1、超声波测风仪校准规范编制说明主要起草单位：中国气象局气象探测中心参加起草单位：黑龙江省大气探测技术保障中心湖北省气象信息与技术保障中心江苏省无线电科学研究所有限公司11 任务来源本规范由中国气象局提出，由全国压力计量技术委员会气象专业分技术委员会归口。项目于 2016 年立项，计划项名称超声波风向风速测量仪器校准规范 。经研究，更名为超声波测风仪校准规范 ，原因是名称更简洁，更准确，符合业务需求。负责起草单位为中国气象局气象探测中心。2 制订本规范的目的和意义超声波测风仪，是利用超声波在空气中传播速度受空气流动(风) 的影响来测量风速的。与传统机械式测风仪相比，超声波测风仪测风过程中无机械磨损
2、，反应速度快、测量精度高、分辨率高、维护成本较低、能测量风速中的高频脉动成分等优点，使用前景广阔。超声波测风仪计量性能的准确性对于国家减灾防灾，保证国民经济稳定运行和持续发展，保障人民群众生命财产安全具有重要作用。因此，依据科学合理的规范对其进行周期校准是保证其测量数据准确可靠的必要技术手段。3 编写过程中国气象局气象探测中心作为本规范的主要起草单位，2018 年召集参加起草单位（黑龙江省大气探测技术保障中心、湖北省气象信息与技术保障中心、江苏省无线电科学研究所有限公司）起草人组成编写组。编写组由边泽强、李松奎、刘昕、肖汉、韩书新、黄清治、曾涛、周琦、张旭 9 名同志组成。边泽强、李松奎负责整
3、个规范编写过程的组织，提出了规范的结构、规范主要内容，编制初稿和征求意见稿的最终修改定稿等工作。刘昕、肖汉、韩书新、黄清治、曾涛，负责收集、整理有关资料和文献，参与“征求意见稿”修改。周琦、张旭，负责规范起草过程中的讨论，对规范的结构和内容提出意见。4 编写依据在编写本规范时，编写组首先注重参考国际国内已正式发行的相关规程或规范的最新版本，本规范的编写格式遵从了 JJF 1071-2010国家计量校准规范编写规则的要求，编写过程中参考了 JJF1001-2011通用计量术语及定义 、JJF1094-2002 测量仪器特性评定 、JJF1059 -2012测量不确定度评定与表示 、JJG 431
4、-2014轻便三杯2风向风速表 、JJF 1431-2013风电场用磁电式风速传感器 、QX/T 842007 气象低速风洞性能测试规范ISO17713-1-2007 气象学 风力测量 旋转风速计性能的风洞试验方法、ISO 16622-2002 声学风速计 ,温度计平均风速测量的验收试验方法、 IEC 61400-12-1-2005Power performance measurements of electricity producing wind turbines 、D5096-02-2006Standard Test Method for Determining the Performa
5、nce of a Cup Anemometer or Propeller Anemometer等规程、规范或文章。5 修订规范的简要过程5.1 调研情况5.1.1 生产情况超声波测风仪的生产厂家主要有芬兰 Vaisala 公司、英国 FT 公司、德国 Thies 公司、英国 Gill 公司、江苏省无线电科学研究所等。5.1.2 计量工作开展情况目前，超声波测风仪在国外以及国内风能风电领域已使用很广，虽然在国内气象业务台站上的全面使用还有一段距离，但超声波测风仪校准方法的研究一定要走在前面，所以迫切需要一套切实可行、可靠的超声波测风仪计量校准方法。6 主要内容的说明本规范主要是对超声波测风仪校准
6、规范中范围、概述、计量特性、校准条件、校准项目及校准方法等内容提出了要求和规定，并给出了对于这些规定进行的检查方法。6.1 引言主要列出了支撑本规范编写工作的基础性系列规范据以及编写规则。6.2 范围说明了本规范的适用范围。6.3 规范第 2 条 引用文件本规范中明确引用了 JJF1001-2011通用计量术语及定义 、JJG 431-2014 轻便三杯风向风速表、JJF 1431-2013 风电场用磁电式风速传感器校准规范、3QX/T 842007气象低速风洞性能测试规范等国家规程或规范。6.3 规范第 3 条 术语和计量单位该规范列出了皮托管探头、超声波测风仪、阻塞比、流场均匀区的定义，并
