JJF 1935-2021 自动气象站杯式风速传感器校准规范

JJF1935—2021

中华人民共和国国家计量技术规范

JJF1935—2021

自动气象站杯式风速传感器校准规范

CalibrationSpecificationforCupWindSpeedTransducersof

AutomaticWeatherStations

2021-12-08发布

2022-06-08实施

国家市场监督管理总局发布

JJF1935—2021

自动气象站杯式

风速传感器校准规范

CalibrationSpecificationforCupWindSpeedTransducersofAutomaticWeatherStations

归口单位：全国气象专用计量器具计量技术委员会起草单位：辽宁省气象装备保障中心

中国气象局气象探测中心

浙江省大气探测技术保障中心

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

JJF1935—2021

本规范主要起草人：

沙莉（辽宁省气象装备保障中心）

刘昕（中国气象局气象探测中心）

罗昶（浙江省大气探测技术保障中心）丁红英（中国气象局气象探测中心）

参加起草人：

于贺军（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）

支询（辽宁省气象装备保障中心）

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目录

引言 （n）

i醐 （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）

4M述 （1）

5计量特性 （1）

6校准条件 （1）

6.1环境条件 （1）

6.2计量标准及其他设备 （2）

7校准项目和校准方法 （2）

7.1校准项目 （2）

7.2校准方法 （3）

7.3数据处理 （3）

8校准结果表达 （4）

9复校时间间隔 （5）

附录A标准风速计算方法 （6）

附录B工作直线计算方法 （7）

附录C自动气象站杯式风速传感器校准记录参考格式 （8）

附录D校准证书内页格式 （9）

附录E风速传感器示值误差校准不确定度评定示例 （11）

引言

JJF1071—2010《国家计量校准规范编写规则》、JJF1001—2011《通用计量术语及定义》、JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》共同构成支撑本规范制定工作的基础性系列规范。

本规范为首次发布。

JJF1935—2021

自动气象站杯式风速传感器校准规范

1范围

本规范适用于自动气象站杯式风速传感器（以下简称风速传感器）的校准。其他杯式风速传感器可参照执行。

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

JJF1001-2011通用计量术语及定义

JJF1094-2002测量仪器特性评定

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启动风速startingwindspeed

风杯由静止开始变为能够连续转动，风速表能指示或显示速度变化的最低风速。

3.2计量单位

风速使用的法定计量单位为米每秒，符号为m/s。

4概述

风速传感器主要由风速感应转动部分和信号产生输出部分组成。风速感应部分由3个风杯组成，风杯在风力的推动下，风杯转动速度随风速的增加而增加。其角速度与风速成正比，风杯转动通过机械传动和光电感应等方式产生脉冲，信号产生输出部分将脉冲转换成频率输出电信号。风速传感器主要用于气象、航空、环保等领域风速气象要素的自动观测。

5计量特性

5.1启动风速

5.2示值误差6校准条件

6.1环境条件

温度:（15〜30）°C;

相对湿度：＜85%。

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6.2计量标准及其他设备

计量标准设备的测量范围应覆盖被校风速传感器的测量范围，并具有足够高的分辨力、准确度和稳定性。根据所采用的校准方法，选择以下可以满足校准要求最低配置的计量标准设备。

6.2.1皮托静压管

校准系数取值范围：0.998〜1.004。

相对不确定度：0.5%U=2）。

6.2.2微压计

测量范围：（0〜2500）Pa。

最大允许误差：士0.5Pa。

6.2.3风洞

流速稳定性：＜0.5%。

流速均匀性：＜1.0%。

6.2.4频率计

测频范围：（3〜2000）Hz。

分辨力：0.01Hz。

最大允许误差：士0.05Hz。

6.2.5温度仪

测量范围：（0〜50）°C。

最大允许误差：士0.5°C。

6.2.6湿度仪

相对湿度测量范围：10%〜90%。

最大允许误差：±4%（相对湿度＜80%）;

±8%（相对湿度〉80%）。

6.2.7气压计

测量范围：（500〜1050）hPa。

准确度：0.2级。

7校准项目和校准方法

7.1校准项目

校准项目见表1。

表1校准项目表

序号

校准项目名称

校准方法对应条款

1

启动风速

7.2.4

2

示值误差

7.2.5

7.2校准方法

7.2.1校准前准备

a） 外观检查

查看并记录风速传感器仪器名称、型号、出厂编号、测量范围、制造厂名、输出信号描述和三个风杯几何形状有无变形等信息。

b） 预热和调零

在规定的环境条件下，微压计和频率计按设备说明书要求的时间预热。微压计应按说明书的要求调零。

7.2.2安装

将皮托静压管（以下简称皮托管）牢固安装在风洞试验段，测头轴线与风洞试验段轴线平行，并对准风的来向。皮托管的总压接头、静压接头分别与微压计的测试端、参考端相连。

将风速传感器垂直固定在风洞底座的水平平台上，调节高度使风杯位于风洞试验段均匀区内，风杯转动平面位于皮托管后端（相对气流来向），避免风杯旋转对皮托管的测量造成影响。

