陳璐艷 陳 昉 鄭道淮 陳龍福 蔣文欣
(1.福建省大氣探測技術保障中心,福建 福州 350008;2.福州市氣象局,福建 福州 350008)
風向是自動氣象站常規(guī)氣象觀測要素之一,幾乎所有的國家級自動氣象站和大部分省級區(qū)域自動氣象站都要進行風向測量,其數(shù)值被廣泛用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、海洋、航天和軍事等各個領域,而且風向的觀測數(shù)據(jù)對于天氣預報、氣候監(jiān)測和霧霾防治等也至關重要[1-2]。目前用于氣象觀測風向的傳感器主要是光電式風向傳感器,其數(shù)據(jù)是通過光電管組產(chǎn)生的格雷碼進行輸出[2-3],其中EL15-2型風向傳感器是國內(nèi)自動氣象臺站普遍使用的風向觀測設備。
本文以天津廠風向傳感器EL15-2C為例,結(jié)合JJE10型風向校準儀和風向傳感器校準儀的工作原理、校準方法,采用對比試驗方法進行兩種校準裝置的測量誤差精度和性價比分析,確保風向校準質(zhì)量,為計量檢定部門提供參考依據(jù)。
目前福建省可用于風向傳感器現(xiàn)場校準的裝置是JJE10型風向校準儀和風向傳感器校準儀(福建省大氣探測技術保障中心監(jiān)制)。
1.1.1 JJE10型風向校準儀工作原理
JJE10型風向校驗儀由校驗臺和便攜式控制器兩大部分組成。校驗臺用于安裝各類風向傳感器,進行風向校驗時,被測傳感器配套不同的風座轉(zhuǎn)接件,安裝在校驗臺上,用于支撐桿固定風向。便攜式控制器控制步進電機帶動風向標轉(zhuǎn)動,采用閉環(huán)控制原理,使得校驗儀精度得到保證[4]。
1.1.2 JJE10型風向校準儀校準方法(以天津廠傳感器EL15-2C為例)
(1)將校驗臺航插與便攜式控制器風向輸出接口連接;選擇天津廠風座,將風座通過螺紋擰緊在校驗臺上。
(2)將傳感器與配套標識為(L6_風向_天津廠_格雷碼)的短線纜擰緊,風向傳感器安裝在風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?shù)奈恢?,使用緊固螺釘緊固后,轉(zhuǎn)動支撐桿移動到尾翼下方,將尾翼托架向下按到尾翼下方位置,托架回彈卡住尾翼桿。
(3)確認連接無誤后,按下便攜式控制器的電源開關,控制器上電自動進入主頁面(風向);選擇廠家型號(例如:天津EL15-2C)后,自動退回到主界面(風向),此時廠家型號右側(cè)“默認電壓”值會顯示出該傳感器供電電源,一定要確認無誤后方可下一步,否則會導致傳感器燒毀。確認無誤后,使用標識為(L11_風向輸入)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,此時尾翼隨著校驗臺支撐桿轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動過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,蜂鳴器將長鳴一聲(持續(xù)時間約為1s)。
(5)觸碰設定值下方的深色圖,輸入要求的角度值,后觸碰“OK”鍵則返回到主界面(風向),此時設定值的深色方框中顯示的就是剛才設置的角度值;由于采用原點校準原理,在觸碰“開始”按鈕后,傳感器會自動先進行第(4)步的“置北”功能操作,然后再轉(zhuǎn)動至設置的角度;如果轉(zhuǎn)動完成后,繼續(xù)觸碰“啟動”按鈕,則重復上述動作,依舊先“置北”后轉(zhuǎn)動到相應的角度。
(6)根據(jù)風向傳感器計量檢定規(guī)程,判斷標準值和測量值之間的誤差值是否在誤差允許范圍內(nèi),完成風向傳感器現(xiàn)場校準。
1.2.1 風向傳感器校準儀工作原理
風向傳感器校準儀包括兩個能夠相互扣合的扣件,兩個扣件扣合后形成整體,在形成的整體中心為一個與風向傳感器主軸外輪廓相對應的內(nèi)輪廓,兩個扣件上邊沿各設一個用于固定風向傳感器轉(zhuǎn)軸的定位座,在扣件的側(cè)壁或上下面設有方位刻度,上刻度為校準讀數(shù)用,下刻度在風向傳感器指北標志丟失下做記號用,兩個扣件的連接處設有使兩個扣件扣合時能夠固定的固定件。
1.2.2 風向傳感器校準儀校準方法(以天津廠傳感器EL15-2C為例)
