自動氣象站風速傳感器的檢定及提高檢定精度的方法

毛壽興

（廣西區氣象技術裝備中心，南寧 530022）

引言

氣象觀測要素中，風要素是不可缺少的觀測項目之一[1]，風速傳感器是測量風速的主要設備。我區93 個國家站以及六要素區域自動站都安裝有風向風速傳感器，風速傳感器使用一段時間后，由于環境因素或者人為因素的影響，其物理特性和數據采集器的電子元件特性均會發生變化，導致測量結果出現偏差。為了保證風速觀測數據的準確性、可靠性和可比性，必須定期送計量檢定機構進行檢定校準[2-4]。風速檢定是一個復雜的過程，是將風速傳感器安裝在風洞內通過系統控制設備來完成的，傳感器、標準器、各種配套設備的性能以及風洞內流場的特性，直接決定著檢定結果的準確性和可靠性。

1 風速傳感器的工作原理

我區采用的測風儀器是中環天儀（天津）氣象儀器有限公司生產的EL15-1A 和EL15-1C 型杯式風速傳感器、江蘇省無線電科學研究所有限公司生產的ZQZ-TF 系列風速傳感器。雖然它們的外型、尺寸、測速范圍有所不同，但其工作原理是相同的，是由3 個互成120°的風杯組件、傳動軸、內裝有截光盤光電轉換器的殼體、信號輸出插座等部件組成[5-6]。通過風杯的旋轉帶動截光盤切割光電轉換電路產生電脈沖，輸出相應的電脈沖信號[7-8]，其電脈沖信號經計數器處理后，輸出風速值（如圖1）。

圖1 風速傳感器的工作原理框圖

2 風速檢定

2.1 風速檢定的工作原理

將標準器皮托管、被檢風速傳感器安裝在風洞體內，控制風機轉動，氣流在風洞體內運動。使被檢風速傳感器風杯轉動，輸出電脈沖信號傳送到萬用表，得出頻率值，頻率值根據頻率與風速關系公式換算成風速值即指示風速；同時皮托管也測得氣流的總壓和靜壓，總壓通過總壓孔經皮托管的內管傳送到微壓計，靜壓通過靜壓孔經皮托管的外管傳送到微壓計，得到差壓值，差壓值根據相當風速公式換算成風速值，再進行經計算得出的總修正系數修正，修正后的風速值即實測風速。指示風速減去實際風速等于示值誤差，根據起動風速值和各檢定點的示值誤差是否符合有關要求，判斷被檢風速傳感器是否合格（圖2）。

圖2 風速檢定工作原理框圖

2.2 風速傳感器計量性能

EL15型測量范圍：（0～60）m·s-1；ZQZ-TF型測量范圍：（0～90）m·s-1。

最大允誤：±（0.5+0.03V）m·s-1（V 為指示風速）；起動風速：≤0.5m·s-1。

2.3 標準器

皮托管：皮托管的K 值應在0.99～1.01 之間。皮托管系數的允許誤差：當（5～10）m·s-1時，不超過±0.04；當（10～25）m·s-1時，不超過±0.05。

數字微壓計：測量范圍（0～800）Pa，最大允許誤差0.8Pa。

2.4 配套設備

回路低速風洞，數字變頻器、調頻控制器、萬用表、壓溫濕記錄儀、計算機。

2.5 系統連接

目前所采用的是HDF500 回路低速風洞，通過標準皮托管、數字微壓計、數字變頻器、壓溫濕記錄儀、萬用表、調頻控制器、計算機等組成的檢定系統來完成檢定。檢定系統的連接如圖3。

2.6 檢定的實現

風速檢定是通過系統控制來完成的，控制風速電機轉動，產生氣流在風洞體內作循環運動。通過萬用表和數字微壓計同步讀取風速傳感器和標準皮托管的讀數[9-10]，也同時讀取氣壓、溫度、濕度的讀數；數據經過計算處理，得出風速傳感器指示風速值和標準皮托管實測風速值，計算出示值誤差。再轉換到下一個檢定點，通過數據變頻器對電機轉速進行控制，使風速達到各個檢定點的目標值來完成各個檢定點的檢定，直至檢定結束[11]。最后生成線性回歸方程[12]。

圖3 檢定系統連接示意框圖

2.7 檢定方法

（1）外觀檢查

按照通用技術要求進行外觀檢查。用目測方法檢查風速傳感器外型結構是否完好，轉軸豎直時其轉動應平穩、靈活。轉軸呈水平狀態時，風杯應能隨遇平衡。傳感器表面不應有明顯凹跡、外傷、裂縫、變形等現象，表面涂層不應起泡、龜裂和脫落，金屬件不應有嚴重銹蝕及其它機械損傷。傳感器型號、出廠編號是否清晰。外觀檢查合格的才進行啟動風速、示值檢定。

