風向傳感器校準裝置對比試驗與探討

陳璐艷 陳 昉 鄭道淮 陳龍福 蔣文欣

(1.福建省大氣探測技術保障中心，福建 福州 350008；2.福州市氣象局，福建 福州 350008)

風向是自動氣象站常規(guī)氣象觀測要素之一，幾乎所有的國家級自動氣象站和大部分省級區(qū)域自動氣象站都要進行風向測量，其數(shù)值被廣泛用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、海洋、航天和軍事等各個領域，而且風向的觀測數(shù)據(jù)對于天氣預報、氣候監(jiān)測和霧霾防治等也至關重要[1-2]。目前用于氣象觀測風向的傳感器主要是光電式風向傳感器，其數(shù)據(jù)是通過光電管組產(chǎn)生的格雷碼進行輸出[2-3]，其中EL15-2型風向傳感器是國內(nèi)自動氣象臺站普遍使用的風向觀測設備。

本文以天津廠風向傳感器EL15-2C為例，結(jié)合JJE10型風向校準儀和風向傳感器校準儀的工作原理、校準方法，采用對比試驗方法進行兩種校準裝置的測量誤差精度和性價比分析，確保風向校準質(zhì)量，為計量檢定部門提供參考依據(jù)。

1 風向傳感器現(xiàn)場校準裝置與現(xiàn)場校準方法

目前福建省可用于風向傳感器現(xiàn)場校準的裝置是JJE10型風向校準儀和風向傳感器校準儀(福建省大氣探測技術保障中心監(jiān)制)。

1.1 JJE10型風向校準儀

1.1.1 JJE10型風向校準儀工作原理

JJE10型風向校驗儀由校驗臺和便攜式控制器兩大部分組成。校驗臺用于安裝各類風向傳感器，進行風向校驗時，被測傳感器配套不同的風座轉(zhuǎn)接件，安裝在校驗臺上，用于支撐桿固定風向。便攜式控制器控制步進電機帶動風向標轉(zhuǎn)動，采用閉環(huán)控制原理，使得校驗儀精度得到保證[4]。

1.1.2 JJE10型風向校準儀校準方法(以天津廠傳感器EL15-2C為例)

(1)將校驗臺航插與便攜式控制器風向輸出接口連接；選擇天津廠風座，將風座通過螺紋擰緊在校驗臺上。

(2)將傳感器與配套標識為(L6_風向_天津廠_格雷碼)的短線纜擰緊，風向傳感器安裝在風座上并緊固固定螺絲，短線纜穿入中間的孔中；調(diào)整支撐桿高度，選擇適當?shù)奈恢?，使用緊固螺釘緊固后，轉(zhuǎn)動支撐桿移動到尾翼下方，將尾翼托架向下按到尾翼下方位置，托架回彈卡住尾翼桿。

(3)確認連接無誤后，按下便攜式控制器的電源開關，控制器上電自動進入主頁面(風向)；選擇廠家型號(例如：天津EL15-2C)后，自動退回到主界面(風向)，此時廠家型號右側(cè)“默認電壓”值會顯示出該傳感器供電電源，一定要確認無誤后方可下一步，否則會導致傳感器燒毀。確認無誤后，使用標識為(L11_風向輸入)的線纜一端與短線纜連接，另一端與便攜式控制器的風向輸入接口連接。

(4)若只使用“置北”功能，則觸碰“置北”按鈕，此時尾翼隨著校驗臺支撐桿轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程中注意避免尾翼與其他物品干涉，如果正確找到北的位置，蜂鳴器將長鳴一聲(持續(xù)時間約為1s)。

(5)觸碰設定值下方的深色圖，輸入要求的角度值，后觸碰“OK”鍵則返回到主界面(風向)，此時設定值的深色方框中顯示的就是剛才設置的角度值；由于采用原點校準原理，在觸碰“開始”按鈕后，傳感器會自動先進行第(4)步的“置北”功能操作，然后再轉(zhuǎn)動至設置的角度；如果轉(zhuǎn)動完成后，繼續(xù)觸碰“啟動”按鈕，則重復上述動作，依舊先“置北”后轉(zhuǎn)動到相應的角度。

(6)根據(jù)風向傳感器計量檢定規(guī)程，判斷標準值和測量值之間的誤差值是否在誤差允許范圍內(nèi)，完成風向傳感器現(xiàn)場校準。

1.2 風向傳感器校準儀

1.2.1 風向傳感器校準儀工作原理

風向傳感器校準儀包括兩個能夠相互扣合的扣件，兩個扣件扣合后形成整體，在形成的整體中心為一個與風向傳感器主軸外輪廓相對應的內(nèi)輪廓，兩個扣件上邊沿各設一個用于固定風向傳感器轉(zhuǎn)軸的定位座，在扣件的側(cè)壁或上下面設有方位刻度，上刻度為校準讀數(shù)用，下刻度在風向傳感器指北標志丟失下做記號用，兩個扣件的連接處設有使兩個扣件扣合時能夠固定的固定件。

