气温和气压对风速计校准的影响

Mr.Dieter Westermann及其团队。原文备索

 1              介绍

风速计校准通常在风洞中以恒定的，主流的空气温度和大气压力下进行。这种校准是测风塔风速测量的基础，因此也可用于潜在风电场的场址评估。由于环境参数会影响风速计的性能，因此必须选择适合特定地点的风速计。此外，对准确的现场评估和风机性能控制进行环境影响的度量也很重要。

 风速计有不同的精度等级。在最新的IEC61400-12-1标准[1]中，描述了需要在风速计分级时进行考察的不同影响参数。不同级别对应了这些影响参数的不同运行范围。其中包括空气温度和空气密度。

 在IEC61400-12-1 [1]中，假设空气温度的变化仅影响轴承摩擦。较高的空气温度会降低摩擦，因此会提高转速，反之亦然。

 在IEC标准中[1]没有关于如何评估空气密度变化的进一步建议。空气密度是空气温度和空气压力的函数。为了研究空气密度变化的影响，可以改变空气温度或者空气压力。如果在校准过程中使用温度变化来调节空气密度，很难区分变化的空气温度和密度的影响。如果两个参数，即空气温度和空气压力都可以独立改变，则可以获得最精确的结果。

 在标准风洞中，通常不能精确设置空气温度和压力。因此，这些环境条件的影响无法可靠的进行估计。这里设计一种“Göttinger”布局的用于研究的风洞，能够独立改变风洞通道的环境压力和温度。

 本文档描述了WindGuard风洞服务公司在空气密度可变风洞中，对杯形风速计，螺旋桨风速计和超声波风速计的校准测量方法。校准结果是风速计在不同温度和/或不同气压下所指示的风速。校准结果可以用于估计在非常低温或高温和/或高海拔地区（较低的温度和较低的密度）的风传感器的不确定性。这些结果对于根据IEC[1]的风速计的分类也是必不可少的。

 在第二章中，介绍了以前对气温变化对杯式风速计轴承摩擦影响的调查。在第三章中，将给出变风量密度风洞的技术描述，然后给出用于可变空气温度和空气压力的风速计校准程序。在第四章中介绍了不确定性计算。最后，展示了针对两种不同的，常用的和具有频率信号输出的，且有类似形状杯形风速计的结果及最终结论。

 

2              之前对温度之于风速计输出的影响的研究

之前的研究（[2]，[3]）通过飞轮实验在气候室中进行温度对风杯风速计的风速测量的影响。

 图1和图2是气候室中用飞轮试验研究轴承摩擦的实验装置。该程序假定旋转盘的空气阻力是已知的。尽管如此，还需要使用由W.G. Cochran [4]在1934年确定的一个阻力系数，因为这个系数没有新的可靠的数值。在本科论文[3]的范围内，针对不同圆盘以及不同表面粗糙度值进行了飞轮测试。 结果显示出现很高偏差的可能。

图1: 2004年由RISØ进行了RISØP2546风杯式速度计的表征和分级实验[2]，用于在气候室中进行飞轮测试的实验装置。

 

图2:WindGuard风洞服务公司气候室飞轮测试的实验装置。

 

在2003年对Thies First Class风速仪的分级中使用了类似的程序来计算不同气压和气温的影响[5]。 使用箔式加热器来单独提高轴承轴的温度，参见图3.为了降低轴承轴的温度，构造了冷却装置，参见图4。

图3：通过箔式加热器产生高温的实验装置。必要的绝热这里未显示。

 

图4：通过冷却装置产生低温的实验装置。 必要的绝热这里未显示。

  

3              空气密度可变风洞的技术描述

 WindGuard 风洞服务公司的可变空气密度风洞具有闭环设计和循环回流。风洞在低湍流水平（<>％）下具有特别均匀的流动特征。风洞主要用于研究不同总风压和空气温度下的风速计。环境条件的限制由IEC61400-12-1 [1]给出。在此基础上，制定了以下设计标准：

