气象低速回路风洞检定结果的测量不确定度分析.pdf

第期气 象 水 文 海 洋 仪 器N o 年月M e t e o r o l o g i c a l,H y d r o l o g i c a l a n dM a r i n e I n s t r u m e n t sJ u n 收稿日期:作者简介:张鹏(),男,硕士,工程师主要从事计量检定工作气象低速回路风洞检定结果的测量不确定度分析张鹏,孙雪琪,范雪波(北京市气象探测中心,北京 )摘要:文章对北京市的气象低速回路风洞检定结果的测量不确定度进行了分析与研究.首先阐述了测量不确定度的定义和低速回路风洞的工作原理,然后通过建立风洞检定结果的数学模型,以及确定标准皮托管、温度传感器、湿度传感器、气压传感器和数字微压计分量的测量不确定度,得到气象低速回路风洞检定结果的扩展不确定度.由分析结果可以得出,要想提高风洞检定结果准确度,除了保证检定技术水平以外,还要进一步减少或消除仪器及仪器安装、人工读数、实验环境等影响因素带入的误差.关键词:气象;低速回路风洞;检定;测量不确定度中图分类号:V 文献标识码:A文章编号:X()A n a l y s i so nu n c e r t a i n t ym e a s u r e m e n t i nv e r i f i c a t i o nr e s u l t so fm e t e o r o l o g i c a l l o w s p e e d l o o pw i n dt u n n e lZ h a n gP e n g,S u nX u e q i,F a nX u e b o(B e i j i n gM e t e o r o l o g i c a lD e t e c t i o nC e n t e r,B e i j i n g )A b s t r a c t:T h i sp a p e ra n a l y z e sa n ds t u d i e s t h eu n c e r t a i n t ym e a s u r e m e n t i nv e r i f i c a t i o nr e s u l t so fm e t e o r o l o g i c a ll o w s p e e d l o o pw i n d t u n n e l i nB e i j i n g F i r s t l y,t h e d e f i n i t i o n o f u n c e r t a i n t ym e a s u r e m e n t a n d o p e r a t i n g p r i n c i p l e o fl o w s p e e dl o o p w i n d t u n n e la r e e x p o u n d e d T h e n,t h e e x p a n d e d u n c e r t a i n t y o f v e r i f i c a t i o n r e s u l t s o fm e t e o r o l o g i c a l l o w s p e e dl o o pw i n dt u n n e la r eo b t a i n e db ye s t a b l i s h i n gt h en u m e r i c a lm o d e l f o rw i n dt u n n e lv e r i f i c a t i o nr e s u l t s a n d d e t e r m i n i n g t h e u n c e r t a i n t y i n c o m p o n e n tm e a s u r e m e n t o f s t a n d a r d p i t o t t u b e,t e m p e r a t u r es e n s o r,h u m i d i t ys e n s o r,a i rp r e s s u r e s e n s o r a n dd i g i t a lm i c r op r e s s u r eg a u g e F r o mt h ea n a l y s i s r e s u l t s,i t c a nb ec o n c l u d e d t h a t i n o r d e r t o i m p r o v e t h e a c c u r a c y o fw i n d t u n n e l v e r i f i c a t