毛壽興

（廣西區(qū)氣象技術(shù)裝備中心，南寧 530022）

引言

氣象觀測要素中，風(fēng)要素是不可缺少的觀測項目之一[1]，風(fēng)速傳感器是測量風(fēng)速的主要設(shè)備。我區(qū)93 個國家站以及六要素區(qū)域自動站都安裝有風(fēng)向風(fēng)速傳感器，風(fēng)速傳感器使用一段時間后，由于環(huán)境因素或者人為因素的影響，其物理特性和數(shù)據(jù)采集器的電子元件特性均會發(fā)生變化，導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)偏差。為了保證風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和可比性，必須定期送計量檢定機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定校準(zhǔn)[2-4]。風(fēng)速檢定是一個復(fù)雜的過程，是將風(fēng)速傳感器安裝在風(fēng)洞內(nèi)通過系統(tǒng)控制設(shè)備來完成的，傳感器、標(biāo)準(zhǔn)器、各種配套設(shè)備的性能以及風(fēng)洞內(nèi)流場的特性，直接決定著檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 風(fēng)速傳感器的工作原理

我區(qū)采用的測風(fēng)儀器是中環(huán)天儀（天津）氣象儀器有限公司生產(chǎn)的EL15-1A 和EL15-1C 型杯式風(fēng)速傳感器、江蘇省無線電科學(xué)研究所有限公司生產(chǎn)的ZQZ-TF 系列風(fēng)速傳感器。雖然它們的外型、尺寸、測速范圍有所不同，但其工作原理是相同的，是由3 個互成120°的風(fēng)杯組件、傳動軸、內(nèi)裝有截光盤光電轉(zhuǎn)換器的殼體、信號輸出插座等部件組成[5-6]。通過風(fēng)杯的旋轉(zhuǎn)帶動截光盤切割光電轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生電脈沖，輸出相應(yīng)的電脈沖信號[7-8]，其電脈沖信號經(jīng)計數(shù)器處理后，輸出風(fēng)速值（如圖1）。

圖1 風(fēng)速傳感器的工作原理框圖

2 風(fēng)速檢定

2.1 風(fēng)速檢定的工作原理

將標(biāo)準(zhǔn)器皮托管、被檢風(fēng)速傳感器安裝在風(fēng)洞體內(nèi)，控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動，氣流在風(fēng)洞體內(nèi)運(yùn)動。使被檢風(fēng)速傳感器風(fēng)杯轉(zhuǎn)動，輸出電脈沖信號傳送到萬用表，得出頻率值，頻率值根據(jù)頻率與風(fēng)速關(guān)系公式換算成風(fēng)速值即指示風(fēng)速；同時皮托管也測得氣流的總壓和靜壓，總壓通過總壓孔經(jīng)皮托管的內(nèi)管傳送到微壓計，靜壓通過靜壓孔經(jīng)皮托管的外管傳送到微壓計，得到差壓值，差壓值根據(jù)相當(dāng)風(fēng)速公式換算成風(fēng)速值，再進(jìn)行經(jīng)計算得出的總修正系數(shù)修正，修正后的風(fēng)速值即實測風(fēng)速。指示風(fēng)速減去實際風(fēng)速等于示值誤差，根據(jù)起動風(fēng)速值和各檢定點(diǎn)的示值誤差是否符合有關(guān)要求，判斷被檢風(fēng)速傳感器是否合格（圖2）。

圖2 風(fēng)速檢定工作原理框圖

2.2 風(fēng)速傳感器計量性能

EL15型測量范圍：（0～60）m·s-1；ZQZ-TF型測量范圍：（0～90）m·s-1。

最大允誤：±（0.5+0.03V）m·s-1（V 為指示風(fēng)速）；起動風(fēng)速：≤0.5m·s-1。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)器

皮托管：皮托管的K 值應(yīng)在0.99～1.01 之間。皮托管系數(shù)的允許誤差：當(dāng)（5～10）m·s-1時，不超過±0.04；當(dāng)（10～25）m·s-1時，不超過±0.05。

