1、20m·s-1、25m·s-1、30m·s-1。

（3）啟動(dòng)風(fēng)速檢定

在風(fēng)速傳感器的風(fēng)杯處于靜止?fàn)顟B(tài)下，調(diào)節(jié)變頻器使風(fēng)洞內(nèi)氣流緩慢增加，當(dāng)風(fēng)杯由靜止變?yōu)檫B續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，等時(shí)距讀取微壓計(jì)示值，計(jì)算出風(fēng)洞工作段內(nèi)的實(shí)測(cè)風(fēng)速值即為風(fēng)速傳感器的啟動(dòng)風(fēng)速。

（4）示值檢定

按規(guī)定要求調(diào)整風(fēng)速檢定點(diǎn)，當(dāng)風(fēng)速檢定點(diǎn)調(diào)好后，調(diào)節(jié)變頻器控制風(fēng)速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使風(fēng)速達(dá)到設(shè)定檢定點(diǎn)的目標(biāo)風(fēng)速并穩(wěn)定1 分鐘后，讀取相應(yīng)檢定點(diǎn)上的標(biāo)準(zhǔn)器的實(shí)測(cè)風(fēng)速值和被檢風(fēng)速傳感器的指示風(fēng)速值各三次[13]，計(jì)算誤差值及該檢定點(diǎn)的誤差平均值。再轉(zhuǎn)換至預(yù)設(shè)的下一個(gè)檢定點(diǎn)，直至整個(gè)檢定過程結(jié)束。

3 檢定結(jié)果分析

3.1 風(fēng)速檢定

風(fēng)速檢定是通過系統(tǒng)控制來實(shí)現(xiàn)的，是一個(gè)復(fù)雜的過程，儀器性能、系統(tǒng)運(yùn)行、檢定過程操作都可能影響檢定結(jié)果。2017年1月～12月檢定的風(fēng)速傳感器共計(jì)216 個(gè)，其中51 個(gè)不合格，不合格率為24%（表1）。

表1 不合格數(shù)據(jù)表

從表1 可以得出，不合格風(fēng)速傳感器主要是起動(dòng)風(fēng)速不合格，占不合格比率的73%，所以在日常使用中，必須做好維護(hù)保養(yǎng)工作，清除污染物，保證儀器正常運(yùn)行、性能穩(wěn)定。

3.2 原因分析

（1）風(fēng)速傳感器在運(yùn)輸、拆卸過程中受到撞擊等原因，使風(fēng)杯變形，殼體破損嚴(yán)重，風(fēng)速傳感器外觀檢查不合格。

（2）風(fēng)速傳感器被腐蝕、塵埃、雜質(zhì)堆積，使風(fēng)杯轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活[14-15]。指示風(fēng)速偏小，起動(dòng)風(fēng)速偏大。

（3）風(fēng)速傳感器儀器老化，轉(zhuǎn)動(dòng)軸磨損嚴(yán)重，風(fēng)杯轉(zhuǎn)動(dòng)搖晃或卡死[16]。起動(dòng)風(fēng)速過大，不符合規(guī)定要求。

（4）目前我區(qū)采用上述兩個(gè)公司生產(chǎn)的風(fēng)速傳感器，工作電壓有5 伏和12 伏的，供電不足，風(fēng)速會(huì)偏??；不同公司產(chǎn)品的頻率與風(fēng)速關(guān)系公式也不同，指示風(fēng)速是通過頻率與風(fēng)速關(guān)系公式計(jì)算出來的。在檢定過程中需要選擇產(chǎn)品的電壓值和頻率與風(fēng)速關(guān)系公式，選擇不當(dāng)，導(dǎo)致示值誤差偏大。

（5）檢定設(shè)備保養(yǎng)過程中或其他原因，使皮托管移動(dòng)，總壓口與氣流來向產(chǎn)生偏角，微壓計(jì)測(cè)得的差壓值偏小，得到的實(shí)測(cè)風(fēng)速偏小，從而影響檢定結(jié)果。

4 提高檢定精度的措施

（1）防止風(fēng)杯凹陷、變形

風(fēng)速傳感器在運(yùn)輸、拆裝等過程中，應(yīng)小心輕放、安全操作，避免撞擊、墜落，防止風(fēng)杯凹陷、變形。在使用中應(yīng)檢查風(fēng)杯固定在風(fēng)杯架上有無松動(dòng)，是否緊固牢靠。

（2）消除污染物的影響[17]

在室外使用過程中，由于周圍環(huán)境條件或人為等因素影響，風(fēng)速傳感器受腐蝕、塵埃、雜質(zhì)堆積等，應(yīng)不定期進(jìn)行清理、維護(hù)、保養(yǎng)。即拆卸外殼，清除塵埃、雜質(zhì)，添加潤(rùn)滑油，使其轉(zhuǎn)動(dòng)流暢、勻速。

（3）及時(shí)更換傳感器、配件

風(fēng)速傳感器是電子類產(chǎn)品，電子元件都有一定的壽命，使用過程中存在耗損，長(zhǎng)期不間斷轉(zhuǎn)動(dòng)，使傳動(dòng)軸磨損、電子元件老化等，造成轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活、有明顯的噪聲、旋轉(zhuǎn)搖擺、卡滯等現(xiàn)象，應(yīng)更換傳動(dòng)軸或傳感器。

（4）避免檢定操作過程中誤選

目前我區(qū)自動(dòng)氣象站所使用的風(fēng)速傳感器的工作電壓有5 伏和12 伏的，頻率與風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系有0～1221 赫茲[18]和0.1F，在進(jìn)行檢定操作時(shí)一定要注意選取與被檢風(fēng)速傳感器相一致的電壓值和頻率風(fēng)速對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（5）標(biāo)準(zhǔn)器皮托管校正

每次進(jìn)行檢定前，對(duì)皮托管安裝位置進(jìn)行校正，檢查上次檢定后位置是否產(chǎn)生了偏移，確保皮托管總壓口正對(duì)風(fēng)的來向，不產(chǎn)生氣流偏角。

5 結(jié)語(yǔ)

氣象計(jì)量檢定工作是氣象基礎(chǔ)業(yè)務(wù)和服務(wù)的基礎(chǔ)，也是保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性的基礎(chǔ)工作。因此，在檢定過程中要嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)檢定規(guī)程規(guī)范，認(rèn)真操作，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，完善檢定流程和方法，提高檢定結(jié)果的準(zhǔn)確率。保證觀測(cè)資料的準(zhǔn)確性、連續(xù)性和可比性。為天氣預(yù)報(bào)、氣候監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)等提供準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。