三杯風速傳感器非水平風場測量性能

白贏策 劉昕 賀曉雷

(中國氣象局氣象探測中心,北京 100081)

引言

三杯風速傳感器外形小巧輕便,具有便于組裝、性能高效、安全可靠的特點。廣泛運用于氣象、農業、海洋等領域,保有量巨大,其信號輸出值均為電信號,準確度會隨時間變化、環境變化而漂移,為保證其測量數據的準確可靠,需定期對其進行計量校準工作。

當前背景下,三杯風速傳感器在計量檢定條件中的應用場景,主要是依據國標GB/T 33691—2017杯式測風儀測試方法[1]和計量檢定規程JJG(氣象)004—2011自動氣象站風向風速傳感器[2]開展工作。通過工裝夾具將其安裝固定在風洞試驗段,使得三杯風速傳感器垂直于風洞底面內壁,風杯旋轉的平面平行于標準風洞內風場氣流的角度。通過記錄被測三杯風速傳感器的實測風速與標準風洞的實測風速,并用二者相減得到示值誤差或通過計算得到測量不確定度[3-4],作為三杯風速傳感器檢定結果的評判標準。這種計量檢定方法在氣象行業已十分成熟,普及率很高,用三杯風速傳感器的測量性能衡量量值傳遞的標準情況,具有計量保障的重要意義。

目前對于氣象風速已有的研究成果,在標準器測量影響因素的分析研究方面主要體現在:皮托管檢測桿直徑大小、安裝角度對被測量流速的影響[5];皮托管的測風誤差分析和GUM評定不確定度的偏差修正等[6]。在風場阻塞實驗研究方面主要體現在:通過建立模型對阻塞效應進行實驗修正,提出半經驗阻力系數修正理論[7-8];利用CFD建模研究阻塞效應修正平均風載荷[9]等。有學者以船舶為載體,采用測量平臺設備模擬其運動狀態,對現有的風速傳感器進行測量數據的動態補償[10];還有學者基于風洞數據對海島局部風場特性的擬合,對海島坡頂高度、坡度和湍流強度等變化進行數值模擬研究[11]。

然而針對于氣象計量行業的風速傳感器在非水平風場下的測量性能研究仍處于相對空白階段。在常規實際的氣象觀測場景下,自然界近地面的風受水平氣壓梯度力、地轉偏向力、摩擦力等影響,在進入三杯風速傳感器測量范圍內時往往來自于非水平方向。這一普遍存在的問題所造成的計量與觀測間的差異,從某種程度上造成了量值傳遞的斷鏈。為解決這不可避免的差異對實際觀測帶來的影響,彌補風速計量領域在此方向的缺失,保證測量數據的準確、可靠性,并建立計量環境與觀測場景之間的聯系[12]是十分必要的。

本文設計了三杯風速傳感器在非水平風場內測量性能研究實驗,加入了主體由角度編碼器構成的自動化轉盤系統,運用多種數理統計的方法對實驗結果進行分析,提出對三杯風速傳感器的示值誤差顯著影響的變量,總結實現了一套風速量值修正算法,為后續新一代三杯風速傳感器的算法設計探索方向,為其作為計量器具的型式評價提供思路,并為后續類似應用場景的研究做出鋪墊。

1 技術路線

設計技術路線應在參照自動氣象站風向風速傳感器檢定規程的前提下,貼合實驗要求,在合理范圍內對細節進行改動[13]。本文技術路線流程如圖1所示。

圖1 技術路線流程

2 實驗設計

2.1 主體設備結構

三杯風速傳感器測量風速的本質,是因風杯在風場內氣流的帶動下旋轉,使得在傳感器內部的截光盤切割紅外光束產生電磁脈沖,最終通過算法將電流信號轉化為風速值輸出的過程。傳感器內部截光盤與風杯所在平面平行,在計量檢定條件下也平行于風洞試驗段內水平風場的方向。[14]

現設計裝置如圖2所示[15-17],通過控制傾角調節裝置,改變三杯風速傳感器在風洞試驗段內的傾斜角度θ[18-19](傾角調節裝置連桿與初始位置的夾角,左傾為正,右傾為負)。在θ分別為0°、±10°、±20°、±30°、±40°、±45°時設置11組樣本,每組選取2 m/s、5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s、35 m/s、40 m/s共9個標準風速值作為樣本點。記錄每一組的傾斜角度θ以及每個樣本點的指示風速ν和實測風速ν′。

