EL15－1CH 型加熱風(fēng)速傳感器校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評定分析

劉希林，梁振清，晏 敏，李 強(qiáng)

（廣西壯族自治區(qū)氣象技術(shù)裝備中心，南寧 530022）

引言

風(fēng)的觀測資料在氣象科學(xué)研究、風(fēng)能利用、水文、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防災(zāi)減災(zāi)等方面有著重要的運(yùn)用，因此需要對風(fēng)進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。普通三杯風(fēng)向風(fēng)速表是較為常見的風(fēng)速測量儀器，但在沙漠、海洋、高山等惡劣氣候條件下，不能滿足氣象、航海、風(fēng)能、漂流站、核電等科學(xué)考察領(lǐng)域?qū)︼L(fēng)的全天探測。而EL15－1CH 型加熱風(fēng)速傳感器具有極強(qiáng)的耐風(fēng)沙、耐海水侵蝕的性能，采用的材料在低溫時不脆化、高溫時不變形不軟化的物理性能，其電子電路設(shè)計(jì)具有電壓極性防反接保護(hù)、耐溫度變換、抗電磁干擾、抗腐蝕、自動控溫除霜（凍）等特殊功能，能實(shí)現(xiàn)惡劣氣候條件下對風(fēng)的探測。為了能準(zhǔn)確反應(yīng)風(fēng)的速度，需要定期對儀器進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)。對測風(fēng)儀器的校準(zhǔn)可以通過不確定度的大小來決定校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性和可依賴程度［1］。任何的校準(zhǔn)結(jié)果都存在著不確定度，需要正確分析評估測量不確定度分量，得出的校準(zhǔn)結(jié)果才更具有可信度［2］。有關(guān)學(xué)者通過對典型的DHS－500×500／700×700－Ⅱ風(fēng)洞進(jìn)行不確定度評定，得出風(fēng)洞的不確定度評定的分量有皮托靜壓管、電子微壓計(jì)、溫濕度傳感器、大氣壓力、流場的均勻性、穩(wěn)定性和被檢風(fēng)速儀的讀數(shù)重復(fù)性。丁紅英等［8］對氣壓傳感器示值誤差的測量進(jìn)行了不確定度評定，驗(yàn)證了氣壓傳感器是否合格。李仁杰等［9］理論推導(dǎo)了TDLAS 測溫系統(tǒng)的不確定度評定公式。杜文輝等［10］通過對實(shí)驗(yàn)室低溫及高溫工況校準(zhǔn)數(shù)據(jù)不確定度的評定，表明氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度性能校準(zhǔn)方法可實(shí)現(xiàn)對超大空間實(shí)驗(yàn)室溫度性能的校準(zhǔn)。張正等［11］為了自動氣象站風(fēng)向傳感器能獲取準(zhǔn)確、可靠的觀測數(shù)據(jù)，針對自動氣象站風(fēng)向傳感器測量結(jié)果進(jìn)行了不確定度評定。王宇等［12］通過能譜分析測量的不確定度研究，得出了影響檢測結(jié)果不確定度的主要因素。欒松年等［13］為確認(rèn)在線溫度變送器（配熱電阻）的可靠性和準(zhǔn)確性，對其進(jìn)行了在線校準(zhǔn)方法研究和不確定性評定。吳志峰等［14］的分析結(jié)果表明，在不考慮光譜光源的關(guān)聯(lián)情況下，其色溫的不確定度與波長間隔的平方根接近正比。其他關(guān)于儀器測量是否準(zhǔn)確的研究，運(yùn)用了不確定度對檢定結(jié)果進(jìn)行了評定［15］。吳宇等［16］和胡蒼龍等［17］雖然開展了輕便三杯風(fēng)向風(fēng)速表傳感器示值誤差不確定度研究，但沒有對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)，關(guān)于EL15－1CH 型加熱風(fēng)速傳感器校準(zhǔn)結(jié)果不確定度分析更是鮮有報道。因此，本文通過對EL15-1CH 型加熱風(fēng)速傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用GUM 法給出不確定性來源分析，對校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了不確定度分析和評定，以期給相關(guān)領(lǐng)域的研究、業(yè)務(wù)人員進(jìn)行EL15-1CH 型加熱風(fēng)速傳感器不確定度及其來源評定提供參考。

1 測量依據(jù)