7、指明了风向、风速校准的计量单位。6.4 规范第 4 条 概述对超声波测风仪的原理和优点进行了简要说明。超声波在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，若超声波的传播方向若与风向相反，它的速度会变慢。因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应。通过计算即可得到精确的风速和风向。6.5 规范第 5 条 计量特性示值最大允许误差（0.5 +0.03V）m/s 中的“V”为标准风速，测量仪器的示值最大允许误差在同一标准风速下是固定的，不能因每个测量仪器的示值变化而变化。6.5 规范第 6 条 校准条件 6.5.1 规范
8、6.1 环境条件在规范 6.1 中规定了校准环境条件，其中环境温度为（1530），湿度不大于85%RH，大气压力为(5001060)hPa。6.5.2 规范 6.2 计量标准目前国家气象计量站一等标准皮托管的系数 K 均为 1.001，省级二等标准皮托管的系数 K 也大都在 0.9991.002 之间，而系数 K 在 0.991.01 之间的皮托管只能用于工作级，不能当作标准器，因此在该规范中规定皮托管应选用 L 型标准皮托静压管，校准系数 为 0.9981.004，K 为 0.9991.002。数字微压计测量范围：(02500) Pa，最大允许误差: 0.5Pa。微压计的测量范围根据实际风速
9、计算公式（1）测算： pv2(1)式中：4v风速， m/s；空气密度，kg/m 3；p微差压计示值，Pa；皮托管校准系数；则有： 2vp，取 =1.21kg/m3 , =1.003, v=60m/s，此时微压计值为：p=2171.5Pa因此选择测量上限2500Pa，最大允许误差为0.5Pa的数字微压计是合理的。另外，对风洞的性能技术指标也进行了规定，选择了目前我国低速风洞普遍能达到的一般要求，同时对测量风洞流场空气密度的温度计、湿度计和气压计的技术参数也进行了规定。 规范没有规定其他标准器，是基于目前皮托管和微压计是目前我国开展风仪校准的通用标准器，也是国际上通用的风速校准标准器具，具有稳定可
10、靠、科学准确，经济合理的特点。6.6 规范第 7 条 校准项目和校准方法6.6.1 规范 7.1 校准项目列出了校准项目表，主要进行外观检查、风速测量误差和风向测量误差。6.6.2 规范第 7.2 校准方法6.6.3 规范第 7.2.1 外观检查规定了外观检查的具体方法。6.6.5 规范第 7.2.2. 校准前准备本规范 7.2.2.1 和 7.2.2.2 中规定了皮托管和被检超声波测风仪的安装位置和要求。其中被检仪器和皮托管的相对位置考虑了阻塞和乱流影响（参考了国内外仪器设备的安装方法） 。 本规范 7.2.2.3 中根据数字微压计的产品说明，规定了校准工作开始前微压计应预热和调零。56.6
11、.6 规范 7.2.3、7.2.4 风速测量误差、风向测量误差规定了风速测量误差、风向测量误差的具体校准方法。根据校准规范不做强制检定的原则，风速、风向校准点的选择可以根据客户需求酌情选择。6.6.7 规范 7.3 数据处理给出了标准风速的计算公式（见附录 B） ，该公式采用国际通用的计算公式。采用此公式一是考虑到目前计算机的广泛应用，数值运算可用计算机实现，方便可行；二是减少了各种修正系数，舍去了各种中间步骤，使计算精度大为提高；三是空气密度计算科学准确，提高了计算准确度。本规范给出了示值误差计算公式。6.7 规范第八条 校准结果的表达根据 JJF1071-2010国家计量校准规范编写规则
12、的要求，本规范列出了校准结果的表达，对校准证书应包含的信息加以说明。6.8 规范第九条 复校时间间隔在本规范建议超声波测风仪的复校时间间隔为 1 年。但在日常观测中若发现风向、风速测量值出现异常时建议提前送校。6.9 附录本规范附录 A 给出了超声波测风仪阻塞系数的测试方法。附录 B 为标准风速计算方式。标准风速的计算公式直接采用了伯努利方程。附录 C 为超声波测风仪校准记录（参考格式） 。附录 D 为校准证书参考格式附录 E 测量不确定度评定示例7 测量不确定度评定说明详见测量不确定度分析与评定报告。测量不确定度评定充分考虑了测量方法、测量标准、被检仪器、测量人员、测量环境的影响因素。在评定模型中，风速传感器校准中的标准量（实际风速）测量结果是通过伯努利方程计算求的，其影响因子较多，在实际评定中，各相关性（灵敏系数）得到了充分考虑，对各项数据进行了大量计算和分析，遵从了统计原则和合理原则，不遗漏、不重复。从实际评定过程和结果看，标准量（标准风速）测量结果的不确定6度分量是风速表检定测量结果不确定度的主要来源，而其中微压计误差引入的不确定度分量影响最大。超声波测风仪校准的标准设备采用了国际通用的皮托静压管、微压计和风洞，技术指标科学合理，测量结果准确可靠。评定的测量结果扩展不确定度符合开展计量检定、校准的要求。超声波测风仪校准规范编写组2017 年 12 月 23 日
