超声波风速仪测量结果不确定度评定
2019-04-23张政焦洪涛齐照健
张政 焦洪涛 齐照健
山东鼎安检测技术有限公司 山东济南 250032
风速测量在工业生产和科学实验中都有广泛应用，尤其在气象领域，风速测量有着重要的价值。与常规机械式风速仪相比，超声风速仪可同时完成风速和方向的测量[1]。由于没有机械转动部件，不存在机械磨损、阻塞、冰冻等问题，也没有“机械惯性”，超声风速仪可应用于恶劣环境下的风速测量。同时，超声风速仪可捕捉瞬时风速变化，不仅可测出常规风速（平均风速），也可测得任意方向上的风速分量，尤其可测出风速中的高频脉动成分。
1 工作原理
1.1 风速计算
取同一平面上两个风传感器探头，其中一个探头发射超声波到另一个探头上所需的时间会受到风速（WS）和风向（WD）的影响。对于零风速，正向传送时间和反向传送时间是相同的。如果风沿声音路径传送，则上风向的传送时间会增加，下风向的传送时间会减少。通过在两个探头之间进行正反两侧超声波的收发，可有效消除温度、湿度等环境因素对声波速度的影响，测量声波到达时间。
1.2 向量与极坐标计算
传感器的三角几何形状需转换为正交坐标以获得x和y分量。然后，处理器会将风向量转换为极坐标。将WS（x，y）作为两个标量速度报告，一个标量速度（x）与N-S向平行，另一个标量速度（y）与W-E向平行。计算方法如下：
将极坐标风速作为标量速度以选定单位（m/s、kt、mph、km/h）进行报告。极坐标风向以度（°）表示，北向表示为0°，东向表示为90°，南向表示为180°，西向表示为270°。
2 软硬件设计与实现
超声波风速计基于FPGASOC设计，使用单片FPGA结合外部电路完成信号发送、接收、实时处理与上报。软件部分有FPGA的逻辑单元与内部ARM处理器系统完成，处理后的结果通过串行接口发送给外部设备[2]。
2.1 硬件设计
3个收发合置超声传感器均为水平全向的传感器件，采用时分复用协议，同一时刻启动一个传感器作为发射传感器，另外两个作为接收传感器，分别测得两个传感器之间的传播时延进而解算风速与风向。
2.2 软件设计
软件设计包括FPGA中的逻辑设计与ARM端的数据处理程序组成。
（1）FPGA逻辑设计。FPGA逻辑完成传感器数据的采集、声波发射控制、发射与接收同步以及与ARM的处理器接口。FPGA采用被动工作方式，上电后等待ARM端发送启动命令，按照启动命令中的参数启动三个探头中的一个作为发射探头，另外两个作为接收探头。接收和发送同时启动，将接收到的数据保存到ARM端的缓冲区中并将通知ARM端程序，此时FPGA程序重新进入空闲状态，等待ARM端的命令输入。
（2）数据处理程序设计。ARM端的数据处理程序实现对传感器数据的实时解算与上传。通过向FPGA发送控制命令，逐个启动三个传感器探头，通过对获取到的数据进行结算，得到超声脉冲的到达时间。在数据处理程序设计中，处理使用1.1节中的声速计算公式外，还需考虑强风所产生的噪声对测量的影响，假设这种偏差是围着真实的风速上下波动的，则可在每一次的风速测量后使用卡尔曼滤波器对输出结果进行估计。
3 测量方法
3.1 测量依据
参照中国气象局颁发的JJG（气象）004-2011《自动气象站风向风速传感器检定规程》。
3.2 测量环境
温度：15-25℃、相对湿度30%RH-40%RH、气压1000.0-1004.0hPa。
3.3 测量标准
皮托静压管：二等；数字压力计：0.01级；风洞：均匀性1.0%、稳定性0.5%。
3.4 测试对象
芬兰VAISALA公司生产型号为WXT536、编号为J1420008的超声波风速传感器。
4 标准不确定分量
输入量V的标准不确定度u（V）主要来源于被检仪器的测量重复性。对于被检仪器测量的重复性，可以通过连续多次测量得到测量数列，采用A类评定方法评定。
低速风表：在4.48m/s处重复测量得到数据单位为m/s，具体数据为4.47，4.45，4.46，4.46，4.46，4.46，4.46，4.46，4.46，4.47，4.46。
中速风表：在8.31m/s处重复测量得到数据单位为m/s，具体数据为8.32，8.31，8.31，8.31，8.33，8.31，8.31，8.31，8.32，8.31，8.31。
高速风表：在18.71m/s处重复测量得到数据单位为m/s，具体数据为18.73，18.69，18.73，18.71，18.69，18.73，18.74，18.73，18.70，18.71，18.72。
5 扩展不确定度
取包含因子k=2，则扩展不确定度为：
V=4.46m/s，U=k×uc1=2×0.017=0.034m/s。
V=8.31m/s，U=k×uc2=2×0.030=0.060m/s。
V=18.72m/s，U=k×uc3=2×0.033=0.066m/s。
经保留两位小数后整理得到：
V=4.46m/s，U=0.04m/s；k=2。
V=8.31m/s，U=0.06m/s；k=2。
V=18.72m/s，U=0.07m/s；k=2。
6 测量不确定度报告
风速表的测量不确定度如下。
低速风表：V=4.46m/s，U=0.04m/s；k=2。
中速风表：V=8.31m/s，U=0.06m/s；k=2。
高速风表：V=18.72m/s，U=0.07m/s；k=2。
7 结语
通过对低速风表、中速风表、高速风表的测量不确定度评定，表明使用本文提供的测量方法和测量设备对机械风表进行测量，可以满足《矿用风速表》检定规程的技术要求[3]。
