螺旋桨测风仪风洞测试及不确定度分析

李松奎 贺晓雷 边泽强 刘昕

(中国气象局气象探测中心，北京 100081)

引言

螺旋桨测风仪是增强型的测风传感器，能够适应高湿度、高盐度的环境。广泛地使用于气象、海洋领域。与传统机械式测风传感器相比，螺旋浆测风仪的回转力矩大，惯性力小，对风速的追徒性能极好，抗风能力强。能够应对恶劣的海洋环境，在中国气象局海洋一期工程海滨自动站中被广泛使用。为保证其测量数据的准确可靠，需要定期对其进行校准工作。

气象部门业务使用的风速类仪器，多数已进行了不确定度分析，如曾涛等[1]对自动气象站风速传感器测量结果进行了评定分析；李松奎等[2]对超声波风速仪测量结果进行了评定分析；韩玉婷等[3]对数字风速仪测量结果进行了评定分析，但均未涉及到30 m/s以上风速点测量结果的不确定度分析。本文依据国标GB/T 24559-2009海洋螺旋桨式风向风速计中的测试方法以及测量不确定度的评定与表示的要求，使用风速校准装置，以美国Young公司05106型螺旋桨测风仪作为研究对象，在WZ860070-E型低速直路风洞中进行校准测试，并对测量结果进行不确定度分析。

1 螺旋桨测风仪工作原理

螺旋桨测风仪一般由螺旋桨、风速转轴、风速发电线圈等组成。在风力作用下，螺旋桨转动，带动轴上的磁极旋转，在线圈中感应出正弦信号，其频率随风速的增大而线性增加。螺旋桨测风仪外观示意及结构如图1、图2所示。

图1 螺旋桨测风仪外观示意

图2 螺旋桨测风仪结构

2 基于WZ860070-E型直路风洞的风速校准测试

2.1 风速测试装置

(1)WZ860070-E型直路风洞。该型号风洞为中国气象局业务使用的低速直路风洞，其流场均匀性小于1%，稳定性小于0.5%，流速范围0.5～70 m/s，主要试验段的直径为600 mm，工作段长度1000 mm，为本试验的开展提供可行性。风洞的示意如图3所示。

图3 风洞示意

(2)皮托静压管。本次试验使用的是国家气象计量站的一等标准皮托静压管，该皮托静压管为L型，主要由探头和支杆组成。通过探头上的总压孔、静压孔得到风洞试验段中的微差压，然后连接到微压差计得到微差压值，通过计算得到标准风速值[4-5]。

2.2 标准风速计算方法

通过温度、湿度、气压传感器测得风洞试验段内的空气温度、相对湿度及气压值，然后用风洞试验段内的空气温度、相对湿度和气压值按式(1)计算出空气密度。

(1)

式中：T为试验段内空气温度，K；P0为试验段内气压，Pa；H为试验段内空气相对湿度，用小数表示；ew为T温度下的饱和水汽压，Pa。

再将空气密度、微差压计示值代入式(2)计算出标准风速值。

(2)

式中：v为标准风速，m/s；ρ为空气密度，kg/m3；p为微差压计示值,Pa；k为皮托静压管系数。

3 测试过程及数据获取

测试试验中，选用05106型螺旋桨测风仪作为试验用仪器，其测量值可数字化输出，分辨力为0.01 m/s。所用风洞为WZ860070-E型风洞，此风洞由国家气象计量站检测合格，整个洞体流场均匀稳定，满足试验要求。

在测试过程中，参考国标海洋螺旋桨式风向风速计中的测试点，选择2 m/s、5 m/s、10 m/s、20 m/s、30 m/s、50 m/s、70 m/s,共7个风速测试点。测试数据见表1。测试环境：温度为19.4 ℃，气压为1005.5 hPa，相对湿度为20.6%。

表1 测试数据 m/s

4 不确定度评定分析

4.1 不确定度评定测量模型

在校准过程中， 测量结果为示值误差

Δv=v′-v

(3)

