葉輪風(fēng)速表示值誤差測試方法研究

牛永紅，馬修才，鄭樹芳，關(guān) 虹

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象數(shù)據(jù)中心，呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司信息通信分公司，呼和浩特 010051)

0 引言

目前市面上常見的便攜式風(fēng)速測量儀器大體分為三類：輕便三杯風(fēng)向風(fēng)速表、熱球式風(fēng)速儀和葉輪式風(fēng)速表。葉輪式風(fēng)速表輕便易用，通常與溫度、濕度、氣壓等多種要素觀測集合成一體，被越來越多的企事業(yè)單位采用，使用葉輪式風(fēng)速表作為測風(fēng)儀器的單位涉及到各行各業(yè)，包括制造業(yè)、服務(wù)業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究等。輕便三杯風(fēng)向風(fēng)速表和熱球式風(fēng)速儀的檢定，有相應(yīng)的國家檢定規(guī)程可以依據(jù)，葉輪式風(fēng)速表的校準(zhǔn)/測試目前尚無相應(yīng)規(guī)程、規(guī)范，當(dāng)前國內(nèi)與葉輪式風(fēng)速表相關(guān)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)僅有《QX/T 23-2004 旋轉(zhuǎn)式測風(fēng)傳感器》[1]和《JB/T 11258—2011 數(shù)字風(fēng)向風(fēng)速測量儀》[2]。上述兩個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要涉及旋轉(zhuǎn)式測風(fēng)傳感器和數(shù)字顯示的風(fēng)速測量儀器的技術(shù)要求、出廠試驗(yàn)、檢驗(yàn)規(guī)則及包裝、標(biāo)志，屬于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)測試環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備要求沒有明確說明。因此，葉輪式風(fēng)速表測試方法的研究，對(duì)規(guī)范該類風(fēng)速表的校準(zhǔn)/測試有著重要的意義。

國內(nèi)較多學(xué)者對(duì)輕便三杯風(fēng)向風(fēng)速表、風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器、超聲波風(fēng)速測量儀器的校準(zhǔn)方法[3-6]及測量不確定度評(píng)定[7-10]等進(jìn)行了大量的研究，已形成了相對(duì)成熟的校準(zhǔn)、測試方法。國內(nèi)目前對(duì)葉輪式風(fēng)速表校準(zhǔn)、測試方法的研究相對(duì)較少，李文博等參照風(fēng)杯式風(fēng)速儀相關(guān)規(guī)程針對(duì)葉輪式風(fēng)速儀提出了一種校準(zhǔn)方法并進(jìn)行了驗(yàn)證[11]，本文提出的葉輪式風(fēng)速表在低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的示值誤差測試方法，從測試所用儀器設(shè)備技術(shù)指標(biāo)的確定、測量結(jié)果不確定度評(píng)定等方面詳細(xì)闡述了該方法，方法更為具體，依據(jù)測量模型進(jìn)行了測試實(shí)例的不確定度分析，并根據(jù)測試結(jié)果和不確定度評(píng)定結(jié)果進(jìn)行了示值誤差的符合性評(píng)定分析。

1 葉輪式風(fēng)速表簡介

1.1 葉輪式風(fēng)速表外觀與結(jié)構(gòu)

葉輪式風(fēng)速表主要由旋轉(zhuǎn)器、轉(zhuǎn)換器和顯示器構(gòu)成[12]，典型葉輪式風(fēng)速表的外觀和結(jié)構(gòu)如圖1所示。旋轉(zhuǎn)器包括用于感應(yīng)風(fēng)的葉輪和用于機(jī)械傳動(dòng)的水平轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)換器主要包括電磁組件(將葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電脈沖)和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路(將電脈沖變換和計(jì)算后得到風(fēng)速值)，顯示器用于顯示測量的風(fēng)速。

圖1 典型葉輪式風(fēng)速表外觀與結(jié)構(gòu)

1.2 葉輪式風(fēng)速表工作原理

葉輪式風(fēng)速表常用于定向風(fēng)速的測量，其工作原理是將葉輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成電脈沖信號(hào)，通過測量脈沖頻率達(dá)到測量風(fēng)速的目的，圖2為葉輪式風(fēng)速表工作原理示意圖。葉輪感應(yīng)到來風(fēng)，帶動(dòng)水平轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；水平轉(zhuǎn)軸周圍均勻分布著磁鐵，置于磁鐵旁的霍爾元件感應(yīng)到磁場的變化，將產(chǎn)生與葉輪轉(zhuǎn)速成正比的電脈沖信號(hào)；轉(zhuǎn)換電路采集到電脈沖信號(hào)并經(jīng)過處理后，按照一定的換算關(guān)系得到測量風(fēng)速值，并在顯示器上直觀顯示出測量到的風(fēng)速。

