超声波风向风速测量仪器校准规范

中华人民共和国国家计量技术规范JJF1934—2021超声波风向风速测量仪器校准规范CalibrationSpecificationforUltrasonicAnemometers2021-12-08发布2022-06-08实施国家市场监督管理总局发布JJF1934—2021超声波风向风速测量仪器校准规范CalibrationSpecificationforUltrasonicAnemometers췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍JJF1934—2021췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍归口单位:全国气象专用计量器具计量技术委员会主要起草单位:中国气象局气象探测中心参加起草单位:湖北省气象信息与技术保障中心黑龙江省大气探测技术保障中心新疆气象技术装备保障中心江苏省无线电科学研究所有限公司本规范委托全国气象专用计量器具计量技术委员会负责解释本规范主要起草人:边泽强(中国气象局气象探测中心)李松奎(中国气象局气象探测中心)刘昕(中国气象局气象探测中心)参加起草人:曾涛(湖北省气象信息与技术保障中心)黄清治(黑龙江省大气探测技术保障中心)马静(新疆气象技术装备保障中心)周琦(江苏省无线电科学研究所有限公司)JJF1934—2021Ⅰ引言 (Ⅱ)1范围 (1)2引用文件 (1)3术语和计量单位 (1)3.1术语 (1)3.2计量单位 (1)4概述 (1)5计量特性* (2)5.1风速示值误差 (2)5.2风向示值误差 (2)5.3风速方向误差 (2)6校准条件 (2)6.1环境条件 (2)6.2计量标准测量设备及其他设备 (2)7校准项目和校准方法 (3)7.1校准项目 (3)7.2校准方法 (3)8校准结果的表达 (4)9复校时间间隔 (5)附录A标准风速值计算方法 (6)附录B超声波风向风速测量仪器校准记录(参考格式) (7)附录C校准证书(参考格式) (8)附录D风速测量不确定度评定示例 (11)附录E风向测量不确定度评定示例 (16)JJF1934—2021ⅡJJF1071《国家计量校准规范编写规则》、JJF1001《通用计量术语及定义》、JJF1059.1《测量不确定度评定与表示》共同构成支撑本规范编写工作的基础性系列规范。本规范为首次发布。1超声波风向风速测量仪器校准规范1范围本规范适用于测量二维风场的超声波风向风速测量仪器的校准。2引用文件本规范引用了下列文件:JJG431—2014轻便三杯风向风速表QX/T8—2002气象仪器术语QX/T84—2007气象低速风洞性能测试规范凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3术语和计量单位3.1术语3.1.1风向winddirection风的来向。[来源:QX/T8—2002,定义5.4.2]3.1.2风速windspeed单位时间内空气移动的距离。[来源:QX/T8—2002,定义5.4.3]3.1.3超声波风向风速测量仪器ultrasonicanemometer根据超声波在空气中的传播速度随风速的变化而改变的原理制成的测风仪器。[来源:QX/T8—2002,定义5.4.46]3.1.4风速方向特性directionalresponse超声波风向风速测量仪器垂直安装,在水平方向的某一固定风速下,从任何方向测量所引起的误差。3.2计量单位风速计量单位为米每秒(m/s);风向计量单位为度(°)。4概述超声波风向风速测量仪器是利用发送声波脉冲,测量接收端的时间或频率(多普勒变换)差别来计算风速和风向的测量传感器或测量仪器。其外观示意如图1所示。超声波风向风速测量仪器通常由发送端、接收端、支架、数据采集等部分组成。发送端和接收端在一定的距离上成等距平行,发送端发出声波,在顺向或逆向风的作用2下,接收端接收到的时间就会产生时间差,利用这一时间差,可以理论推导出风速。