自动气象站风速传感器的检定及提高检定精度的方法

毛寿兴

（广西区气象技术装备中心，南宁 530022）

引言

气象观测要素中，风要素是不可缺少的观测项目之一[1]，风速传感器是测量风速的主要设备。我区93 个国家站以及六要素区域自动站都安装有风向风速传感器，风速传感器使用一段时间后，由于环境因素或者人为因素的影响，其物理特性和数据采集器的电子元件特性均会发生变化，导致测量结果出现偏差。为了保证风速观测数据的准确性、可靠性和可比性，必须定期送计量检定机构进行检定校准[2-4]。风速检定是一个复杂的过程，是将风速传感器安装在风洞内通过系统控制设备来完成的，传感器、标准器、各种配套设备的性能以及风洞内流场的特性，直接决定着检定结果的准确性和可靠性。

1 风速传感器的工作原理

我区采用的测风仪器是中环天仪（天津）气象仪器有限公司生产的EL15-1A 和EL15-1C 型杯式风速传感器、江苏省无线电科学研究所有限公司生产的ZQZ-TF 系列风速传感器。虽然它们的外型、尺寸、测速范围有所不同，但其工作原理是相同的，是由3 个互成120°的风杯组件、传动轴、内装有截光盘光电转换器的壳体、信号输出插座等部件组成[5-6]。通过风杯的旋转带动截光盘切割光电转换电路产生电脉冲，输出相应的电脉冲信号[7-8]，其电脉冲信号经计数器处理后，输出风速值（如图1）。

图1 风速传感器的工作原理框图

2 风速检定

2.1 风速检定的工作原理

将标准器皮托管、被检风速传感器安装在风洞体内，控制风机转动，气流在风洞体内运动。使被检风速传感器风杯转动，输出电脉冲信号传送到万用表，得出频率值，频率值根据频率与风速关系公式换算成风速值即指示风速；同时皮托管也测得气流的总压和静压，总压通过总压孔经皮托管的内管传送到微压计，静压通过静压孔经皮托管的外管传送到微压计，得到差压值，差压值根据相当风速公式换算成风速值，再进行经计算得出的总修正系数修正，修正后的风速值即实测风速。指示风速减去实际风速等于示值误差，根据起动风速值和各检定点的示值误差是否符合有关要求，判断被检风速传感器是否合格（图2）。

图2 风速检定工作原理框图

2.2 风速传感器计量性能

EL15型测量范围：（0～60）m·s-1；ZQZ-TF型测量范围：（0～90）m·s-1。

最大允误：±（0.5+0.03V）m·s-1（V 为指示风速）；起动风速：≤0.5m·s-1。

2.3 标准器

皮托管：皮托管的K 值应在0.99～1.01 之间。皮托管系数的允许误差：当（5～10）m·s-1时，不超过±0.04；当（10～25）m·s-1时，不超过±0.05。

数字微压计：测量范围（0～800）Pa，最大允许误差0.8Pa。

2.4 配套设备

回路低速风洞，数字变频器、调频控制器、万用表、压温湿记录仪、计算机。

2.5 系统连接

目前所采用的是HDF500 回路低速风洞，通过标准皮托管、数字微压计、数字变频器、压温湿记录仪、万用表、调频控制器、计算机等组成的检定系统来完成检定。检定系统的连接如图3。

2.6 检定的实现

风速检定是通过系统控制来完成的，控制风速电机转动，产生气流在风洞体内作循环运动。通过万用表和数字微压计同步读取风速传感器和标准皮托管的读数[9-10]，也同时读取气压、温度、湿度的读数；数据经过计算处理，得出风速传感器指示风速值和标准皮托管实测风速值，计算出示值误差。再转换到下一个检定点，通过数据变频器对电机转速进行控制，使风速达到各个检定点的目标值来完成各个检定点的检定，直至检定结束[11]。最后生成线性回归方程[12]。

图3 检定系统连接示意框图

2.7 检定方法

（1）外观检查

按照通用技术要求进行外观检查。用目测方法检查风速传感器外型结构是否完好，转轴竖直时其转动应平稳、灵活。转轴呈水平状态时，风杯应能随遇平衡。传感器表面不应有明显凹迹、外伤、裂缝、变形等现象，表面涂层不应起泡、龟裂和脱落，金属件不应有严重锈蚀及其它机械损伤。传感器型号、出厂编号是否清晰。外观检查合格的才进行启动风速、示值检定。

