現場起動風速標準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：通過對比實驗和統計2010～2015年期間現場起動風速標準裝置的現場測試數據，分析和驗證該標準裝置復現起動風速量值的漂移特性。為確?，F場起動風速校準結果的可靠性，提出采用傳遞比較法對該標準裝置進行年度核查的方法以保證其性能處于受控狀態。對比試驗結果表明：通過該方法可使現場起動風速標準裝置的量值具有溯源性，實際運用中大大降低風速測量儀器起動風速的現場誤判率，與實驗室起動風速檢定結果的判定基本一致。

關鍵詞：起動風速；量值溯源；現場校準；質量控制

文獻標志碼：A 文章編號：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，氣象計量業務量增長迅猛，數據是否可靠，關系到氣象預報、探測等諸多領域。量值準確的前提是計量結果必須具有溯源性[1]。近年來，關于風速儀器計量方面的研究，如標準風速測量值的影響量分析[2]、風速傳感器檢定結果的不確定度分析[3]等，主要是對風速檢定中實驗室溫度、空氣密度修正系數對風速檢定的影響進行分析，目的在于找出風速檢定中的主要影響量，并加以消除，使檢定結果更加真實、可靠。對風速傳感器檢定結果不確定度分析，也是基于此目的。但目前對于起動風速的研究較少，所謂起動風速是指回轉型風速表開始并能維持轉動，風向標在某一偏角釋放返回到與規定氣流方向的角度相同，能輸出信號并指明風的速度與方向變化的最低風速[4]。現階段起動風速的實驗室計量已有完整的計量體系[5-7]，而現場計量標準器未實現溯源到上一級，這將直接影響被檢儀表的準確性[8]。為了保證量值傳遞準確可靠，減小不確定性對校準結果造成的誤判，必須對其進行量值溯源。

本文根據實驗室起動風速標準器溯源的方式與經驗，運用相關的背景資料和統計檢驗相結合的技術[9-10]，研討出一種對現場起動風速標準器溯源的方法，保證我國各省現場起動風速標準器的長期準確性、穩定性和可控性。

1 起動風速校準裝置簡介及數據來源

1.1 起動風速校準裝置簡介

現場起動風速校準裝置由起動風速發生器、數字葉輪風速表和風速校驗儀組成，用于校準杯式風速傳感器的起動風速特性。數字葉輪風速表為標準器，起動風速發生器和風速校驗儀為配套設備。我國氣象用的杯式風速傳感器類型主要是WAA151型、EZC-1型、EL15-1A型、EL15-1C型、ZQZ-TF型，數字葉輪風速判定起動風速合格與否的要求[10]，如表1所示。

1.2 數據資料來源

研究使用數據資料來自四川省2010年9月～2015年9月部分國家站的起動風速現場校準記錄，四川省氣象局風洞實驗室風速傳感器檢定記錄，起動風速校驗儀出廠說明初始數據，以及2010年9月～2015年9月每半年一個周期的現場和實驗室測試數據。

特此說明：因傳感器類型不同，其技術指標和判定要求不同，但校準所使用的標準裝置以及校準方法都相同，因此研究中所用到的實驗、測試、記錄等數據均以天津廠的EL15-1C型風速傳感器為代表，后不贅述。

2 起動風速測量標準器在時間與地點上的類比差異分析

2.1 起動風速測量標準器在時間上的類比差異分析

對起動風速標準器在使用時間上進行追蹤實驗記錄。在2010年9月至2015年9月，每隔半年對起動風速測量標準器進行一組試驗測試，觀察其年際變化[11]結果。

圖1為起動風速現場校準原型。標準器的數值由起動風速校驗儀內的氣流強度決定。氣流由可調電壓源供電于起動風速校驗儀里的風機產生，起動風速校驗儀內放置的風速傳感器其風杯與殼體對氣流有一定的阻塞作用。由于風速傳感器隨著使用時間的增長，性能會下降，所需的起動風速就會增大，因此起動風速校驗儀內放置傳感器對氣流有一定的影響，為了更好地檢測標準器的準確性和可靠性，采用不在起動風速校驗儀內放置傳感器空吹的方式追蹤測試標準器，模型如圖2所示。

