馬亞運,吳勇,廖鑫,代永光,林春英

（1．青海省大氣探測技術(shù)保障中心，青海西寧 810000；2．青海省人工影響天氣辦公室，青海西寧 810000）

1 引言

目前，全國省級氣象計量檢定機(jī)構(gòu)依照J(rèn)JG204-80《氣象用通風(fēng)干濕表檢定規(guī)程》對氣象用通風(fēng)干濕表進(jìn)行計量檢定[1]。通過二等補(bǔ)償式微壓計或傾斜式微壓計測得的風(fēng)速值是判斷通風(fēng)干濕表合格與否的重要因素之一，因此風(fēng)速值準(zhǔn)確與否直接影響被檢通風(fēng)干濕表的使用[2]，通風(fēng)速度是指溫度表球部周圍的空氣流速。傾斜式微壓計屬于機(jī)械式壓力計，在使用過程存在機(jī)械結(jié)構(gòu)老化、人工讀數(shù)誤差控制困難、K酒溶液配比誤差大、無法溯源等問題[3]。因此，本文通過測量原理分析、對比實驗和數(shù)據(jù)解析，論證了用數(shù)字壓力計替代傾斜式微壓計作為計量標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行通風(fēng)干濕表風(fēng)速檢定的可行性，證明了該方法在通風(fēng)干濕表通風(fēng)速度檢定中具有更高的準(zhǔn)確性。同時，用上位機(jī)數(shù)據(jù)采集代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工讀數(shù)，減小了讀數(shù)誤差。并根據(jù)實驗結(jié)果，對現(xiàn)行的JJG204-1980《氣象用通風(fēng)干濕表檢定規(guī)》提出補(bǔ)充計量標(biāo)準(zhǔn)器的修改意見，為進(jìn)一步完善通風(fēng)干濕表檢定規(guī)程提供參考。

2 利用數(shù)字壓力計的測量原理

2.1 通風(fēng)速度測量原理

通風(fēng)干濕表中的通風(fēng)器對干、濕球溫度表的感應(yīng)球部進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，其中一支溫度表的水銀球部纏以浸濕的脫脂紗布，由于紗布上水分的蒸發(fā)而使該溫度表的溫度下降，利用兩支溫度表球部表面的溫度差，根據(jù)公式(1)、(2)計算得到空氣的相對濕度[4]。

式中e是空氣中的水汽壓(hPa)，ew是溫度為t 時的飽和水汽壓(hPa)，A是干濕表系數(shù)，P是環(huán)境大氣壓(hPa)，t1是濕球溫度，t2是干球溫度，u是相對濕度(%)。

通風(fēng)干濕表的風(fēng)速大小與相對濕度沒有數(shù)量關(guān)系，產(chǎn)生風(fēng)速的目的是使?jié)袂驕囟瓤焖傧陆?，根?jù)干、濕球溫度差計算相對濕度。因此對通風(fēng)干濕表風(fēng)速的檢定要求是第四分鐘末其通風(fēng)速度不小于2．5m/s。

通風(fēng)原理如圖1所示，通風(fēng)管的尾部通風(fēng)口以三通結(jié)構(gòu)為連接，使流經(jīng)兩支干濕球溫度計球部的風(fēng)壓之和等于總風(fēng)壓，通風(fēng)干濕表全速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，通過測量總風(fēng)壓產(chǎn)生的液柱位移值△h，根據(jù)公式(3)計算得到總風(fēng)速。

圖1 通風(fēng)原理

C是溫度表球部處的管道特性系數(shù)值0．9，K是壓力計系數(shù)。

2.2 風(fēng)速值修正方法

檢定實驗中測得的風(fēng)速是相當(dāng)風(fēng)速V0，是指氣壓為1013．25hPa、溫度為15℃、相對濕度為0%時的風(fēng)速值。而實際檢定中，環(huán)境條件與標(biāo)準(zhǔn)條件存在差異，空氣阻力系數(shù)[5]會隨濕度增大而增大，影響皮托管中的流場，所以需要引入修正系數(shù)Kρ對測量結(jié)果進(jìn)行修正[6]。

式中t是環(huán)境溫度(℃)，修正后的實際風(fēng)速。

2.3 數(shù)字壓力計的測量原理分析

數(shù)字壓力計是氣象風(fēng)速類裝備檢定使用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，常與皮托靜壓管配套使用[7]。其工作原理是，數(shù)字壓力計的測壓口和參考口分別測量流體的總壓PΦ和靜壓P∞[8]，根據(jù)壓差和流體密度ρ 的關(guān)系計算流速。然而在實際的測量過程中，由于受皮托管管道內(nèi)流體的粘性影響，使得實際的流體流速變小，此時需要引入一個系數(shù)加以修正，即皮托管系數(shù)ξ[9]，得到實際流速：

