要獲得準(zhǔn)確的風(fēng)力數(shù)據(jù)，首先需要使用經(jīng)過精確校準(zhǔn)的儀器。無論您是為國家氣象機(jī)構(gòu)提供數(shù)據(jù)支持、從事氣候研究，還是致力于優(yōu)化風(fēng)能發(fā)電場的性能，測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性都取決于傳感器的精度，而要實(shí)現(xiàn)這種精度，就必須對傳感器進(jìn)行持續(xù)且規(guī)范的校準(zhǔn)。相關(guān)產(chǎn)品推薦

R.M. Young公司多年來一直致力于設(shè)計(jì)及校準(zhǔn)那些能夠在地球上Z惡劣環(huán)境中正常工作的氣象儀器。下面我們將詳細(xì)介紹我們在產(chǎn)品出廠前是如何對風(fēng)速監(jiān)測儀進(jìn)行校準(zhǔn)的，以及如何在現(xiàn)場驗(yàn)證其精度；同時(shí)還會(huì)介紹當(dāng)傳感器需要進(jìn)一步檢測時(shí)，有哪些可行的解決方案。

風(fēng)向校準(zhǔn)：電位計(jì)測試

風(fēng)向傳感器采用高精度電位器，將風(fēng)葉的物理旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電信號。我們對這款風(fēng)速監(jiān)測儀的要求是：在整個(gè)測量范圍內(nèi)，其精度要達(dá)到±3°——這一標(biāo)準(zhǔn)會(huì)在每臺(tái)產(chǎn)品出廠前進(jìn)行檢測，以確保其符合要求。

我們的校準(zhǔn)流程

每個(gè)風(fēng)速監(jiān)測器都被安裝在一個(gè)專用的方位角校準(zhǔn)裝置上，這樣我們就能精確地控制并測量傳感器的角度。我們會(huì)施加激勵(lì)電壓，通過經(jīng)過校準(zhǔn)的旋鈕將數(shù)值歸零，然后為每個(gè)點(diǎn)生成輸出信號的圖表。通過這些圖表，我們就能立即判斷電位器是否處于正常工作狀態(tài)。

了解死區(qū)

基于電位器工作的傳感器有一個(gè)值得了解的特性，那就是死區(qū)現(xiàn)象。每個(gè)電位器都存在這樣一個(gè)物理上的“死角"——一個(gè)大約5度的小角度區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，傳感器的輸出無法保持相同的精度標(biāo)準(zhǔn)。

這并非缺陷，而是該設(shè)計(jì)所固有的特性。我們的可用測量范圍為0到355度，在這個(gè)范圍內(nèi)，我們能夠保證±3度的精度。如果您知道安裝時(shí)設(shè)備的無效工作區(qū)間所在位置，就可以將其調(diào)整到與盛行風(fēng)方向相反的方向，這樣就不會(huì)影響數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性了。

風(fēng)速校準(zhǔn)：測試磁傳感器

風(fēng)速監(jiān)測儀中的風(fēng)速是通過磁感應(yīng)來測量的：安裝在旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)上的磁鐵會(huì)經(jīng)過固定的線圈，從而產(chǎn)生交流正弦波信號。該信號的幅度與旋轉(zhuǎn)速度成正比，因此校準(zhǔn)過程既簡單又十分可靠。

我們測試什么，以及為什么線性性如此重要

我們通過以精確控制的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)傳感器，并測量由此產(chǎn)生的正弦波的頻率，來校準(zhǔn)風(fēng)速的檢測值。由于轉(zhuǎn)速與頻率之間存在線性關(guān)系，因此通過低速測試可以確認(rèn)儀器在整個(gè)工作范圍內(nèi)的性能表現(xiàn)。正是這種可預(yù)測的線性關(guān)系，使得我們的儀器能夠在偏遠(yuǎn)或J端環(huán)境中長期無人值守地正常工作。

關(guān)于電容負(fù)載的說明

當(dāng)在傳感器輸出端并聯(lián)一個(gè)電容器時(shí)——因?yàn)槟承┬盘柼幚黼娐酚羞@樣的要求——線性關(guān)系僅能在一定的速度范圍內(nèi)成立。超過這個(gè)速度閾值后，磁體的旋轉(zhuǎn)速度會(huì)過快，導(dǎo)致電容器無法在每個(gè)周期之間完成充電，進(jìn)而使輸出信號出現(xiàn)失真。我們的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)過程是不使用電容器的，這樣可以得到一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)值，便于信號處理模塊在設(shè)計(jì)時(shí)參考。