測試實驗首先確定恒壓源的電壓值。EL15-1C型風速傳感器起動風速判定合格與否的要求是標準器表示值≤30，標準器數值為30時等同于0.5 m/s風速產生。標準器表示值穩定持續的顯示為30時，確定恒壓源電壓值，此后，從2010年9月～2015年9月的測試實驗皆用此電壓值。表2為3個起動風速標準器追蹤測試實驗的結果。從表中的實驗結果得出，在恒定的0.5 m/s風速中連續5年且每隔半年做一組測試，標準器的數值表示均是逐年減小的，即正常損耗，性能下降。若一直延用出廠時給定的判定要求≤30，顯然是不可靠的，必須對起動風速標準器進行溯源性研究，保證其準確性和可靠性。

2.2 起動風速測量標準器在地點上的類比差異分析

起動風速的測量有現場校準和實驗室風洞檢定兩種方式。每年選定一定數量的兩種方式樣本類比的判定結果一致率。判定結果一致率體現兩種方式判定結果的一致性程度[12]，即判定合格與否的一致性程度，公式如下：

C=■×100%

式中：n——樣本數量；

m——兩種方式判定結果相同時的個體數量。

表3統計了2010～2015年四川省部分國家站起動風速現場校準與實驗室檢定結果的對比情況?，F場校準標準器是編號為1122的數字葉輪風速表，對比結果表明：現場校準的合格率逐年略顯上升，實驗室檢定的合格率逐年下降，且幅度較大。現場校準與實驗室檢定的判定結果一致率逐年下降。

起動風速的實驗室檢定有完整的計量體系，符合計量的統一性、準確性、科學性、法制性。起動風速現場校準標準器自出廠后一直延用，未對其進行溯源。

結合表2、表3可以看出，起動風速現場校準標準器隨使用時間增長，其準確性下降。在2015年，編號為1122的起動風速標準器表示值為25時，對應0.5 m/s的風速。而起動風速判定要求是≤30即為合格，所以，當25<現場標準器表示值≤30時，現場判定結果為合格。但實驗室檢定該范圍內的起動風速值都超過最大允許誤差，即風速>0.5 m/s。實驗室判定結果為不合格。實際上，在25<現場標準器表示值≤30范圍內的起動風速現場判定為誤判。誤判率是隨著時間逐年提高，如圖3所示。

如果不對現場起動風速器進行溯源，現場校準的起動風速誤判率會逐年增大，從而影響傳感器的準確性，所以必須制定出有效的方法對其進行溯源。

3 現場起動風速標準器的溯源及驗證結果

3.1 現場起動風速標準器的溯源方法

《自動氣象站現場校準方法》[13]和JJG（氣象）004——2011《自動氣象站風向風速傳感器》[6]檢定規程中對于起動風速的校準和檢定都做出了類似的規定，即風杯由靜止變為均勻轉動時，讀取一定次數的標準值，標準值的平均值為風速傳感器的起動風速。起動風速的計量性能要求是：起動風速≤0.5 m/s。因此，對現場起動風速標準器（數字葉輪風速表）的溯源，就是對其進行0.5 m/s的風速校驗，將其最終溯源到實驗室的風洞上。為了準確溯源現場起動風速標準器，在不改變起動風速現場校準原型的前提下采用間接溯源的方法，具體步驟是：首先，選擇起動風速合格（≤0.5 m/s）且起動風速小的風速傳感器作為量傳風頭。量傳風頭作為風洞與現場校準起動風速標準器裝置量值傳遞的中間介質。其次，通過風洞給出V=0.5 m/s的標準風速，穩定后記錄此時量傳風頭的顯示值（V′）。最后，將量傳風頭作為中間傳遞，校驗起動風速標準器（數字葉輪風速表），中間傳遞量值為V′。圖4詳細說明了現場起動風速的溯源過程。