用數(shù)字壓力計代替傾斜式微壓計時，通過靜壓管將數(shù)字壓力計的測壓口和通風(fēng)干濕表的通風(fēng)入口連接，數(shù)字壓力計的參考口與大氣聯(lián)通，由于此時P∞相對大氣壓力的值為0，所以

因此，數(shù)字壓力計的測量值P就是通風(fēng)干濕表產(chǎn)生的風(fēng)壓。

3 對比實驗與分析

實驗使用的數(shù)字壓力計和傾斜式微壓計具有相同的準(zhǔn)確度等級，均為二級計量標(biāo)準(zhǔn)器，具體參數(shù)見表1。

表1 兩種壓力計性能參數(shù)

在兩種壓力計具有相同準(zhǔn)確度等級的前提下，設(shè)計如下實驗。(1)用測量指定風(fēng)速點風(fēng)速值的方式，對比兩種壓力計的測量準(zhǔn)確性。使用風(fēng)速發(fā)生裝置給出2～5m/s的10個風(fēng)速點，分別用數(shù)字壓力計和傾斜式微壓計測量風(fēng)壓并計算風(fēng)速，對比兩者的準(zhǔn)確性[10]。(2)分別用數(shù)字壓力計和傾斜式微壓計測量多個通風(fēng)干濕表的通風(fēng)速度，得到實驗數(shù)據(jù)；再將上述實驗使用的通風(fēng)干濕表送往具有一級計量資質(zhì)的單位進(jìn)行檢定，將數(shù)字壓力計和傾斜式微壓計的測量結(jié)果分別與一級標(biāo)準(zhǔn)的測量結(jié)果作比較，對比兩種壓力計的測量準(zhǔn)確性。(3)用數(shù)學(xué)分析的方法討論各組實驗數(shù)據(jù)的相關(guān)性。Pearson 相關(guān)系數(shù)[11-12]表示數(shù)據(jù)曲線的相關(guān)性，它代表了兩條曲線的相似程度，按公式(8)計算得到。

由于每組實驗數(shù)據(jù)曲線的橫坐標(biāo)相同，可視為空間向量，可以用距離范數(shù)[13](歐式距離)來表示它們之間的差異，它代表了兩條曲線在空間中的接近程度，用公式(9)計算得到。

為提高實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，數(shù)字壓力計的讀數(shù)使用上位機(jī)采集的方式代替人工讀數(shù)，減小讀數(shù)誤差。

3.1 風(fēng)速點測量實驗

實驗使用的風(fēng)速發(fā)生裝置經(jīng)第三方檢測并出具證書，具備風(fēng)速標(biāo)定能力。兩種壓力計的壓力計系數(shù)是K數(shù)=1．0001，K傾=0．0439。指定風(fēng)速點測量結(jié)果如表2所示。

該組試驗中，兩種壓力計讀數(shù)均采用等時間間隔多次讀數(shù)取平均的方法。將實驗數(shù)據(jù)擬合成曲線，得到圖2。

表2中，用數(shù)字壓力計測量得到的各風(fēng)速點的風(fēng)速值的相對誤差更小，圖2中的數(shù)字壓力計測量曲線與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速點曲線重合度更高。

圖2 風(fēng)速點測量數(shù)據(jù)擬合曲線

表2 風(fēng)速點測量結(jié)果

3.2 測量通風(fēng)干濕表風(fēng)速的比對實驗

實驗選取工作狀況良好5支機(jī)械式通風(fēng)干濕表和5支電動通風(fēng)干濕表，標(biāo)注為機(jī)械1～機(jī)械5、電動1～電動5，分別用數(shù)字壓力計和傾斜式微壓計測量這10支通風(fēng)干濕表的通風(fēng)速度，再將上述10 支通風(fēng)干濕表送往國家氣象計量站檢定，得到一級標(biāo)準(zhǔn)的測量數(shù)據(jù)。需要說明的是，電動通風(fēng)干濕表產(chǎn)生的風(fēng)是勻速的；而機(jī)械式通風(fēng)干濕表的風(fēng)速是線性遞減的，根據(jù)JJG204-80的要求需要測量六個時間點的風(fēng)速值。表3是5 支電動通風(fēng)干濕表的風(fēng)速測量結(jié)果，表4列出了其中2支機(jī)械式通風(fēng)干濕表的風(fēng)速測量結(jié)果。