（2）检定点选择：2m·s-1、5m·s-1、10m·s-1、15m·s-1、20m·s-1、25m·s-1、30m·s-1。

（3）启动风速检定

在风速传感器的风杯处于静止状态下，调节变频器使风洞内气流缓慢增加，当风杯由静止变为连续转动时，等时距读取微压计示值，计算出风洞工作段内的实测风速值即为风速传感器的启动风速。

（4）示值检定

按规定要求调整风速检定点，当风速检定点调好后，调节变频器控制风速电机转动使风速达到设定检定点的目标风速并稳定1 分钟后，读取相应检定点上的标准器的实测风速值和被检风速传感器的指示风速值各三次[13]，计算误差值及该检定点的误差平均值。再转换至预设的下一个检定点，直至整个检定过程结束。

3 检定结果分析

3.1 风速检定

风速检定是通过系统控制来实现的，是一个复杂的过程，仪器性能、系统运行、检定过程操作都可能影响检定结果。2017年1月～12月检定的风速传感器共计216 个，其中51 个不合格，不合格率为24%（表1）。

表1 不合格数据表

从表1 可以得出，不合格风速传感器主要是起动风速不合格，占不合格比率的73%，所以在日常使用中，必须做好维护保养工作，清除污染物，保证仪器正常运行、性能稳定。

3.2 原因分析

（1）风速传感器在运输、拆卸过程中受到撞击等原因，使风杯变形，壳体破损严重，风速传感器外观检查不合格。

（2）风速传感器被腐蚀、尘埃、杂质堆积，使风杯转动不灵活[14-15]。指示风速偏小，起动风速偏大。

（3）风速传感器仪器老化，转动轴磨损严重，风杯转动摇晃或卡死[16]。起动风速过大，不符合规定要求。

（4）目前我区采用上述两个公司生产的风速传感器，工作电压有5 伏和12 伏的，供电不足，风速会偏小；不同公司产品的频率与风速关系公式也不同，指示风速是通过频率与风速关系公式计算出来的。在检定过程中需要选择产品的电压值和频率与风速关系公式，选择不当，导致示值误差偏大。

（5）检定设备保养过程中或其他原因，使皮托管移动，总压口与气流来向产生偏角，微压计测得的差压值偏小，得到的实测风速偏小，从而影响检定结果。

4 提高检定精度的措施

（1）防止风杯凹陷、变形

风速传感器在运输、拆装等过程中，应小心轻放、安全操作，避免撞击、坠落，防止风杯凹陷、变形。在使用中应检查风杯固定在风杯架上有无松动，是否紧固牢靠。

（2）消除污染物的影响[17]

在室外使用过程中，由于周围环境条件或人为等因素影响，风速传感器受腐蚀、尘埃、杂质堆积等，应不定期进行清理、维护、保养。即拆卸外壳，清除尘埃、杂质，添加润滑油，使其转动流畅、匀速。

（3）及时更换传感器、配件

风速传感器是电子类产品，电子元件都有一定的寿命，使用过程中存在耗损，长期不间断转动，使传动轴磨损、电子元件老化等，造成转动不灵活、有明显的噪声、旋转摇摆、卡滞等现象，应更换传动轴或传感器。

（4）避免检定操作过程中误选

目前我区自动气象站所使用的风速传感器的工作电压有5 伏和12 伏的，频率与风速的对应关系有0～1221 赫兹[18]和0.1F，在进行检定操作时一定要注意选取与被检风速传感器相一致的电压值和频率风速对应关系。

（5）标准器皮托管校正

每次进行检定前，对皮托管安装位置进行校正，检查上次检定后位置是否产生了偏移，确保皮托管总压口正对风的来向，不产生气流偏角。

5 结语

气象计量检定工作是气象基础业务和服务的基础，也是保证数据准确性和可靠性的基础工作。因此，在检定过程中要严格执行有关检定规程规范，认真操作，不断总结经验，完善检定流程和方法，提高检定结果的准确率。保证观测资料的准确性、连续性和可比性。为天气预报、气候监测、防灾减灾等提供准确的科学依据。