如何在現(xiàn)場驗(yàn)證校準(zhǔn)

傳感器的出廠校準(zhǔn)并不會(huì)因?yàn)樵诔鰪S后就立即失效——但為了確保其精度，仍需定期進(jìn)行檢測。YOUNG建議，對于用于常規(guī)應(yīng)用的傳感器，應(yīng)每6個(gè)月檢測一次其精度（誤差范圍為±0.5米/秒、±5度）；而對于用于研究目的的傳感器，則需每3個(gè)月檢測一次精度（誤差范圍為±0.3米/秒、±3度）。在S次安裝時(shí)也必須進(jìn)行一次精度檢測。

驗(yàn)證風(fēng)向精度

將規(guī)定的激勵(lì)電壓施加到傳感器上——對于大多數(shù)風(fēng)速監(jiān)測器型號而言，該電壓通常為3.5伏直流電。輸出電壓與角度呈線性關(guān)系，因此其數(shù)值很容易計(jì)算：例如，在180°時(shí)，輸出電壓應(yīng)約為激勵(lì)電壓的一半。在355°的范圍內(nèi)依次測試不同的參考角度，并將每次的輸出值與已記錄的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果偏差超過±3°，則說明該傳感器不符合規(guī)格，需要送回廠家進(jìn)行維修或重新校準(zhǔn)。

驗(yàn)證風(fēng)速輸出值

取下螺旋槳或杯形輪，然后使用可控驅(qū)動(dòng)裝置以特定的轉(zhuǎn)速來驅(qū)動(dòng)軸。測量輸出信號，并將其與校準(zhǔn)曲線進(jìn)行比較。如果在中間轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能夠得到可測量的、成比例的輸出信號，那就說明傳感器工作正常。

檢查軸承狀況

軸承磨損是導(dǎo)致傳感器出現(xiàn)誤差的最常見原因之一，同時(shí)也是最容易被忽視的問題。磨損的軸承會(huì)增加阻力，提高啟動(dòng)閾值，并在風(fēng)速較弱的條件下降低傳感器的靈敏度。通過簡單的扭矩檢測，就可以在問題惡化為更嚴(yán)重的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤之前發(fā)現(xiàn)它：如果風(fēng)速計(jì)或葉片在已知扭矩的作用下仍無法轉(zhuǎn)動(dòng)，那就說明軸承的阻力已經(jīng)超過了允許范圍，此時(shí)就需要對傳感器進(jìn)行維修了。

YOUNG校準(zhǔn)配件

如果您打算自行進(jìn)行這些檢測，我們提供專為我們的傳感器設(shè)計(jì)的各類校準(zhǔn)配件：

• 18802/18811型風(fēng)速計(jì)驅(qū)動(dòng)裝置——以精確控制的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)風(fēng)速計(jì)的軸，從而驗(yàn)證風(fēng)速測量的準(zhǔn)確性：螺旋槳式傳感器的工作轉(zhuǎn)速為200–15,000轉(zhuǎn)/分鐘；杯式風(fēng)速計(jì)的工作轉(zhuǎn)速則為20–990轉(zhuǎn)/分鐘

• 18112/18212型葉片角度檢測裝置——用于以?°的精度進(jìn)行系統(tǒng)化風(fēng)向檢測的臺(tái)式及塔式檢測裝置

• 18310/18312型扭矩盤——用于檢測螺旋槳式風(fēng)速計(jì)和杯式風(fēng)速計(jì)的軸承性能，這些扭矩盤經(jīng)過校準(zhǔn)，可對應(yīng)特定的扭矩閾值

• 18331型葉片扭矩測量儀——可直接放置在風(fēng)速監(jiān)測裝置的外殼上，從而快速、準(zhǔn)確地檢測葉片軸承的狀況

• 18301型號葉片定位桿——用于在安裝過程中將葉片調(diào)整到已知參考方向的視覺輔助工具

這些配件雖然無法替代風(fēng)洞，但它們能夠?yàn)槟阍诠S校準(zhǔn)之間提供一種可靠、可重復(fù)的方法來監(jiān)測傳感器的狀態(tài)，從而在問題影響到數(shù)據(jù)之前及時(shí)發(fā)現(xiàn)它們。

何時(shí)將傳感器送回：符合NIST標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)服務(wù)

通過現(xiàn)場檢測可以確認(rèn)傳感器的性能仍符合規(guī)格要求。不過這些檢測并不能重新設(shè)定校準(zhǔn)基準(zhǔn)值。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要一個(gè)受控的環(huán)境，而這就是我們提供的內(nèi)部校準(zhǔn)服務(wù)所能發(fā)揮作用的領(lǐng)域。