圖2 葉輪式風(fēng)速表工作原理示意圖

2 測量原理與儀器設(shè)備

2.1 基本測量模型

用葉輪式風(fēng)速表示值與參考風(fēng)速的差值作為風(fēng)速表示值誤差的測量結(jié)果，如式(1)所示：

Δv=v′-v

(1)

式中，Δv為被測試風(fēng)速表示值誤差，v′為被測試風(fēng)速表測得風(fēng)速值，v為風(fēng)速參考值(m/s)。

2.2 參考風(fēng)速測量原理

壓力管原理測量風(fēng)速是目前國內(nèi)風(fēng)洞參考風(fēng)速測量的最常用方式，通過測量風(fēng)洞氣流總壓和靜壓差(后續(xù)簡稱差壓)即空氣的動(dòng)壓，根據(jù)空氣動(dòng)壓與空氣密度、流速之間的關(guān)系[13-14]，按照式(2)、(3)計(jì)算得到風(fēng)洞參考風(fēng)速：

(2)

(3)

式中，v為參考風(fēng)速(m/s)，K為皮托管系數(shù)，ΔP為風(fēng)洞流場測量點(diǎn)的差壓(Pa)，ρ為風(fēng)洞流場空氣密度(kg/m3)，T為風(fēng)洞流場溫度(K)，P為風(fēng)洞流場氣壓(Pa)，H為風(fēng)洞流場濕度(%RH)，ew為風(fēng)洞流場在T溫度下的飽和水汽壓(Pa)，pw固定為1 Pa，A、B、C、D為常量。

將式(3)的減號(hào)前后拆分成兩項(xiàng)，設(shè)前項(xiàng)等于ρd，后項(xiàng)等于ρw，分別代表干空氣密度及水汽修正，實(shí)際應(yīng)用中ρw對(duì)參考風(fēng)速的影響很小，基本不超過風(fēng)速值的1%，因此實(shí)際應(yīng)用中常常忽略水汽修項(xiàng)的影響[15]，用式(4)作為風(fēng)洞流場空氣密度的計(jì)算公式：

(4)

2.3 校準(zhǔn)用儀器設(shè)備

利用數(shù)字微壓計(jì)、皮托靜壓管、低速風(fēng)洞及風(fēng)洞流場溫度、濕度、氣壓測量儀器組成葉輪式風(fēng)速表的示值誤差測試系統(tǒng)，圖3為系統(tǒng)示意圖，其中風(fēng)洞為橫截面示意。

圖3 葉輪式風(fēng)速表示值誤差測試示意圖

葉輪式風(fēng)速表示值誤差測試所涉及的儀器設(shè)備分為標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備，其主要技術(shù)指標(biāo)和用途見表1，其中皮托靜壓管和數(shù)字微壓計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)器，用于測量氣流總壓和靜壓之差以確定氣流速度，風(fēng)洞、溫度計(jì)、濕度計(jì)、氣壓計(jì)為配套設(shè)備，風(fēng)洞用于產(chǎn)生并控制氣流，模擬風(fēng)速表周圍氣體流動(dòng)情況，溫度計(jì)、濕度計(jì)、氣壓計(jì)用于測量風(fēng)洞流場溫、濕、壓參數(shù)進(jìn)而得到空氣密度。

表1 測試用儀器設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)

2.3.1 皮托靜壓管技術(shù)指標(biāo)

現(xiàn)行皮托管檢定規(guī)程和相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)L型皮托管校準(zhǔn)系數(shù)的要求為(0.99～1.01)，但當(dāng)皮托管作為標(biāo)準(zhǔn)器使用時(shí)，這樣的范圍不能滿足精度要求。因此本方法將皮托管的校準(zhǔn)系數(shù)范圍按照新修訂的皮托管檢定規(guī)程關(guān)于L型標(biāo)準(zhǔn)皮托管校準(zhǔn)系數(shù)的要求，規(guī)定為0.997～1.003。

