更換風(fēng)杯對(duì)傳感器風(fēng)速測量值影響的實(shí)驗(yàn)研究

馬修才 ，牛永紅

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測技術(shù)保障中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象信息中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

三杯風(fēng)速傳感器是氣象領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的地面測風(fēng)設(shè)備[1-3]，主要由風(fēng)杯部件和殼體（包括轉(zhuǎn)軸和風(fēng)速轉(zhuǎn)換電路等）組成。在近年的實(shí)驗(yàn)室比對(duì)工作中，選用了兩個(gè)EL15-1A型風(fēng)速傳感器作為風(fēng)速比對(duì)參比儀器，在多個(gè)實(shí)驗(yàn)室之間依次進(jìn)行檢定實(shí)驗(yàn)。比對(duì)實(shí)驗(yàn)的過程中，拆卸傳感器時(shí)并未將同一套設(shè)備的風(fēng)杯和殼體標(biāo)號(hào)區(qū)分（風(fēng)速傳感器只在殼體上標(biāo)示了傳感器的出廠編號(hào)），在分析可能影響檢定結(jié)果的因素時(shí)，參比實(shí)驗(yàn)室的檢定人員提出：同一傳感器殼體調(diào)換不同風(fēng)杯部件，可能會(huì)對(duì)傳感器的風(fēng)速值產(chǎn)生較大的影響。而且近些年隨著風(fēng)速傳感器檢定量的提升，很多臺(tái)站在拆卸送檢某些型號(hào)傳感器時(shí)并未保持原有配套風(fēng)杯。因此，有必要對(duì)這種因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過充足的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)風(fēng)速傳感器調(diào)換風(fēng)杯對(duì)傳感器風(fēng)速測量值的影響程度。

目前國內(nèi)對(duì)不同材質(zhì)、形狀的風(fēng)杯對(duì)傳感器風(fēng)速測量值的影響已經(jīng)有一些相關(guān)的研究[4]，也有學(xué)者對(duì)不同型號(hào)傳感器的性能進(jìn)行了對(duì)比[5]，但是并沒有類似對(duì)同一型號(hào)的三杯風(fēng)速傳感器更換風(fēng)杯對(duì)風(fēng)速測量值造成影響的研究。因此，本文進(jìn)行了調(diào)換風(fēng)杯對(duì)傳感器風(fēng)速測量值的影響的實(shí)驗(yàn)研究，并進(jìn)行了結(jié)果分析，希望可以在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的檢定或校準(zhǔn)工作中起到一定的參考作用。

1 實(shí)驗(yàn)概述

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象的確定

目前內(nèi)蒙古自治區(qū)用于地面氣象觀測的自動(dòng)氣象站所采用的風(fēng)速傳感器有四種型號(hào)[6-8]，分別為EL15-1A、EL15-1C、EZC-1和ZQZ-TF。對(duì)于ZQZTF型號(hào)的風(fēng)速傳感器，一般臺(tái)站在送檢過程中不會(huì)對(duì)此型號(hào)的風(fēng)杯進(jìn)行拆卸，因此本文不討論該型號(hào)的傳感器。此次研究只針對(duì)EL15-1A、EL15-1C、EZC-1三種型號(hào)的風(fēng)速傳感器。

1.2 實(shí)驗(yàn)所用儀器設(shè)備

本次傳感器測試實(shí)驗(yàn)借助40 m/s低速回路風(fēng)洞，測試所用標(biāo)準(zhǔn)器具為二等皮托靜壓管和0.02級(jí)數(shù)字微壓計(jì)，按照J(rèn)JG（氣象）004-2011《自動(dòng)氣象站風(fēng)向風(fēng)速傳感器》檢定規(guī)程中的傳感器檢測方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

首先對(duì)目標(biāo)傳感器進(jìn)行初查，包括外觀檢查和實(shí)驗(yàn)前檢定（確保樣本有效可用），選定樣本。每個(gè)型號(hào)的風(fēng)速傳感器選取N個(gè)，分別對(duì)傳感器殼體和風(fēng)杯進(jìn)行編號(hào)（分別記作表1，風(fēng)杯1；表2，風(fēng)杯2；……；表N，風(fēng)杯N）。依次將表1和風(fēng)杯1、風(fēng)杯2到風(fēng)杯N進(jìn)行配套，組成風(fēng)速傳感器進(jìn)行測試。用同樣的方法完成表2～N與1～N個(gè)風(fēng)杯搭配的測試，共取得N×N份檢定數(shù)據(jù)。對(duì)檢定結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并分析判斷，得出結(jié)論。

