更換風杯對傳感器風速測量值影響的實驗研究

馬修才 ，牛永紅

（1.內蒙古自治區大氣探測技術保障中心，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古自治區氣象信息中心，內蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

三杯風速傳感器是氣象領域應用最為廣泛的地面測風設備[1-3]，主要由風杯部件和殼體（包括轉軸和風速轉換電路等）組成。在近年的實驗室比對工作中，選用了兩個EL15-1A型風速傳感器作為風速比對參比儀器，在多個實驗室之間依次進行檢定實驗。比對實驗的過程中，拆卸傳感器時并未將同一套設備的風杯和殼體標號區分（風速傳感器只在殼體上標示了傳感器的出廠編號），在分析可能影響檢定結果的因素時，參比實驗室的檢定人員提出：同一傳感器殼體調換不同風杯部件，可能會對傳感器的風速值產生較大的影響。而且近些年隨著風速傳感器檢定量的提升，很多臺站在拆卸送檢某些型號傳感器時并未保持原有配套風杯。因此，有必要對這種因素進行實驗，通過充足的實驗數據，檢驗風速傳感器調換風杯對傳感器風速測量值的影響程度。

目前國內對不同材質、形狀的風杯對傳感器風速測量值的影響已經有一些相關的研究[4]，也有學者對不同型號傳感器的性能進行了對比[5]，但是并沒有類似對同一型號的三杯風速傳感器更換風杯對風速測量值造成影響的研究。因此，本文進行了調換風杯對傳感器風速測量值的影響的實驗研究，并進行了結果分析，希望可以在風洞實驗室的檢定或校準工作中起到一定的參考作用。

1 實驗概述

1.1 實驗對象的確定

目前內蒙古自治區用于地面氣象觀測的自動氣象站所采用的風速傳感器有四種型號[6-8]，分別為EL15-1A、EL15-1C、EZC-1和ZQZ-TF。對于ZQZTF型號的風速傳感器，一般臺站在送檢過程中不會對此型號的風杯進行拆卸，因此本文不討論該型號的傳感器。此次研究只針對EL15-1A、EL15-1C、EZC-1三種型號的風速傳感器。

1.2 實驗所用儀器設備

本次傳感器測試實驗借助40 m/s低速回路風洞，測試所用標準器具為二等皮托靜壓管和0.02級數字微壓計，按照JJG（氣象）004-2011《自動氣象站風向風速傳感器》檢定規程中的傳感器檢測方法進行實驗。

1.3 實驗方案

首先對目標傳感器進行初查，包括外觀檢查和實驗前檢定（確保樣本有效可用），選定樣本。每個型號的風速傳感器選取N個，分別對傳感器殼體和風杯進行編號（分別記作表1，風杯1；表2，風杯2；……；表N，風杯N）。依次將表1和風杯1、風杯2到風杯N進行配套，組成風速傳感器進行測試。用同樣的方法完成表2～N與1～N個風杯搭配的測試，共取得N×N份檢定數據。對檢定結果進行數據處理，并分析判斷，得出結論。

為了減少實驗時間跨度過長而造成的實驗環境變化過大引起的不確定因素，將實驗安排在盡量短的時間內集中完成，保存測試數據，實驗結束后統一進行數據處理和分析。

2 實驗過程

EL15-1A、EL15-1C、EZC-1三種型號的風速傳感器各取6套。對18套傳感器進行實驗前的檢查，包括外觀檢查和實驗前的檢定（確保傳感器有效可用），18套樣品傳感器全部通過檢查。

對上述各個型號的風速傳感器調換風杯后進行實驗：風速測試點選取啟動風速分別為2 m/s、5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s，每個風速點重復測量10次，以10次重復測量的算術平均值作為最終結果，由低風速到高風速依次進行。記錄各次實驗數據，匯總有效可用的實驗數據，利用設計好的Excel表格進行數據處理。

3 數據處理與實驗結果分析

3.1 數據處理方法

首先對實驗過程中的粗大誤差進行判別和處理，常用的粗大誤差判別方法有3σ準則、格拉布斯準則和迪克遜準則[9-10]。3σ準則雖然簡便，但僅適用于測量序列長度大于10的情況，且在數據處理中已經逐漸被淘汰；格拉布斯準則和迪克遜準則都適用于測量序列長度大于3的情況。為了慎重，研究小組選擇使用格拉布斯準則和迪克遜準則分別進行判斷，當利用兩種準則均判斷為異常值時，才將該數據作為粗大誤差剔除。

本次實驗的目的是比較傳感器風杯和軸部對風速值的影響關系，以示值誤差的極差和標準偏差作為切入點進行比較。這兩個指標都是表征一組數據離散程度的量值，可以有效反映這組數據的一致程度。