EL15-1CH 型加熱風(fēng)速傳感器的測量原理與基本結(jié)構(gòu)與常用的風(fēng)速傳感器基本相同，只是添加了自動加熱裝置，其制作材料存在差異。本文的測量依據(jù)《JJG（氣象）004-2011 自動氣象站風(fēng)向風(fēng)速傳感器檢定規(guī)程》，在溫度20～25℃，相對濕度50%～60%RH 的環(huán)境條件下，對EL15-1CH 型加熱風(fēng)速傳感器進(jìn)行了校準(zhǔn)，并對校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行了不確定分析和評定。標(biāo)準(zhǔn)器采用的是皮托靜壓管和數(shù)字壓力計(jì)，直流風(fēng)洞為檢定設(shè)備，使用數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行讀數(shù)。

2 測量流程與方法

2.1 測量流程與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用GUM 方法［1，16］，測量不確定度流程如圖1 所示，這是用不確定度傳播率計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度而得到的被測量估計(jì)值的測量不確定度。具體的測量操作流程如下：先通過調(diào)整風(fēng)速校準(zhǔn)點(diǎn)，當(dāng)風(fēng)速點(diǎn)調(diào)好以后，待穩(wěn)定lmin 以后，運(yùn)用風(fēng)速參數(shù)數(shù)據(jù)采集器可以自動采集微壓計(jì)的實(shí)測風(fēng)壓值（Pa）、流場溫度值（℃）、流場濕度值（%RH）和室內(nèi)大氣壓力值（hPa），再通過數(shù)據(jù)采集器對被檢風(fēng)速傳感器的輸出值進(jìn)行讀取，利用實(shí)測風(fēng)速計(jì)算公式，計(jì)算出各風(fēng)速校準(zhǔn)點(diǎn)上的實(shí)測風(fēng)速值。

2.2 評定模型

測量結(jié)果示值誤差計(jì)算模型：

式中：Δv 為被測風(fēng)速傳感器在某一點(diǎn)的示值誤差值；v′為被測風(fēng)速傳感器在該點(diǎn)的示值。

測量結(jié)果的數(shù)學(xué)模型如式（2）所示：

式中：ΔI1為由流場穩(wěn)定性引入的測量誤差；

ΔI2為由流場均勻性引入的測量誤差。

按相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度進(jìn)行評估，靈敏系數(shù)設(shè)為1，所以各分量的靈敏系數(shù)如下：

2.3 不確定度分量來源

從上述測量依據(jù)、測量方法、測量流程、評定模型等內(nèi)容可以分析出，不確定度分量主要有以下幾個方面組成：風(fēng)速傳感器重復(fù)性引入的不確定度分量，該項(xiàng)分量與風(fēng)洞的流場均勻性和穩(wěn)定性有直接關(guān)系；被校準(zhǔn)傳感器的讀數(shù)分辨力引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字壓力計(jì)引入的不確定度分量，風(fēng)速的測量需要數(shù)字壓力計(jì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)測量的給定值計(jì)算得出；計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)皮托靜壓管引入的不確定度分量，風(fēng)速的測量也需要皮托靜壓管計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的給定值計(jì)算得出；空氣密度變化引起的不確定度分量；風(fēng)洞流場穩(wěn)定性引入的不確定度分量；風(fēng)洞流場均勻性引入的不確定度分量；其他因素的影響暫時忽略。

3 各類輸入量引起的不確定度分量的評定

3.1 風(fēng)速傳感器重復(fù)性引入的不確定度分量

在風(fēng)速傳感器的校準(zhǔn)中，被測風(fēng)速傳感器的重復(fù)性是以被測表示值誤差的重復(fù)性進(jìn)行評定的［18-20］。編號為21080712033 的風(fēng)速傳感器，采用A 類評定方法，根據(jù)被校準(zhǔn)風(fēng)速傳感器在2m·s-1、5m·s-1、10m·s-1、15m·s-1、20m·s-1、25m·s-1、30m·s-1風(fēng)速校準(zhǔn)點(diǎn)下進(jìn)行4 次重復(fù)測量數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出各點(diǎn)不確定度分量如表1：

表1 重復(fù)性不確定度分量

3.2 被檢傳感器的讀數(shù)分辨力引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

用B 類方法評定，被校準(zhǔn)風(fēng)速傳感器在0～30m·s-1范圍內(nèi)，分辨力為0.1m·s-1，則不確定度區(qū)間半寬應(yīng)為0.05m·s-1，按均勻分布處理，故讀數(shù)分辨力引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

由于被校準(zhǔn)風(fēng)速傳感器讀數(shù)分辨力引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量要比重復(fù)性引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量大，因此選用讀數(shù)分辨力引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量來進(jìn)行計(jì)算合成不確定度。