通过几组发送端和接收端的交替发射和接收,可以计算出不同方向上声传播的时间差,再计算正交的风速分量,然后合成风向风速。图1超声波风向风速测量仪器外观示意图5计量特性*5.1风速示值误差风速15m/s及以下风速示值误差不超过±0.5m/s,风速15m/s以上风速示值误差不超过±3%。5.2风向示值误差风向示值最大允许误差不超过±3°。5.3风速方向误差超声波风向风速测量仪器垂直安装,在10m/s水平方向风速下,任何方向下风速示值误差不超过±0.5m/s。*注:以上指标不作为合格性判据,仅供参考。6校准条件6.1环境条件温度:(15~30)℃;相对湿度:不大于85%;大气压力:(500~1050)hPa。6.2计量标准测量设备及其他设备测量设备及其他设备主要技术指标见表1。JJF1934—20213表1标准器及配套设备分类名称主要技术指标标准器皮托静压管K取值范围(0.999~1.002),Urel不大于0.5%微差压计最大允许误差不大于0.5Pa角度编码器分度误差不大于0.1°配套设备温度仪最大允许误差不大于0.5℃湿度仪最大允许误差不大于8.0%气压计最大允许误差不大于2hPa风洞稳定性≤0.5%均匀性≤1.0%气流偏角≤1.0°7校准项目和校准方法7.1校准项目校准项目及对应的校准方法条款见表2。表2校准项目表校准项目校准方法对应条款风速示值校准方法见7.2.3风向示值校准方法见7.2.4风速方向特性校准方法见7.2.5注:可根据实际应用需要,选择要校准的计量特性项目。7.2校准方法7.2.2校准前准备7.2.2.1外观检查用目测的方法,对超声波风向风速测量仪器的外观和结构进行检查并记录。7.2.2.2标准器的安装将标准皮托静压管牢固安装在风洞试验段流场均匀区内,皮托静压管的总压孔应朝向风的来向,皮托静压管探头与风洞轴线平行。皮托静压管的总压接头、静压接头分别与微差压计的测试端、参考端通过管路相连。7.2.2.3超声波风向风速测量仪器的安装将超声波风向风速测量仪器垂直固定在风洞底座的水平旋转平台上,调节高度使超声波风向风速测量仪器感应部分位于风洞试验段截面积中心位置,超声波风向风速测量仪器位于皮托静压管测量探头后端(相对气流来向)。超声波风向风速测量仪器与皮托静压管探头的距离应不小于100mm。JJF1934—202147.2.3风速示值风速校准点:2m/s、5m/s、10m/s、15m/s、20m/s,30m/s。也可根据要求自主选择校准点。转动旋转平台将测风仪风向0°朝向风的来向。在记录微压计示值和工作段内温度、湿度及气压值,计算标准风速值(计算方法见附录A),同时记录超声波风向风速测量仪器的风速示值作为该风速校准点的被测风速值。各风速校准点风速示值误差计算见公式(1)。Δv=v′-v(1)式中:Δv—风速示值误差,m/s;v′—被测风速值,m/s;v—标准风速值,m/s。7.2.4风向示值风向校准点:0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。也可根据要求自主选择校准点。在10m/s风速下,按照风向校准点顺序转动旋转平台。风速稳定后,记录标准风向值,同时记录超声波风向风速测量仪器风向示值作为被测风向值。各风向校准点风向示值误差计算见公式(2)。ΔD=D′-D(2)式中:ΔD—风向示值误差,(°);D′—被测风向值,(°);D—标准风向值,(°)。7.2.5风速方向特性在10m/s风速下,从0°开始,以22.5°为间隔顺序转动旋转平台至360°,也可根据超声波风向风速测量仪器的机械结构特点自主选择旋转角度。在每个风向点,记录微压计示值和工作段内温度、湿度及气压值,计算标准风速,同时记录超声波风向风速测量仪器的风速示值作为被测风速值。各风向点风速方向误差计算见公式(1)。8校准结果的表达校准结果应在校准证书上反映(校准证书内页格式参考附录D)。