螺旋槳測風儀風洞測試及不確定度分析

李松奎 賀曉雷 邊澤強 劉昕

(中國氣象局氣象探測中心，北京 100081)

引言

螺旋槳測風儀是增強型的測風傳感器，能夠適應高濕度、高鹽度的環境。廣泛地使用于氣象、海洋領域。與傳統機械式測風傳感器相比，螺旋漿測風儀的回轉力矩大，慣性力小，對風速的追徒性能極好，抗風能力強。能夠應對惡劣的海洋環境，在中國氣象局海洋一期工程海濱自動站中被廣泛使用。為保證其測量數據的準確可靠，需要定期對其進行校準工作。

氣象部門業務使用的風速類儀器，多數已進行了不確定度分析，如曾濤等[1]對自動氣象站風速傳感器測量結果進行了評定分析；李松奎等[2]對超聲波風速儀測量結果進行了評定分析；韓玉婷等[3]對數字風速儀測量結果進行了評定分析，但均未涉及到30 m/s以上風速點測量結果的不確定度分析。本文依據國標GB/T 24559-2009海洋螺旋槳式風向風速計中的測試方法以及測量不確定度的評定與表示的要求，使用風速校準裝置，以美國Young公司05106型螺旋槳測風儀作為研究對象，在WZ860070-E型低速直路風洞中進行校準測試，并對測量結果進行不確定度分析。

1 螺旋槳測風儀工作原理

螺旋槳測風儀一般由螺旋槳、風速轉軸、風速發電線圈等組成。在風力作用下，螺旋槳轉動，帶動軸上的磁極旋轉，在線圈中感應出正弦信號，其頻率隨風速的增大而線性增加。螺旋槳測風儀外觀示意及結構如圖1、圖2所示。

圖1 螺旋槳測風儀外觀示意

圖2 螺旋槳測風儀結構

2 基于WZ860070-E型直路風洞的風速校準測試

2.1 風速測試裝置

(1)WZ860070-E型直路風洞。該型號風洞為中國氣象局業務使用的低速直路風洞，其流場均勻性小于1%，穩定性小于0.5%，流速范圍0.5～70 m/s，主要試驗段的直徑為600 mm，工作段長度1000 mm，為本試驗的開展提供可行性。風洞的示意如圖3所示。

圖3 風洞示意

(2)皮托靜壓管。本次試驗使用的是國家氣象計量站的一等標準皮托靜壓管，該皮托靜壓管為L型，主要由探頭和支桿組成。通過探頭上的總壓孔、靜壓孔得到風洞試驗段中的微差壓，然后連接到微壓差計得到微差壓值，通過計算得到標準風速值[4-5]。

2.2 標準風速計算方法

通過溫度、濕度、氣壓傳感器測得風洞試驗段內的空氣溫度、相對濕度及氣壓值，然后用風洞試驗段內的空氣溫度、相對濕度和氣壓值按式(1)計算出空氣密度。

(1)

式中：T為試驗段內空氣溫度，K；P0為試驗段內氣壓，Pa；H為試驗段內空氣相對濕度，用小數表示；ew為T溫度下的飽和水汽壓，Pa。

再將空氣密度、微差壓計示值代入式(2)計算出標準風速值。

(2)

式中：v為標準風速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；p為微差壓計示值,Pa；k為皮托靜壓管系數。

3 測試過程及數據獲取

測試試驗中，選用05106型螺旋槳測風儀作為試驗用儀器，其測量值可數字化輸出，分辨力為0.01 m/s。所用風洞為WZ860070-E型風洞，此風洞由國家氣象計量站檢測合格，整個洞體流場均勻穩定，滿足試驗要求。

在測試過程中，參考國標海洋螺旋槳式風向風速計中的測試點，選擇2 m/s、5 m/s、10 m/s、20 m/s、30 m/s、50 m/s、70 m/s,共7個風速測試點。測試數據見表1。測試環境：溫度為19.4 ℃，氣壓為1005.5 hPa，相對濕度為20.6%。

表1 測試數據 m/s

4 不確定度評定分析

4.1 不確定度評定測量模型

在校準過程中， 測量結果為示值誤差

Δv=v′-v

(3)

