風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)裝置對(duì)比試驗(yàn)與探討

陳璐艷 陳 昉 鄭道淮 陳龍福 蔣文欣

(1.福建省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，福建 福州 350008；2.福州市氣象局，福建 福州 350008)

風(fēng)向是自動(dòng)氣象站常規(guī)氣象觀測(cè)要素之一，幾乎所有的國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象站和大部分省級(jí)區(qū)域自動(dòng)氣象站都要進(jìn)行風(fēng)向測(cè)量，其數(shù)值被廣泛用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、海洋、航天和軍事等各個(gè)領(lǐng)域，而且風(fēng)向的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于天氣預(yù)報(bào)、氣候監(jiān)測(cè)和霧霾防治等也至關(guān)重要[1-2]。目前用于氣象觀測(cè)風(fēng)向的傳感器主要是光電式風(fēng)向傳感器，其數(shù)據(jù)是通過(guò)光電管組產(chǎn)生的格雷碼進(jìn)行輸出[2-3]，其中EL15-2型風(fēng)向傳感器是國(guó)內(nèi)自動(dòng)氣象臺(tái)站普遍使用的風(fēng)向觀測(cè)設(shè)備。

本文以天津廠風(fēng)向傳感器EL15-2C為例，結(jié)合JJE10型風(fēng)向校準(zhǔn)儀和風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)儀的工作原理、校準(zhǔn)方法，采用對(duì)比試驗(yàn)方法進(jìn)行兩種校準(zhǔn)裝置的測(cè)量誤差精度和性價(jià)比分析，確保風(fēng)向校準(zhǔn)質(zhì)量，為計(jì)量檢定部門(mén)提供參考依據(jù)。

1 風(fēng)向傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置與現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法

目前福建省可用于風(fēng)向傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的裝置是JJE10型風(fēng)向校準(zhǔn)儀和風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)儀(福建省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心監(jiān)制)。

1.1 JJE10型風(fēng)向校準(zhǔn)儀

1.1.1 JJE10型風(fēng)向校準(zhǔn)儀工作原理

JJE10型風(fēng)向校驗(yàn)儀由校驗(yàn)臺(tái)和便攜式控制器兩大部分組成。校驗(yàn)臺(tái)用于安裝各類風(fēng)向傳感器，進(jìn)行風(fēng)向校驗(yàn)時(shí)，被測(cè)傳感器配套不同的風(fēng)座轉(zhuǎn)接件，安裝在校驗(yàn)臺(tái)上，用于支撐桿固定風(fēng)向。便攜式控制器控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)，采用閉環(huán)控制原理，使得校驗(yàn)儀精度得到保證[4]。

1.1.2 JJE10型風(fēng)向校準(zhǔn)儀校準(zhǔn)方法(以天津廠傳感器EL15-2C為例)

(1)將校驗(yàn)臺(tái)航插與便攜式控制器風(fēng)向輸出接口連接；選擇天津廠風(fēng)座，將風(fēng)座通過(guò)螺紋擰緊在校驗(yàn)臺(tái)上。

(2)將傳感器與配套標(biāo)識(shí)為(L6_風(fēng)向_天津廠_格雷碼)的短線纜擰緊，風(fēng)向傳感器安裝在風(fēng)座上并緊固固定螺絲，短線纜穿入中間的孔中；調(diào)整支撐桿高度，選擇適當(dāng)?shù)奈恢?，使用緊固螺釘緊固后，轉(zhuǎn)動(dòng)支撐桿移動(dòng)到尾翼下方，將尾翼托架向下按到尾翼下方位置，托架回彈卡住尾翼?xiàng)U。

(3)確認(rèn)連接無(wú)誤后，按下便攜式控制器的電源開(kāi)關(guān)，控制器上電自動(dòng)進(jìn)入主頁(yè)面(風(fēng)向)；選擇廠家型號(hào)(例如：天津EL15-2C)后，自動(dòng)退回到主界面(風(fēng)向)，此時(shí)廠家型號(hào)右側(cè)“默認(rèn)電壓”值會(huì)顯示出該傳感器供電電源，一定要確認(rèn)無(wú)誤后方可下一步，否則會(huì)導(dǎo)致傳感器燒毀。確認(rèn)無(wú)誤后，使用標(biāo)識(shí)為(L11_風(fēng)向輸入)的線纜一端與短線纜連接，另一端與便攜式控制器的風(fēng)向輸入接口連接。