校准证书至少应包括以下信息:a)标题“校准证书”;b)实验室名称和地址;c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);d)证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识;e)客户的名称和地址;JJF1934—20215f)被校对象的描述和明确标识;g)进行校准的日期,如果与校准结果的有效性和应用有关时,应说明被校对象的接收日期;h)如果与校准结果的有效性或应用有关时,应对被校样品的抽样程序进行说明;i)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;j)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;k)校准环境的描述;l)校准结果及其测量不确定度的说明;m)对校准规范的偏离的说明;n)校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识;o)校准结果仅对被校对象有效性的声明;p)未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。9复校时间间隔建议超声波风向风速测量仪器的复校时间间隔为1年。但当发现风速、风向测量值出现异常时建议提前送校。JJF1934—20216附录A标准风速值计算方法A.1用风洞试验段内的空气温度按公式(A.1)计算出饱和水汽压:ew=k×e(AT2+BT+C+(A.1)式中:ew—T温度下的饱和水汽压,Pa;T—试验段内空气温度,K;k=1Pa。A、B、C、D均为常数,其值如下:A=1.2378847×10-5K-2;D=-6.3431645×103K。319.2114;×10-2K-1D=-6.3431645×103K。A.2A.2用风洞试验段内的空气温度、相对湿度和气压值按公式(A.2)计算出空气密度:(A.2)式中:T—试验段内空气温度,K;P0—试验段内气压,Pa;H—试验段内空气相对湿度,用小数表示;ew—T温度下的饱和水汽压,Pa。A.3将空气密度值和微压计示值代入公式(A.3)计算出标准风速值:(A.3)式中:v—标准风速,m/s;ρ—空气密度,kg/m3;p—微压计示值,Pa;k—皮托静压管系数。JJF1934—20217附录B超声波风向风速测量仪器校准记录(参考格式)送检单位记录编号仪器名称型号/规格仪器编号生产厂商最大允许误差校准地点计量标准标准器环境参数气压:(~)hPa,温度:(~)℃,相对湿度:(~)%阻塞比一、外观检查外观二、风速示值误差风速示值误差标准值m/s被校值m/s示值误差m/s不确定度(k=2)三、风向示值误差风向示值误差标准值/(°)被校值/(°)示值误差(°)不确定度(k=2)四、风速方向误差风速方向误差标准值m/s被校值m/s风速方向误差/(m/s)不确定度(k=2)校准人:核验人:校准日期:JJF1934—20218附录C校准证书(参考格式)校准证书封面格式式样(校准机构名称)NameforInstituteofCalibrationCalibrationCertificate证书编号:字第号CertificateNo.计量器具名称NameofInstrument型号规格Model/Type制造厂Manufacture器具编号No.ofInstrument送检单位Applicant校准依据CalibrationRegulation批准人Approvedby(校准专用章)核验人StampInspectedby校准人Calibrationby校准日期年月日DateofCalibration年月日地址:邮编:电话:传真:JJF1934—20219(内页第2页参考格式)校准机构授权说明校准环境条件及地点:温度℃气压相对湿度%其他校准使用的计量(基)标准名称测量范围不确定度/准确度等级/最大允许误差计量(基)标准证书编号有效期至校准使用的标准器名称测量范围不确定度/准确度等级/最大允许误差计量(基)标准证书编号有效期至校准时标准器与被校超声波风向风速测量仪器安装位置的描述10(内页第3页参考格式)校准结果一、外观检查二、风速示值误差标准风速被检示值示值误差扩展不确定度(k=2)三、风向示值误差标准风向被检示值示值误差扩展不确定度(k=2)四、风速方向误差标准风速被检示值风速方向误差扩展不确定度(k=2)(以下空白)11附录D风速测量不确定度评定示例D.1概述D.1.1评定依据JJF1059.1—2012测量不确定度评定与表示。