2.3.2 數(shù)字微壓計(jì)技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)參考風(fēng)速的計(jì)算公式，按環(huán)境條件20 ℃、40% RH、1013.1 hPa(海平面氣壓)，設(shè)定風(fēng)速60 m/s，推算得到差壓為2 160.36 Pa，設(shè)定風(fēng)速45 m/s反推得到差壓為1 215.20 Pa(通常海拔越高氣壓越低，推算得到的差壓數(shù)值更低)。因此測量范圍(0～2 500)Pa的數(shù)字微壓計(jì)，完全滿足葉輪式風(fēng)速表的量程要求。

按《JJG 875-2019 數(shù)字壓力計(jì)檢定規(guī)程》[16]要求，本方法將數(shù)字微壓計(jì)最大允許誤差定為±0.5 Pa，根據(jù)規(guī)程對(duì)數(shù)字壓力計(jì)的示值誤差要求，其準(zhǔn)確度等級(jí)對(duì)應(yīng)為0.02級(jí)。與其相鄰的兩個(gè)等級(jí)0.01級(jí)和0.05級(jí)的測量范圍為(0～2 500)Pa數(shù)字壓力計(jì)對(duì)應(yīng)的最大允許誤差分別為±0.25 Pa和±1.25 Pa。

本文通過實(shí)際試驗(yàn)結(jié)合理論推算的方式驗(yàn)證了數(shù)字微壓計(jì)最大允許誤差的合理性。實(shí)驗(yàn)主要為觀察參考風(fēng)速的影響因素，因此風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)只放置皮托靜壓管，不放置被測試風(fēng)速表，調(diào)節(jié)風(fēng)洞依次達(dá)到設(shè)定測試點(diǎn)風(fēng)速，共計(jì)11個(gè)常用風(fēng)速點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 風(fēng)洞不放置被測試風(fēng)速表情況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)例

圖4 數(shù)字微壓計(jì)測量誤差引起的參考風(fēng)速不確定度

一般葉輪式風(fēng)速表的分辨力為0.1 m/s，5 m/s以下的風(fēng)速點(diǎn)對(duì)大允許誤差為±0.5 m/s。由圖4可以看出，0.05級(jí)的數(shù)字微壓計(jì)在8 m/s以下的風(fēng)速點(diǎn)引起的風(fēng)速不確定度均超過了風(fēng)速表分辨力，1 m/s風(fēng)速點(diǎn)引起的參考風(fēng)速不確定度已超過了風(fēng)速表的最大允許誤差，而0.02級(jí)和0.01級(jí)的數(shù)字微壓計(jì)除了1 m/s風(fēng)速點(diǎn)引起的參考風(fēng)速不確定度超過了風(fēng)速表的分辨力外，其他測試點(diǎn)均遠(yuǎn)小于或接近風(fēng)速表分辨力。因此，0.05級(jí)的數(shù)字微壓計(jì)無法滿足葉輪式風(fēng)速表測試需求，尤其是在低風(fēng)速情況，0.01級(jí)數(shù)字微壓計(jì)除在1 m/s風(fēng)速點(diǎn)相較于0.02級(jí)數(shù)字微壓計(jì)存在較明顯的精度優(yōu)勢外，其余測試點(diǎn)兩者差距不大。本著科學(xué)合理與經(jīng)濟(jì)適用的原則，本方法將數(shù)字微壓計(jì)的最大允許誤差定為±0.5 Pa，即0.02級(jí)(針對(duì)2 500 Pa的測量范圍上限)。

2.3.3 低速風(fēng)洞技術(shù)指標(biāo)

本方法將風(fēng)洞風(fēng)速控制在0.2～30 m/s，滿足葉輪式風(fēng)速表30 m/s測量范圍上限的需要。均勻性與穩(wěn)定性按照《QX/T 84-2007 氣象低速風(fēng)洞性能測試規(guī)范》[17]相關(guān)規(guī)定。阻塞比是表征被測風(fēng)速表迎風(fēng)面積對(duì)測量結(jié)果影響大小的參數(shù)，主要參照《JJG 431-2014輕便三杯風(fēng)向風(fēng)速表檢定規(guī)程》[18]、《GB/T 33691-2017 杯式測風(fēng)儀測試方法》[19]中對(duì)阻塞比的要求，將阻塞比規(guī)定為不大于0.05。當(dāng)阻塞比大于0.05時(shí)，需要考慮被測試風(fēng)速表對(duì)參考風(fēng)速的影響，需要對(duì)參考風(fēng)速進(jìn)行修正[20]，而目前對(duì)修正方法沒有較為權(quán)威的參考。