i o n r e s u l t s,i n a d d i t i o n t o e n s u r i n g t h e l e v e lo f v e r i f i c a t i o n t e c h n o l o g y,i t i sn e c e s s a r yt of u r t h e rr e d u c eo re l i m i n a t et h ee r r o r sc a u s e db y i n f l u e n c i n gf a c t o r ss u c ha s i n s t r u m e n t a n d i n s t r u m e n t i n s t a l l a t i o n,m a n u a l r e a d i n g,a n de x p e r i m e n t a l e n v i r o n m e n t,e t c K e yw o r d s:w e a t h e r;l o w s p e e d l o o pw i n dt u n n e l;v e r i f i c a t i o n;u n c e r t a i n t ym e a s u r e m e n t引言风洞是研究气体流动对传感器或其他物体模型作用的一种大型管状精密设备.通常,风洞的组成部分包括风洞洞体、驱动装置和控制系统等.根据风洞使用需求和使用场景的不同,其每部分的外观和功能存在一定的不同.目前风洞已经在航空航天、海洋气象、汽车空气动力学和风工程,以及需要靠风速传感器提供关键参数的行业中广泛使用.文章的研究是基于Q X F D 型 m/s风洞,该风洞已在北京市气象局用于检定与校准各类风速和风向传感器.在气象领域和其他相关行业中,风洞是用来检定和校准各类风速传感器最常用的标准器设气 象 水 文 海 洋 仪 器J u n 备.根据风洞可产生的气流速度,风洞可以分为低速、高速和高超声速种.基于空气动力学原理,马赫数相对于流速可以更好地表示风洞内气体流动的特点.因此,常用马赫数表示风洞的流速大小,当实验段内气流马赫数低于 时,风洞称为低速风洞;当实验段内气流马赫数为 时,风洞称为高速风洞;当实验段内气流马赫数高于 时,风洞称为高超声速风洞.文章研究的是低速回路风洞,其通过控制系统和驱动装置产生气流,并结合风洞的不同试验段结构,在洞体内最终实现均匀稳定的风速场,用来检定和校准相关气象传感器.因此,气象低速风洞可实现运行可靠、操作方便、精准控制等目的.测量不确定度根据标准定义,测量不确定度是表示测量结果的一个重要非负参数,是指已考虑到各因素对测量结果的影响,用来表征被测量量值的分散性.在实际测量活动中,由于各种客观或主观原因会导致所测得的被测量值具有分散性,即测量结果会离散地分布在某一范围内.因此,为科学地表示被测量值的分布情况,可以用标准差或标准偏差表示测量不确定度.测量不确定度的评定方法分为A类评定和B类评定,前者是指依据被测量值的统计分布规律来计算得到测量不确定度的分量,而后者是依据有关知识或其他信息来源计算得到测量不确定度的分量.A类和B类评定方法均是基于概率分布获得,常用于计量检定分析实验中,可以加强由测量原理和方法引入不确定度的分析与认识水平,最终用于定量描述计量检定的结果.气象低速回路风洞工作原理 测量依据文章研究的气象低速回路风洞检定结果测量不确定度的依据是J J G 皮托管检定规程,并使用“L”形标准皮托静压管装置作为测量标准器.测量条件气象低速回路风洞检定结果测量不确定度的测量条件需要满足几方面:)标准皮托静压管的标准系数范围是 ,最大允许误差为 ;)数字微压计测量范围是 P a,最大允许误差为 P a;)温度测量仪器范围是 ,最大允许误差为;)湿度测量仪器范围是RH RH,最大允许误差为RH(RH),RH(RH);)气压测量仪器范围是 h P a,最大允许误差为 h P a;)风洞运行要求是工作段气流的偏角,流速不稳定性,紊流度;)实验环境条件是温度在 ,湿度 RH.测量不确定度分析文章采用GUM法评定测量不确定度,步骤依次是确定不确定度的来源、建立测量数学模型、评定标准不确定度、计算合成标准不确定度、确定扩展不确定度,最后报告测量结果.测量不确定度的来源通过分析气象低速回路风洞工作原理可知气象低速回路风洞检定结果的测量不确定度来源包括:标准皮托管、温度传感器、湿度传感器、压力传感器和数字微压计分量的不确定度.测量模型建立确定测量不确定度的来源后,通过数学模型确定气象低速回路风洞检定结果的测量不确定度如式()所示:pkp(t Hp)()式中,p是修正后测得的实际差压值;k是标准皮托管静压系数;p是由数字微压计读取的差压值;t是温度测量误差平均值;H是湿度测量误差平均值;p是气压测量误差平均值.