1.2.2 風向傳感器校準儀校準方法(以天津廠傳感器EL15-2C為例)

①打開彈簧扣，張開風向傳感器校準儀，將風向傳感器校準儀放入風向傳感器中。根據(jù)自動氣象站風向傳感器現(xiàn)場校準規(guī)范中規(guī)定，檢測點為0°、90°、180°、270°。②將風向傳感器校準儀刻度“N”對準風向傳感器指“N”黑刻度線上，扣上彈簧扣，讀取終端數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)風向至刻度線與風向傳感器校準儀“E”的位置對齊，讀取該點終端數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)風向至刻度線與風向傳感器校準儀“S”的位置對齊，讀取該點終端數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)風向至刻度線與風向傳感器校準儀“W”的位置對齊，讀取該點終端數(shù)據(jù)。③4個方位校準結(jié)束，打開彈簧扣，取下風向傳感器校準儀。

2 校準結(jié)果分析

2.1 計算方法

用風向傳感器測量值減去校準點的數(shù)值，作為該校準點的測量誤差。根據(jù)自動氣象站風向傳感器現(xiàn)場校準規(guī)范中規(guī)定，風向傳感器的最大允許誤差為±5°，測量誤差值不超過技術要求時，視為合格。

采用公式(1)計算風向校準的示值誤差ΔE。

ΔE=e-E

(1)

式中，e為被測風向示值，E為風向標準值。

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)自動氣象站風向傳感器現(xiàn)場校準規(guī)范中規(guī)定的風向傳感器檢測點0°、90°、180°、270°作為標準值。利用JJE10型風向校準儀、風向傳感器校準儀兩種風向校準裝置，分別對6個EL15-2C型風向傳感器進行校準，并在風向校準記錄表中記下校準數(shù)據(jù)，詳見表1。

表1 EL15-2C型風向傳感器在兩種校準裝置中的校準結(jié)果

表2為6個EL15-2C型風向傳感器在兩種風向傳感器校準裝置中的比對試驗結(jié)果，表2中，兩種風向校準儀裝置在校準6個風向傳感器時的測量誤差均值分別為0.83、1.25?？偟膩碚f，兩種風向校準裝置基本上性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)測量有較高的準確度，均適合對風向傳感器的校準。合理使用相關風向校準裝置在實驗室、現(xiàn)場校準十分重要[5-6]。JJE10型風向校準儀外觀簡潔、大方，功能強大，性能穩(wěn)定、可靠，用戶操作簡單，使用方便，但是該設備需要把風向傳感器從風塔上拆下來，只針對風向傳感器進行校準，所以JJE10 型風向校準儀更適用于實驗室校準，或比較方便拆卸風向傳感器的臺站校準使用。而風向傳感器校準儀使用方便，能夠在不拆卸風向傳感器的情況下進行校準方位，節(jié)省了校準時間，提高了工作效率。由于沒有拆卸風向傳感器避免風塔上下傳送時損壞風向尾翼，同時避免因接口氧化拆卸時，損壞風向傳感器。而風向傳感器校準儀的結(jié)構(gòu)弧形抱夾的內(nèi)側(cè)4個橡膠條緊固風杯軸外罩不易滑動，在校準完成后，利用該特性可以很好地確定正北點，避免在地面校準好、固定到風向支架時產(chǎn)生角度的誤差。同時還具有體積小，攜帶輕便等優(yōu)點，所以風向傳感器校準儀比較適用于室外校準，特別是沿海地區(qū)因氧化而比較難拆卸的臺站或環(huán)境比較惡劣的區(qū)域站校準和核查。

表2 EL15-2C型風向傳感器在2種校準裝置中的風向測量誤差

3 結(jié)束語

本文對6個EL15-2C型風向傳感器在兩種風向傳感器校準裝置中的比對試驗，試驗結(jié)果可得，兩種風向校準儀裝置在校準6個風向傳感器時的測量誤差均值分別為0.83、1.25。由此可見，這兩種風向校準裝置基本上性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)測量有較高的準確度，均適合對風向傳感器的校準。JJE10 型風向校準儀適用于實驗室校準，或比較方便拆卸風向傳感器的臺站校準使用。風向傳感器校準儀比較適用于室外校準，特別是沿海地區(qū)因氧化而比較難拆卸的臺站或環(huán)境比較惡劣的區(qū)域站校準和核查。對于比較重要的臺站(例如國家級臺站)的風向傳感器，可以在實驗室用JJE10型校準儀校準，之后裝到風塔上，再用風向傳感器校準儀進行現(xiàn)場核查，以確保正北點是否對應，設備輸出數(shù)據(jù)是否精確、及時，以此保障風向數(shù)據(jù)精確、可靠。