2.3.4 風(fēng)洞流場溫、濕、壓測量儀器技術(shù)指標(biāo)

風(fēng)洞流場溫度、濕度、氣壓測量儀器測量誤差引起的不確定度，造成空氣密度測量的不確定度，最終引起參考風(fēng)速測量的不確定度。根據(jù)表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合參考風(fēng)速計(jì)算公式，推算 溫度、濕度、氣壓測量儀器各自的測量誤差引起的參考風(fēng)速不確定度以及三者綜合考慮引起的參考風(fēng)速不確定度，結(jié)果如圖5所示。可以看出，綜合考慮溫、濕、壓測量儀器測量誤差帶來的參考風(fēng)速不確定度時(shí)，20 m/s以下點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速偏差均不超過0.03 m/s，30 m/s點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速偏差不超過0.05 m/s，相對(duì)于各風(fēng)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速表最大允許誤差可以忽略不計(jì)，因此本方法中所定用于測量風(fēng)洞流場溫度、濕度、氣壓儀器的指標(biāo)合理。

圖5 空氣密度測量引起的參考風(fēng)速測量不確定度

3 測試過程

3.1 測試前的準(zhǔn)備

測試前需要對(duì)被測試風(fēng)速表進(jìn)行相應(yīng)的檢查，對(duì)于不能通過檢查的風(fēng)速表，即難以保證后續(xù)測試結(jié)果可靠性的，基本沒有進(jìn)行后續(xù)測試的必要。通過檢查的，需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備的安裝和被測試風(fēng)速表的安裝。

進(jìn)行示值誤差測試前需要先進(jìn)行啟動(dòng)風(fēng)速的測試，葉輪風(fēng)速表的啟動(dòng)風(fēng)速應(yīng)當(dāng)為當(dāng)風(fēng)速表葉輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)，并能顯示不為零的風(fēng)速值時(shí)的風(fēng)洞試驗(yàn)段的參考風(fēng)速，具體測試方法在本文中不詳細(xì)展開。

3.2 風(fēng)速示值誤差測試

為了保證風(fēng)速表在整個(gè)測量范圍內(nèi)性能的可靠性，應(yīng)均勻選擇不少于7個(gè)測試點(diǎn)，原則上應(yīng)包含風(fēng)速表測量范圍的上限點(diǎn)?？紤]到多數(shù)葉輪式風(fēng)速表的啟動(dòng)風(fēng)速通常接近1 m/s，此風(fēng)速點(diǎn)不再作為測試點(diǎn)，測量范圍上限為20 m/s的風(fēng)速表測試點(diǎn)選擇成2 m/s、5 m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s、15 m/s、20 m/s的組合，測量范圍上限為30 m/s的風(fēng)速表測試點(diǎn)選擇2 m/s、5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s的組合，也可根據(jù)需求適當(dāng)改變或者增加測試點(diǎn)。

記錄數(shù)字微壓計(jì)的初始示值，按照風(fēng)速從小到大的順序，依次調(diào)節(jié)風(fēng)洞風(fēng)速到各指定測試點(diǎn)，待風(fēng)速穩(wěn)定1 min后，依次記錄數(shù)字微壓計(jì)示值、風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)空氣溫度、濕度及氣壓值和風(fēng)速表示值為一組測試數(shù)據(jù)，每個(gè)測試點(diǎn)記錄6組。根據(jù)參考風(fēng)速計(jì)算公式算出各測試點(diǎn)的參考風(fēng)速值，并與葉輪式風(fēng)速表示值比較得出各測試點(diǎn)的測量誤差，以各測試點(diǎn)6組示值誤差的算術(shù)平均值作為葉輪式風(fēng)速表示值誤差的最終測量結(jié)果。

3.3 示值誤差測試實(shí)例

根據(jù)本文的測試方法，選用一套AVM-01風(fēng)速表作為實(shí)驗(yàn)樣本，在測量范圍內(nèi)選擇9個(gè)風(fēng)速測試點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)速示值誤差的測試，測試結(jié)果表3所示。

