基于数字压力计的通风干湿表检定方法研究＊

马亚运,吴勇,廖鑫,代永光,林春英

（1．青海省大气探测技术保障中心，青海西宁 810000；2．青海省人工影响天气办公室，青海西宁 810000）

1 引言

目前，全国省级气象计量检定机构依照JJG204-80《气象用通风干湿表检定规程》对气象用通风干湿表进行计量检定[1]。通过二等补偿式微压计或倾斜式微压计测得的风速值是判断通风干湿表合格与否的重要因素之一，因此风速值准确与否直接影响被检通风干湿表的使用[2]，通风速度是指温度表球部周围的空气流速。倾斜式微压计属于机械式压力计，在使用过程存在机械结构老化、人工读数误差控制困难、K酒溶液配比误差大、无法溯源等问题[3]。因此，本文通过测量原理分析、对比实验和数据解析，论证了用数字压力计替代倾斜式微压计作为计量标准器进行通风干湿表风速检定的可行性，证明了该方法在通风干湿表通风速度检定中具有更高的准确性。同时，用上位机数据采集代替传统的人工读数，减小了读数误差。并根据实验结果，对现行的JJG204-1980《气象用通风干湿表检定规》提出补充计量标准器的修改意见，为进一步完善通风干湿表检定规程提供参考。

2 利用数字压力计的测量原理

2.1 通风速度测量原理

通风干湿表中的通风器对干、湿球温度表的感应球部进行强制通风，其中一支温度表的水银球部缠以浸湿的脱脂纱布，由于纱布上水分的蒸发而使该温度表的温度下降，利用两支温度表球部表面的温度差，根据公式(1)、(2)计算得到空气的相对湿度[4]。

式中e是空气中的水汽压(hPa)，ew是温度为t 时的饱和水汽压(hPa)，A是干湿表系数，P是环境大气压(hPa)，t1是湿球温度，t2是干球温度，u是相对湿度(%)。

通风干湿表的风速大小与相对湿度没有数量关系，产生风速的目的是使湿球温度快速下降，根据干、湿球温度差计算相对湿度。因此对通风干湿表风速的检定要求是第四分钟末其通风速度不小于2．5m/s。

通风原理如图1所示，通风管的尾部通风口以三通结构为连接，使流经两支干湿球温度计球部的风压之和等于总风压，通风干湿表全速运转状态下，通过测量总风压产生的液柱位移值△h，根据公式(3)计算得到总风速。

图1 通风原理

C是温度表球部处的管道特性系数值0．9，K是压力计系数。

2.2 风速值修正方法

检定实验中测得的风速是相当风速V0，是指气压为1013．25hPa、温度为15℃、相对湿度为0%时的风速值。而实际检定中，环境条件与标准条件存在差异，空气阻力系数[5]会随湿度增大而增大，影响皮托管中的流场，所以需要引入修正系数Kρ对测量结果进行修正[6]。

式中t是环境温度(℃)，修正后的实际风速。

2.3 数字压力计的测量原理分析

数字压力计是气象风速类装备检定使用的标准设备，常与皮托静压管配套使用[7]。其工作原理是，数字压力计的测压口和参考口分别测量流体的总压PΦ和静压P∞[8]，根据压差和流体密度ρ 的关系计算流速。然而在实际的测量过程中，由于受皮托管管道内流体的粘性影响，使得实际的流体流速变小，此时需要引入一个系数加以修正，即皮托管系数ξ[9]，得到实际流速：

用数字压力计代替倾斜式微压计时，通过静压管将数字压力计的测压口和通风干湿表的通风入口连接，数字压力计的参考口与大气联通，由于此时P∞相对大气压力的值为0，所以

因此，数字压力计的测量值P就是通风干湿表产生的风压。

3 对比实验与分析

实验使用的数字压力计和倾斜式微压计具有相同的准确度等级，均为二级计量标准器，具体参数见表1。

表1 两种压力计性能参数

在两种压力计具有相同准确度等级的前提下，设计如下实验。(1)用测量指定风速点风速值的方式，对比两种压力计的测量准确性。使用风速发生装置给出2～5m/s的10个风速点，分别用数字压力计和倾斜式微压计测量风压并计算风速，对比两者的准确性[10]。(2)分别用数字压力计和倾斜式微压计测量多个通风干湿表的通风速度，得到实验数据；再将上述实验使用的通风干湿表送往具有一级计量资质的单位进行检定，将数字压力计和倾斜式微压计的测量结果分别与一级标准的测量结果作比较，对比两种压力计的测量准确性。(3)用数学分析的方法讨论各组实验数据的相关性。Pearson 相关系数[11-12]表示数据曲线的相关性，它代表了两条曲线的相似程度，按公式(8)计算得到。

