超聲波風(fēng)速儀測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

張政 焦洪濤 齊照健

山東鼎安檢測(cè)技術(shù)有限公司 山東濟(jì)南 250032

風(fēng)速測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中都有廣泛應(yīng)用，尤其在氣象領(lǐng)域，風(fēng)速測(cè)量有著重要的價(jià)值。與常規(guī)機(jī)械式風(fēng)速儀相比，超聲風(fēng)速儀可同時(shí)完成風(fēng)速和方向的測(cè)量[1]。由于沒(méi)有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不存在機(jī)械磨損、阻塞、冰凍等問(wèn)題，也沒(méi)有“機(jī)械慣性”，超聲風(fēng)速儀可應(yīng)用于惡劣環(huán)境下的風(fēng)速測(cè)量。同時(shí)，超聲風(fēng)速儀可捕捉瞬時(shí)風(fēng)速變化，不僅可測(cè)出常規(guī)風(fēng)速（平均風(fēng)速），也可測(cè)得任意方向上的風(fēng)速分量，尤其可測(cè)出風(fēng)速中的高頻脈動(dòng)成分。

1 工作原理

1.1 風(fēng)速計(jì)算

取同一平面上兩個(gè)風(fēng)傳感器探頭，其中一個(gè)探頭發(fā)射超聲波到另一個(gè)探頭上所需的時(shí)間會(huì)受到風(fēng)速（WS）和風(fēng)向（WD）的影響。對(duì)于零風(fēng)速，正向傳送時(shí)間和反向傳送時(shí)間是相同的。如果風(fēng)沿聲音路徑傳送，則上風(fēng)向的傳送時(shí)間會(huì)增加，下風(fēng)向的傳送時(shí)間會(huì)減少。通過(guò)在兩個(gè)探頭之間進(jìn)行正反兩側(cè)超聲波的收發(fā)，可有效消除溫度、濕度等環(huán)境因素對(duì)聲波速度的影響，測(cè)量聲波到達(dá)時(shí)間。

1.2 向量與極坐標(biāo)計(jì)算

傳感器的三角幾何形狀需轉(zhuǎn)換為正交坐標(biāo)以獲得x和y分量。然后，處理器會(huì)將風(fēng)向量轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)。將WS（x，y）作為兩個(gè)標(biāo)量速度報(bào)告，一個(gè)標(biāo)量速度（x）與N-S向平行，另一個(gè)標(biāo)量速度（y）與W-E向平行。計(jì)算方法如下：

將極坐標(biāo)風(fēng)速作為標(biāo)量速度以選定單位（m/s、kt、mph、km/h）進(jìn)行報(bào)告。極坐標(biāo)風(fēng)向以度（°）表示，北向表示為0°，東向表示為90°，南向表示為180°，西向表示為270°。

2 軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

超聲波風(fēng)速計(jì)基于FPGASOC設(shè)計(jì)，使用單片F(xiàn)PGA結(jié)合外部電路完成信號(hào)發(fā)送、接收、實(shí)時(shí)處理與上報(bào)。軟件部分有FPGA的邏輯單元與內(nèi)部ARM處理器系統(tǒng)完成，處理后的結(jié)果通過(guò)串行接口發(fā)送給外部設(shè)備[2]。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

3個(gè)收發(fā)合置超聲傳感器均為水平全向的傳感器件，采用時(shí)分復(fù)用協(xié)議，同一時(shí)刻啟動(dòng)一個(gè)傳感器作為發(fā)射傳感器，另外兩個(gè)作為接收傳感器，分別測(cè)得兩個(gè)傳感器之間的傳播時(shí)延進(jìn)而解算風(fēng)速與風(fēng)向。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括FPGA中的邏輯設(shè)計(jì)與ARM端的數(shù)據(jù)處理程序組成。

（1）FPGA邏輯設(shè)計(jì)。FPGA邏輯完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、聲波發(fā)射控制、發(fā)射與接收同步以及與ARM的處理器接口。FPGA采用被動(dòng)工作方式，上電后等待ARM端發(fā)送啟動(dòng)命令，按照啟動(dòng)命令中的參數(shù)啟動(dòng)三個(gè)探頭中的一個(gè)作為發(fā)射探頭，另外兩個(gè)作為接收探頭。接收和發(fā)送同時(shí)啟動(dòng)，將接收到的數(shù)據(jù)保存到ARM端的緩沖區(qū)中并將通知ARM端程序，此時(shí)FPGA程序重新進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待ARM端的命令輸入。