圖2 風洞試驗段標準裝置及自動化轉盤系統示意

當三杯風速傳感器處于傾斜狀態時如圖3所示。

圖3 三杯風速傳感器傾倒狀態下的風速示意

根據式(1)計算實測風速水平方向的分量ν″,并與指示風速值相減得到示值誤差Δν如式(2)所示。

ν″=ν′cosθ

(1)

Δν=ν″-ν

(2)

2.2 主要變量來源

2.2.1 指示風速ν的計算

用風洞參數數據采集器和數字壓力計采集實測風壓值(Pa)、流場溫度值(℃)、流場濕度(%)和室內大氣壓力值(hPa),用數據采集器讀取風速傳感器的輸出值,根據指示風速計算公式,計算出各風速點上的指示風速ν[20]。

首先用皮托管的測量結果計算指示風速。將微壓計在各實驗點上的讀數平均值減去初始零位值,得出實測風壓值并計算標準狀態下的相當風速值V[21]。

(3)

其中,Pv為指示風壓值。

然后根據實驗過程中檢測到的流場內溫度、濕度和大氣壓力平均值,計算出風速值的空氣密度修正系數Kp。

(4)

其中,t為流場內溫度;u為流場內濕度;P為環境大氣壓力;ew為流場溫度為t時的飽和水汽壓。

再計算總修正系數K。

(5)

其中,z為微壓計工作液體的密度修正系數(工作液體為蒸餾水時,z=1);ξ為皮托管系數;Kc為微壓計系數(當采用二等微壓計時,Kc=1)。

最后計算得出指示風速值ν。

ν=KV

(6)

2.2.2 實測風速ν′的采集

實測風速ν′的輸出值通過三杯風速傳感器配套的數據采集裝置讀取,傳感器數據輸出值為頻率信號,需通過其內部算法方程將頻率信號轉化為風速值[22]。

實驗依據計量檢定規程,規范地在每個風速樣本點重復操作3次,并把輸出值換算成計量單位為m/s,取其算術平均值,記為該風速樣本點下的實測風速ν′。改變傾斜角度θ和風速樣本點后,重復上述步驟。

3 儀器設備溯源

實驗用標準器[23]包括:①ZOGLAB 40 m/s開口式直流低速風洞,出廠編號:WZ860040-ES20181212003A,溯源單位:國家氣象計量站。②Mensor 2101型數字壓力計,出廠編號:532083,溯源單位:中國計量科學研究院。③NPL型標準皮托靜壓管,出廠編號:7534/2,系數k=1.001,溯源單位:中國計量科學研究院。

三杯風速傳感器選取三臺同型號不同編號的ZQZ-TF型風速傳感器[24],出廠編號分別為HFS10.0092、FS12.1748和Z110200496940144151 201511182262112,溯源單位:國家氣象計量站。具有動態特性好、精度高、靈敏度高等特點。工作原理為在風場作用下,三杯式回旋風杯組旋轉,通過主軸帶動磁棒盤旋轉,其上36只磁體形成18個小磁場,風杯組每旋轉一圈,在霍爾開關電路中感應出18個脈沖信號,其頻率隨風速增大而線性增加。

4 收集樣本

按照實驗流程進行標準實驗,收集三個同型號不同編號的風速傳感器在11組規定風速樣本的點條件下,不同傾斜角度θ對應的指示風速ν和實測風速ν′的值(單位m/s)[25],選取其中一個傳感器的實驗原始記錄作為示意見表1,并計算得出實測風速水平方向的分量ν″和示值誤差Δν[26]。

表1 實驗原始樣本集(部分)

5 數據分析

5.1 示值誤差Δν單因素方差

對樣本數據中的示值誤差Δν進行單因素方差[27]分析結果見表2。可以看出誤差平均數與方差和角度之間的關系,即當傾斜角度θ越偏離標準位置時,示值誤差平均值的絕對值和方差也越大,亦即三杯風速傳感器的準確度越低。假設檢驗遍及值P小于0.05待變組間有顯著差異。