（2）檢定點選擇：2m·s-1、5m·s-1、10m·s-1、15m·s-1、20m·s-1、25m·s-1、30m·s-1。

（3）啟動風速檢定

在風速傳感器的風杯處于靜止狀態下，調節變頻器使風洞內氣流緩慢增加，當風杯由靜止變為連續轉動時，等時距讀取微壓計示值，計算出風洞工作段內的實測風速值即為風速傳感器的啟動風速。

（4）示值檢定

按規定要求調整風速檢定點，當風速檢定點調好后，調節變頻器控制風速電機轉動使風速達到設定檢定點的目標風速并穩定1 分鐘后，讀取相應檢定點上的標準器的實測風速值和被檢風速傳感器的指示風速值各三次[13]，計算誤差值及該檢定點的誤差平均值。再轉換至預設的下一個檢定點，直至整個檢定過程結束。

3 檢定結果分析

3.1 風速檢定

風速檢定是通過系統控制來實現的，是一個復雜的過程，儀器性能、系統運行、檢定過程操作都可能影響檢定結果。2017年1月～12月檢定的風速傳感器共計216 個，其中51 個不合格，不合格率為24%（表1）。

表1 不合格數據表

從表1 可以得出，不合格風速傳感器主要是起動風速不合格，占不合格比率的73%，所以在日常使用中，必須做好維護保養工作，清除污染物，保證儀器正常運行、性能穩定。

3.2 原因分析

（1）風速傳感器在運輸、拆卸過程中受到撞擊等原因，使風杯變形，殼體破損嚴重，風速傳感器外觀檢查不合格。

（2）風速傳感器被腐蝕、塵埃、雜質堆積，使風杯轉動不靈活[14-15]。指示風速偏小，起動風速偏大。

（3）風速傳感器儀器老化，轉動軸磨損嚴重，風杯轉動搖晃或卡死[16]。起動風速過大，不符合規定要求。

（4）目前我區采用上述兩個公司生產的風速傳感器，工作電壓有5 伏和12 伏的，供電不足，風速會偏小；不同公司產品的頻率與風速關系公式也不同，指示風速是通過頻率與風速關系公式計算出來的。在檢定過程中需要選擇產品的電壓值和頻率與風速關系公式，選擇不當，導致示值誤差偏大。

（5）檢定設備保養過程中或其他原因，使皮托管移動，總壓口與氣流來向產生偏角，微壓計測得的差壓值偏小，得到的實測風速偏小，從而影響檢定結果。

4 提高檢定精度的措施

（1）防止風杯凹陷、變形

風速傳感器在運輸、拆裝等過程中，應小心輕放、安全操作，避免撞擊、墜落，防止風杯凹陷、變形。在使用中應檢查風杯固定在風杯架上有無松動，是否緊固牢靠。

（2）消除污染物的影響[17]

在室外使用過程中，由于周圍環境條件或人為等因素影響，風速傳感器受腐蝕、塵埃、雜質堆積等，應不定期進行清理、維護、保養。即拆卸外殼，清除塵埃、雜質，添加潤滑油，使其轉動流暢、勻速。

（3）及時更換傳感器、配件

風速傳感器是電子類產品，電子元件都有一定的壽命，使用過程中存在耗損，長期不間斷轉動，使傳動軸磨損、電子元件老化等，造成轉動不靈活、有明顯的噪聲、旋轉搖擺、卡滯等現象，應更換傳動軸或傳感器。

（4）避免檢定操作過程中誤選

目前我區自動氣象站所使用的風速傳感器的工作電壓有5 伏和12 伏的，頻率與風速的對應關系有0～1221 赫茲[18]和0.1F，在進行檢定操作時一定要注意選取與被檢風速傳感器相一致的電壓值和頻率風速對應關系。

（5）標準器皮托管校正

每次進行檢定前，對皮托管安裝位置進行校正，檢查上次檢定后位置是否產生了偏移，確保皮托管總壓口正對風的來向，不產生氣流偏角。

5 結語

氣象計量檢定工作是氣象基礎業務和服務的基礎，也是保證數據準確性和可靠性的基礎工作。因此，在檢定過程中要嚴格執行有關檢定規程規范，認真操作，不斷總結經驗，完善檢定流程和方法，提高檢定結果的準確率。保證觀測資料的準確性、連續性和可比性。為天氣預報、氣候監測、防災減災等提供準確的科學依據。