其中相对误差传递形式为:dp/p dk/kdp,/p,(dt/t)(dh/h)(dp,/p,)()即用式()表示:pkp,thp,()式中,p是经过修正测得的实际差压值相对误差分量;k是标准皮托管静压系数相对误差分量;p,是由数字微压计读取的差压值相对误差分量;t是由温度传感器读取的温度差值相对误差分量;h是由湿度传感器读取的湿度差值相对误差分量;p,是由气压传感器读取的气压差值相第期张鹏,等:气象低速回路风洞检定结果的测量不确定度分析对误差分量;k,p,t,h,p,前的系数称为灵敏系数.标准不确定度的评定文章采用B类标准不确定度评定方法,即根据有关的信息或经验,首先确定区间宽度,假设被测量值在区间内的概率分布,然后确定置信因子,最后计算B类标准不确定度.标准皮托静压管的标准不确定度“L”形标准皮托静压管的标准不确定度是由国家气象计量站出具的检定证书提供,根据其最大允许误差,确定皮托静压管的区间半宽度ak ,假设为均匀分布,概率P ,取置信因子k,从而有u(k)ak/k .温度传感器的标准不确定度温度传感器的标准不确定度是由北京市气象仪器计量检定所出具的检定证书提供,根据其最大允许误差,确定温度传感器的区间半宽度at,假设为均匀分布,概率P ,取置信因子k,从而有u(t)at/k .湿度传感器的标准不确定度湿度传感器的标准不确定度是由北京市气象仪器计量检定所出具的检定证书提供,根据其最大允许误差,确定湿度传感器的区间半宽度HRH,假设为均匀分布,概率P ,取置信因子k,从而有u(H)aH/k RH.气压传感器的标准不确定度气压传感器的标准不确定度是由北京市气象仪器计量检定所出具的检定证书提供,根据其最大允许误差,确定气压传感器的区间半宽度p h P a,假设为均匀分布,概率P ,取置信因子k,从而有u(p)ap,/k h P a.数字微压计的标准不确定度根据数字微压计的工作原理,可知其读取的差压值p误差,由以下部分组成:)皮托管偏斜误差u(p).根据I S O (流量测量标准),当偏斜角度不超过 时,所引起压差值的标准不确定度为u(p).)实验段紊流误差u(p).根据Q X F D I型 m/s型低速风洞紊流实际测试结果,其紊流度最大允许误差 ,假设为均匀分布,概率P ,取置信因子k,从而有u(p).)气流不稳定误差u(p).根据Q X F D I型 m/s型低速风洞紊流实际测试结果,其流速不稳定性最大允许误差,假设为正态分布,概率P ,取置信因子k ,从而有u(p).)皮托管支杆堵塞u(p).直径为 m的标准皮托静压管按I S O 推荐的计算方法,其引入的最大允许误差为 ,假设为均匀分布,概率P ,取置信因子k,从而有u(p).)压头损失u(p).根据国家气象计量站测试结果,摩擦阻力损失对压差的最大允许误差为,假设为均匀分布,概率P ,取置信因子k,从而有u(p).)重复读数误差u(p).通过相关技术材料得知最大允许误差为 ,假设为均匀分布,概率P ,取置信因子k,从而有u(p).)补偿微压计引入误差u(p).补偿微压计允许误差在测量全程的最大允许误差为 P a,根据国家气象计量站测试结果,最大相对误差为,假设为正态分布,概率P ,取置信因子k ,从而有u(p).假设数字微压计的各误差分量互不相关,相互独立,则数字微压计的合成标准不确定度为:u(p)iu(pi)()合成标准不确定度的评定假设文章研究的标准皮托管、温度传感器、湿度传感器、压力传感器和数字微压计输入量均互不相关,且相关系数为,则根据不确定度传播率,合成标准不确定度可按式()计算:u(p)u(k)u(p)u(t)u(H)u(p)()扩展不确定度的评定取包含 因 子k,则 扩 展 不 确 定 度Uk u(p).测量不确定度的报告Q X F D I型 m/s风洞测量结果不确定度的报告形式为:U,取k.(下转第 页)气 象 水 文 海 洋 仪 器J u n 数据融合的潜力.参考文献:盛裴轩,毛节泰大气物理学M北京:北京大学出版社,刘健,于勇,蒋彤,等吉林省层状云中过冷水含量分布特征 及人 工 增雨 潜力 研究 J辽 宁 气 象,():,王宏波,王治华,何捷,等成都地区中低云层的激光雷达探测J光子学报,():陈臻懿,张玉钧,刘文清,等激光雷达探测合肥云层高度方法研究及分析J激光技术,():,李明阳,范萌,陶金花,等星载激光雷达云和气溶胶分类反演算法研究J光谱学与光谱分析,():马超,廖鹤,周文龙,等卫星激光大气遥感数据反演探讨J红外与激光工程,(增刊):C h uY,L i J,L iC,e ta l S e a s o n a l a n dd i u r n a lv a r