具體數據處理方法如下：1）每種型號各36份測試數據，將同一個傳感器的6份測試結果組成1組，分成6組數據；再將同一個風杯的6份測試結果組成1組，分成另外6組數據；2）計算各組數據在每個風速點的示值誤差的極差和標準偏差；3）將第2步得到的極差和標準偏差匯集成表格，以便分析比較并得出結論。

3.2 EL15-1A實驗數據對比結果

圖1為EL15-1A型號的風速傳感器各組實驗示值誤差數據極差的對比情況，圖2為EL15-1A型號的風速傳感器各組實驗示值誤差數據標準偏差的對比情況。在圖中，圖例“表N”表示第N個傳感器調換不同風杯得到的示值誤差的極差或標準偏差的分布（對應實線），圖例“風杯N”表示第N個風杯安裝到不同傳感器上得到的示值誤差的極差或標準偏差分布（對應虛線）。

圖1 EL15-1A各組數據示值誤差的極差對比結果

圖2 EL15-1A各組數據示值誤差的標準偏差對比結果

結合圖1和圖2，可以明顯地看出，對于EL15-1A型號的傳感器，2 m/s以上的風速部分，同一傳感器調換不同風杯得到的示值誤差的極差和標準偏差均較大，并且隨著檢定點風速的升高，極差和標準偏差都隨之增大；而同一風杯安裝在不同傳感器上，得到的風速結果較為一致，示值誤差的極差和標準偏差均較小。由此可以得出，對于EL15-1A型的風速傳感器，2 m/s以上的風速部分，風杯對風速傳感器的風速輸出起決定作用，而對于啟動風速，風杯和傳感器軸部對風速值均有影響，無法區分哪個因素影響更大。

3.3 EL15-1C實驗數據對比結果

圖3為EL15-1C型號的風速傳感器各組實驗示值誤差數據的極差對比情況，圖4為EL15-1C型號的風速傳感器各組實驗示值誤差數據的標準偏差對比情況。

結合圖3和圖4，可以明顯地看出，EL15-1C型號傳感器的實驗結果與EL15-1A型號傳感器的實驗結果一致，即對于EL15-1C型的風速傳感器，2 m/s以上風速部分，風杯對風速傳感器的風速輸出起決定作用，而對于啟動風速，風杯和傳感器軸部對風速值均有影響，無法區分哪個因素影響更大。

圖3 EL15-1C各組數據示值誤差的極差對比結果

圖4 EL15-1C各組數據示值誤差的標準偏差對比結果

3.4 EZC-1實驗數據對比結果

圖5為EZC-1型號的風速傳感器各組實驗示值誤差數據的極差對比情況，圖6為EZC-1型號的風速傳感器各組實驗示值誤差數據的標準偏差對比情況。

結合圖5和圖6，可以明顯地看出，EZC-1型號的傳感器，同一傳感器調換風杯和同一風杯安裝在不同傳感器上的檢定示值誤差的極差和標準偏差混雜在一起，差異并不明顯。因此可以得出結論，對于EZC-1型的風速傳感器，風杯和傳感器軸部對風速輸出均有影響，但是影響均衡，并不能區分影響程度孰高孰低。

圖5 EZC-1各組數據示值誤差的極差對比結果

圖6 EZC-1各組數據示值誤差的標準偏差對比結果

綜合比較EL15-1A、EL15-1C和EZC-1三種型號的風速傳感器，前兩種傳感器調換風杯后，示值誤差的極差最大達到了1.7 m/s，15 m/s以上的示值誤差的標準偏差均超過了0.2 m/s，最大接近0.8 m/s，而EZC-1型傳感器示值誤差的極差最大值為0.6 m/s，絕大部分檢定點的示值誤差的標準偏差低于0.2 m/s。由此可以得出另外的推論：15 m/s附近和以上的檢定點，EZC-1型風速傳感器的示值穩定性優于EL15-1A和EL15-1C。

4 結論與建議

由于本次實驗中，啟動風速的測定影響因素比較多，具有很大的偶然性，因此本次實驗對啟動風速部分的對比并不能提供十分有依據的結論。但對于2 m/s以上的風速，我們通過充分的數據分析得出了第3節中給出的結論。

依據本實驗得出的結論，就今后氣象觀測臺站風速傳感器送檢、傳感器檢定結束返回臺站安裝、傳感器原有風杯損壞更換等工作提出以下建議：1）建議EL15-1A和EL15-1C型傳感器保持傳感器和風杯的原有配套使用，若原有風杯損壞，更換新風杯后，為確保傳感器風速值的準確可靠，應重新送檢。2）對于EZC-1型號的傳感器，由于調換風杯對傳感器風速值影響不顯著，在使用過程中，是否使用配套風杯對風速測量結果的影響不大。