D.1.2标准设备和被测对象D.1.2.1标准设备标准器及配套设备为皮托静压管检定装置,主要技术指标见表D.1。表D.1标准器及配套设备主要技术指标分类名称主要技术指标标准器皮托静压管K取值范围(0.999~1.002),Urel不大于0.5%微差压计最大允许误差不大于0.5Pa角度编码器分度误差不大于0.1°配套设备温度仪最大允许误差不大于0.5℃湿度仪最大允许误差不大于8.0%气压计最大允许误差不大于2hPa风洞稳定性≤0.5%均匀性≤1.0%气流偏角≤1.0°D.1.2.2被测对象送校单位:维萨拉(北京)测量技术有限公司器具名称:超声波风向风速测量仪器型号规格:WMT700制造单位:维萨拉(北京)测量技术有限公司D.1.3主要测量方法由风洞产生稳定均匀的空气流场,标准器和风速传感器置于其流场中。用标准皮托静压管感应风洞中流动空气的差压(总压和静压之差),并由微差压计测出压力值,通过该压力值及流场的空气密度,用伯努利方程得出风洞的流场风速,该风速作为流场的标准风速。将超声波风向风速测量仪器风速示值减去标准风速即为风速示值误差。将校准点选择为:2m/s、5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s,并逐点分析不确定度。D.2建立测量模型和分析不确定度来源D.2.1测量模型在校准过程中,测量结果为示值误差,计算如公式(D.1)。Δv=v′-v(D.1)12式中:Δv—风速示值误差,m/s;v′—被测风速值,m/s;v—标准风速值,m/s。将标准风速v的计算公式带入公式(D.1),同时考虑到风洞均匀性对测量结果的影响,则:公式(D.2)即为被校表风速测量结果不确定度评定的测量模型。式中:Δv—被校表在某一点的示值误差,m/s;v′—被校表在该点的示值,m/s;p—微差压计示值,Pa;ξ—皮托静压管校准系数;T—试验段内温度,K;P0—试验段内气压,Pa;H—试验段内空气相对湿度,用%表示;ew—T温度下的饱和水汽压,m/s;Δf—风洞均匀性对测量结果的影响,m/s。D.2.2不确定度来源分析(1)超声波风向风速仪测量重复性引入的标准不确定度;(2)微差压计引入的标准不确定度;(3)皮托静压管校准系数引入的标准不确定度;(4)温度仪引入的标准不确定度;(5)气压计引入的标准不确定度;(6)湿度仪引入的标准不确定度;(7)风洞均匀性引入的标准不确定度。D.3不确定度分量评定D.3.1超声波风向风速仪测量重复性引入的不确定度u(v′)根据不同的风速点进行的3次重复风速测量值,用极差法求出实验标准差s(xi)=时,C=1.69),超声波风向风速仪测量值为3次测量结果的平均值,因此计算示值误差重复测量引入的标准不确定度见表D.2。表D.2超声波风向风速仪测量重复性引入的不确定度u(v′)项目校准点/(m/s)251015202530极差0.10.10.10.10.10.10.2标准不确定度u(v′)0.0340.0340.0340.0340.0340.0340.06813D.3.2微差压计引入的标准不确定度u(p)微差压计的最大允许误差为±0.5Pa,取均匀分布,则微差压计示值误差引入的标准不确定度:u(p)=0.5/3=0.289(Pa)D.3.3皮托静压管校准系数引入的标准不确定度u(ξ)试验使用的标准皮托静压管的校准系数为:ξ=1.003,相对不确定度为0.1%(k=2)。故由标准皮托静压管校准系数引入的绝对不确定度分量为D.3.4温度仪引入的标准不确定度u(T)温度仪的最大允许误差为±0.5℃,按均匀分布,则温度仪测量引入的标准不确定度:D.3.5气压计引入的标准不确定度u(P0)气压计的最大允许误差为±2hPa,按均匀分布,则气压计测量引入的标准不确定度:D.3.6湿度仪引入的标准不确定度u(H)湿度仪的最大允许误差为±8%,按均匀分布,则湿度仪测量引入的标准不确定度:D.3.7风洞均匀性引入的不确定度u(Δf)风洞的不均匀性最大为1.0%,因超声波风向风速仪安装在风洞中,会对风场的均匀性产生影响。