风速仪检定中存在的问题

杨伟浩 林 芳 赵海山 刘 悦 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

风速，简言之即风的速度，指单位时间内风移动的距离，计量单位通常为“m/s”、“km/h”等。风速仪（或称风速表、风速计，以下统称风速仪）就是测量风速的仪表，作为一个重要的计量器具，列入《中华人民共和国依法管理的计量器具目录(型式批准部分)》 （第21项：风速表），相对应的国家计量检定规程为JJG 431-1986 《DEM6型轻便三杯风向风速表》、JJG 515-1987《轻便磁感风向风速表试行》、JJG 613-1989《电接风向风速仪》。

1 现有检定规程

现有的三个检定规程都起草于20世纪90年代，针对的风速仪都是“三杯式”，即风速仪的核心感应器件由三个风杯组成。当某一个风杯的凹面对着风向时，另一个风杯的凸面对着风向，风杯的凹面迎风受到的风压比风杯凸面迎风所受到的风压大，就产生了使风杯感应器向凹面方向转动的力矩。风速越大，转动力矩也越大，风杯感应器的转动速度也越大。可根据风杯旋转产生的信号，通过函数关系得到风速的大小。该类风速仪主要应用于气象行业，测量大气环境中的风速，当时主要的应用领域是气象预报、风力监测的预警报警。例如，GB/T 5031-2008《塔式起重机》中规定“安装架设时塔机顶部风速不大于12 m/s，工作状态时塔机顶部风速不大于20 m/s”。计量合格的风速仪为此类安全作业提供了强大的技术保障。

现有检定规程主要由国家气象部门起草，最主要的检定项目是“风速示值”，检定设备是风洞，所使用的标准器由标准皮托管和精密差压计组成。由于规程起草的年代尚未完善计量检定规程的编写要求，因此在检定规程中缺乏较为详细的不确定度分析，某些专业术语的定义和表达也与现在的要求有所差异。当时风速仪的生产单位是为数不多的几家国有气象仪器厂，因此开展检定工作时针对的样品也相对单一。

2 风速仪的发展和新应用

近年来，工业风速测量的需求发展迅速，风速仪已被广泛应用于各种气体流速测量领域，除了传统应用在气象行业的“三杯式”风速仪以外，还有“叶轮式”、“压差式”、“热转换式”、“超声波式”等各种原理的风速仪。不只局限于气象行业，还涵盖到环境监测、卫生监督、洁净作业（手术室、微电子、食品药品安全生产、生物安全）、消防安全、暖通安装、工程建设等等领域，风速测量涉及更多关系民生健康安全的行业。由于现有规程针对的“三杯式”风速仪占整个风速测量仪表行业的比重越来越小，所以完全按检定规程开展全项目检定的社会需求并不多，更为贴近用户的校准服务或校准项目为“风速示值误差”。

风速仪的发展过程中，还突出体现了一个新的使用要求：微风0～ 5 m/s测量。微风测量自非典型性肺炎（SARS）爆发以后受到高度关注，在医药、卫生监督、疾病预防控制等行业中得到广泛使用，在相关标准（如GB/T 18204.15-2000《公共场所风速测定方法》、JG 170-2005《生物安全柜》、YY 0569-2005《生物安全柜》、GB 50591-2010《洁净室施工及验收规范》）中风速测量均作为一个重要的检测指标。例如参照YY 0569-2005，对下降气流进行测量，常规测量值在0.3 m/s附近，标准中就规定风速仪“精确度为±0.015 m/s或者示值误差的3%，取最大值”。最近H7N9禽流感的爆发，更会激发大量疾控系统对微风测量的需要。

3 问题与分析

3.1 检定规程的技术要求滞后市场发展

目前，市场主流风速仪的准确度等级远高于规程，现有规程中的部分条款无法满足客户的使用需求。客户送检时注明要求检测机构按规程给出合格性判定，但很多情况下依据规程给出合格判定，客户却发现不能适用其开展正常的工作。

举例说明：

现有的风速仪国家检定规程及计量特性要求，如表1所示。

表1 检定规程及技术要求

某药厂工程部购买了一台市场主流风速仪用于测量通风管道中的风速，使用要求是0.1～ 10 m/s，常用点5 m/s。仪器说明书的技术指标“量程为0～ 10 m/s，示值误差允许在±(0.01 m/s+3%×指示风速)”，这也是客户的实际使用要求。校准报告的结果与符合性判断分析如表2所示。

表2 校准结果与判定

气象行业传统使用的“三杯式”风速仪的工作原理和技术水平具有局限性，在示值误差的表述中有一个“0.5 m/s”的固有误差，这对于满足气象监测使用已经足够了，但不适合其他量大面广的、准确度要求较高的行业。“0.5 m/s”的固有误差导致在5 m/s以下，所允许的相对示值误差至少是10%，而对于广大微风测量需求来说，符合规程要求出具的合格判定是没有意义的。

3.2 低风速区间的校准不确定度水平较低

低风速区间（低于5 m/s）无法提供不确定度水平较高的校准服务，无法满足微风校准的市场需要。目前国内具有“CNAS认证”的国家级计量测试机构在风速校准中所使用的标准器均为皮托管与微差压计，数学模型为

式中：ΔP — 皮托管测得的差压值(Pa)；

ρ — 空气密度（kg/m3）；

K — 皮托管系数。

在5 m/s以下开展风速校准工作时，测量结果的相对不确定度都比较大，主要原因在于低风速区间，压差信号太小。在5 m/s时测得的差压值约为15 Pa，一等补偿微压计的示值误差允许值为±0.4 Pa，不考虑其他不确定度分量，由差压计引起的不确定度分量已经达到±2.7%。虽然可以通过挑选更高准确度的压差计来提高不确定度水平，但效果也是有限的。因此皮托管与微差压计作为标准器的校准方法，无法满足微风领域高精度风速仪的校准需要。

4 结语

现有的检定规程虽然有三个，但都是针对“三杯式”这一工作原理的风速仪，20多年来没有更新。针对市场上各式各样风速仪的溯源要求，应该对检定规程进行整合，按工作原理或者准确度等级重新分类，更新或起草检定规程，并给出不确定度分析。

皮托管作为一个经典的流速测量器具，价格低廉而且实用，作为5 m/s以上流速测量的标准器非常有效，但已经无法满足目前市场上越来越多低速测量的溯源要求。美国“national institute of standard and technology”在开展风速校准服务中，标准器已由皮托管更新为激光多普勒风速仪，提供了不确定度水平较高的低风速校准服务，风速下限拓展到0.15 m/s（U = 0.006 m/s，k = 2），足以满足市场上所有风速仪的溯源要求。基于激光多普勒技术的风速校准方法的研究，可以弥补现有的“皮托管-差压”技术在准确度和量程上的不足，并与国际同行接轨。

[1]国家质检总局公告. 2005年第145号——中华人民共和国依法管理的计量器具目录(型式批准部分)[S]. 北京：2005.

[2]国家气象局气象计量检定研究所. JJG 613-1989[S]. 北京：中国计量出版社，1989.

[3]国家气象局气象计量检定研究所. JJG 515-1987[S]. 北京：中国计量出版社，1987.

[4]国家气象局气象科学研究院气象计量检定研究所. JJG 431-1986[S]. 北京：中国计量出版社，1986.

[5]国家质量监督检验检疫总局, 国家标准化管理委员会联合发布.GB/T 5031-2008[S]. 北京：中国标准出版社,2008.

[6]全国医用临床检验实验室和体外诊断系统标准化技术委员会.YY 0569-2005[S]. 北京：中国标准出版社，2005.