表2 示值誤差的單因素方差分析

5.2 示值誤差Δν各傾斜角θ下平均值變化趨勢

結果如圖4所示,當傾斜角度θ增大時,示值誤差Δν的平均值越來越小,準確度越來越低。且當傾斜角度θ的絕對值相同時,左傾狀態下的示值誤差Δν平均值的變化量始終比右傾狀態下大,可以認為三杯風速傳感器在實際應用狀態下, 風從傳感器底部向其頂端運動時,即當傳感器處于高水平面,近地面空氣做上升運動時,對傳感器準確度的影響更大[28-29]。

圖4 各樣本點示值誤差平均值隨傾斜角度的變化趨勢

5.3 左傾45°情況下風速指標變化趨勢

選取其中一臺風速傳感器左傾45°樣本組,將其實驗數據用圖5表示。可以看出,在以計量檢定條件為參照設計出的實驗當中,指示風速ν和實測風速ν′有很強的一致性。以ZQZ-TF型三杯風速傳感器為主要實驗對象時,同一樣本點下,三杯風速傳感器的實測風速值ν′多數情況下均大于氣象風洞的指示風速ν。由于在計量檢定過程中,二等標氣象用風洞所提供的指示風速通常作為標準點不可改變,故使用實測風速水平方向的分量ν″與之對比,發現實測風速水平方向的分量ν″卻均小于指示風速ν。指示誤差Δν隨樣本點風速增大而減小。

圖5 左傾45°樣本組風速與示值誤差的變化趨勢

5.4 主要變量間的相關性

根據式(7)計算主要變量間的相關性系數。

(7)

由表3可見,指示風速ν和實測風速有顯著的正相關性ν′(相關系數r=0.994)。這是因為三杯風速傳感器作為風速計量設備,本身具有準確度高的特點,符合客觀條件。

表3 主要變量之間的相關系數

示值誤差Δν除了與指示風速ν(相關系數r=-0.464)和實測風速ν′(相關系數r=-0.434)有一定程度的負相關性外,還與傾斜角度θ的余弦呈顯著正相關關系(相關系數r=0.708)。根據計量檢定規程要求,三杯風速傳感器的最大允許誤差應符合式±(0.5+0.03ν),實驗結果符合其規律。

而三杯風速傳感器傾斜角度θ的變化,也代表著其所處的風洞試驗段環境從水平風場變為非水平風場的變化。示值誤差Δν與傾斜角度θ的余弦值呈顯著正相關關系(相關系數r=0.708),表示三杯風速傳感器在非水平風場作用下所測得的數據準確度較低,受影響明顯。

5.5 擬合實測風速ν′

三杯風速傳感器在非水平風場下的量值修正算法如下:

ν′=b0+b1ν+b2cosθ

(8)

式中,b0為常數項,b1為指示風速ν的回歸系數,b2為傾斜角度θ的回歸系數。

根據表4回歸分析結果,三杯風速傳感器處于非水平風場下時,模型R2=0.991,模型線性關系檢驗P<0.05,表面模型成立。根據系數檢驗結果,指示風速ν和傾斜角度的余弦值cosθ均能顯著影響實測風速ν′。最終量值修正算法的擬合方程如下:

(9)

表4 非水平風場狀態下的回歸分析

6 結論

依據國標GB/T 33691—2017杯式測風儀測試方法和計量檢定規程JJG(氣象)004—2011自動氣象站風向風速傳感器設計實驗,通過改變三杯風速傳感器在風洞試驗段內的傾斜角度,模擬其在自然界所處非水平風場環境下的情況。實驗過程中所使用裝置均為氣象行業內風速最高標準,且均已溯源,通過對實驗樣本數據進行分析得出如下結論。

三杯風速傳感器的示值誤差的絕對值隨其所處風場偏離水平方向的程度增大而增大。并且其示值誤差與傾斜角度的余弦值呈現顯著相關性,相關系數為0.708。同一傾斜角度的情況下,風速樣本點越高,示值誤差越大。

本文通過探索三杯風速傳感器在非水平風場內的測量性能,給出了一套量值傳遞算法,為三杯風速傳感器的計量性能指標提出新的討論方向,也為新一代機械式三杯風速傳感器作為計量器具的新產品型式評價提供思路[30]和參考指標。