由于每组实验数据曲线的横坐标相同，可视为空间向量，可以用距离范数[13](欧式距离)来表示它们之间的差异，它代表了两条曲线在空间中的接近程度，用公式(9)计算得到。

为提高实验数据的准确性，数字压力计的读数使用上位机采集的方式代替人工读数，减小读数误差。

3.1 风速点测量实验

实验使用的风速发生装置经第三方检测并出具证书，具备风速标定能力。两种压力计的压力计系数是K数=1．0001，K倾=0．0439。指定风速点测量结果如表2所示。

该组试验中，两种压力计读数均采用等时间间隔多次读数取平均的方法。将实验数据拟合成曲线，得到图2。

表2中，用数字压力计测量得到的各风速点的风速值的相对误差更小，图2中的数字压力计测量曲线与标准风速点曲线重合度更高。

图2 风速点测量数据拟合曲线

表2 风速点测量结果

3.2 测量通风干湿表风速的比对实验

实验选取工作状况良好5支机械式通风干湿表和5支电动通风干湿表，标注为机械1～机械5、电动1～电动5，分别用数字压力计和倾斜式微压计测量这10支通风干湿表的通风速度，再将上述10 支通风干湿表送往国家气象计量站检定，得到一级标准的测量数据。需要说明的是，电动通风干湿表产生的风是匀速的；而机械式通风干湿表的风速是线性递减的，根据JJG204-80的要求需要测量六个时间点的风速值。表3是5 支电动通风干湿表的风速测量结果，表4列出了其中2支机械式通风干湿表的风速测量结果。

表3 电动通风干湿表通风速度

表4 两支机械式通风干湿表通风速度

实验环境参数如表5所示。

表5 实验环境参数

本组实验中，一级标准实验与其它两种压力计实验的环境条件不同，需要考虑空气密度系数对实验数据的影响，由公式(4)计算得到一级标准实验环境的空气密度系数Kρ1=1．172，数字压力计和倾斜式微压计实验环境的空气密度系数Kρ2=1．198。修正后的实验数据如表6、7所示。

表6 修正后电动通风干湿表通风速度

把修正前后的实验数据拟合，得到图3、图4。

图3 电动通风干湿表测量数据修正前后

图4 机械通风干湿表测量数据修正前后

在上述实验中，数字压力计测量曲线与一级标准测量曲线，在修正前的重合度更高，修正后难以直观判断，因此，需要用数学方法进一步分析各组测量数据之间的相似性。

根据公式(8)计算它们的相关系数。各组数据修正前后的相关系数如表8所示。

表8 修正前后相关系数

相关系数越接近1，表示两条数据曲线相似程度越高[14]。用公式(9)计算各组数据的距离范数，修正前后距离范数如表9所示。

表9 修正前后欧氏距离

距离范数越接近0，两组数据代表的空间向量越接近[15]。

3.3 结果分析

(1)风速点测量实验中，数字压力计测量结果的相对误差更小，图2中的数字压力计测量曲线与标准风速点曲线重合度更高。通风干湿表风速测量实验中，数字压力计与一级标准的测量结果曲线有更好的相关性，重合度更高，修正后的数据也具有相同的特征关系。

(2)由表6可知，数据修正前后，倾斜式微压计和数字压力计都与一级标准测量结果高度相关，但数字压力计与一级标准的相关系数更接近1，表明它们的相关性更好。

(3)由表7可知，数据修正前后，数字压力计与一级标准的测量结果的距离范数相对更小，表示它们的偏离程度更小，在空间上更接近。

表7 修正后机械通风干湿表通风速度

综上，通过对实验数据的数学方法分析，证明了数字压力计的测量结果更接近一级标准的测量结果，具有更高的准确性。需要注意的是，实验产生的数据误差可能来自于人工读数误差、倾斜式微压计K 酒溶液配比或蒸发产生的误差、通风干湿表工作异常产生的误差等等，但实验过程严格遵照了JJG204-1980《气象用通风干湿表检定规》中的要求，因此实验数据可靠有效。

4 结束语

本研究表明数字压力计在测量风速时，相比倾斜式微压计测量更加精确，误差更小，因此可以在通风干湿表的检定中用数字压力计代替传统的机械式压力计作为计量工具。使用上位机读数的方法代替人工读数，能提高读数的准确性，减小误差。机械式压力计在使用过程中由于机械结构和人员操作产生的误差很难避免，而数字压力计在这方面不存在缺陷。建议将数字式压力计作为标准器补充列入JJG204-1980《气象用通风干湿表检定规》。