表3 電動通風(fēng)干濕表通風(fēng)速度

表4 兩支機(jī)械式通風(fēng)干濕表通風(fēng)速度

實驗環(huán)境參數(shù)如表5所示。

表5 實驗環(huán)境參數(shù)

本組實驗中，一級標(biāo)準(zhǔn)實驗與其它兩種壓力計實驗的環(huán)境條件不同，需要考慮空氣密度系數(shù)對實驗數(shù)據(jù)的影響，由公式(4)計算得到一級標(biāo)準(zhǔn)實驗環(huán)境的空氣密度系數(shù)Kρ1=1．172，數(shù)字壓力計和傾斜式微壓計實驗環(huán)境的空氣密度系數(shù)Kρ2=1．198。修正后的實驗數(shù)據(jù)如表6、7所示。

表6 修正后電動通風(fēng)干濕表通風(fēng)速度

把修正前后的實驗數(shù)據(jù)擬合，得到圖3、圖4。

圖3 電動通風(fēng)干濕表測量數(shù)據(jù)修正前后

圖4 機(jī)械通風(fēng)干濕表測量數(shù)據(jù)修正前后

在上述實驗中，數(shù)字壓力計測量曲線與一級標(biāo)準(zhǔn)測量曲線，在修正前的重合度更高，修正后難以直觀判斷，因此，需要用數(shù)學(xué)方法進(jìn)一步分析各組測量數(shù)據(jù)之間的相似性。

根據(jù)公式(8)計算它們的相關(guān)系數(shù)。各組數(shù)據(jù)修正前后的相關(guān)系數(shù)如表8所示。

表8 修正前后相關(guān)系數(shù)

相關(guān)系數(shù)越接近1，表示兩條數(shù)據(jù)曲線相似程度越高[14]。用公式(9)計算各組數(shù)據(jù)的距離范數(shù)，修正前后距離范數(shù)如表9所示。

表9 修正前后歐氏距離

距離范數(shù)越接近0，兩組數(shù)據(jù)代表的空間向量越接近[15]。

3.3 結(jié)果分析

(1)風(fēng)速點測量實驗中，數(shù)字壓力計測量結(jié)果的相對誤差更小，圖2中的數(shù)字壓力計測量曲線與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速點曲線重合度更高。通風(fēng)干濕表風(fēng)速測量實驗中，數(shù)字壓力計與一級標(biāo)準(zhǔn)的測量結(jié)果曲線有更好的相關(guān)性，重合度更高，修正后的數(shù)據(jù)也具有相同的特征關(guān)系。

(2)由表6可知，數(shù)據(jù)修正前后，傾斜式微壓計和數(shù)字壓力計都與一級標(biāo)準(zhǔn)測量結(jié)果高度相關(guān)，但數(shù)字壓力計與一級標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)系數(shù)更接近1，表明它們的相關(guān)性更好。

(3)由表7可知，數(shù)據(jù)修正前后，數(shù)字壓力計與一級標(biāo)準(zhǔn)的測量結(jié)果的距離范數(shù)相對更小，表示它們的偏離程度更小，在空間上更接近。

表7 修正后機(jī)械通風(fēng)干濕表通風(fēng)速度

綜上，通過對實驗數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)方法分析，證明了數(shù)字壓力計的測量結(jié)果更接近一級標(biāo)準(zhǔn)的測量結(jié)果，具有更高的準(zhǔn)確性。需要注意的是，實驗產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差可能來自于人工讀數(shù)誤差、傾斜式微壓計K 酒溶液配比或蒸發(fā)產(chǎn)生的誤差、通風(fēng)干濕表工作異常產(chǎn)生的誤差等等，但實驗過程嚴(yán)格遵照了JJG204-1980《氣象用通風(fēng)干濕表檢定規(guī)》中的要求，因此實驗數(shù)據(jù)可靠有效。

4 結(jié)束語

本研究表明數(shù)字壓力計在測量風(fēng)速時，相比傾斜式微壓計測量更加精確，誤差更小，因此可以在通風(fēng)干濕表的檢定中用數(shù)字壓力計代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式壓力計作為計量工具。使用上位機(jī)讀數(shù)的方法代替人工讀數(shù)，能提高讀數(shù)的準(zhǔn)確性，減小誤差。機(jī)械式壓力計在使用過程中由于機(jī)械結(jié)構(gòu)和人員操作產(chǎn)生的誤差很難避免，而數(shù)字壓力計在這方面不存在缺陷。建議將數(shù)字式壓力計作為標(biāo)準(zhǔn)器補(bǔ)充列入JJG204-1980《氣象用通風(fēng)干濕表檢定規(guī)》。