i a b i l i t yo fp l a n e t a r yb o u n d a r y l a y e rh e i g h t i nB e i j i n g:I n t e r c o m p a r i s o nb e t w e e nM P La n dW R F r e s u l t sJ A t m o s p h e r i cR e s e a r c h,():Z h a oC,W a n gY,W a n gQ,e ta l An e wc l o u da n da e r o s o l l a y e rd e t e c t i o nm e t h o db a s e do nm i c r o p u l s el i d a r m e a s u r e m e n t sJ J o u r n a l o f G e o p h y s i c a lR e s e a r c h:A t m o s p h e r e s,(),d o i:/J D 宋继烨,檀望舒,李成才,等利用微脉冲激光雷达识别过冷水云层J北京大 学 学报(自然 科学 版),():陈思颖,王嘉奇,陈和,等改进简单多尺度法的激光雷达云检测J红外与激光工程,(增刊):M a oF,G o n gW,Z h uZ S i m p l em u l t i s c a l ea l g o r i t h mf o r l a y e rd e t e c t i o n w i t hl i d a rJ A p p l i e d O p t i c s,():吴举秀,魏鸣,王以琳利用毫米波测云雷达反演层状云中过冷水J干旱气象,():章文星,吕达仁地基热红外云高观测与云雷达及激光云高仪的相互对比J大气科学,():周伶俐,徐桂荣,吴栋桥,等激光云高仪和红外测温仪的云高观测性能比较分析J暴雨灾害,():C o h nSA,A n g e v i n e W M B o u n d a r yl a y e rh e i g h ta n de n t r a i n m e n tz o n et h i c k n e s sm e a s u r e db yl i d a r sa n d w i n d p r o f i l i n gr a d a r sJ J o u r n a lo f A p p l i e dM e t e o r o l o g y,():X uG,X iB,Z h a n g W,e ta l C o m p a r i s o no fa t m o s p h e r i cp r o f i l e s b e t w e e n m i c r o w a v e r a d i o m e t e r r e t r i e v a l s a n dr a d i o s o n d e s o u n d i n g sJ J o u r n a l o fG e o p h y s i c a lR e s e a r c h:A t m o s p h e r e s,(),d o i:/J D P r u p p a c h e r H R A n e wl o o ka th o m o g e n e o u si c en u c l e a t i o n i ns u p e r c o o l e dw a t e rd r o p sJ J o u r n a lo ft h eA t m o s p h e r i cS c i e n c e s,():任雍,梁莺,刘光普,等基于毫米波测云雷达的云粒子相态识别研究J沙漠与绿洲气象,():(上接第 页)结束语文章对Q X F D I型 m/s型风洞检定结果的测量过程及模型进行分析,以风洞检定结果的不确定度为研究对象,讨论其不确定来源并进行量化分析,以此为依据进行合成标准不确定度的计算,进而得到关于风洞检定结果中所包含的扩展不确定度评定,并给出了测量不确定度的报告形式:U,k.在利用风洞进行风速表等仪器检定时,应对相关标准器和环境因素给予足够重视,以减小测量不确定度,提高检定结果精度.参考文献:韩书新,侯飙,徐嘉,等气象低速风洞检定结果的测量不确定度评定J气象水文海洋仪器,():李启良,杨志刚计算流体力学在气动声学风洞设计中的应用J空气动力学学报,():刘鹤年流体力学M北京:中国建筑工业出版社,伍荣林风洞设计原理M北京:北京航空学院出版社,许承德概率论与数理统计M哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,