數(shù)字微壓計：測量范圍（0～800）Pa，最大允許誤差0.8Pa。

2.4 配套設(shè)備

回路低速風(fēng)洞，數(shù)字變頻器、調(diào)頻控制器、萬用表、壓溫濕記錄儀、計算機(jī)。

2.5 系統(tǒng)連接

目前所采用的是HDF500 回路低速風(fēng)洞，通過標(biāo)準(zhǔn)皮托管、數(shù)字微壓計、數(shù)字變頻器、壓溫濕記錄儀、萬用表、調(diào)頻控制器、計算機(jī)等組成的檢定系統(tǒng)來完成檢定。檢定系統(tǒng)的連接如圖3。

2.6 檢定的實現(xiàn)

風(fēng)速檢定是通過系統(tǒng)控制來完成的，控制風(fēng)速電機(jī)轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生氣流在風(fēng)洞體內(nèi)作循環(huán)運(yùn)動。通過萬用表和數(shù)字微壓計同步讀取風(fēng)速傳感器和標(biāo)準(zhǔn)皮托管的讀數(shù)[9-10]，也同時讀取氣壓、溫度、濕度的讀數(shù)；數(shù)據(jù)經(jīng)過計算處理，得出風(fēng)速傳感器指示風(fēng)速值和標(biāo)準(zhǔn)皮托管實測風(fēng)速值，計算出示值誤差。再轉(zhuǎn)換到下一個檢定點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)變頻器對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使風(fēng)速達(dá)到各個檢定點(diǎn)的目標(biāo)值來完成各個檢定點(diǎn)的檢定，直至檢定結(jié)束[11]。最后生成線性回歸方程[12]。

圖3 檢定系統(tǒng)連接示意框圖

2.7 檢定方法

（1）外觀檢查

按照通用技術(shù)要求進(jìn)行外觀檢查。用目測方法檢查風(fēng)速傳感器外型結(jié)構(gòu)是否完好，轉(zhuǎn)軸豎直時其轉(zhuǎn)動應(yīng)平穩(wěn)、靈活。轉(zhuǎn)軸呈水平狀態(tài)時，風(fēng)杯應(yīng)能隨遇平衡。傳感器表面不應(yīng)有明顯凹跡、外傷、裂縫、變形等現(xiàn)象，表面涂層不應(yīng)起泡、龜裂和脫落，金屬件不應(yīng)有嚴(yán)重銹蝕及其它機(jī)械損傷。傳感器型號、出廠編號是否清晰。外觀檢查合格的才進(jìn)行啟動風(fēng)速、示值檢定。

（2）檢定點(diǎn)選擇：2m·s-1、5m·s-1、10m·s-1、15m·s-1、20m·s-1、25m·s-1、30m·s-1。

（3）啟動風(fēng)速檢定

在風(fēng)速傳感器的風(fēng)杯處于靜止?fàn)顟B(tài)下，調(diào)節(jié)變頻器使風(fēng)洞內(nèi)氣流緩慢增加，當(dāng)風(fēng)杯由靜止變?yōu)檫B續(xù)轉(zhuǎn)動時，等時距讀取微壓計示值，計算出風(fēng)洞工作段內(nèi)的實測風(fēng)速值即為風(fēng)速傳感器的啟動風(fēng)速。

（4）示值檢定

按規(guī)定要求調(diào)整風(fēng)速檢定點(diǎn)，當(dāng)風(fēng)速檢定點(diǎn)調(diào)好后，調(diào)節(jié)變頻器控制風(fēng)速電機(jī)轉(zhuǎn)動使風(fēng)速達(dá)到設(shè)定檢定點(diǎn)的目標(biāo)風(fēng)速并穩(wěn)定1 分鐘后，讀取相應(yīng)檢定點(diǎn)上的標(biāo)準(zhǔn)器的實測風(fēng)速值和被檢風(fēng)速傳感器的指示風(fēng)速值各三次[13]，計算誤差值及該檢定點(diǎn)的誤差平均值。再轉(zhuǎn)換至預(yù)設(shè)的下一個檢定點(diǎn)，直至整個檢定過程結(jié)束。

3 檢定結(jié)果分析

3.1 風(fēng)速檢定

風(fēng)速檢定是通過系統(tǒng)控制來實現(xiàn)的，是一個復(fù)雜的過程，儀器性能、系統(tǒng)運(yùn)行、檢定過程操作都可能影響檢定結(jié)果。2017年1月～12月檢定的風(fēng)速傳感器共計216 個，其中51 個不合格，不合格率為24%（表1）。