(4)若只使用“置北”功能，則觸碰“置北”按鈕，此時(shí)尾翼隨著校驗(yàn)臺(tái)支撐桿轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中注意避免尾翼與其他物品干涉，如果正確找到北的位置，蜂鳴器將長(zhǎng)鳴一聲(持續(xù)時(shí)間約為1s)。

(5)觸碰設(shè)定值下方的深色圖，輸入要求的角度值，后觸碰“OK”鍵則返回到主界面(風(fēng)向)，此時(shí)設(shè)定值的深色方框中顯示的就是剛才設(shè)置的角度值；由于采用原點(diǎn)校準(zhǔn)原理，在觸碰“開(kāi)始”按鈕后，傳感器會(huì)自動(dòng)先進(jìn)行第(4)步的“置北”功能操作，然后再轉(zhuǎn)動(dòng)至設(shè)置的角度；如果轉(zhuǎn)動(dòng)完成后，繼續(xù)觸碰“啟動(dòng)”按鈕，則重復(fù)上述動(dòng)作，依舊先“置北”后轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的角度。

(6)根據(jù)風(fēng)向傳感器計(jì)量檢定規(guī)程，判斷標(biāo)準(zhǔn)值和測(cè)量值之間的誤差值是否在誤差允許范圍內(nèi)，完成風(fēng)向傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。

1.2 風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)儀

1.2.1 風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)儀工作原理

風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)儀包括兩個(gè)能夠相互扣合的扣件，兩個(gè)扣件扣合后形成整體，在形成的整體中心為一個(gè)與風(fēng)向傳感器主軸外輪廓相對(duì)應(yīng)的內(nèi)輪廓，兩個(gè)扣件上邊沿各設(shè)一個(gè)用于固定風(fēng)向傳感器轉(zhuǎn)軸的定位座，在扣件的側(cè)壁或上下面設(shè)有方位刻度，上刻度為校準(zhǔn)讀數(shù)用，下刻度在風(fēng)向傳感器指北標(biāo)志丟失下做記號(hào)用，兩個(gè)扣件的連接處設(shè)有使兩個(gè)扣件扣合時(shí)能夠固定的固定件。

1.2.2 風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)儀校準(zhǔn)方法(以天津廠傳感器EL15-2C為例)

①打開(kāi)彈簧扣，張開(kāi)風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)儀，將風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)儀放入風(fēng)向傳感器中。根據(jù)自動(dòng)氣象站風(fēng)向傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定，檢測(cè)點(diǎn)為0°、90°、180°、270°。②將風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)儀刻度“N”對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向傳感器指“N”黑刻度線上，扣上彈簧扣，讀取終端數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)風(fēng)向至刻度線與風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)儀“E”的位置對(duì)齊，讀取該點(diǎn)終端數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)風(fēng)向至刻度線與風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)儀“S”的位置對(duì)齊，讀取該點(diǎn)終端數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)風(fēng)向至刻度線與風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)儀“W”的位置對(duì)齊，讀取該點(diǎn)終端數(shù)據(jù)。③4個(gè)方位校準(zhǔn)結(jié)束，打開(kāi)彈簧扣，取下風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)儀。

2 校準(zhǔn)結(jié)果分析

2.1 計(jì)算方法

用風(fēng)向傳感器測(cè)量值減去校準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)值，作為該校準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量誤差。根據(jù)自動(dòng)氣象站風(fēng)向傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定，風(fēng)向傳感器的最大允許誤差為±5°，測(cè)量誤差值不超過(guò)技術(shù)要求時(shí)，視為合格。

采用公式(1)計(jì)算風(fēng)向校準(zhǔn)的示值誤差ΔE。

ΔE=e-E

(1)

式中，e為被測(cè)風(fēng)向示值，E為風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)自動(dòng)氣象站風(fēng)向傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定的風(fēng)向傳感器檢測(cè)點(diǎn)0°、90°、180°、270°作為標(biāo)準(zhǔn)值。利用JJE10型風(fēng)向校準(zhǔn)儀、風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)儀兩種風(fēng)向校準(zhǔn)裝置，分別對(duì)6個(gè)EL15-2C型風(fēng)向傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，并在風(fēng)向校準(zhǔn)記錄表中記下校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，詳見(jiàn)表1。

