更换风杯对传感器风速测量值影响的实验研究

马修才 ，牛永红

（1.内蒙古自治区大气探测技术保障中心，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区气象信息中心，内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

三杯风速传感器是气象领域应用最为广泛的地面测风设备[1-3]，主要由风杯部件和壳体（包括转轴和风速转换电路等）组成。在近年的实验室比对工作中，选用了两个EL15-1A型风速传感器作为风速比对参比仪器，在多个实验室之间依次进行检定实验。比对实验的过程中，拆卸传感器时并未将同一套设备的风杯和壳体标号区分（风速传感器只在壳体上标示了传感器的出厂编号），在分析可能影响检定结果的因素时，参比实验室的检定人员提出：同一传感器壳体调换不同风杯部件，可能会对传感器的风速值产生较大的影响。而且近些年随着风速传感器检定量的提升，很多台站在拆卸送检某些型号传感器时并未保持原有配套风杯。因此，有必要对这种因素进行实验，通过充足的实验数据，检验风速传感器调换风杯对传感器风速测量值的影响程度。

目前国内对不同材质、形状的风杯对传感器风速测量值的影响已经有一些相关的研究[4]，也有学者对不同型号传感器的性能进行了对比[5]，但是并没有类似对同一型号的三杯风速传感器更换风杯对风速测量值造成影响的研究。因此，本文进行了调换风杯对传感器风速测量值的影响的实验研究，并进行了结果分析，希望可以在风洞实验室的检定或校准工作中起到一定的参考作用。

1 实验概述

1.1 实验对象的确定

目前内蒙古自治区用于地面气象观测的自动气象站所采用的风速传感器有四种型号[6-8]，分别为EL15-1A、EL15-1C、EZC-1和ZQZ-TF。对于ZQZTF型号的风速传感器，一般台站在送检过程中不会对此型号的风杯进行拆卸，因此本文不讨论该型号的传感器。此次研究只针对EL15-1A、EL15-1C、EZC-1三种型号的风速传感器。

1.2 实验所用仪器设备

本次传感器测试实验借助40 m/s低速回路风洞，测试所用标准器具为二等皮托静压管和0.02级数字微压计，按照JJG（气象）004-2011《自动气象站风向风速传感器》检定规程中的传感器检测方法进行实验。

1.3 实验方案

首先对目标传感器进行初查，包括外观检查和实验前检定（确保样本有效可用），选定样本。每个型号的风速传感器选取N个，分别对传感器壳体和风杯进行编号（分别记作表1，风杯1；表2，风杯2；……；表N，风杯N）。依次将表1和风杯1、风杯2到风杯N进行配套，组成风速传感器进行测试。用同样的方法完成表2～N与1～N个风杯搭配的测试，共取得N×N份检定数据。对检定结果进行数据处理，并分析判断，得出结论。

为了减少实验时间跨度过长而造成的实验环境变化过大引起的不确定因素，将实验安排在尽量短的时间内集中完成，保存测试数据，实验结束后统一进行数据处理和分析。

2 实验过程

EL15-1A、EL15-1C、EZC-1三种型号的风速传感器各取6套。对18套传感器进行实验前的检查，包括外观检查和实验前的检定（确保传感器有效可用），18套样品传感器全部通过检查。

对上述各个型号的风速传感器调换风杯后进行实验：风速测试点选取启动风速分别为2 m/s、5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s，每个风速点重复测量10次，以10次重复测量的算术平均值作为最终结果，由低风速到高风速依次进行。记录各次实验数据，汇总有效可用的实验数据，利用设计好的Excel表格进行数据处理。

3 数据处理与实验结果分析

3.1 数据处理方法

首先对实验过程中的粗大误差进行判别和处理，常用的粗大误差判别方法有3σ准则、格拉布斯准则和迪克逊准则[9-10]。3σ准则虽然简便，但仅适用于测量序列长度大于10的情况，且在数据处理中已经逐渐被淘汰；格拉布斯准则和迪克逊准则都适用于测量序列长度大于3的情况。为了慎重，研究小组选择使用格拉布斯准则和迪克逊准则分别进行判断，当利用两种准则均判断为异常值时，才将该数据作为粗大误差剔除。

本次实验的目的是比较传感器风杯和轴部对风速值的影响关系，以示值误差的极差和标准偏差作为切入点进行比较。这两个指标都是表征一组数据离散程度的量值，可以有效反映这组数据的一致程度。