3.3 數(shù)字壓力計(jì)相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur（Pv）

由于計(jì)量校準(zhǔn)數(shù)字壓力計(jì)的準(zhǔn)確度為0.01 級且量程為2500Pa，因此數(shù)字壓力計(jì)的最大允許誤差為0.5Pa，按均勻分布，故由數(shù)字壓力計(jì)引入的相對不確定度分量為：

依據(jù)上述方法可算出不同校準(zhǔn)點(diǎn)由數(shù)字壓力計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量如表2 所示。

表2 數(shù)字壓力計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

3.4 標(biāo)準(zhǔn)皮托靜壓管相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur（ξ）

因?yàn)槎葮?biāo)準(zhǔn)皮托靜壓管校準(zhǔn)系數(shù)的校準(zhǔn)結(jié)果擴(kuò)展不確定度為0.5%，包含因子＝2，置信概率取95%，則其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.5 空氣密度變化引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur（ρ）

空氣密度ρ 測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，ρ 測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度可按下式計(jì)算：

計(jì)算結(jié)果為0.0017kg·m-3，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，空氣密度為1.2kg·m-3，故由ρ 引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

3.6 風(fēng)洞試驗(yàn)段流場穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)確定度ur（ΔI1）

所采用的風(fēng)洞的流場穩(wěn)定性為1%，由于均勻分布，則風(fēng)洞流場穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度估算為：

依據(jù)上式可算出不同校準(zhǔn)點(diǎn)由流場穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量如表3 所示。

表3 流場穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

3.7 風(fēng)洞試驗(yàn)段流場均勻性的標(biāo)準(zhǔn)確定度ur（ΔI2）

所采用的風(fēng)洞流場均勻性為1%，但本次校準(zhǔn)要求將標(biāo)準(zhǔn)皮托靜壓管及被測表安裝在中心區(qū)域固定位置，取該區(qū)域均勻性指標(biāo)為整個試驗(yàn)均勻區(qū)均勻性的，k＝2，則流場均勻性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量估算為：

依據(jù)上式可算出不同校準(zhǔn)點(diǎn)由流場均勻性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量如表4 所示。

表4 流場均勻性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

3.8 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算，將3 個相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度值ur（Pv）、ur（ξ）、ur（ρ）代入下式，可以求出不確定度ur（v），即可進(jìn)一步求得u（v）

依據(jù)上式可算出不同校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（v）如表5 所示。

表5 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（v）

將各標(biāo)準(zhǔn)不確定度值代入下式，得出合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

通過代入計(jì)算，可得出各個校準(zhǔn)點(diǎn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度如表6 所示。

表6 各個校準(zhǔn)點(diǎn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

3.9 擴(kuò)展不確定度的評定

在置信概率為P95下，包含因子k＝2，根據(jù)下式計(jì)算擴(kuò)展不確定度。

通過代入計(jì)算，可得出各個校準(zhǔn)點(diǎn)的測量結(jié)果擴(kuò)展不確定度如表7 所示。

表7 測量結(jié)果擴(kuò)展不確定度

3.10 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

測量不確定度的驗(yàn)證采用傳遞比較法，將該臺風(fēng)速傳感器，分別送上一級計(jì)量部門的一級風(fēng)洞中和本級風(fēng)洞進(jìn)行同風(fēng)速點(diǎn)測試，用兩個風(fēng)速測試裝置測試的結(jié)果如表8。

表8 同一臺風(fēng)速儀（傳感器）在不同風(fēng)洞中的測試結(jié)果（單位：m·s-1）

通過測試數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為以上對測量不確定度的分析評定是可信的。

4 結(jié)論

通過運(yùn)用GUM 法，建立合理的數(shù)學(xué)模型，找出了影響EL15－1CH 型加熱風(fēng)速傳感器測量結(jié)果的不確定分量為重復(fù)性、被檢傳感器的讀數(shù)分辨力、數(shù)字壓力計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)皮托靜壓管、空氣密度變化、流場穩(wěn)定性、流場均勻性等因素，在此基礎(chǔ)上，對校準(zhǔn)結(jié)果不確定度進(jìn)行分析評定，并通過傳遞比較法對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證，認(rèn)為EL15－1CH 型加熱風(fēng)速傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果是可信的。EL15－1CH 型加熱風(fēng)速傳感器作為特殊環(huán)境使用的測風(fēng)儀器，所測的風(fēng)速資料能夠?yàn)榭茖W(xué)理論研究與業(yè)務(wù)開展提供數(shù)據(jù)支撐。