為了減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間跨度過長而造成的實(shí)驗(yàn)環(huán)境變化過大引起的不確定因素，將實(shí)驗(yàn)安排在盡量短的時(shí)間內(nèi)集中完成，保存測試數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 實(shí)驗(yàn)過程

EL15-1A、EL15-1C、EZC-1三種型號(hào)的風(fēng)速傳感器各取6套。對(duì)18套傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的檢查，包括外觀檢查和實(shí)驗(yàn)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(duì)上述各個(gè)型號(hào)的風(fēng)速傳感器調(diào)換風(fēng)杯后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：風(fēng)速測試點(diǎn)選取啟動(dòng)風(fēng)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(gè)風(fēng)速點(diǎn)重復(fù)測量10次，以10次重復(fù)測量的算術(shù)平均值作為最終結(jié)果，由低風(fēng)速到高風(fēng)速依次進(jìn)行。記錄各次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，匯總有效可用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用設(shè)計(jì)好的Excel表格進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3 數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

首先對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的粗大誤差進(jìn)行判別和處理，常用的粗大誤差判別方法有3σ準(zhǔn)則、格拉布斯準(zhǔn)則和迪克遜準(zhǔn)則[9-10]。3σ準(zhǔn)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(shù)據(jù)處理中已經(jīng)逐漸被淘汰；格拉布斯準(zhǔn)則和迪克遜準(zhǔn)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(zhǔn)則和迪克遜準(zhǔn)則分別進(jìn)行判斷，當(dāng)利用兩種準(zhǔn)則均判斷為異常值時(shí)，才將該數(shù)據(jù)作為粗大誤差剔除。

本次實(shí)驗(yàn)的目的是比較傳感器風(fēng)杯和軸部對(duì)風(fēng)速值的影響關(guān)系，以示值誤差的極差和標(biāo)準(zhǔn)偏差作為切入點(diǎn)進(jìn)行比較。這兩個(gè)指標(biāo)都是表征一組數(shù)據(jù)離散程度的量值，可以有效反映這組數(shù)據(jù)的一致程度。

具體數(shù)據(jù)處理方法如下：1）每種型號(hào)各36份測試數(shù)據(jù)，將同一個(gè)傳感器的6份測試結(jié)果組成1組，分成6組數(shù)據(jù)；再將同一個(gè)風(fēng)杯的6份測試結(jié)果組成1組，分成另外6組數(shù)據(jù)；2）計(jì)算各組數(shù)據(jù)在每個(gè)風(fēng)速點(diǎn)的示值誤差的極差和標(biāo)準(zhǔn)偏差；3）將第2步得到的極差和標(biāo)準(zhǔn)偏差匯集成表格，以便分析比較并得出結(jié)論。

3.2 EL15-1A實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

圖1為EL15-1A型號(hào)的風(fēng)速傳感器各組實(shí)驗(yàn)示值誤差數(shù)據(jù)極差的對(duì)比情況，圖2為EL15-1A型號(hào)的風(fēng)速傳感器各組實(shí)驗(yàn)示值誤差數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差的對(duì)比情況。在圖中，圖例“表N”表示第N個(gè)傳感器調(diào)換不同風(fēng)杯得到的示值誤差的極差或標(biāo)準(zhǔn)偏差的分布（對(duì)應(yīng)實(shí)線），圖例“風(fēng)杯N”表示第N個(gè)風(fēng)杯安裝到不同傳感器上得到的示值誤差的極差或標(biāo)準(zhǔn)偏差分布（對(duì)應(yīng)虛線）。

圖1 EL15-1A各組數(shù)據(jù)示值誤差的極差對(duì)比結(jié)果

圖2 EL15-1A各組數(shù)據(jù)示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比結(jié)果