4 不確定度評(píng)定及符合性判定

利用GUM法對(duì)3.4節(jié)測試實(shí)例中的風(fēng)速表示值誤差測量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定，并分析各個(gè)不確定度分量對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定的貢獻(xiàn)大小，對(duì)測試方法和測試用儀器設(shè)備指標(biāo)進(jìn)行合理性驗(yàn)證。

表3 測試實(shí)例數(shù)據(jù)

4.1 測量模型及不確定度來源

葉輪式風(fēng)速表示值誤差的測量模型在2.1中已進(jìn)行闡述。由于標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速和被測風(fēng)速為獨(dú)立測量得到，兩者不相關(guān)，即相關(guān)系數(shù)為零，根據(jù)測量模型可知兩者不確定度合成時(shí)的靈敏系數(shù)絕對(duì)值均為1，由不確定度傳播率[21]，得到風(fēng)速表示值誤差測量結(jié)果的不確定度如式(5)所示，由于測量模型中未體現(xiàn)影響量對(duì)測量結(jié)果不確定度的影響，將測量中影響量的不確定度分量設(shè)為u(vo)，在標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成時(shí)需要考慮u(vo)的影響。

(5)

式中，u(Δv)為示風(fēng)速示值誤差測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，u(v′)、u(v)、u(vo)分別為被測風(fēng)速、參考風(fēng)速和影響量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，單位均為m/s。

被測風(fēng)速和參考風(fēng)速引入的不確定度可根據(jù)測量模型確定，影響量中可引起測量結(jié)果不確定度的因素有多種，包括風(fēng)洞流場的不均勻性、不穩(wěn)定性、皮托靜壓管探頭與氣流夾角、阻塞效應(yīng)等，但本著避免“重復(fù)計(jì)算”不確定度的原則[22]，因其他影響因素均在測量模型中得到了體現(xiàn)，所以影響量中僅考慮風(fēng)洞流場不均勻性和皮托靜壓管探頭與氣流夾角對(duì)測量結(jié)果造成的影響。測量不確定度來源分析見表4所示。

表4 不確定度來源匯總

下面以10 m/s測試點(diǎn)為例進(jìn)行不確定度分析，其余測試點(diǎn)的不確定度評(píng)定使用同樣的方法進(jìn)行。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算

4.2.1 被測風(fēng)速表引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(v′)

被測風(fēng)速表引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度應(yīng)綜合考慮示值重復(fù)性和分辨力兩者，并取其中較大者。綜合上述兩種因素，由被測風(fēng)速表引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

u(v′) = 0.03 m/s

4.2.2 參考風(fēng)速測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(v)

(6)

式中，u(K)為由皮托管校準(zhǔn)系數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，u(ΔP)為差壓測量誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，u(ρ)為空氣密度測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

1)由皮托靜壓管校準(zhǔn)系數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(K)

由皮托管檢定規(guī)程，皮托管范圍應(yīng)在0.997～1.003之間，區(qū)間半寬為0.003，按均勻分布，由皮托管校準(zhǔn)系數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量：

本次測試實(shí)例中所使用的皮托管校準(zhǔn)系數(shù)為1.000，因此其相對(duì)不確定度為：

u(K)/K= 0.17%

2)差壓測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(ΔP)

用于測量皮托管差壓的微壓計(jì)最大允許誤差為±0.5 Pa，區(qū)間半寬為0.5 Pa，按均勻分布，則差壓測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

由表3測試實(shí)例數(shù)據(jù)可知，10 m/s 測試點(diǎn)測得的差壓為52.43 Pa，則該風(fēng)速點(diǎn)差壓測量的相對(duì)不確定度為：

u(ΔP)/ΔP= 0.289/52.43 ≈ 0.55%

3)空氣密度測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

(7)

式中，u(T)為風(fēng)洞流場空氣溫度測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，u(P)為風(fēng)洞流場大氣壓力測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

風(fēng)洞流場空氣溫度測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：用于風(fēng)洞流場溫度測量的溫度計(jì)最大允許誤差為±0.5 ℃，即±0.5 K，區(qū)間半寬為0.5 K，按均勻分布，則由空氣溫度測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

由表3測試實(shí)例數(shù)據(jù)可知，10 m/s 測試點(diǎn)測得的空氣溫度為23.6 ℃，即296.75 K，則該點(diǎn)空氣溫度測量的相對(duì)不確定度為：

u(T)/T= 0.289/296.75 ≈ 0.1%

風(fēng)洞流場大氣壓力測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：用于大氣壓測量的氣壓計(jì)最大允許誤差為±2 hPa，區(qū)間半寬為2 hPa，按均勻分布，則由大氣壓測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

