超聲波風速儀測量結果不確定度評定

張政 焦洪濤 齊照健

山東鼎安檢測技術有限公司 山東濟南 250032

風速測量在工業生產和科學實驗中都有廣泛應用，尤其在氣象領域，風速測量有著重要的價值。與常規機械式風速儀相比，超聲風速儀可同時完成風速和方向的測量[1]。由于沒有機械轉動部件，不存在機械磨損、阻塞、冰凍等問題，也沒有“機械慣性”，超聲風速儀可應用于惡劣環境下的風速測量。同時，超聲風速儀可捕捉瞬時風速變化，不僅可測出常規風速（平均風速），也可測得任意方向上的風速分量，尤其可測出風速中的高頻脈動成分。

1 工作原理

1.1 風速計算

取同一平面上兩個風傳感器探頭，其中一個探頭發射超聲波到另一個探頭上所需的時間會受到風速（WS）和風向（WD）的影響。對于零風速，正向傳送時間和反向傳送時間是相同的。如果風沿聲音路徑傳送，則上風向的傳送時間會增加，下風向的傳送時間會減少。通過在兩個探頭之間進行正反兩側超聲波的收發，可有效消除溫度、濕度等環境因素對聲波速度的影響，測量聲波到達時間。

1.2 向量與極坐標計算

傳感器的三角幾何形狀需轉換為正交坐標以獲得x和y分量。然后，處理器會將風向量轉換為極坐標。將WS（x，y）作為兩個標量速度報告，一個標量速度（x）與N-S向平行，另一個標量速度（y）與W-E向平行。計算方法如下：

將極坐標風速作為標量速度以選定單位（m/s、kt、mph、km/h）進行報告。極坐標風向以度（°）表示，北向表示為0°，東向表示為90°，南向表示為180°，西向表示為270°。

2 軟硬件設計與實現

超聲波風速計基于FPGASOC設計，使用單片FPGA結合外部電路完成信號發送、接收、實時處理與上報。軟件部分有FPGA的邏輯單元與內部ARM處理器系統完成，處理后的結果通過串行接口發送給外部設備[2]。

2.1 硬件設計

3個收發合置超聲傳感器均為水平全向的傳感器件，采用時分復用協議，同一時刻啟動一個傳感器作為發射傳感器，另外兩個作為接收傳感器，分別測得兩個傳感器之間的傳播時延進而解算風速與風向。

2.2 軟件設計

軟件設計包括FPGA中的邏輯設計與ARM端的數據處理程序組成。

（1）FPGA邏輯設計。FPGA邏輯完成傳感器數據的采集、聲波發射控制、發射與接收同步以及與ARM的處理器接口。FPGA采用被動工作方式，上電后等待ARM端發送啟動命令，按照啟動命令中的參數啟動三個探頭中的一個作為發射探頭，另外兩個作為接收探頭。接收和發送同時啟動，將接收到的數據保存到ARM端的緩沖區中并將通知ARM端程序，此時FPGA程序重新進入空閑狀態，等待ARM端的命令輸入。

（2）數據處理程序設計。ARM端的數據處理程序實現對傳感器數據的實時解算與上傳。通過向FPGA發送控制命令，逐個啟動三個傳感器探頭，通過對獲取到的數據進行結算，得到超聲脈沖的到達時間。在數據處理程序設計中，處理使用1.1節中的聲速計算公式外，還需考慮強風所產生的噪聲對測量的影響，假設這種偏差是圍著真實的風速上下波動的，則可在每一次的風速測量后使用卡爾曼濾波器對輸出結果進行估計。

3 測量方法

3.1 測量依據

參照中國氣象局頒發的JJG（氣象）004-2011《自動氣象站風向風速傳感器檢定規程》。

3.2 測量環境

溫度：15-25℃、相對濕度30%RH-40%RH、氣壓1000.0-1004.0hPa。

3.3 測量標準

皮托靜壓管：二等；數字壓力計：0.01級；風洞：均勻性1.0%、穩定性0.5%。

3.4 測試對象

芬蘭VAISALA公司生產型號為WXT536、編號為J1420008的超聲波風速傳感器。

4 標準不確定分量

輸入量V的標準不確定度u（V）主要來源于被檢儀器的測量重復性。對于被檢儀器測量的重復性，可以通過連續多次測量得到測量數列，采用A類評定方法評定。

低速風表：在4.48m/s處重復測量得到數據單位為m/s，具體數據為4.47，4.45，4.46，4.46，4.46，4.46，4.46，4.46，4.46，4.47，4.46。

中速風表：在8.31m/s處重復測量得到數據單位為m/s，具體數據為8.32，8.31，8.31，8.31，8.33，8.31，8.31，8.31，8.32，8.31，8.31。

高速風表：在18.71m/s處重復測量得到數據單位為m/s，具體數據為18.73，18.69，18.73，18.71，18.69，18.73，18.74，18.73，18.70，18.71，18.72。

5 擴展不確定度

取包含因子k=2，則擴展不確定度為：

V=4.46m/s，U=k×uc1=2×0.017=0.034m/s。

V=8.31m/s，U=k×uc2=2×0.030=0.060m/s。

V=18.72m/s，U=k×uc3=2×0.033=0.066m/s。

經保留兩位小數后整理得到：

V=4.46m/s，U=0.04m/s；k=2。

V=8.31m/s，U=0.06m/s；k=2。

V=18.72m/s，U=0.07m/s；k=2。

6 測量不確定度報告

風速表的測量不確定度如下。

低速風表：V=4.46m/s，U=0.04m/s；k=2。

中速風表：V=8.31m/s，U=0.06m/s；k=2。

高速風表：V=18.72m/s，U=0.07m/s；k=2。

7 結語

通過對低速風表、中速風表、高速風表的測量不確定度評定，表明使用本文提供的測量方法和測量設備對機械風表進行測量，可以滿足《礦用風速表》檢定規程的技術要求[3]。