表1 EL15-2C型風(fēng)向傳感器在兩種校準(zhǔn)裝置中的校準(zhǔn)結(jié)果

表2為6個(gè)EL15-2C型風(fēng)向傳感器在兩種風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)裝置中的比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果，表2中，兩種風(fēng)向校準(zhǔn)儀裝置在校準(zhǔn)6個(gè)風(fēng)向傳感器時(shí)的測(cè)量誤差均值分別為0.83、1.25。總的來(lái)說(shuō)，兩種風(fēng)向校準(zhǔn)裝置基本上性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)測(cè)量有較高的準(zhǔn)確度，均適合對(duì)風(fēng)向傳感器的校準(zhǔn)。合理使用相關(guān)風(fēng)向校準(zhǔn)裝置在實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)十分重要[5-6]。JJE10型風(fēng)向校準(zhǔn)儀外觀簡(jiǎn)潔、大方，功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定、可靠，用戶操作簡(jiǎn)單，使用方便，但是該設(shè)備需要把風(fēng)向傳感器從風(fēng)塔上拆下來(lái)，只針對(duì)風(fēng)向傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，所以JJE10 型風(fēng)向校準(zhǔn)儀更適用于實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，或比較方便拆卸風(fēng)向傳感器的臺(tái)站校準(zhǔn)使用。而風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)儀使用方便，能夠在不拆卸風(fēng)向傳感器的情況下進(jìn)行校準(zhǔn)方位，節(jié)省了校準(zhǔn)時(shí)間，提高了工作效率。由于沒(méi)有拆卸風(fēng)向傳感器避免風(fēng)塔上下傳送時(shí)損壞風(fēng)向尾翼，同時(shí)避免因接口氧化拆卸時(shí)，損壞風(fēng)向傳感器。而風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)儀的結(jié)構(gòu)弧形抱夾的內(nèi)側(cè)4個(gè)橡膠條緊固風(fēng)杯軸外罩不易滑動(dòng)，在校準(zhǔn)完成后，利用該特性可以很好地確定正北點(diǎn)，避免在地面校準(zhǔn)好、固定到風(fēng)向支架時(shí)產(chǎn)生角度的誤差。同時(shí)還具有體積小，攜帶輕便等優(yōu)點(diǎn)，所以風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)儀比較適用于室外校準(zhǔn)，特別是沿海地區(qū)因氧化而比較難拆卸的臺(tái)站或環(huán)境比較惡劣的區(qū)域站校準(zhǔn)和核查。

表2 EL15-2C型風(fēng)向傳感器在2種校準(zhǔn)裝置中的風(fēng)向測(cè)量誤差

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)6個(gè)EL15-2C型風(fēng)向傳感器在兩種風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)裝置中的比對(duì)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可得，兩種風(fēng)向校準(zhǔn)儀裝置在校準(zhǔn)6個(gè)風(fēng)向傳感器時(shí)的測(cè)量誤差均值分別為0.83、1.25。由此可見(jiàn)，這兩種風(fēng)向校準(zhǔn)裝置基本上性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)測(cè)量有較高的準(zhǔn)確度，均適合對(duì)風(fēng)向傳感器的校準(zhǔn)。JJE10 型風(fēng)向校準(zhǔn)儀適用于實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，或比較方便拆卸風(fēng)向傳感器的臺(tái)站校準(zhǔn)使用。風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)儀比較適用于室外校準(zhǔn)，特別是沿海地區(qū)因氧化而比較難拆卸的臺(tái)站或環(huán)境比較惡劣的區(qū)域站校準(zhǔn)和核查。對(duì)于比較重要的臺(tái)站(例如國(guó)家級(jí)臺(tái)站)的風(fēng)向傳感器，可以在實(shí)驗(yàn)室用JJE10型校準(zhǔn)儀校準(zhǔn)，之后裝到風(fēng)塔上，再用風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核查，以確保正北點(diǎn)是否對(duì)應(yīng)，設(shè)備輸出數(shù)據(jù)是否精確、及時(shí)，以此保障風(fēng)向數(shù)據(jù)精確、可靠。