結(jié)合圖1和圖2，可以明顯地看出，對(duì)于EL15-1A型號(hào)的傳感器，2 m/s以上的風(fēng)速部分，同一傳感器調(diào)換不同風(fēng)杯得到的示值誤差的極差和標(biāo)準(zhǔn)偏差均較大，并且隨著檢定點(diǎn)風(fēng)速的升高，極差和標(biāo)準(zhǔn)偏差都隨之增大；而同一風(fēng)杯安裝在不同傳感器上，得到的風(fēng)速結(jié)果較為一致，示值誤差的極差和標(biāo)準(zhǔn)偏差均較小。由此可以得出，對(duì)于EL15-1A型的風(fēng)速傳感器，2 m/s以上的風(fēng)速部分，風(fēng)杯對(duì)風(fēng)速傳感器的風(fēng)速輸出起決定作用，而對(duì)于啟動(dòng)風(fēng)速，風(fēng)杯和傳感器軸部對(duì)風(fēng)速值均有影響，無法區(qū)分哪個(gè)因素影響更大。

3.3 EL15-1C實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

圖3為EL15-1C型號(hào)的風(fēng)速傳感器各組實(shí)驗(yàn)示值誤差數(shù)據(jù)的極差對(duì)比情況，圖4為EL15-1C型號(hào)的風(fēng)速傳感器各組實(shí)驗(yàn)示值誤差數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比情況。

結(jié)合圖3和圖4，可以明顯地看出，EL15-1C型號(hào)傳感器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與EL15-1A型號(hào)傳感器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，即對(duì)于EL15-1C型的風(fēng)速傳感器，2 m/s以上風(fēng)速部分，風(fēng)杯對(duì)風(fēng)速傳感器的風(fēng)速輸出起決定作用，而對(duì)于啟動(dòng)風(fēng)速，風(fēng)杯和傳感器軸部對(duì)風(fēng)速值均有影響，無法區(qū)分哪個(gè)因素影響更大。

圖3 EL15-1C各組數(shù)據(jù)示值誤差的極差對(duì)比結(jié)果

圖4 EL15-1C各組數(shù)據(jù)示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比結(jié)果

3.4 EZC-1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

圖5為EZC-1型號(hào)的風(fēng)速傳感器各組實(shí)驗(yàn)示值誤差數(shù)據(jù)的極差對(duì)比情況，圖6為EZC-1型號(hào)的風(fēng)速傳感器各組實(shí)驗(yàn)示值誤差數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比情況。

結(jié)合圖5和圖6，可以明顯地看出，EZC-1型號(hào)的傳感器，同一傳感器調(diào)換風(fēng)杯和同一風(fēng)杯安裝在不同傳感器上的檢定示值誤差的極差和標(biāo)準(zhǔn)偏差混雜在一起，差異并不明顯。因此可以得出結(jié)論，對(duì)于EZC-1型的風(fēng)速傳感器，風(fēng)杯和傳感器軸部對(duì)風(fēng)速輸出均有影響，但是影響均衡，并不能區(qū)分影響程度孰高孰低。

圖5 EZC-1各組數(shù)據(jù)示值誤差的極差對(duì)比結(jié)果

圖6 EZC-1各組數(shù)據(jù)示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比結(jié)果

綜合比較EL15-1A、EL15-1C和EZC-1三種型號(hào)的風(fēng)速傳感器，前兩種傳感器調(diào)換風(fēng)杯后，示值誤差的極差最大達(dá)到了1.7 m/s，15 m/s以上的示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)的示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，EZC-1型風(fēng)速傳感器的示值穩(wěn)定性優(yōu)于EL15-1A和EL15-1C。

4 結(jié)論與建議

由于本次實(shí)驗(yàn)中，啟動(dòng)風(fēng)速的測定影響因素比較多，具有很大的偶然性，因此本次實(shí)驗(yàn)對(duì)啟動(dòng)風(fēng)速部分的對(duì)比并不能提供十分有依據(jù)的結(jié)論。但對(duì)于2 m/s以上的風(fēng)速，我們通過充分的數(shù)據(jù)分析得出了第3節(jié)中給出的結(jié)論。

依據(jù)本實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論，就今后氣象觀測臺(tái)站風(fēng)速傳感器送檢、傳感器檢定結(jié)束返回臺(tái)站安裝、傳感器原有風(fēng)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(fēng)杯的原有配套使用，若原有風(fēng)杯損壞，更換新風(fēng)杯后，為確保傳感器風(fēng)速值的準(zhǔn)確可靠，應(yīng)重新送檢。2）對(duì)于EZC-1型號(hào)的傳感器，由于調(diào)換風(fēng)杯對(duì)傳感器風(fēng)速值影響不顯著，在使用過程中，是否使用配套風(fēng)杯對(duì)風(fēng)速測量結(jié)果的影響不大。