中華人民共和國國家計量技術規(guī)范JJF1934—2021超聲波風向風速測量儀器校準規(guī)范CalibrationSpecificationforUltrasonicAnemometers2021-12-08發(fā)布2022-06-08實施國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布JJF1934—2021超聲波風向風速測量儀器校準規(guī)范CalibrationSpecificationforUltrasonicAnemometers????????????????????????????????????????????????????JJF1934—2021??????????????歸口單位:全國氣象專用計量器具計量技術委員會主要起草單位:中國氣象局氣象探測中心參加起草單位:湖北省氣象信息與技術保障中心黑龍江省大氣探測技術保障中心新疆氣象技術裝備保障中心江蘇省無線電科學研究所有限公司本規(guī)范委托全國氣象專用計量器具計量技術委員會負責解釋本規(guī)范主要起草人:邊澤強(中國氣象局氣象探測中心)李松奎(中國氣象局氣象探測中心)劉昕(中國氣象局氣象探測中心)參加起草人:曾濤(湖北省氣象信息與技術保障中心)黃清治(黑龍江省大氣探測技術保障中心)馬靜(新疆氣象技術裝備保障中心)周琦(江蘇省無線電科學研究所有限公司)JJF1934—2021Ⅰ引言 (Ⅱ)1范圍 (1)2引用文件 (1)3術語和計量單位 (1)3.1術語 (1)3.2計量單位 (1)4概述 (1)5計量特性* (2)5.1風速示值誤差 (2)5.2風向示值誤差 (2)5.3風速方向誤差 (2)6校準條件 (2)6.1環(huán)境條件 (2)6.2計量標準測量設備及其他設備 (2)7校準項目和校準方法 (3)7.1校準項目 (3)7.2校準方法 (3)8校準結果的表達 (4)9復校時間間隔 (5)附錄A標準風速值計算方法 (6)附錄B超聲波風向風速測量儀器校準記錄(參考格式) (7)附錄C校準證書(參考格式) (8)附錄D風速測量不確定度評定示例 (11)附錄E風向測量不確定度評定示例 (16)JJF1934—2021ⅡJJF1071《國家計量校準規(guī)范編寫規(guī)則》、JJF1001《通用計量術語及定義》、JJF1059.1《測量不確定度評定與表示》共同構成支撐本規(guī)范編寫工作的基礎性系列規(guī)范。本規(guī)范為首次發(fā)布。1超聲波風向風速測量儀器校準規(guī)范1范圍本規(guī)范適用于測量二維風場的超聲波風向風速測量儀器的校準。2引用文件本規(guī)范引用了下列文件:JJG431—2014輕便三杯風向風速表QX/T8—2002氣象儀器術語QX/T84—2007氣象低速風洞性能測試規(guī)范凡是注日期的引用文件,僅注日期的版本適用于本規(guī)范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規(guī)范。3術語和計量單位3.1術語3.1.1風向winddirection風的來向。[來源:QX/T8—2002,定義5.4.2]3.1.2風速windspeed單位時間內(nèi)空氣移動的距離。[來源:QX/T8—2002,定義5.4.3]3.1.3超聲波風向風速測量儀器ultrasonicanemometer根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度隨風速的變化而改變的原理制成的測風儀器。[來源:QX/T8—2002,定義5.4.46]3.1.4風速方向特性directionalresponse超聲波風向風速測量儀器垂直安裝,在水平方向的某一固定風速下,從任何方向測量所引起的誤差。3.2計量單位風速計量單位為米每秒(m/s);風向計量單位為度(°)。4概述超聲波風向風速測量儀器是利用發(fā)送聲波脈沖,測量接收端的時間或頻率(多普勒變換)差別來計算風速和風向的測量傳感器或測量儀器。其外觀示意如圖1所示。超聲波風向風速測量儀器通常由發(fā)送端、接收端、支架、數(shù)據(jù)采集等部分組成。