通過上述溯源步驟，對3臺現場起動風速標準器進行溯源，溯源數據見表4。

3.2 現場起動風速標準器溯源后的驗證

對溯源完成后的標準器進行驗證，隨機選取EL15-1C和ZQZ-TF型風速傳感器各20個作為測試樣本。3臺標準器按照現場校準步驟分別對測試樣本的起動風速進行校準，分別記錄下測試樣本對應于該標準器的起動風速表示值。然后，將測試樣本逐一在實驗室風洞進行起動風速檢定，記錄下檢定結果。對現場校準的起動風速表示值和實驗室檢定的起動風速結果繪制成圖（如圖5、圖6）進行比較分析。注意：每個風速傳感器的起動風速是獨立、離散的值，與其他傳感器無任何聯系，這里用線進行連接是為了更好地比較現場校準和實驗室檢定起動風速的趨勢區別。

圖5、圖6中可以明顯看出同一測試樣本分別用3臺標準器進行現場起動風速校準，其起動風速表示值略微有差異，這跟溯源標準器時確定的0.5 m/s的表示值有關系，但是，趨勢很一致。簡而言之，不同標準器對應于0.5 m/s時的表示值不同，但通過其判別風速傳感器起動風速是否超差，判定結果一致。

對比現場校準與實驗室檢定測試樣本起動風速的判定結果，可以看出，同一測試樣本的現場校準和實驗室檢定起動風速的判定結果完全一致。

所以，溯源后的現場起動風速校準結果的準確性和可靠性都大大提升，很大程度上減少了誤判。

4 結束語

本文針對全國氣象部門自動氣象站現場起動風速校準標準器（數字葉輪風速表）一直以來沒有溯源的問題進行了探討分析。根據儀器本身的原理特性、現場校準模式和有關風項的溯源經驗制定出現場起動風速標準器的溯源方法?，F場起動風速標準器通過該溯源方法檢測后，用于現場起動風速校準的判定與實驗室起動風速檢定后的判定結果一致，很好地解決了誤判的問題，很大程度上提高了判定的準確性和可靠性，保證了數據的可信度。

參考文獻

[1] 張建敏，羅昶，呂文華. 氣象計量測試指南[M]. 北京：中國質檢出版社，2011：48-51.

[2] 黨選發，劉永強，張紅英，等. 風速檢定中對標準風速測量值的影響分析[J]. 氣象，2013，39（2）：249-252.

[3] 朱樂坤，鄭麗春. 自動氣象站各要素傳感器檢定結果的不確定度分析[J]. 應用氣象學報，2006，17（5）：635-642.

[4] 中國氣象局. 氣象儀器術語：QX/T 8-2002[S]. 北京：中國標準出版社，2002.

[5] 測量誤差及數據處理：JJG 1027-1991[S]. 北京：中國計量出版社，1991.

[6] 國家氣象計量站. 自動氣象站風向風速傳感器：JJG（氣象）004-2011[S]. 北京：國家氣象計量站，2011.

[7] 謝君，葉平. 自動氣象站設備的標定[J]. 氣象與環境科學，2006（2）：88-89.

[8] 羅淇，任芝花，鄒樹峰，等. 自動氣象站現場校準方法探討[J]. 氣象，2007，33（12）：93-97.

[9] 劉小寧，任芝花. 地面氣象資料質量控制方法研究概述[J].氣象科技，2005，33（3）：199-203.

[10] 中環天儀股份有限公司.省級移動氣象計量檢定系統使用說明書[Z]. 天津：中環天儀股份有限公司，2012.

[11] 張智，林莉，周紅. 寧夏地面氣象臺站元數據變化特點及質量評估[J]. 氣象科技，2014，42（2）：219-224.

[12] 溫華洋，徐光清，張虎，等. 雙套自動氣象站數據評估及其優勢探討[J]. 應用氣象學報，2012，23（6）：748-754.

[13] 中國氣象局監測網絡司.自動氣象站現場校準方法[S]. 北京：中國氣象局監測網絡司，2011.

（編輯：李妮）