李松奎 賀曉雷 邊澤強(qiáng) 劉昕

(中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081)

引言

螺旋槳測(cè)風(fēng)儀是增強(qiáng)型的測(cè)風(fēng)傳感器，能夠適應(yīng)高濕度、高鹽度的環(huán)境。廣泛地使用于氣象、海洋領(lǐng)域。與傳統(tǒng)機(jī)械式測(cè)風(fēng)傳感器相比，螺旋漿測(cè)風(fēng)儀的回轉(zhuǎn)力矩大，慣性力小，對(duì)風(fēng)速的追徒性能極好，抗風(fēng)能力強(qiáng)。能夠應(yīng)對(duì)惡劣的海洋環(huán)境，在中國(guó)氣象局海洋一期工程海濱自動(dòng)站中被廣泛使用。為保證其測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，需要定期對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)工作。

氣象部門(mén)業(yè)務(wù)使用的風(fēng)速類儀器，多數(shù)已進(jìn)行了不確定度分析，如曾濤等[1]對(duì)自動(dòng)氣象站風(fēng)速傳感器測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了評(píng)定分析；李松奎等[2]對(duì)超聲波風(fēng)速儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了評(píng)定分析；韓玉婷等[3]對(duì)數(shù)字風(fēng)速儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了評(píng)定分析，但均未涉及到30 m/s以上風(fēng)速點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的不確定度分析。本文依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 24559-2009海洋螺旋槳式風(fēng)向風(fēng)速計(jì)中的測(cè)試方法以及測(cè)量不確定度的評(píng)定與表示的要求，使用風(fēng)速校準(zhǔn)裝置，以美國(guó)Young公司05106型螺旋槳測(cè)風(fēng)儀作為研究對(duì)象，在WZ860070-E型低速直路風(fēng)洞中進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度分析。

1 螺旋槳測(cè)風(fēng)儀工作原理

螺旋槳測(cè)風(fēng)儀一般由螺旋槳、風(fēng)速轉(zhuǎn)軸、風(fēng)速發(fā)電線圈等組成。在風(fēng)力作用下，螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)軸上的磁極旋轉(zhuǎn)，在線圈中感應(yīng)出正弦信號(hào)，其頻率隨風(fēng)速的增大而線性增加。螺旋槳測(cè)風(fēng)儀外觀示意及結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 螺旋槳測(cè)風(fēng)儀外觀示意

圖2 螺旋槳測(cè)風(fēng)儀結(jié)構(gòu)

2 基于WZ860070-E型直路風(fēng)洞的風(fēng)速校準(zhǔn)測(cè)試

2.1 風(fēng)速測(cè)試裝置

(1)WZ860070-E型直路風(fēng)洞。該型號(hào)風(fēng)洞為中國(guó)氣象局業(yè)務(wù)使用的低速直路風(fēng)洞，其流場(chǎng)均勻性小于1%，穩(wěn)定性小于0.5%，流速范圍0.5～70 m/s，主要試驗(yàn)段的直徑為600 mm，工作段長(zhǎng)度1000 mm，為本試驗(yàn)的開(kāi)展提供可行性。風(fēng)洞的示意如圖3所示。

圖3 風(fēng)洞示意

(2)皮托靜壓管。本次試驗(yàn)使用的是國(guó)家氣象計(jì)量站的一等標(biāo)準(zhǔn)皮托靜壓管，該皮托靜壓管為L(zhǎng)型，主要由探頭和支桿組成。通過(guò)探頭上的總壓孔、靜壓孔得到風(fēng)洞試驗(yàn)段中的微差壓，然后連接到微壓差計(jì)得到微差壓值，通過(guò)計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值[4-5]。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速計(jì)算方法

通過(guò)溫度、濕度、氣壓傳感器測(cè)得風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)的空氣溫度、相對(duì)濕度及氣壓值，然后用風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)的空氣溫度、相對(duì)濕度和氣壓值按式(1)計(jì)算出空氣密度。

(1)

式中：T為試驗(yàn)段內(nèi)空氣溫度，K；P0為試驗(yàn)段內(nèi)氣壓，Pa；H為試驗(yàn)段內(nèi)空氣相對(duì)濕度，用小數(shù)表示；ew為T(mén)溫度下的飽和水汽壓，Pa。

再將空氣密度、微差壓計(jì)示值代入式(2)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值。

(2)

式中：v為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；p為微差壓計(jì)示值,Pa；k為皮托靜壓管系數(shù)。

3 測(cè)試過(guò)程及數(shù)據(jù)獲取

測(cè)試試驗(yàn)中，選用05106型螺旋槳測(cè)風(fēng)儀作為試驗(yàn)用儀器，其測(cè)量值可數(shù)字化輸出，分辨力為0.01 m/s。所用風(fēng)洞為WZ860070-E型風(fēng)洞，此風(fēng)洞由國(guó)家氣象計(jì)量站檢測(cè)合格，整個(gè)洞體流場(chǎng)均勻穩(wěn)定，滿足試驗(yàn)要求。

在測(cè)試過(guò)程中，參考國(guó)標(biāo)海洋螺旋槳式風(fēng)向風(fēng)速計(jì)中的測(cè)試點(diǎn)，選擇2 m/s、5 m/s、10 m/s、20 m/s、30 m/s、50 m/s、70 m/s,共7個(gè)風(fēng)速測(cè)試點(diǎn)。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。測(cè)試環(huán)境：溫度為19.4 ℃，氣壓為1005.5 hPa，相對(duì)濕度為20.6%。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù) m/s