發(fā)送端和接收端在一定的距離上成等距平行,發(fā)送端發(fā)出聲波,在順向或逆向風的作用2下,接收端接收到的時間就會產(chǎn)生時間差,利用這一時間差,可以理論推導出風速。通過幾組發(fā)送端和接收端的交替發(fā)射和接收,可以計算出不同方向上聲傳播的時間差,再計算正交的風速分量,然后合成風向風速。圖1超聲波風向風速測量儀器外觀示意圖5計量特性*5.1風速示值誤差風速15m/s及以下風速示值誤差不超過±0.5m/s,風速15m/s以上風速示值誤差不超過±3%。5.2風向示值誤差風向示值最大允許誤差不超過±3°。5.3風速方向誤差超聲波風向風速測量儀器垂直安裝,在10m/s水平方向風速下,任何方向下風速示值誤差不超過±0.5m/s。*注:以上指標不作為合格性判據(jù),僅供參考。6校準條件6.1環(huán)境條件溫度:(15~30)℃;相對濕度:不大于85%;大氣壓力:(500~1050)hPa。6.2計量標準測量設備及其他設備測量設備及其他設備主要技術指標見表1。JJF1934—20213表1標準器及配套設備分類名稱主要技術指標標準器皮托靜壓管K取值范圍(0.999~1.002),Urel不大于0.5%微差壓計最大允許誤差不大于0.5Pa角度編碼器分度誤差不大于0.1°配套設備溫度儀最大允許誤差不大于0.5℃濕度儀最大允許誤差不大于8.0%氣壓計最大允許誤差不大于2hPa風洞穩(wěn)定性≤0.5%均勻性≤1.0%氣流偏角≤1.0°7校準項目和校準方法7.1校準項目校準項目及對應的校準方法條款見表2。表2校準項目表校準項目校準方法對應條款風速示值校準方法見7.2.3風向示值校準方法見7.2.4風速方向特性校準方法見7.2.5注:可根據(jù)實際應用需要,選擇要校準的計量特性項目。7.2校準方法7.2.2校準前準備7.2.2.1外觀檢查用目測的方法,對超聲波風向風速測量儀器的外觀和結構進行檢查并記錄。7.2.2.2標準器的安裝將標準皮托靜壓管牢固安裝在風洞試驗段流場均勻區(qū)內(nèi),皮托靜壓管的總壓孔應朝向風的來向,皮托靜壓管探頭與風洞軸線平行。皮托靜壓管的總壓接頭、靜壓接頭分別與微差壓計的測試端、參考端通過管路相連。7.2.2.3超聲波風向風速測量儀器的安裝將超聲波風向風速測量儀器垂直固定在風洞底座的水平旋轉(zhuǎn)平臺上,調(diào)節(jié)高度使超聲波風向風速測量儀器感應部分位于風洞試驗段截面積中心位置,超聲波風向風速測量儀器位于皮托靜壓管測量探頭后端(相對氣流來向)。超聲波風向風速測量儀器與皮托靜壓管探頭的距離應不小于100mm。JJF1934—202147.2.3風速示值風速校準點:2m/s、5m/s、10m/s、15m/s、20m/s,30m/s。也可根據(jù)要求自主選擇校準點。轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)平臺將測風儀風向0°朝向風的來向。在記錄微壓計示值和工作段內(nèi)溫度、濕度及氣壓值,計算標準風速值(計算方法見附錄A),同時記錄超聲波風向風速測量儀器的風速示值作為該風速校準點的被測風速值。各風速校準點風速示值誤差計算見公式(1)。Δv=v′-v(1)式中:Δv—風速示值誤差,m/s;v′—被測風速值,m/s;v—標準風速值,m/s。7.2.4風向示值風向校準點:0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。也可根據(jù)要求自主選擇校準點。在10m/s風速下,按照風向校準點順序轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)平臺。風速穩(wěn)定后,記錄標準風向值,同時記錄超聲波風向風速測量儀器風向示值作為被測風向值。各風向校準點風向示值誤差計算見公式(2)。ΔD=D′-D(2)式中:ΔD—風向示值誤差,(°);D′—被測風向值,(°);D—標準風向值,(°)。