风向传感器校准装置对比试验与探讨

陈璐艳 陈 昉 郑道淮 陈龙福 蒋文欣

(1.福建省大气探测技术保障中心，福建 福州 350008；2.福州市气象局，福建 福州 350008)

风向是自动气象站常规气象观测要素之一，几乎所有的国家级自动气象站和大部分省级区域自动气象站都要进行风向测量，其数值被广泛用于农业、工业、海洋、航天和军事等各个领域，而且风向的观测数据对于天气预报、气候监测和雾霾防治等也至关重要[1-2]。目前用于气象观测风向的传感器主要是光电式风向传感器，其数据是通过光电管组产生的格雷码进行输出[2-3]，其中EL15-2型风向传感器是国内自动气象台站普遍使用的风向观测设备。

本文以天津厂风向传感器EL15-2C为例，结合JJE10型风向校准仪和风向传感器校准仪的工作原理、校准方法，采用对比试验方法进行两种校准装置的测量误差精度和性价比分析，确保风向校准质量，为计量检定部门提供参考依据。

1 风向传感器现场校准装置与现场校准方法

目前福建省可用于风向传感器现场校准的装置是JJE10型风向校准仪和风向传感器校准仪(福建省大气探测技术保障中心监制)。

1.1 JJE10型风向校准仪

1.1.1 JJE10型风向校准仪工作原理

JJE10型风向校验仪由校验台和便携式控制器两大部分组成。校验台用于安装各类风向传感器，进行风向校验时，被测传感器配套不同的风座转接件，安装在校验台上，用于支撑杆固定风向。便携式控制器控制步进电机带动风向标转动，采用闭环控制原理，使得校验仪精度得到保证[4]。

1.1.2 JJE10型风向校准仪校准方法(以天津厂传感器EL15-2C为例)

(1)将校验台航插与便携式控制器风向输出接口连接；选择天津厂风座，将风座通过螺纹拧紧在校验台上。

(2)将传感器与配套标识为(L6_风向_天津厂_格雷码)的短线缆拧紧，风向传感器安装在风座上并紧固固定螺丝，短线缆穿入中间的孔中；调整支撑杆高度，选择适当的位置，使用紧固螺钉紧固后，转动支撑杆移动到尾翼下方，将尾翼托架向下按到尾翼下方位置，托架回弹卡住尾翼杆。

(3)确认连接无误后，按下便携式控制器的电源开关，控制器上电自动进入主页面(风向)；选择厂家型号(例如：天津EL15-2C)后，自动退回到主界面(风向)，此时厂家型号右侧“默认电压”值会显示出该传感器供电电源，一定要确认无误后方可下一步，否则会导致传感器烧毁。确认无误后，使用标识为(L11_风向输入)的线缆一端与短线缆连接，另一端与便携式控制器的风向输入接口连接。

(4)若只使用“置北”功能，则触碰“置北”按钮，此时尾翼随着校验台支撑杆转动，转动过程中注意避免尾翼与其他物品干涉，如果正确找到北的位置，蜂鸣器将长鸣一声(持续时间约为1s)。

(5)触碰设定值下方的深色图，输入要求的角度值，后触碰“OK”键则返回到主界面(风向)，此时设定值的深色方框中显示的就是刚才设置的角度值；由于采用原点校准原理，在触碰“开始”按钮后，传感器会自动先进行第(4)步的“置北”功能操作，然后再转动至设置的角度；如果转动完成后，继续触碰“启动”按钮，则重复上述动作，依旧先“置北”后转动到相应的角度。

(6)根据风向传感器计量检定规程，判断标准值和测量值之间的误差值是否在误差允许范围内，完成风向传感器现场校准。

1.2 风向传感器校准仪

1.2.1 风向传感器校准仪工作原理

风向传感器校准仪包括两个能够相互扣合的扣件，两个扣件扣合后形成整体，在形成的整体中心为一个与风向传感器主轴外轮廓相对应的内轮廓，两个扣件上边沿各设一个用于固定风向传感器转轴的定位座，在扣件的侧壁或上下面设有方位刻度，上刻度为校准读数用，下刻度在风向传感器指北标志丢失下做记号用，两个扣件的连接处设有使两个扣件扣合时能够固定的固定件。

