毛壽興
(廣西區(qū)氣象技術(shù)裝備中心,南寧 530022)
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。
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
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
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。
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。
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)。
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。
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
(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。
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。
(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。
(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。
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)。