7.2.5風速方向特性在10m/s風速下,從0°開始,以22.5°為間隔順序轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)平臺至360°,也可根據(jù)超聲波風向風速測量儀器的機械結構特點自主選擇旋轉(zhuǎn)角度。在每個風向點,記錄微壓計示值和工作段內(nèi)溫度、濕度及氣壓值,計算標準風速,同時記錄超聲波風向風速測量儀器的風速示值作為被測風速值。各風向點風速方向誤差計算見公式(1)。8校準結果的表達校準結果應在校準證書上反映(校準證書內(nèi)頁格式參考附錄D)。校準證書至少應包括以下信息:a)標題“校準證書”;b)實驗室名稱和地址;c)進行校準的地點(如果與實驗室的地址不同);d)證書的唯一性標識(如編號),每頁及總頁數(shù)的標識;e)客戶的名稱和地址;JJF1934—20215f)被校對象的描述和明確標識;g)進行校準的日期,如果與校準結果的有效性和應用有關時,應說明被校對象的接收日期;h)如果與校準結果的有效性或應用有關時,應對被校樣品的抽樣程序進行說明;i)校準所依據(jù)的技術規(guī)范的標識,包括名稱及代號;j)本次校準所用測量標準的溯源性及有效性說明;k)校準環(huán)境的描述;l)校準結果及其測量不確定度的說明;m)對校準規(guī)范的偏離的說明;n)校準證書或校準報告簽發(fā)人的簽名、職務或等效標識;o)校準結果僅對被校對象有效性的聲明;p)未經(jīng)實驗室書面批準,不得部分復制證書的聲明。9復校時間間隔建議超聲波風向風速測量儀器的復校時間間隔為1年。但當發(fā)現(xiàn)風速、風向測量值出現(xiàn)異常時建議提前送校。JJF1934—20216附錄A標準風速值計算方法A.1用風洞試驗段內(nèi)的空氣溫度按公式(A.1)計算出飽和水汽壓:ew=k×e(AT2+BT+C+(A.1)式中:ew—T溫度下的飽和水汽壓,Pa;T—試驗段內(nèi)空氣溫度,K;k=1Pa。A、B、C、D均為常數(shù),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用風洞試驗段內(nèi)的空氣溫度、相對濕度和氣壓值按公式(A.2)計算出空氣密度:(A.2)式中:T—試驗段內(nèi)空氣溫度,K;P0—試驗段內(nèi)氣壓,Pa;H—試驗段內(nèi)空氣相對濕度,用小數(shù)表示;ew—T溫度下的飽和水汽壓,Pa。A.3將空氣密度值和微壓計示值代入公式(A.3)計算出標準風速值:(A.3)式中:v—標準風速,m/s;ρ—空氣密度,kg/m3;p—微壓計示值,Pa;k—皮托靜壓管系數(shù)。JJF1934—20217附錄B超聲波風向風速測量儀器校準記錄(參考格式)送檢單位記錄編號儀器名稱型號/規(guī)格儀器編號生產(chǎn)廠商最大允許誤差校準地點計量標準標準器環(huán)境參數(shù)氣壓:(~)hPa,溫度:(~)℃,相對濕度:(~)%阻塞比一、外觀檢查外觀二、風速示值誤差風速示值誤差標準值m/s被校值m/s示值誤差m/s不確定度(k=2)三、風向示值誤差風向示值誤差標準值/(°)被校值/(°)示值誤差(°)不確定度(k=2)四、風速方向誤差風速方向誤差標準值m/s被校值m/s風速方向誤差/(m/s)不確定度(k=2)校準人:核驗人:校準日期:JJF1934—20218附錄C校準證書(參考格式)校準證書封面格式式樣(校準機構名稱)NameforInstituteofCalibrationCalibrationCertificate證書編號:字第號CertificateNo.計量器具名稱NameofInstrument型號規(guī)格Model/Type制造廠Manufacture器具編號No.ofInstrument送檢單位Applicant校準依據(jù)CalibrationRegulation批準人Approvedby(校準專用章)核驗人StampInspectedby校準人Calibrationby校準日期年月日DateofCalibration年月日地址:郵編:電話:傳真:JJF1934—20219(內(nèi)頁第2頁參考格式)校準機構授權說明校準環(huán)境條件及地點:溫度℃氣壓相對濕度%其他校準使用的計量(基)標準名稱測量范