温度仪、湿度仪传感器感应部分和气压计的气路连接管安装在与风洞试验段相通的流场区域。

7.2.3校准点选择

参考使用说明书中对校准点的建议，根据实际情况按以下原则选取校准点：覆盖测量范围兼顾均匀性，5m/s以下宜选取1〜2个校准点，30m/s以下宜按间隔5m/s选取，30m/s以上宜按10m/s的步长选取。如2m/s、5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s、40m/s、50m/s、60m/s。也可根据用户的要求选择校准点。

7.2.4启动风速

缓慢增加风速，当风杯由静止变为连续转动时，读取微压计示值和试验段内温度、湿度及气压值。重复校准3次。

7.2.5示值误差

按风速校准点顺序调整风速，风速稳定后，同时读取微压计示值和风速传感器输出值，lmin等间隔读数3组数据。读取试验段内温度、湿度及气压值。风速传感器校准记录表见附录C。

7.3数据处理

7.3.1标准风速

根据校准时风洞试验段内的温度、湿度、气压和微压计示值的3次读数的算术平均值计算标准风速。计算方法见附录A。

7.3.2风速传感器测量值

依据使用说明书中的换算公式将每个校准点的3次风速传感器输出值换算成计量单位为m/s,取算术平均值。

7.3.3启动风速

取该点的标准风速值为风速传感器的启动风速。

7.3.4示值误差

a） 校准点示值误差

各校准点示值误差计算见公式（Do

△■p—V—v （1）

式中：

示值误差，m/s；

v'——风速传感器测量值，m/s；

v 标准风速，m/s。

b） 工作直线

本规范规定采用最小二乘拟合直线作为风速传感器的工作直线且在校准证书中予以注明。

风速传感器的工作直线的线性方程见公式（2）。

v\=abf （2）

式中：

v\ 线性风速，m/s；

f——风速传感器输出值，Hz。

线性方程系数a和b的计算方法见附录B。

8校准结果表达

校准证书应包括以下信息：

a） 标题:“校准证书”；

b） 实验室名称和地址；

c） 校准的地点；

d） 校准证书的唯一性标识（如编号），每页及总页数的标识；

e） 客户名称和地址；

f） 被校对象的描述及明确标识；

g） 校准单位校准专用章；

h） 校准日期；

i） 校准所依据的技术规范名称及代号；

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） 复校时间间隔的建议；

n） “校准证书”的签发人的签名或等效标识；

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，部分复制证书或报告的声明。

9复校时间间隔

建议风速传感器复校时间间隔为1年。送校单位也可根据实际情况，自主决定复校时间间隔。

9

附录A

标准风速计算方法

A.1饱和水汽压

饱和水汽压的计算按公式（A.1）所示：

(A.1)

ev=kXeAT2+BT+c+^

式中：

——丁温度下的饱和水汽压，Pa;

T——试验段内空气温度，K；

k——压力系数（1）,Pa；

A——常数1.2378847X10~5K-2；

B——常数一1.9121316X10-2K-1；

C——常数33.93711047；

D——常数一6.3431645X103K。

A.2空气密度

空气密度的计算按公式（A.2）所示：

(A.2)

p=3.48353XIO-3X+（P。-0.378Hew）

式中：

T——试验段内空气温度，K；

Po——试验段内气压，Pa；

H——试验段内空气相对湿度（用小数表示）；

——T温度下的饱和水汽压，Pa。

A.3标准风速

V=

测得的温度、湿度、气压值代人公式（A.1）和公式（A.2），将微压计的测得值与计算后的空气密度＜0代人公式（A.3），计算标准风速值。

(A.3)

式中：

v 标准风速，m/s；

p——试验段内空气密度，kg/m3；

Po——微压计示值，Pa;

e-一皮托管校准系数。

附录B

工作直线计算方法

风速传感器的工作直线采用最小二乘法计算线性方程由公式（B.1）表示。

(B.1)

v\=abf

式中：

i）\ 线性风速，m/s;

f——风速传感器输出值，Hz。

其中：线性系数a、6值的计算公式如公式（B.2）所示。

(B.2)

b= ；

n它f2i-E/.）2i=l i=l

式中：

n 校准点数；

Vi 各校准点标准风速，m/s；

fi——各校准点风速传感器输出值，Hz。

附录c

自动气象站杯式风速传感器校准记录参考格式

送校单位

记录编号

仪器名称

型号/规格

出厂编号

制造厂

测量范围

输出信号

校准地点

标准器

名称： 出厂编号： 不确定度/准确度等级/最大允许误差：

环境参数

温度：( 〜 )°c，相对湿度：( 〜 )％

一、外观检查

外观

二、启动风速校准

序号

微压计读数/Pa

试验段内

孔速/(m/s)

平均值/(m/s)

温度/°C

相对湿度/%

气压/hPa

妇初J

1

2

3

三、示值误差校准 传感器测量值换算公式：

校

准

点

微压计读数/Pa

试验段内

标准

传感器读数/(m/s)

示值

误差

m/s

1

2

3

平均

温度ac

相对湿度

%

气压

hPa

风速

m/s

1

2

3

平均

四、工作直线：

五、其他说明：

校准时标准器与被校风速传感器安装位置的描述：

校准员： 校准日期： 核验员：

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附录D

校准证书内页格式

D.

