风速传感器测量结果的不确定度分析与评定

支 询，沙 莉，李 施，张艺萌，朱明宇

(辽宁省气象装备保障中心，辽宁 沈阳 110166)

0 引言

随着气象行业的发展，各个部门对计量检定的要求也越来越高，计量检定的准确与高效也会促进气象事业的迅速发展[1]。辽宁省气象仪器计量站建立的风速表检定装置作为计量标准考核中的一项内容，其计量标准不确定度的合理判定，对自动气象站风速传感器的量值溯源与量值传递的准确性、可靠性有着重要的影响[2-7]。

自动气象站风速传感器由于常年固定安装在观测场风塔上，长期易遭受风吹日晒雨淋等恶劣环境天气，加上其机械式的老化、磨损等影响，亟需要定期维护，考证其影响检定的不确定度的因素。本文研究依托辽宁省气象仪器计量站的40 m/s风洞标准设备，对辽宁省内的自动气象站风速传感器进行测量不确定的评定[8-9]，从而保障其在日常测量风速时量值的准确性和可靠性。

1 风速传感器测量原理

采用性能已经测定过的风洞和皮托管检定装置，通过皮托管检定装置测量并计算标准风速值，比较风速传感器测量值与标准风速值，对风速传感器进行校准。风速传感器示值误差由三次误差平均值给出。

2 测量方法

参照中国气象局颁发的JJG(气象)004—2011《自动气象站风向风速传感器检定规程》[10]。

3 建立测量模型

被校准风速传感器测量误差的计算公式为:

(1)

标准风速计算公式为:

(2)

式中：ρi为第i个校准点测试时空气气密度值，kg/m3；P0i为第i个校准点测试时微差压计值，Pa；ξi为第i个校准点测试时皮托管系数值。

标准风速值由皮托管检定装置测量得到。考虑到皮托管检定装置的影响、风洞均匀性的影响和风速传感器读数分辨力的影响，风速传感器单次测量误差Δvi可以表示为:

(3)

4 测量不确定度分量

根据式(3)给出的测量模型，共有三个影响量，分别为δAi、δBi和δii。它们对应的灵敏系数均为1。

4.1 测量值对测量结果的影响因素δAi

由标准风速计算公式(2)可知，皮托管检定装置通过标准风速值影响最终测量结果。参与标准风速值计算的主要标准器及配套设备包括皮托静压管、微差压计、数字气压计、湿度传感器和温度计。

根据标准风速计算公式(2)以及不确定度传播律可知，皮托管检定装置对测量结果的影响量δAi的相对标准不确定度为:

(4)

式中：uvi(Δvi)为标准风速值标准不确定度，m/s；uρi为空气密度变化引入标准不确定度,kg/m3；up0i为微差压计读数引入标准不确定度,Pa；uζi为皮托静压管读数引入的标准不确定度。

δAi的标准不确定度为:

u(δAi)=urel(δAi)×vi

(5)

4.1.1 空气密度变化引入的不确定度

(6)

式中：t为试验段内温度，℃；P为试验段内大气压力，hPa；H为试验段内相对湿度值。

空气密度的标准不确定度为:

(7)

根据本规范规定标准温度计的最大允许误差为±0.5 ℃，按均匀分布。故每次测量结果由温度引入的不确定度为：

(8)

根据本规范规定气压计的最大允许误差为±2 hPa，按均匀分布，每次测量结果气压引入的不确定度为：

(9)

根据本规范规定湿度测量仪的最大允许误差为±4%rh，由湿度测量引入的不确定度uH为：

(10)

将式(8)～式(10)代入式(7)，可得在第i次测量结果由空气密度变化引入的相对标准不确定度为:

(11)

4.1.2 微差压计读数引入的不确定度

根据本规范规定微差压计最大允许误差为±0.5 Pa，微差压计读数P0i不确定度取均匀分布，则各校准点微差压计读数P0i引入的相对标准不确定度为:

(12)

4.1.3 皮托静压管读数引入的不确定度

规范规定皮托静压管校准系数K取值范围(0.999～1.002)，urel=0.5%(k=2)，故皮托静压管读数引入的相对标准不确定度为:

(13)

4.1.4 测量结果中引入的标准不确定度的计算

将空气密度引入的相对标准不确定度公式(11)、微差压计读数引入的相对标准不确定度公式(12)和皮托管检定装置引入的相对标准不确定度式(13)，代入式(4)、式(5)，计算可得皮托管检定装置引入的标准不确定度为：

(14)

4.2 风洞均匀性对测量结果的影响δBi

本规范规定的风洞技术指标为流速均匀性不大于1.0%。由风洞均匀性引入的不确定为：

(15)

4.3 风速传感器分辨力对测量结果的影响δii

测试用风速传感器分辨力为0.1 m/s,分辨力引入的标准不确定度为:

(16)

5 测量过程

根据风速误差值的测量原理，对被校准风速传感器进行了三次测量，根据极差法公式(16)计算各校准点单次测量的标准偏差为:

(17)

式中：Ri为每个校准点3次测量误差最大值与误差最小值之差；C为系数，当测量次数为3时，C取1.69。

每个校准点示值误差为3次误差值的算数平均值为:

(18)

每个校准点误差平均值的标准不确定度为：

(19)

6 不确定度分量汇总

风速传感器在各校准点测量结果的各不确定度分量汇总如表1所示。

表1 风速传感器在各校准点测量结果的不确定度分量汇总表

6.1 合成标准不确定度计算

合成公式为:

(20)

6.2 扩展不确定度计算

风速示值误差值的扩展不确定度,取包含因子k=2 ，则风速示值误差的扩展不确定度由式(21)计算得:

U(Δvi)=2×uc(Δvi)

(21)

6.3 不确定度的验证

依据JJG(气象)004—2011《自动气象站风向风速传感器》检定规程的计量性能指标，风速传感器的最大允许误差为:

VMPEV=±(0.5+0.03×vs)

(22)

式中：vs为标准风速值

为了验证该不确定度评定方法，本报告任意抽取2支杯式风速传感器(编号为001，002)按照规范进行了校准测试，并按照本不确定度评定方法对测量结果进行了不确定度评定。

表2 编号17120756220传感器测量数据

表3 编号FS-1308.1369传感器测量数据

通过验证表明，证明该评定方法合理可行。

7 结论

由于辽宁省内布设53个自动气象观测站，对其定期检定必不可少。本文依托权威的测试标准，计算了自动气象站风速传感器的误差，并分析了其各种测量不确定的来源。对测量不确定的测量结果，有利于计量骨干业务人员作为真实宝贵的参考依据，极大地提高了测量的准确性和可靠性，为今后深入研究测量不确定的工作打下了坚实的基础。