（2）數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)。ARM端的數(shù)據(jù)處理程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)解算與上傳。通過(guò)向FPGA發(fā)送控制命令，逐個(gè)啟動(dòng)三個(gè)傳感器探頭，通過(guò)對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)算，得到超聲脈沖的到達(dá)時(shí)間。在數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)中，處理使用1.1節(jié)中的聲速計(jì)算公式外，還需考慮強(qiáng)風(fēng)所產(chǎn)生的噪聲對(duì)測(cè)量的影響，假設(shè)這種偏差是圍著真實(shí)的風(fēng)速上下波動(dòng)的，則可在每一次的風(fēng)速測(cè)量后使用卡爾曼濾波器對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行估計(jì)。

3 測(cè)量方法

3.1 測(cè)量依據(jù)

參照中國(guó)氣象局頒發(fā)的JJG（氣象）004-2011《自動(dòng)氣象站風(fēng)向風(fēng)速傳感器檢定規(guī)程》。

3.2 測(cè)量環(huán)境

溫度：15-25℃、相對(duì)濕度30%RH-40%RH、氣壓1000.0-1004.0hPa。

3.3 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

皮托靜壓管：二等；數(shù)字壓力計(jì)：0.01級(jí)；風(fēng)洞：均勻性1.0%、穩(wěn)定性0.5%。

3.4 測(cè)試對(duì)象

芬蘭VAISALA公司生產(chǎn)型號(hào)為WXT536、編號(hào)為J1420008的超聲波風(fēng)速傳感器。

4 標(biāo)準(zhǔn)不確定分量

輸入量V的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（V）主要來(lái)源于被檢儀器的測(cè)量重復(fù)性。對(duì)于被檢儀器測(cè)量的重復(fù)性，可以通過(guò)連續(xù)多次測(cè)量得到測(cè)量數(shù)列，采用A類(lèi)評(píng)定方法評(píng)定。

低速風(fēng)表：在4.48m/s處重復(fù)測(cè)量得到數(shù)據(jù)單位為m/s，具體數(shù)據(jù)為4.47，4.45，4.46，4.46，4.46，4.46，4.46，4.46，4.46，4.47，4.46。

中速風(fēng)表：在8.31m/s處重復(fù)測(cè)量得到數(shù)據(jù)單位為m/s，具體數(shù)據(jù)為8.32，8.31，8.31，8.31，8.33，8.31，8.31，8.31，8.32，8.31，8.31。

高速風(fēng)表：在18.71m/s處重復(fù)測(cè)量得到數(shù)據(jù)單位為m/s，具體數(shù)據(jù)為18.73，18.69，18.73，18.71，18.69，18.73，18.74，18.73，18.70，18.71，18.72。

5 擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度為：

V=4.46m/s，U=k×uc1=2×0.017=0.034m/s。

V=8.31m/s，U=k×uc2=2×0.030=0.060m/s。

V=18.72m/s，U=k×uc3=2×0.033=0.066m/s。

經(jīng)保留兩位小數(shù)后整理得到：

V=4.46m/s，U=0.04m/s；k=2。

V=8.31m/s，U=0.06m/s；k=2。

V=18.72m/s，U=0.07m/s；k=2。

6 測(cè)量不確定度報(bào)告

風(fēng)速表的測(cè)量不確定度如下。

低速風(fēng)表：V=4.46m/s，U=0.04m/s；k=2。

中速風(fēng)表：V=8.31m/s，U=0.06m/s；k=2。

高速風(fēng)表：V=18.72m/s，U=0.07m/s；k=2。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)低速風(fēng)表、中速風(fēng)表、高速風(fēng)表的測(cè)量不確定度評(píng)定，表明使用本文提供的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備對(duì)機(jī)械風(fēng)表進(jìn)行測(cè)量，可以滿(mǎn)足《礦用風(fēng)速表》檢定規(guī)程的技術(shù)要求[3]。