现场起动风速标准装置的性能分析及核查方法

2017-05-30郑亮张虎刘宗庆陈涛黄小静李晓红

中国测试 2017年12期

郑亮张虎刘宗庆陈涛黄小静李晓红

摘要：通过对比实验和统计2010～2015年期间现场起动风速标准装置的现场测试数据，分析和验证该标准装置复现起动风速量值的漂移特性。为确保现场起动风速校准结果的可靠性，提出采用传递比较法对该标准装置进行年度核查的方法以保证其性能处于受控状态。对比试验结果表明：通过该方法可使现场起动风速标准装置的量值具有溯源性，实际运用中大大降低风速测量仪器起动风速的现场误判率，与实验室起动风速检定结果的判定基本一致。

关键词：起动风速；量值溯源；现场校准；质量控制

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）12-0135-05

Abstract： Based on comparison test and statistics of field test data of staring wind velocity standard device from 2010 to 2015， the drift characteristics of the staring wind velocity quantity value reproduced by the standard device wereare analyzed and verified. In order to ensure the reliability of the staring wind velocity calibration results in the field， transmission comparison method wais adopted for annual verification of the standard device to ensure that its performance wais under control. The results of the comparison test show that the method can make the quantity value of the field staring wind velocity standard device traceable， which greatly reduces the field misjudgment rate of the wind speed measuring instrument about staring wind velocity in the practical application and the staring wind velocity conclusion of the judgment in the field is basically consistent with verification results.

Keywords： starting wind velocity； traceability； field calibration； quality control

0 引言

目前，气象计量业务量增长迅猛，数据是否可靠，关系到气象预报、探测等诸多领域。量值准确的前提是计量结果必须具有溯源性[1]。近年来，关于风速仪器计量方面的研究，如标准风速测量值的影响量分析[2]、风速传感器检定结果的不确定度分析[3]等，主要是对风速检定中实验室温度、空气密度修正系数对风速检定的影响进行分析，目的在于找出风速检定中的主要影响量，并加以消除，使检定结果更加真实、可靠。对风速传感器检定结果不确定度分析，也是基于此目的。但目前对于起动风速的研究较少，所谓起动风速是指回转型风速表开始并能维持转动，风向标在某一偏角释放返回到与规定气流方向的角度相同，能輸出信号并指明风的速度与方向变化的最低风速[4]。现阶段起动风速的实验室计量已有完整的计量体系[5-7]，而现场计量标准器未实现溯源到上一级，这将直接影响被检仪表的准确性[8]。为了保证量值传递准确可靠，减小不确定性对校准结果造成的误判，必须对其进行量值溯源。

本文根据实验室起动风速标准器溯源的方式与经验，运用相关的背景资料和统计检验相结合的技术[9-10]，研讨出一种对现场起动风速标准器溯源的方法，保证我国各省现场起动风速标准器的长期准确性、稳定性和可控性。

1 起动风速校准装置简介及数据来源

1.1 起动风速校准装置简介

现场起动风速校准装置由起动风速发生器、数字叶轮风速表和风速校验仪组成，用于校准杯式风速传感器的起动风速特性。数字叶轮风速表为标准器，起动风速发生器和风速校验仪为配套设备。我国气象用的杯式风速传感器类型主要是WAA151型、EZC-1型、EL15-1A型、EL15-1C型、ZQZ-TF型，数字叶轮风速判定起动风速合格与否的要求[10]，如表1所示。

1.2 数据资料来源

研究使用数据资料来自四川省2010年9月～2015年9月部分国家站的起动风速现场校准记录，四川省气象局风洞实验室风速传感器检定记录，起动风速校验仪出厂说明初始数据，以及2010年9月～2015年9月每半年一个周期的现场和实验室测试数据。

特此说明：因传感器类型不同，其技术指标和判定要求不同，但校准所使用的标准装置以及校准方法都相同，因此研究中所用到的实验、测试、记录等数据均以天津厂的EL15-1C型风速传感器为代表，后不赘述。

2 起动风速测量标准器在时间与地点上的类比差异分析

2.1 起动风速测量标准器在时间上的类比差异分析

对起动风速标准器在使用时间上进行追踪实验记录。在2010年9月至2015年9月，每隔半年对起动风速测量标准器进行一组试验测试，观察其年际变化[11]结果。

图1为起动风速现场校准原型。标准器的数值由起动风速校验仪内的气流强度决定。气流由可调电压源供电于起动风速校验仪里的风机产生，起动风速校验仪内放置的风速传感器其风杯与壳体对气流有一定的阻塞作用。由于风速传感器随着使用时间的增长，性能会下降，所需的起动风速就会增大，因此起动风速校验仪内放置传感器对气流有一定的影响，为了更好地检测标准器的准确性和可靠性，采用不在起动风速校验仪内放置传感器空吹的方式追踪测试标准器，模型如图2所示。

测试实验首先确定恒压源的电压值。EL15-1C型风速传感器起动风速判定合格与否的要求是标准器表示值≤30，标准器数值为30时等同于0.5 m/s风速产生。标准器表示值稳定持续的显示为30时，确定恒压源电压值，此后，从2010年9月～2015年9月的测试实验皆用此电压值。表2为3个起动风速标准器追踪测试实验的结果。从表中的实验结果得出，在恒定的0.5 m/s风速中连续5年且每隔半年做一组测试，标准器的数值表示均是逐年减小的，即正常损耗，性能下降。若一直延用出厂时给定的判定要求≤30，显然是不可靠的，必须对起动风速标准器进行溯源性研究，保证其准确性和可靠性。