表1 不合格數(shù)據(jù)表

從表1 可以得出，不合格風(fēng)速傳感器主要是起動風(fēng)速不合格，占不合格比率的73%，所以在日常使用中，必須做好維護(hù)保養(yǎng)工作，清除污染物，保證儀器正常運(yùn)行、性能穩(wěn)定。

3.2 原因分析

（1）風(fēng)速傳感器在運(yùn)輸、拆卸過程中受到撞擊等原因，使風(fēng)杯變形，殼體破損嚴(yán)重，風(fēng)速傳感器外觀檢查不合格。

（2）風(fēng)速傳感器被腐蝕、塵埃、雜質(zhì)堆積，使風(fēng)杯轉(zhuǎn)動不靈活[14-15]。指示風(fēng)速偏小，起動風(fēng)速偏大。

（3）風(fēng)速傳感器儀器老化，轉(zhuǎn)動軸磨損嚴(yán)重，風(fēng)杯轉(zhuǎn)動搖晃或卡死[16]。起動風(fēng)速過大，不符合規(guī)定要求。

（4）目前我區(qū)采用上述兩個公司生產(chǎn)的風(fēng)速傳感器，工作電壓有5 伏和12 伏的，供電不足，風(fēng)速會偏??；不同公司產(chǎn)品的頻率與風(fēng)速關(guān)系公式也不同，指示風(fēng)速是通過頻率與風(fēng)速關(guān)系公式計算出來的。在檢定過程中需要選擇產(chǎn)品的電壓值和頻率與風(fēng)速關(guān)系公式，選擇不當(dāng)，導(dǎo)致示值誤差偏大。

（5）檢定設(shè)備保養(yǎng)過程中或其他原因，使皮托管移動，總壓口與氣流來向產(chǎn)生偏角，微壓計測得的差壓值偏小，得到的實測風(fēng)速偏小，從而影響檢定結(jié)果。

4 提高檢定精度的措施

（1）防止風(fēng)杯凹陷、變形

風(fēng)速傳感器在運(yùn)輸、拆裝等過程中，應(yīng)小心輕放、安全操作，避免撞擊、墜落，防止風(fēng)杯凹陷、變形。在使用中應(yīng)檢查風(fēng)杯固定在風(fēng)杯架上有無松動，是否緊固牢靠。

（2）消除污染物的影響[17]

在室外使用過程中，由于周圍環(huán)境條件或人為等因素影響，風(fēng)速傳感器受腐蝕、塵埃、雜質(zhì)堆積等，應(yīng)不定期進(jìn)行清理、維護(hù)、保養(yǎng)。即拆卸外殼，清除塵埃、雜質(zhì)，添加潤滑油，使其轉(zhuǎn)動流暢、勻速。

（3）及時更換傳感器、配件

風(fēng)速傳感器是電子類產(chǎn)品，電子元件都有一定的壽命，使用過程中存在耗損，長期不間斷轉(zhuǎn)動，使傳動軸磨損、電子元件老化等，造成轉(zhuǎn)動不靈活、有明顯的噪聲、旋轉(zhuǎn)搖擺、卡滯等現(xiàn)象，應(yīng)更換傳動軸或傳感器。

（4）避免檢定操作過程中誤選

目前我區(qū)自動氣象站所使用的風(fēng)速傳感器的工作電壓有5 伏和12 伏的，頻率與風(fēng)速的對應(yīng)關(guān)系有0～1221 赫茲[18]和0.1F，在進(jìn)行檢定操作時一定要注意選取與被檢風(fēng)速傳感器相一致的電壓值和頻率風(fēng)速對應(yīng)關(guān)系。

（5）標(biāo)準(zhǔn)器皮托管校正

每次進(jìn)行檢定前，對皮托管安裝位置進(jìn)行校正，檢查上次檢定后位置是否產(chǎn)生了偏移，確保皮托管總壓口正對風(fēng)的來向，不產(chǎn)生氣流偏角。

5 結(jié)語

氣象計量檢定工作是氣象基礎(chǔ)業(yè)務(wù)和服務(wù)的基礎(chǔ)，也是保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性的基礎(chǔ)工作。因此，在檢定過程中要嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)檢定規(guī)程規(guī)范，認(rèn)真操作，不斷總結(jié)經(jīng)驗，完善檢定流程和方法，提高檢定結(jié)果的準(zhǔn)確率。保證觀測資料的準(zhǔn)確性、連續(xù)性和可比性。為天氣預(yù)報、氣候監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)等提供準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。