具体数据处理方法如下：1）每种型号各36份测试数据，将同一个传感器的6份测试结果组成1组，分成6组数据；再将同一个风杯的6份测试结果组成1组，分成另外6组数据；2）计算各组数据在每个风速点的示值误差的极差和标准偏差；3）将第2步得到的极差和标准偏差汇集成表格，以便分析比较并得出结论。

3.2 EL15-1A实验数据对比结果

图1为EL15-1A型号的风速传感器各组实验示值误差数据极差的对比情况，图2为EL15-1A型号的风速传感器各组实验示值误差数据标准偏差的对比情况。在图中，图例“表N”表示第N个传感器调换不同风杯得到的示值误差的极差或标准偏差的分布（对应实线），图例“风杯N”表示第N个风杯安装到不同传感器上得到的示值误差的极差或标准偏差分布（对应虚线）。

图1 EL15-1A各组数据示值误差的极差对比结果

图2 EL15-1A各组数据示值误差的标准偏差对比结果

结合图1和图2，可以明显地看出，对于EL15-1A型号的传感器，2 m/s以上的风速部分，同一传感器调换不同风杯得到的示值误差的极差和标准偏差均较大，并且随着检定点风速的升高，极差和标准偏差都随之增大；而同一风杯安装在不同传感器上，得到的风速结果较为一致，示值误差的极差和标准偏差均较小。由此可以得出，对于EL15-1A型的风速传感器，2 m/s以上的风速部分，风杯对风速传感器的风速输出起决定作用，而对于启动风速，风杯和传感器轴部对风速值均有影响，无法区分哪个因素影响更大。

3.3 EL15-1C实验数据对比结果

图3为EL15-1C型号的风速传感器各组实验示值误差数据的极差对比情况，图4为EL15-1C型号的风速传感器各组实验示值误差数据的标准偏差对比情况。

结合图3和图4，可以明显地看出，EL15-1C型号传感器的实验结果与EL15-1A型号传感器的实验结果一致，即对于EL15-1C型的风速传感器，2 m/s以上风速部分，风杯对风速传感器的风速输出起决定作用，而对于启动风速，风杯和传感器轴部对风速值均有影响，无法区分哪个因素影响更大。

图3 EL15-1C各组数据示值误差的极差对比结果

图4 EL15-1C各组数据示值误差的标准偏差对比结果

3.4 EZC-1实验数据对比结果

图5为EZC-1型号的风速传感器各组实验示值误差数据的极差对比情况，图6为EZC-1型号的风速传感器各组实验示值误差数据的标准偏差对比情况。

结合图5和图6，可以明显地看出，EZC-1型号的传感器，同一传感器调换风杯和同一风杯安装在不同传感器上的检定示值误差的极差和标准偏差混杂在一起，差异并不明显。因此可以得出结论，对于EZC-1型的风速传感器，风杯和传感器轴部对风速输出均有影响，但是影响均衡，并不能区分影响程度孰高孰低。

图5 EZC-1各组数据示值误差的极差对比结果

图6 EZC-1各组数据示值误差的标准偏差对比结果

综合比较EL15-1A、EL15-1C和EZC-1三种型号的风速传感器，前两种传感器调换风杯后，示值误差的极差最大达到了1.7 m/s，15 m/s以上的示值误差的标准偏差均超过了0.2 m/s，最大接近0.8 m/s，而EZC-1型传感器示值误差的极差最大值为0.6 m/s，绝大部分检定点的示值误差的标准偏差低于0.2 m/s。由此可以得出另外的推论：15 m/s附近和以上的检定点，EZC-1型风速传感器的示值稳定性优于EL15-1A和EL15-1C。

4 结论与建议

由于本次实验中，启动风速的测定影响因素比较多，具有很大的偶然性，因此本次实验对启动风速部分的对比并不能提供十分有依据的结论。但对于2 m/s以上的风速，我们通过充分的数据分析得出了第3节中给出的结论。

依据本实验得出的结论，就今后气象观测台站风速传感器送检、传感器检定结束返回台站安装、传感器原有风杯损坏更换等工作提出以下建议：1）建议EL15-1A和EL15-1C型传感器保持传感器和风杯的原有配套使用，若原有风杯损坏，更换新风杯后，为确保传感器风速值的准确可靠，应重新送检。2）对于EZC-1型号的传感器，由于调换风杯对传感器风速值影响不显著，在使用过程中，是否使用配套风杯对风速测量结果的影响不大。