1.2.2 风向传感器校准仪校准方法(以天津厂传感器EL15-2C为例)

①打开弹簧扣，张开风向传感器校准仪，将风向传感器校准仪放入风向传感器中。根据自动气象站风向传感器现场校准规范中规定，检测点为0°、90°、180°、270°。②将风向传感器校准仪刻度“N”对准风向传感器指“N”黑刻度线上，扣上弹簧扣，读取终端数据。旋转风向至刻度线与风向传感器校准仪“E”的位置对齐，读取该点终端数据。旋转风向至刻度线与风向传感器校准仪“S”的位置对齐，读取该点终端数据。旋转风向至刻度线与风向传感器校准仪“W”的位置对齐，读取该点终端数据。③4个方位校准结束，打开弹簧扣，取下风向传感器校准仪。

2 校准结果分析

2.1 计算方法

用风向传感器测量值减去校准点的数值，作为该校准点的测量误差。根据自动气象站风向传感器现场校准规范中规定，风向传感器的最大允许误差为±5°，测量误差值不超过技术要求时，视为合格。

采用公式(1)计算风向校准的示值误差ΔE。

ΔE=e-E

(1)

式中，e为被测风向示值，E为风向标准值。

2.2 结果分析

根据自动气象站风向传感器现场校准规范中规定的风向传感器检测点0°、90°、180°、270°作为标准值。利用JJE10型风向校准仪、风向传感器校准仪两种风向校准装置，分别对6个EL15-2C型风向传感器进行校准，并在风向校准记录表中记下校准数据，详见表1。

表1 EL15-2C型风向传感器在两种校准装置中的校准结果

表2为6个EL15-2C型风向传感器在两种风向传感器校准装置中的比对试验结果，表2中，两种风向校准仪装置在校准6个风向传感器时的测量误差均值分别为0.83、1.25。总的来说，两种风向校准装置基本上性能稳定，数据测量有较高的准确度，均适合对风向传感器的校准。合理使用相关风向校准装置在实验室、现场校准十分重要[5-6]。JJE10型风向校准仪外观简洁、大方，功能强大，性能稳定、可靠，用户操作简单，使用方便，但是该设备需要把风向传感器从风塔上拆下来，只针对风向传感器进行校准，所以JJE10 型风向校准仪更适用于实验室校准，或比较方便拆卸风向传感器的台站校准使用。而风向传感器校准仪使用方便，能够在不拆卸风向传感器的情况下进行校准方位，节省了校准时间，提高了工作效率。由于没有拆卸风向传感器避免风塔上下传送时损坏风向尾翼，同时避免因接口氧化拆卸时，损坏风向传感器。而风向传感器校准仪的结构弧形抱夹的内侧4个橡胶条紧固风杯轴外罩不易滑动，在校准完成后，利用该特性可以很好地确定正北点，避免在地面校准好、固定到风向支架时产生角度的误差。同时还具有体积小，携带轻便等优点，所以风向传感器校准仪比较适用于室外校准，特别是沿海地区因氧化而比较难拆卸的台站或环境比较恶劣的区域站校准和核查。

表2 EL15-2C型风向传感器在2种校准装置中的风向测量误差

3 结束语

本文对6个EL15-2C型风向传感器在两种风向传感器校准装置中的比对试验，试验结果可得，两种风向校准仪装置在校准6个风向传感器时的测量误差均值分别为0.83、1.25。由此可见，这两种风向校准装置基本上性能稳定，数据测量有较高的准确度，均适合对风向传感器的校准。JJE10 型风向校准仪适用于实验室校准，或比较方便拆卸风向传感器的台站校准使用。风向传感器校准仪比较适用于室外校准，特别是沿海地区因氧化而比较难拆卸的台站或环境比较恶劣的区域站校准和核查。对于比较重要的台站(例如国家级台站)的风向传感器，可以在实验室用JJE10型校准仪校准，之后装到风塔上，再用风向传感器校准仪进行现场核查，以确保正北点是否对应，设备输出数据是否精确、及时，以此保障风向数据精确、可靠。