但由于皮托静压管和风速仪感应部分基本相近均则有:其标准不确定度u(Δf)见表D.3。表D.3风洞均匀性引入的标准不确定度u(Δf)v/(m/s)251015202530u(Δf)/(m/s)0.0120.0290.0580.0870.1160.1450.174D.4合成标准不确定度标准不确定度分量汇总见表D.4。14表D.4标准不确定度一览表标准不确定度来源灵敏度系数超声波风向风速仪测量重复性引入的标准不确定度u(v′)cv′微差压计引入的标准不确定度u(p)cp皮托静压管校准系数引入的标准不确定度u(ξ)cξ温度仪引入的标准不确定度u(T)cT气压计引入的标准不确定度u(P0)cP0湿度仪引入的标准不确定度u(H)cH风洞均匀性引入的标准不确定度u(Δf)cΔf其中,灵敏度系数可由公式(D.2)求偏导得出,具体如下:110.378Hew)-2110.378Hew)-2110.378Hew)-2333.48353×10-3×0.378Hew)-23310-3×P0-3.48353×10-3×0.378Hew)-2本次试验环境:温度为19.4℃,气压为1005.5hPa,相对湿度为20.6%,则各灵敏度系数计算见表D.5。JJF1934—202115表D.5各灵敏度系数v(m/s)251015202530cv′1111111cp-0.416-0.166-0.084-0.056-0.042-0.034-0.028cξ-1.004-2.512-5.000-7.447-9.962-12.427-15.010cT-0.003-0.009-0.017-0.026-0.034-0.043-0.051cP00.000010.000030.000050.000070.000100.000120.00015cH0.00010.00020.00040.00060.00080.00110.0013cΔf1111111由于各分量之间相互不相关,合成标准不确定度的计算公式如式(D.3)所示:uc(Δv)=[cv′u(v′)]2+[cpu(p)]2+[cξu(ξ)]2+[cTu(T)]2+[cp0u(p0)]2+[cHu(H)]2+[cΔfu(Δf)]2(D.3)其计算结果见表D.6。表D.6合成标准不确定度uc(Δv)v(m/s)251015202530uc(Δv)(m/s)0.1250.0660.0720.0960.1230.1510.189D.5扩展不确定度表D.7扩展不确定度U(k=2)取k=2,则扩展不确定度U=2u表D.7扩展不确定度U(k=2)风速/(m/s)251015202530U(k=2)/(m/s)0.250.130.140.190.250.300.38JJF1934—202116附录E风向测量不确定度评定示例E.1概述E.1.1评定依据JJF1059.1—2012测量不确定度评定与表示。E.1.2标准设备和被测对象E.1.2.1标准设备标准器及配套设备为皮托静压管检定装置,主要技术指标见表E.1。表E.1标准器及配套设备主要技术指标分类名称主要技术指标标准器皮托静压管K取值范围(0.999~1.002),Urel不大于0.5%微差压计最大允许误差不大于0.5Pa角度编码器分度误差不大于0.1°配套设备温度仪最大允许误差不大于0.5℃湿度仪最大允许误差不大于8.0%气压计最大允许误差不大于2hPa风洞稳定性≤0.5%均匀性≤1.0%气流偏角≤1.0°E.1.2.2被测对象送校单位:维萨拉(北京)测量技术有限公司;器具名称:超声波风向风速测量仪器;型号规格:WMT700;制造单位:维萨拉(北京)测量技术有限公司。E.1.3主要测量方法通过角度编码器测得风向值,该风向作为标准风向值。将风向传感器示值减去标准风向值即为风向传感器示值误差。将校准点选择为:0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°,并逐点分析不确定度。E