校准证书第2页

证书编号：xxxxxx—XXXX

校准机构说明

校准所依据/参照的技术文件（代号、名称）

校准环境条件及地点：

温度： t 地点：

相对湿度： % 其他：

校准使用的计量基（标）准装置（含标准物质）/主要仪器

名称

测量范围

不确定度/准确度等级

证书编号

有效期至

校准时标准器与被校风速传感器安装位置的描述：

第2页共X页

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D.2校准证书结果页

证书编号：XXXXXX—XXXX

校准结果

一、启动风速： 。

二、线性： 。

三、示值误差：

序号

标准风速m/s

测量值

m/s

示值误差m/s

不确定度a=2)

m/s

四、其他说明:

11

附录E

风速传感器示值误差校准不确定度评定示例

E.1测量模型

测量模型见公式（E.1）。

—Vi—Vi—Vi—

(E.1)

式中：

△A 示值误差，m/s；

Vi 标准值，m/s；

Vi 测量值，m/s；

Pi——风场内空气密度，kg/m3；

Po.——微差压计读数，Pa;

——皮托管系数。

将模型中输出量对各输人量求偏导得各灵敏系数：

dA77： d Vi d

C1=C5=C6 ―=1c2=~ =q-;C3=-—5—='

3vi 3p.2p{ dPQi

其中：风场内空气密度由公式（E.2）计算产生：

0.34848XP-0.009HXe'P

d Vi

0.062i

273.15+i

(E.2)

式中：

t——温度，°C;

P——大气压力，hPa；

H——相对湿度。

E.2测量不确定度来源

E.2.1

E.2.2

E.2.3

E.2.4

E.2.5

E.2.6

对被校准风速传感器示值进行多次重复测量引人的不确定度。空气密度引入的不确定度。

微差压计引人的不确定度。

皮托静压管引人的不确定度。

风洞均匀性引入的不确定度。

被校准风速传感器分辨力引人的不确定度。

E.3输入量的标准不确定度评定

E.3.1对被校准风速传感器示值误差重复性引人的标准不确定度

依据本规范对风速传感器的计量特性要求和校准方法，对被校准风速传感器重复3次测量，计算单次测量的实验标准偏差，测量数据见表E.1所示。

表E.1测量数据列

测量序号j

1

2

3

微压计读数Po>/Pa

61.20

57.18

61.41

标准值v;/(m/s)

9.97

9.96

9.98

被测值＜•/(m/s)

10.2

10.2

10.2

误差值△%/(m/s)

0.23

0.24

0.22

用极差法计算各校准点单次测量的标准偏差见公式（E.3）:

s（△%）=—=0.012m/s （E.3）

Cz

式中：

R——每个校准点3次测量误差最大值与误差最小值之差；

C——系数。当测量次数为3时取1.69。

每个校准点误差3次平均值的标准不确定度见公式（E.4）:

ui=S（△%>=o.0069m/s （E.4）

73

E.3.2空气密度引人的不确定度

空气密度引入的不确定度依据空气密度计算公式（E.2），则由空气密度引人的标准不确定度见公式（E.5）:

在相对湿度为50%,温度为20°C和压力为1013.25hPa时，可近似采用以下的数值量:-^=-3.4X10-3XK-1Xp,-|4=10_5XPa_1XP^= Xp。

ot dr dri

式中：

UF——空气密度近似公式引人的不确定度，10->;

ut——温度计引人的标准不确定度，°C;

uP——气压计引人的标准不确定度，hPa；

uH——湿度计引人标准不确定度（用小数表示）。

根据本规范规定标准温度计的最大允许误差为士0.5°C,按均匀分布，故每次测量结果由温度引人的不确定度见公式（E.6）:

05°C

=^-^=0.29°C （E.6）

V3

根据本规范规定气压计的最大允许误差为士2hPa,按均匀分布，每次测量结果气压引人的不确定度见公式（E.7）:

up=2 =1.155hPa （E.7）

73

根据本规范规定湿度测量仪的最大允许误差为±4%RH,按均匀分布，每次测量

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(E.8)

结果由湿度测量引入的不确定度见公式（E.8）:

=2.3%RH>/3

将公式（E.6）、公式（E.7）、公式（E.8）结果带入公式（E.5）可得，由空气密

度变化引人的相对标准不确定度为0.001013P。

E.3.3微差压计引人的标准不确定度

微压计最大允许误差为士0.5Pa,假设为均匀分布，则各校准点微压计读数P。，引人的标准不确定度见公式（E.9）:

05Pau3— =0.289Pa （E.9）

^3

E.3.4皮托静压管引入的标准不确定度

皮托静压管校准证书给出