由表3測試實(shí)例數(shù)據(jù)可知，10 m/s 測試點(diǎn)測得的大氣壓力為896.1 hPa，則該點(diǎn)大氣壓力測量的相對(duì)不確定度為：

u(P)/P= 116/89610 ≈ 0.13%

根據(jù)式(7)，空氣密度測量引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

根據(jù)式(6)，可得出由參考風(fēng)速測量所引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

10 m/s風(fēng)速點(diǎn)的實(shí)測參考風(fēng)速為10.01 m/s，則該風(fēng)速點(diǎn)由參考風(fēng)速測量所引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

u(v)= 0.34%× 10.01 m/s ≈ 0.03 m/s

4.2.3 影響量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(vo)

1)由皮托靜壓管探頭相對(duì)氣流來向偏斜引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(vo1)：根據(jù)ISO 3966[24]可知，皮托管安裝時(shí)偏角在±3°之內(nèi)，造成的誤差不超過0.5%，對(duì)于10 m/s的風(fēng)速點(diǎn)，誤差在±0.05 m/s之內(nèi)，區(qū)間半寬為0.05 m/s，按均勻分布，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

2)由于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段流場的不均勻而引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(vo2)：風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段氣流流速的不均勻性根據(jù)要求不超過1%，對(duì)于10 m/s的風(fēng)速，引起的誤差在±0.1 m/s范圍內(nèi)，區(qū)間半寬為0.1 m/s，按均勻分布，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

以上兩者不相關(guān)，則由影響量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

4.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成與擴(kuò)展

根據(jù)式(5)，得到10 m/s 測試點(diǎn)風(fēng)速示值誤差的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

取覆蓋因子k= 2，則擴(kuò)展不確定度：U=u(Δv)×2 = 0.08×2 = 0.16 m/s。

其他風(fēng)速測試點(diǎn)參考上述10 m/s風(fēng)速點(diǎn)示例評(píng)估測量結(jié)果的不確定度，結(jié)果如表5所示。

表5 擴(kuò)展不確定度評(píng)定結(jié)果

4.4 各分量對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的貢獻(xiàn)分析

將4.3標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算過程中各分量按其對(duì)最終合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的貢獻(xiàn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到表6。

表6 各分量對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的貢獻(xiàn) m/s

可以看出，低風(fēng)速時(shí)(5 m/s及以下)，風(fēng)洞流場的差壓測量為不確定度的最主要來源，5 m/s以上風(fēng)速點(diǎn)，影響量(流場的不均勻性和皮托管偏角)成為主要的不確定度來源，皮托管本身引入的不確定度和空氣密度測量引入的不確定度均隨風(fēng)速升高而變大，但占合成比例較低。

4.5 示值誤差符合性判定

根據(jù)《QX/T 23-2004 旋轉(zhuǎn)式測風(fēng)傳感器》對(duì)葉輪式風(fēng)速表最大允許誤差的要求，本測試實(shí)例各測試點(diǎn)的示值誤差均在最大允許誤差范圍內(nèi)，除了2 m/s測試點(diǎn)外，其他各個(gè)測試點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度U均不超過最大允許誤差絕對(duì)值MPEV的1/3，在2 m/s風(fēng)速點(diǎn)，風(fēng)速表的示值誤差小于MPEV-U，根據(jù)示值誤差符合性判定的原則[25]，本次測試實(shí)例的風(fēng)速表在各測試點(diǎn)示值誤差均滿足要求。

5 結(jié)束語

根據(jù)不確定度評(píng)定及示值誤差的符合性判定結(jié)果，驗(yàn)證了本方法所規(guī)定的各儀器設(shè)備指標(biāo)的合理性，通過對(duì)不確定度評(píng)定過程中各分量的統(tǒng)計(jì)分析，得出如下結(jié)論：5 m/s及以下風(fēng)速點(diǎn)，若要進(jìn)一步減小測量不確定度，提高微壓計(jì)的精度是最有效的辦法；5 m/s以上風(fēng)速點(diǎn)，若要進(jìn)一步減小測量不確定度，需要減小影響量對(duì)測量結(jié)果的影響，包括減小風(fēng)洞流場的不均勻性，減小皮托管與氣流夾角。