2.2 起动风速测量标准器在地点上的类比差异分析

起动风速的测量有现场校准和实验室风洞检定两种方式。每年选定一定数量的两种方式样本类比的判定结果一致率。判定结果一致率体现两种方式判定结果的一致性程度[12]，即判定合格与否的一致性程度，公式如下：

C=■×100%

式中：n——样本数量；

m——两种方式判定结果相同时的个体数量。

表3统计了2010～2015年四川省部分国家站起动风速现场校准与实验室检定结果的对比情况。现场校准标准器是编号为1122的数字叶轮风速表，对比结果表明：现场校准的合格率逐年略显上升，实验室检定的合格率逐年下降，且幅度较大。现场校准与实验室检定的判定结果一致率逐年下降。

起动风速的实验室检定有完整的计量体系，符合计量的统一性、准确性、科学性、法制性。起动风速现场校准标准器自出厂后一直延用，未对其进行溯源。

结合表2、表3可以看出，起动风速现场校准标准器随使用时间增长，其准确性下降。在2015年，编号为1122的起动风速标准器表示值为25时，对应0.5 m/s的风速。而起动风速判定要求是≤30即为合格，所以，当25<现场标准器表示值≤30时，现场判定结果为合格。但实验室检定该范围内的起动风速值都超过最大允许误差，即风速>0.5 m/s。实验室判定结果为不合格。实际上，在25<现场标准器表示值≤30范围内的起动风速现场判定为误判。误判率是随着时间逐年提高，如图3所示。

如果不对现场起动风速器进行溯源，现场校准的起动风速误判率会逐年增大，从而影响传感器的准确性，所以必须制定出有效的方法对其进行溯源。

3 现场起动风速标准器的溯源及验证结果

3.1 现场起动风速标准器的溯源方法

《自动气象站现场校准方法》[13]和JJG（气象）004——2011《自动气象站风向风速传感器》[6]检定规程中对于起动风速的校准和检定都做出了类似的规定，即风杯由静止变为均匀转动时，读取一定次数的标准值，标准值的平均值为风速传感器的起动风速。起动风速的计量性能要求是：起动风速≤0.5 m/s。因此，对现场起动风速标准器（数字叶轮风速表）的溯源，就是对其进行0.5 m/s的风速校驗，将其最终溯源到实验室的风洞上。为了准确溯源现场起动风速标准器，在不改变起动风速现场校准原型的前提下采用间接溯源的方法，具体步骤是：首先，选择起动风速合格（≤0.5 m/s）且起动风速小的风速传感器作为量传风头。量传风头作为风洞与现场校准起动风速标准器装置量值传递的中间介质。其次，通过风洞给出V=0.5 m/s的标准风速，稳定后记录此时量传风头的显示值（V′）。最后，将量传风头作为中间传递，校验起动风速标准器（数字叶轮风速表），中间传递量值为V′。图4详细说明了现场起动风速的溯源过程。

通过上述溯源步骤，对3台现场起动风速标准器进行溯源，溯源数据见表4。

3.2 现场起动风速标准器溯源后的验证

对溯源完成后的标准器进行验证，随机选取EL15-1C和ZQZ-TF型风速传感器各20个作为测试样本。3台标准器按照现场校准步骤分别对测试样本的起动风速进行校准，分别记录下测试样本对应于该标准器的起动风速表示值。然后，将测试样本逐一在实验室风洞进行起动风速检定，记录下检定结果。对现场校准的起动风速表示值和实验室检定的起动风速结果绘制成图（如图5、图6）进行比较分析。注意：每个风速传感器的起动风速是独立、离散的值，与其他传感器无任何联系，这里用线进行连接是为了更好地比较现场校准和实验室检定起动风速的趋势区别。

图5、图6中可以明显看出同一测试样本分别用3台标准器进行现场起动风速校准，其起动风速表示值略微有差异，这跟溯源标准器时确定的0.5 m/s的表示值有关系，但是，趋势很一致。简而言之，不同标准器对应于0.5 m/s时的表示值不同，但通过其判别风速传感器起动风速是否超差，判定结果一致。

对比现场校准与实验室检定测试样本起动风速的判定结果，可以看出，同一测试样本的现场校准和实验室检定起动风速的判定结果完全一致。

所以，溯源后的现场起动风速校准结果的准确性和可靠性都大大提升，很大程度上减少了误判。

4 结束语

本文针对全国气象部门自动气象站现场起动风速校准标准器（数字叶轮风速表）一直以来没有溯源的问题进行了探讨分析。根据仪器本身的原理特性、现场校准模式和有关风项的溯源经验制定出现场起动风速标准器的溯源方法。现场起动风速标准器通过该溯源方法检测后，用于现场起动风速校准的判定与实验室起动风速检定后的判定结果一致，很好地解决了误判的问题，很大程度上提高了判定的准确性和可靠性，保证了数据的可信度。

参考文献

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