風速傳感器測量結果的不確定度分析與評定

支 詢，沙 莉，李 施，張藝萌，朱明宇

(遼寧省氣象裝備保障中心，遼寧 沈陽 110166)

0 引言

隨著氣象行業的發展，各個部門對計量檢定的要求也越來越高，計量檢定的準確與高效也會促進氣象事業的迅速發展[1]。遼寧省氣象儀器計量站建立的風速表檢定裝置作為計量標準考核中的一項內容，其計量標準不確定度的合理判定，對自動氣象站風速傳感器的量值溯源與量值傳遞的準確性、可靠性有著重要的影響[2-7]。

自動氣象站風速傳感器由于常年固定安裝在觀測場風塔上，長期易遭受風吹日曬雨淋等惡劣環境天氣，加上其機械式的老化、磨損等影響，亟需要定期維護，考證其影響檢定的不確定度的因素。本文研究依托遼寧省氣象儀器計量站的40 m/s風洞標準設備，對遼寧省內的自動氣象站風速傳感器進行測量不確定的評定[8-9]，從而保障其在日常測量風速時量值的準確性和可靠性。

1 風速傳感器測量原理

采用性能已經測定過的風洞和皮托管檢定裝置，通過皮托管檢定裝置測量并計算標準風速值，比較風速傳感器測量值與標準風速值，對風速傳感器進行校準。風速傳感器示值誤差由三次誤差平均值給出。

2 測量方法

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》[10]。

3 建立測量模型

被校準風速傳感器測量誤差的計算公式為:

(1)

標準風速計算公式為:

(2)

式中：ρi為第i個校準點測試時空氣氣密度值，kg/m3；P0i為第i個校準點測試時微差壓計值，Pa；ξi為第i個校準點測試時皮托管系數值。

標準風速值由皮托管檢定裝置測量得到。考慮到皮托管檢定裝置的影響、風洞均勻性的影響和風速傳感器讀數分辨力的影響，風速傳感器單次測量誤差Δvi可以表示為:

(3)

4 測量不確定度分量

根據式(3)給出的測量模型，共有三個影響量，分別為δAi、δBi和δii。它們對應的靈敏系數均為1。

4.1 測量值對測量結果的影響因素δAi

由標準風速計算公式(2)可知，皮托管檢定裝置通過標準風速值影響最終測量結果。參與標準風速值計算的主要標準器及配套設備包括皮托靜壓管、微差壓計、數字氣壓計、濕度傳感器和溫度計。

根據標準風速計算公式(2)以及不確定度傳播律可知，皮托管檢定裝置對測量結果的影響量δAi的相對標準不確定度為:

(4)

式中：uvi(Δvi)為標準風速值標準不確定度，m/s；uρi為空氣密度變化引入標準不確定度,kg/m3；up0i為微差壓計讀數引入標準不確定度,Pa；uζi為皮托靜壓管讀數引入的標準不確定度。

δAi的標準不確定度為:

u(δAi)=urel(δAi)×vi

(5)

4.1.1 空氣密度變化引入的不確定度

(6)

式中：t為試驗段內溫度，℃；P為試驗段內大氣壓力，hPa；H為試驗段內相對濕度值。

空氣密度的標準不確定度為:

(7)

根據本規范規定標準溫度計的最大允許誤差為±0.5 ℃，按均勻分布。故每次測量結果由溫度引入的不確定度為：

(8)

根據本規范規定氣壓計的最大允許誤差為±2 hPa，按均勻分布，每次測量結果氣壓引入的不確定度為：

(9)

根據本規范規定濕度測量儀的最大允許誤差為±4%rh，由濕度測量引入的不確定度uH為：

(10)

將式(8)～式(10)代入式(7)，可得在第i次測量結果由空氣密度變化引入的相對標準不確定度為:

(11)

4.1.2 微差壓計讀數引入的不確定度

根據本規范規定微差壓計最大允許誤差為±0.5 Pa，微差壓計讀數P0i不確定度取均勻分布，則各校準點微差壓計讀數P0i引入的相對標準不確定度為:

(12)

4.1.3 皮托靜壓管讀數引入的不確定度

規范規定皮托靜壓管校準系數K取值范圍(0.999～1.002)，urel=0.5%(k=2)，故皮托靜壓管讀數引入的相對標準不確定度為:

(13)

4.1.4 測量結果中引入的標準不確定度的計算

將空氣密度引入的相對標準不確定度公式(11)、微差壓計讀數引入的相對標準不確定度公式(12)和皮托管檢定裝置引入的相對標準不確定度式(13)，代入式(4)、式(5)，計算可得皮托管檢定裝置引入的標準不確定度為：

(14)

4.2 風洞均勻性對測量結果的影響δBi

本規范規定的風洞技術指標為流速均勻性不大于1.0%。由風洞均勻性引入的不確定為：

(15)

4.3 風速傳感器分辨力對測量結果的影響δii

測試用風速傳感器分辨力為0.1 m/s,分辨力引入的標準不確定度為:

(16)

5 測量過程

根據風速誤差值的測量原理，對被校準風速傳感器進行了三次測量，根據極差法公式(16)計算各校準點單次測量的標準偏差為:

(17)

式中：Ri為每個校準點3次測量誤差最大值與誤差最小值之差；C為系數，當測量次數為3時，C取1.69。

每個校準點示值誤差為3次誤差值的算數平均值為:

(18)

每個校準點誤差平均值的標準不確定度為：

(19)

6 不確定度分量匯總

風速傳感器在各校準點測量結果的各不確定度分量匯總如表1所示。

表1 風速傳感器在各校準點測量結果的不確定度分量匯總表

6.1 合成標準不確定度計算

合成公式為:

(20)

6.2 擴展不確定度計算

風速示值誤差值的擴展不確定度,取包含因子k=2 ，則風速示值誤差的擴展不確定度由式(21)計算得:

U(Δvi)=2×uc(Δvi)

(21)

6.3 不確定度的驗證

依據JJG(氣象)004—2011《自動氣象站風向風速傳感器》檢定規程的計量性能指標，風速傳感器的最大允許誤差為:

VMPEV=±(0.5+0.03×vs)

(22)

式中：vs為標準風速值

為了驗證該不確定度評定方法，本報告任意抽取2支杯式風速傳感器(編號為001，002)按照規范進行了校準測試，并按照本不確定度評定方法對測量結果進行了不確定度評定。

表2 編號17120756220傳感器測量數據

表3 編號FS-1308.1369傳感器測量數據

通過驗證表明，證明該評定方法合理可行。

7 結論

由于遼寧省內布設53個自動氣象觀測站，對其定期檢定必不可少。本文依托權威的測試標準，計算了自動氣象站風速傳感器的誤差，并分析了其各種測量不確定的來源。對測量不確定的測量結果，有利于計量骨干業務人員作為真實寶貴的參考依據，極大地提高了測量的準確性和可靠性，為今后深入研究測量不確定的工作打下了堅實的基礎。