式中：Δv為被校表在某一點的示值誤差，m/s；v′為被校表在該點的示值，m/s；v為對應校準點的標準風速值，m/s。

將標準風速v的計算公式帶入式(3)，同時考慮到風洞均勻性對測量結果的影響，求得被校表風速測量結果不確定度評定的測量模型：

(4)

式中：Δv為被校表在某一點的示值誤差，m/s；v′為被校表在該點的示值，m/s；ξ為皮托靜壓管校準系數；Δf為風洞均勻性對測量結果的影響，m/s。

4.2 不確定度分量評定

4.2.1 螺旋槳測風儀測量重復性引入的不確定度

根據不同的風速點進行的3次重復風速測量值，用極差法[6-9]求出試驗標準差，螺旋槳測風儀測量值為3次測量結果的平均值[10-11]，螺旋槳測風儀測量重復性引入的不確定度見表2。

表2 螺旋槳測風儀測量重復性引入的不確定度u(v′)

4.2.2 微差壓計引入的標準不確定度

微差壓計的最大允許誤差為±0.5 Pa，取均勻分布，則微差壓計示值誤差引入的標準不確定度u(p)為：

4.2.3 皮托靜壓管校準系數引入的標準不確定度

試驗使用的標準皮托靜壓管的校準系數ξ=1.003，相對不確定度urel為0.1%(包含因子k=2)。故由標準皮托靜壓管校準系數引入的絕對不確定度u(ξ)為

4.2.4 溫度儀引入的標準不確定度

溫度儀的最大允許誤差為±0.5 ℃，按均勻分布，則溫度儀測量引入的標準不確定度u(T)為

4.2.5 氣壓計引入的標準不確定度

氣壓計的最大允許誤差為±2 hPa，按均勻分布，則氣壓計測量引入的標準不確定度u(P0)：

4.2.6 濕度儀引入的標準不確定度

濕度儀的最大允許誤差為±8%，按均勻分布，則濕度儀測量引入的標準不確定度u(H)

4.2.7 風洞均勻性引入的不確定度

風洞的不均勻性最大為1.0%，因螺旋槳測風儀安裝在風洞中，會對風場的均勻性產生影響。但由于皮托靜壓管和風速儀感應部分基本相近均勻區，按均勻分布[12-18]，則由風洞均勻性在各風速點引入的標準不確定度u(Δf)為

各標準點不確定度u(Δf)計算結果見表3。

表3 風洞均勻性引入的標準不確定度u(Δf) m/s

4.3 合成標準不確定度

各標準不確定度的靈敏系數變量見表4。靈敏度系數可由式(4)求偏導[19-20]得出。

表4 標準不確定度及靈敏度系數變量

(3.48353×10-3×P0-3.48353×10-3×

本次試驗環境：溫度為19.4 ℃，氣壓為1005.5 hPa，相對濕度為20.6%，則各靈敏度系數計算結果見表5。

表5 本次試驗各靈敏度系數值 m/s

合成標準不確定度的計算公式如下：其計算結果見表6。

表6 合成標準不確定度uc m/s

4.4 擴展不確定度

取包含因子k=2，則擴展不確定度U=2uc，合成標準不確定度uc見表6，擴展不確定度計算結果見表7。

表7 擴展不確定度U(k=2) m/s

4.5 合理性分析

表8 擴展不確定度U與被校測風儀允許誤差 MPEV及其比值 m/s

5 結論

通過上述試驗以及測量結果的不確定度分析，得出以下結論：

(1)利用WZ860070-E型直路風洞對螺旋槳測風儀進行風速校準測試的方法是可行的。

(2)通過對螺旋槳測風儀測量結果的不確定度分析，可以得出風速校準標準裝置以及螺旋槳測風儀自身存在不確定度分量外，校準裝置工作段的溫度、濕度、氣壓都對測量結果的不確定度有直接影響。

(3)本次測量結果不確定度評定分析充分考慮了各種可能的影響因子并盡可能取較大值計算，實際測量結果的擴展不確定度可能略小于本文給出擴展不確定度值。

測量結果的不確定度評定是計量工作不可缺少的部分，體現了測量工作的可信程度。本文給出的評定方法，可為風速類儀器測量結果的不確定度評定提供參考，具有一定參考價值。