圍不確定度/準確度等級/最大允許誤差計量(基)標準證書編號有效期至校準使用的標準器名稱測量范圍不確定度/準確度等級/最大允許誤差計量(基)標準證書編號有效期至校準時標準器與被校超聲波風向風速測量儀器安裝位置的描述10(內(nèi)頁第3頁參考格式)校準結果一、外觀檢查二、風速示值誤差標準風速被檢示值示值誤差擴展不確定度(k=2)三、風向示值誤差標準風向被檢示值示值誤差擴展不確定度(k=2)四、風速方向誤差標準風速被檢示值風速方向誤差擴展不確定度(k=2)(以下空白)11附錄D風速測量不確定度評定示例D.1概述D.1.1評定依據(jù)JJF1059.1—2012測量不確定度評定與表示。D.1.2標準設備和被測對象D.1.2.1標準設備標準器及配套設備為皮托靜壓管檢定裝置,主要技術指標見表D.1。表D.1標準器及配套設備主要技術指標分類名稱主要技術指標標準器皮托靜壓管K取值范圍(0.999~1.002),Urel不大于0.5%微差壓計最大允許誤差不大于0.5Pa角度編碼器分度誤差不大于0.1°配套設備溫度儀最大允許誤差不大于0.5℃濕度儀最大允許誤差不大于8.0%氣壓計最大允許誤差不大于2hPa風洞穩(wěn)定性≤0.5%均勻性≤1.0%氣流偏角≤1.0°D.1.2.2被測對象送校單位:維薩拉(北京)測量技術有限公司器具名稱:超聲波風向風速測量儀器型號規(guī)格:WMT700制造單位:維薩拉(北京)測量技術有限公司D.1.3主要測量方法由風洞產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的空氣流場,標準器和風速傳感器置于其流場中。用標準皮托靜壓管感應風洞中流動空氣的差壓(總壓和靜壓之差),并由微差壓計測出壓力值,通過該壓力值及流場的空氣密度,用伯努利方程得出風洞的流場風速,該風速作為流場的標準風速。將超聲波風向風速測量儀器風速示值減去標準風速即為風速示值誤差。將校準點選擇為:2m/s、5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s,并逐點分析不確定度。D.2建立測量模型和分析不確定度來源D.2.1測量模型在校準過程中,測量結果為示值誤差,計算如公式(D.1)。Δv=v′-v(D.1)12式中:Δv—風速示值誤差,m/s;v′—被測風速值,m/s;v—標準風速值,m/s。將標準風速v的計算公式帶入公式(D.1),同時考慮到風洞均勻性對測量結果的影響,則:公式(D.2)即為被校表風速測量結果不確定度評定的測量模型。式中:Δv—被校表在某一點的示值誤差,m/s;v′—被校表在該點的示值,m/s;p—微差壓計示值,Pa;ξ—皮托靜壓管校準系數(shù);T—試驗段內(nèi)溫度,K;P0—試驗段內(nèi)氣壓,Pa;H—試驗段內(nèi)空氣相對濕度,用%表示;ew—T溫度下的飽和水汽壓,m/s;Δf—風洞均勻性對測量結果的影響,m/s。D.2.2不確定度來源分析(1)超聲波風向風速儀測量重復性引入的標準不確定度;(2)微差壓計引入的標準不確定度;(3)皮托靜壓管校準系數(shù)引入的標準不確定度;(4)溫度儀引入的標準不確定度;(5)氣壓計引入的標準不確定度;(6)濕度儀引入的標準不確定度;(7)風洞均勻性引入的標準不確定度。D.3不確定度分量評定D.3.1超聲波風向風速儀測量重復性引入的不確定度u(v′)根據(jù)不同的風速點進行的3次重復風速測量值,用極差法求出實驗標準差s(xi)=時,C=1.69),超聲波風向風速儀測量值為3次測量結果的平均值,因此計算示值誤差重復測量引入的標準不確定度見表D.2。表D.2超聲波風向風速儀測量重復性引入的不確定度u(v′)項目校準點/(m/s)251015202530極差0.10.10.10.10.10.10.2標準不確定度u(v′)0.0340.0340.0340.0340.0340.0340.06813D.3.2微差壓計引入的標準不確定度u(p)微差壓計的最大允許誤差為±0.5Pa,取均勻分布,則微差壓計示值誤差引入的標準不確定度:u(p)=0.5/3=0.289(Pa)D.3.3皮托靜壓管校準系數(shù)引入的標準不確定度u(ξ)試驗使用的標準皮托靜壓管的校準系數(shù)為:ξ=1.003,相對不確定度為0.1%(k=2)。