風(fēng)洞標(biāo)定

YOUNG公司在尺寸為50厘米×76厘米的開放式風(fēng)洞中，對風(fēng)速傳感器進(jìn)行符合NIST標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)。每次校準(zhǔn)都會(huì)覆蓋從0到30米/秒范圍內(nèi)的14個(gè)測試點(diǎn)，最終生成包含所有數(shù)據(jù)的完整校準(zhǔn)報(bào)告。這一標(biāo)準(zhǔn)適用于那些對精度有嚴(yán)格要求的研究領(lǐng)域，以及那些需要具備可追溯性的應(yīng)用場景——比如滿足監(jiān)管要求、進(jìn)行長期氣候監(jiān)測，或是將數(shù)據(jù)提交給同行評審等。

標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)

所有YOUNG傳感器——無論是新購買的還是退回的——在發(fā)貨前都會(huì)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)，其校準(zhǔn)結(jié)果會(huì)確保處于規(guī)定的誤差范圍內(nèi)。發(fā)貨時(shí)還會(huì)提供校準(zhǔn)證書。如果您的應(yīng)用不需要具備完整的NIST溯源能力，那么標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)便是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方法，可用于在傳感器長期使用后重新調(diào)整其基準(zhǔn)值。

為何年度校準(zhǔn)很重要

我們發(fā)出的每一件儀器，在離開工廠時(shí)都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。不過，校準(zhǔn)并非只需進(jìn)行一次即可。

電位器會(huì)出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。電阻元件會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化。溫度變化、濕度以及電氣老化都會(huì)導(dǎo)致其電阻值逐漸發(fā)生變化——這種變化很微妙，肉眼難以察覺，但卻足以影響測量數(shù)據(jù)。原本精度很高的傳感器，在兩三年后可能會(huì)出現(xiàn)4-5度的誤差，而且外觀上看不出任何損壞的跡象。要發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題，唯Y的辦法就是進(jìn)行測量。

軸承出現(xiàn)磨損。葉片會(huì)被碎片劃出小凹痕。杯式風(fēng)速計(jì)在多年戶外使用后也會(huì)積累污垢。這些問題都會(huì)增加阻力，從而降低在微風(fēng)條件下的靈敏度。如果能及早發(fā)現(xiàn)軸承問題，就可以用簡單且低成本的方法來解決；而等到數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常后再處理，那就麻煩多了。

惡劣的環(huán)境會(huì)加速各種問題的出現(xiàn)。沿海地區(qū)的鹽分、高海拔地區(qū)的強(qiáng)紫外線、工業(yè)產(chǎn)生的顆粒物，以及反復(fù)的凍融作用，都會(huì)縮短設(shè)備性能出現(xiàn)變化的時(shí)間間隔。在這類應(yīng)用中，一旦懷疑設(shè)備的性能已經(jīng)發(fā)生變化，就無需等待到年度檢查時(shí)間再采取行動(dòng)。

您的數(shù)據(jù)質(zhì)量取決于其校準(zhǔn)記錄的質(zhì)量。在研究、氣候監(jiān)測以及遵守相關(guān)法規(guī)方面，能夠證明數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與數(shù)據(jù)本身的準(zhǔn)確性同樣重要。通過建立年度校準(zhǔn)記錄，就可以形成一條可追溯的準(zhǔn)確度鏈條，從而為相關(guān)工作的審核提供依據(jù)。如果沒有這樣的記錄，那就只能假設(shè)一切都沒有發(fā)生變化——而這種假設(shè)顯然不會(huì)讓大多數(shù)研究人員或監(jiān)管機(jī)構(gòu)滿意。

核心要點(diǎn)

校準(zhǔn)并非維護(hù)工作的一部分，而是實(shí)現(xiàn)可靠測量的基礎(chǔ)。從風(fēng)暴預(yù)警、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選址，到污染擴(kuò)散模型的構(gòu)建，所有與環(huán)境相關(guān)的決策質(zhì)量都取決于用于這些決策的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

只要擁有合適的工具，每年進(jìn)行一次現(xiàn)場檢測只需幾個(gè)小時(shí)而已。而在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行NIST標(biāo)準(zhǔn)下的重新校準(zhǔn)，就能獲得可作為依據(jù)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。如果放棄這些步驟，那么就會(huì)面臨數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳、不得不重復(fù)工作，或是研究結(jié)果不可靠等問題，其代價(jià)往往要高得多。