①打開彈簧扣,張開風向傳感器校準儀,將風向傳感器校準儀放入風向傳感器中。根據(jù)自動氣象站風向傳感器現(xiàn)場校準規(guī)范中規(guī)定,檢測點為0°、90°、180°、270°。②將風向傳感器校準儀刻度“N”對準風向傳感器指“N”黑刻度線上,扣上彈簧扣,讀取終端數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)風向至刻度線與風向傳感器校準儀“E”的位置對齊,讀取該點終端數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)風向至刻度線與風向傳感器校準儀“S”的位置對齊,讀取該點終端數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)風向至刻度線與風向傳感器校準儀“W”的位置對齊,讀取該點終端數(shù)據(jù)。③4個方位校準結(jié)束,打開彈簧扣,取下風向傳感器校準儀。
用風向傳感器測量值減去校準點的數(shù)值,作為該校準點的測量誤差。根據(jù)自動氣象站風向傳感器現(xiàn)場校準規(guī)范中規(guī)定,風向傳感器的最大允許誤差為±5°,測量誤差值不超過技術要求時,視為合格。
采用公式(1)計算風向校準的示值誤差ΔE。
ΔE=e-E
(1)
式中,e為被測風向示值,E為風向標準值。
根據(jù)自動氣象站風向傳感器現(xiàn)場校準規(guī)范中規(guī)定的風向傳感器檢測點0°、90°、180°、270°作為標準值。利用JJE10型風向校準儀、風向傳感器校準儀兩種風向校準裝置,分別對6個EL15-2C型風向傳感器進行校準,并在風向校準記錄表中記下校準數(shù)據(jù),詳見表1。
表1 EL15-2C型風向傳感器在兩種校準裝置中的校準結(jié)果
表2為6個EL15-2C型風向傳感器在兩種風向傳感器校準裝置中的比對試驗結(jié)果,表2中,兩種風向校準儀裝置在校準6個風向傳感器時的測量誤差均值分別為0.83、1.25??偟膩碚f,兩種風向校準裝置基本上性能穩(wěn)定,數(shù)據(jù)測量有較高的準確度,均適合對風向傳感器的校準。合理使用相關風向校準裝置在實驗室、現(xiàn)場校準十分重要[5-6]。JJE10型風向校準儀外觀簡潔、大方,功能強大,性能穩(wěn)定、可靠,用戶操作簡單,使用方便,但是該設備需要把風向傳感器從風塔上拆下來,只針對風向傳感器進行校準,所以JJE10 型風向校準儀更適用于實驗室校準,或比較方便拆卸風向傳感器的臺站校準使用。而風向傳感器校準儀使用方便,能夠在不拆卸風向傳感器的情況下進行校準方位,節(jié)省了校準時間,提高了工作效率。由于沒有拆卸風向傳感器避免風塔上下傳送時損壞風向尾翼,同時避免因接口氧化拆卸時,損壞風向傳感器。而風向傳感器校準儀的結(jié)構(gòu)弧形抱夾的內(nèi)側(cè)4個橡膠條緊固風杯軸外罩不易滑動,在校準完成后,利用該特性可以很好地確定正北點,避免在地面校準好、固定到風向支架時產(chǎn)生角度的誤差。同時還具有體積小,攜帶輕便等優(yōu)點,所以風向傳感器校準儀比較適用于室外校準,特別是沿海地區(qū)因氧化而比較難拆卸的臺站或環(huán)境比較惡劣的區(qū)域站校準和核查。
表2 EL15-2C型風向傳感器在2種校準裝置中的風向測量誤差
本文對6個EL15-2C型風向傳感器在兩種風向傳感器校準裝置中的比對試驗,試驗結(jié)果可得,兩種風向校準儀裝置在校準6個風向傳感器時的測量誤差均值分別為0.83、1.25。由此可見,這兩種風向校準裝置基本上性能穩(wěn)定,數(shù)據(jù)測量有較高的準確度,均適合對風向傳感器的校準。JJE10 型風向校準儀適用于實驗室校準,或比較方便拆卸風向傳感器的臺站校準使用。風向傳感器校準儀比較適用于室外校準,特別是沿海地區(qū)因氧化而比較難拆卸的臺站或環(huán)境比較惡劣的區(qū)域站校準和核查。對于比較重要的臺站(例如國家級臺站)的風向傳感器,可以在實驗室用JJE10型校準儀校準,之后裝到風塔上,再用風向傳感器校準儀進行現(xiàn)場核查,以確保正北點是否對應,設備輸出數(shù)據(jù)是否精確、及時,以此保障風向數(shù)據(jù)精確、可靠。