故由標準皮托靜壓管校準系數(shù)引入的絕對不確定度分量為D.3.4溫度儀引入的標準不確定度u(T)溫度儀的最大允許誤差為±0.5℃,按均勻分布,則溫度儀測量引入的標準不確定度:D.3.5氣壓計引入的標準不確定度u(P0)氣壓計的最大允許誤差為±2hPa,按均勻分布,則氣壓計測量引入的標準不確定度:D.3.6濕度儀引入的標準不確定度u(H)濕度儀的最大允許誤差為±8%,按均勻分布,則濕度儀測量引入的標準不確定度:D.3.7風洞均勻性引入的不確定度u(Δf)風洞的不均勻性最大為1.0%,因超聲波風向風速儀安裝在風洞中,會對風場的均勻性產(chǎn)生影響。但由于皮托靜壓管和風速儀感應部分基本相近均則有:其標準不確定度u(Δf)見表D.3。表D.3風洞均勻性引入的標準不確定度u(Δf)v/(m/s)251015202530u(Δf)/(m/s)0.0120.0290.0580.0870.1160.1450.174D.4合成標準不確定度標準不確定度分量匯總見表D.4。14表D.4標準不確定度一覽表標準不確定度來源靈敏度系數(shù)超聲波風向風速儀測量重復性引入的標準不確定度u(v′)cv′微差壓計引入的標準不確定度u(p)cp皮托靜壓管校準系數(shù)引入的標準不確定度u(ξ)cξ溫度儀引入的標準不確定度u(T)cT氣壓計引入的標準不確定度u(P0)cP0濕度儀引入的標準不確定度u(H)cH風洞均勻性引入的標準不確定度u(Δf)cΔf其中,靈敏度系數(shù)可由公式(D.2)求偏導得出,具體如下:110.378Hew)-2110.378Hew)-2110.378Hew)-2333.48353×10-3×0.378Hew)-23310-3×P0-3.48353×10-3×0.378Hew)-2本次試驗環(huán)境:溫度為19.4℃,氣壓為1005.5hPa,相對濕度為20.6%,則各靈敏度系數(shù)計算見表D.5。JJF1934—202115表D.5各靈敏度系數(shù)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由于各分量之間相互不相關,合成標準不確定度的計算公式如式(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)其計算結果見表D.6。表D.6合成標準不確定度uc(Δv)v(m/s)251015202530uc(Δv)(m/s)0.1250.0660.0720.0960.1230.1510.189D.5擴展不確定度表D.7擴展不確定度U(k=2)取k=2,則擴展不確定度U=2u表D.7擴展不確定度U(k=2)風速/(m/s)251015202530U(k=2)/(m/s)0.250.130.140.190.250.300.38JJF1934—202116附錄E風向測量不確定度評定示例E.1概述E.1.1評定依據(jù)JJF1059.1—2012測量不確定度評定與表示。E.1.2標準設備和被測對象E.1.2.1標準設備標準器及配套設備為皮托靜壓管檢定裝置,主要技術指標見表E.1。表E.1標準器及配套設備主要技術指標分類名稱主要技術指標標準器皮托靜壓管K取值范圍(0.999~1.002),Urel不大于0.5%微差壓計最大允許誤差不大于0.5Pa角度編碼器分度誤差不大于0.1°配套設備溫度儀最大允許誤差不大于0.5℃濕度儀最大允許誤差不大于8.0%氣壓計最大允許誤差不大于2hPa風洞穩(wěn)定性≤0.5%均勻性≤1.0%氣流偏角≤1.0°E.1.2.2被測對象送校單位:維薩拉(北京)測量技術有限公司;器具名稱:超聲波風向風速測量儀器;型號規(guī)格:WMT700;制造單位:維薩拉(北京)測量技術有限公司。E.1.3主要測量方法通過角度編碼器測得風向值,該風向作為標準風向值。將風向傳感器示值減去標準風向值即為風向傳感器示值誤差。將校準點選擇為:0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°,并逐點分析不確定度。E