式中：Δv为被校表在某一点的示值误差，m/s；v′为被校表在该点的示值，m/s；v为对应校准点的标准风速值，m/s。

将标准风速v的计算公式带入式(3)，同时考虑到风洞均匀性对测量结果的影响，求得被校表风速测量结果不确定度评定的测量模型：

(4)

式中：Δv为被校表在某一点的示值误差，m/s；v′为被校表在该点的示值，m/s；ξ为皮托静压管校准系数；Δf为风洞均匀性对测量结果的影响，m/s。

4.2 不确定度分量评定

4.2.1 螺旋桨测风仪测量重复性引入的不确定度

根据不同的风速点进行的3次重复风速测量值，用极差法[6-9]求出试验标准差，螺旋桨测风仪测量值为3次测量结果的平均值[10-11]，螺旋桨测风仪测量重复性引入的不确定度见表2。

表2 螺旋桨测风仪测量重复性引入的不确定度u(v′)

4.2.2 微差压计引入的标准不确定度

微差压计的最大允许误差为±0.5 Pa，取均匀分布，则微差压计示值误差引入的标准不确定度u(p)为：

4.2.3 皮托静压管校准系数引入的标准不确定度

试验使用的标准皮托静压管的校准系数ξ=1.003，相对不确定度urel为0.1%(包含因子k=2)。故由标准皮托静压管校准系数引入的绝对不确定度u(ξ)为

4.2.4 温度仪引入的标准不确定度

温度仪的最大允许误差为±0.5 ℃，按均匀分布，则温度仪测量引入的标准不确定度u(T)为

4.2.5 气压计引入的标准不确定度

气压计的最大允许误差为±2 hPa，按均匀分布，则气压计测量引入的标准不确定度u(P0)：

4.2.6 湿度仪引入的标准不确定度

湿度仪的最大允许误差为±8%，按均匀分布，则湿度仪测量引入的标准不确定度u(H)

4.2.7 风洞均匀性引入的不确定度

风洞的不均匀性最大为1.0%，因螺旋桨测风仪安装在风洞中，会对风场的均匀性产生影响。但由于皮托静压管和风速仪感应部分基本相近均匀区，按均匀分布[12-18]，则由风洞均匀性在各风速点引入的标准不确定度u(Δf)为

各标准点不确定度u(Δf)计算结果见表3。

表3 风洞均匀性引入的标准不确定度u(Δf) m/s

4.3 合成标准不确定度

各标准不确定度的灵敏系数变量见表4。灵敏度系数可由式(4)求偏导[19-20]得出。

表4 标准不确定度及灵敏度系数变量

(3.48353×10-3×P0-3.48353×10-3×

本次试验环境：温度为19.4 ℃，气压为1005.5 hPa，相对湿度为20.6%，则各灵敏度系数计算结果见表5。

表5 本次试验各灵敏度系数值 m/s

合成标准不确定度的计算公式如下：其计算结果见表6。

表6 合成标准不确定度uc m/s

4.4 扩展不确定度

取包含因子k=2，则扩展不确定度U=2uc，合成标准不确定度uc见表6，扩展不确定度计算结果见表7。

表7 扩展不确定度U(k=2) m/s

4.5 合理性分析

表8 扩展不确定度U与被校测风仪允许误差 MPEV及其比值 m/s

5 结论

通过上述试验以及测量结果的不确定度分析，得出以下结论：

(1)利用WZ860070-E型直路风洞对螺旋桨测风仪进行风速校准测试的方法是可行的。

(2)通过对螺旋桨测风仪测量结果的不确定度分析，可以得出风速校准标准装置以及螺旋桨测风仪自身存在不确定度分量外，校准装置工作段的温度、湿度、气压都对测量结果的不确定度有直接影响。

(3)本次测量结果不确定度评定分析充分考虑了各种可能的影响因子并尽可能取较大值计算，实际测量结果的扩展不确定度可能略小于本文给出扩展不确定度值。

测量结果的不确定度评定是计量工作不可缺少的部分，体现了测量工作的可信程度。本文给出的评定方法，可为风速类仪器测量结果的不确定度评定提供参考，具有一定参考价值。