4 不確定度評(píng)定分析

4.1 不確定度評(píng)定測(cè)量模型

在校準(zhǔn)過(guò)程中， 測(cè)量結(jié)果為示值誤差

Δv=v′-v

(3)

式中：Δv為被校表在某一點(diǎn)的示值誤差，m/s；v′為被校表在該點(diǎn)的示值，m/s；v為對(duì)應(yīng)校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值，m/s。

將標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速v的計(jì)算公式帶入式(3)，同時(shí)考慮到風(fēng)洞均勻性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，求得被校表風(fēng)速測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定的測(cè)量模型：

(4)

式中：Δv為被校表在某一點(diǎn)的示值誤差，m/s；v′為被校表在該點(diǎn)的示值，m/s；ξ為皮托靜壓管校準(zhǔn)系數(shù)；Δf為風(fēng)洞均勻性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，m/s。

4.2 不確定度分量評(píng)定

4.2.1 螺旋槳測(cè)風(fēng)儀測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度

根據(jù)不同的風(fēng)速點(diǎn)進(jìn)行的3次重復(fù)風(fēng)速測(cè)量值，用極差法[6-9]求出試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差，螺旋槳測(cè)風(fēng)儀測(cè)量值為3次測(cè)量結(jié)果的平均值[10-11]，螺旋槳測(cè)風(fēng)儀測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度見(jiàn)表2。

表2 螺旋槳測(cè)風(fēng)儀測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度u(v′)

4.2.2 微差壓計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

微差壓計(jì)的最大允許誤差為±0.5 Pa，取均勻分布，則微差壓計(jì)示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(p)為：

4.2.3 皮托靜壓管校準(zhǔn)系數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

試驗(yàn)使用的標(biāo)準(zhǔn)皮托靜壓管的校準(zhǔn)系數(shù)ξ=1.003，相對(duì)不確定度urel為0.1%(包含因子k=2)。故由標(biāo)準(zhǔn)皮托靜壓管校準(zhǔn)系數(shù)引入的絕對(duì)不確定度u(ξ)為

4.2.4 溫度儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

溫度儀的最大允許誤差為±0.5 ℃，按均勻分布，則溫度儀測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(T)為

4.2.5 氣壓計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

氣壓計(jì)的最大允許誤差為±2 hPa，按均勻分布，則氣壓計(jì)測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(P0)：

4.2.6 濕度儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

濕度儀的最大允許誤差為±8%，按均勻分布，則濕度儀測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(H)

4.2.7 風(fēng)洞均勻性引入的不確定度

風(fēng)洞的不均勻性最大為1.0%，因螺旋槳測(cè)風(fēng)儀安裝在風(fēng)洞中，會(huì)對(duì)風(fēng)場(chǎng)的均勻性產(chǎn)生影響。但由于皮托靜壓管和風(fēng)速儀感應(yīng)部分基本相近均勻區(qū)，按均勻分布[12-18]，則由風(fēng)洞均勻性在各風(fēng)速點(diǎn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Δf)為

各標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)不確定度u(Δf)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 風(fēng)洞均勻性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Δf) m/s

4.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

各標(biāo)準(zhǔn)不確定度的靈敏系數(shù)變量見(jiàn)表4。靈敏度系數(shù)可由式(4)求偏導(dǎo)[19-20]得出。

表4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度及靈敏度系數(shù)變量

(3.48353×10-3×P0-3.48353×10-3×

本次試驗(yàn)環(huán)境：溫度為19.4 ℃，氣壓為1005.5 hPa，相對(duì)濕度為20.6%，則各靈敏度系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 本次試驗(yàn)各靈敏度系數(shù)值 m/s

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算公式如下：其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc m/s

4.4 擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度U=2uc，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc見(jiàn)表6，擴(kuò)展不確定度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 擴(kuò)展不確定度U(k=2) m/s

4.5 合理性分析

表8 擴(kuò)展不確定度U與被校測(cè)風(fēng)儀允許誤差 MPEV及其比值 m/s

5 結(jié)論

通過(guò)上述試驗(yàn)以及測(cè)量結(jié)果的不確定度分析，得出以下結(jié)論：

(1)利用WZ860070-E型直路風(fēng)洞對(duì)螺旋槳測(cè)風(fēng)儀進(jìn)行風(fēng)速校準(zhǔn)測(cè)試的方法是可行的。

(2)通過(guò)對(duì)螺旋槳測(cè)風(fēng)儀測(cè)量結(jié)果的不確定度分析，可以得出風(fēng)速校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)裝置以及螺旋槳測(cè)風(fēng)儀自身存在不確定度分量外，校準(zhǔn)裝置工作段的溫度、濕度、氣壓都對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度有直接影響。

(3)本次測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定分析充分考慮了各種可能的影響因子并盡可能取較大值計(jì)算，實(shí)際測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度可能略小于本文給出擴(kuò)展不確定度值。

測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定是計(jì)量工作不可缺少的部分，體現(xiàn)了測(cè)量工作的可信程度。本文給出的評(píng)定方法，可為風(fēng)速類儀器測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定提供參考，具有一定參考價(jià)值。