• 空测试段部分的流速：

• 目前到16米/秒

• 计划扩展到25米/秒

• 空气温度范围：-20°C – +40 °C

• 空气密度范围：0.9kg/m³ – 1.35 kg/m³

• 空气压力：600hPa – 1100 hPa

基于这些标准和约束条件，合适的风洞设计是具有封闭测试段的闭环通道。测试段设计选择0.8米长横截面积为0.5米x 0.5米。这为在不同空气密度下的预期的风速计测试提供了可接受的阻塞比。通道的收缩比为3.3:1。

图5和图6显示了WindGuard总部可变空气密度风洞的照片。

 

图5：空气密度可变风洞的安装过程。

图6：WindGuard风洞服务公司空气密度可变风洞照片。

风洞本身由金属板材结构组成，测试段中是密封的，因此能够改变内部气压。此外，整个风洞都放置在一个隔离的温控室内。

 为了获得高质量的流动，沉降室由五个筛网和一个蜂窝组成的特殊蜂巢/筛网布置组成。为了确定单个风洞部件的大小，通道不同部分的压力变化和流速，进行了计算。这些计算基于充分验证过的的扩张角度，收缩率和压降系数。且设置一风机装置来补偿压力损失，并在测试段部分产生所需的风速。

 

3.1测量系统

在图7中示意性地展示了测量系统。两个静压皮托管给出参考流速。此外，风洞内和气候室内也监测空气温度和湿度。

 

图7：测量设置的示意图

  

4              校准流程

为了降低测量的不确定性，首先风速计必须在正常的环境条件下的WindGuard风洞服务公司的认可过的风洞中进行校准。随后，在第一次测量期间，在空气密度可变风洞中进行的测量需要在几乎相同的温度和压力下进行。风速计本身作为标准溯源器件。在完成两次校准后，可以确定空气密度可变风洞中的测量传递因子。

 这个过程的优点是阻塞效应可以忽略不计。只需要考虑有可重复性（A型）和基本校准的不确定性。

 对于本报告，使用以下校准程序。但是，这不是一个标准化的程序。

 在空气密度可变风洞中进行校准期间，测量风速计输出的流速在4m / s和15.5 m/ s之间。对于每个测量点，允许足够的时间产生稳定的流动条件。在这个稳定时间之后，流速保持恒定，至少30s的采样间隔。采样频率至少为4 Hz。为了覆盖流速上升和下降，选择以下顺序：4，8，12，15.5，14，10，6m / s。

 

4.1空气温度可变的校准流程

确定正在研究的风速计的传递因子后，空气温度降至-20°C并完成校准。 然后空气温度以5°C的步长上升到40°C的最高空气温度，同时空气压力保持不变。 在每个温度下，校准按照上面的描述完成。 为了减少'A'型不确定度，采样间隔的最小持续时间为30s。对于每次校准运行，都要进行线性回归分析，从而产生一个具有特定空气温度斜率和截距的校准函数。

  

4.2 空气气压可调的校准流程

用于气压可变的校准过程与温度可变的流程类似。测量转移因子后，空气压力从700hPa增加到1100hPa，步长为50hPa。为了覆盖约0.8kg / m 3至1.4kg / m 3的空气密度，不同气压的测量在10℃的固定空气温度下进行。对于具有可变环境气压的每次校准运行，需执行线性回归分析，产生具有每个特定环境空气压力的斜率和截距的校准函数。

如第3章所述，亦可以在参数范围内进行压力和温度组合的研究。

 

5              测量不确定度

第4章中描述的流程的测量不确定度是被测设备（DUT）的测量不确定度𝑈wt以及重复测量次数𝑛>10次后计算出的标准误差的组合。

在认可的风洞中校准的该器件的测量不确定度为0.05m / s（k = 2）。

第6章给出的样本结果显示了不同的空气温度和空气压力的相对变化，因此只有A型不确定性是相关的。但是，如果在一定的空气温度和空气压力下进行绝对的校准，则必须应用不确定度计算。

 

6              样本的结果

为了说明空气温度和气压的影响，本节将介绍一些校准结果。

 测试了两个不同制造商的频率信号输出的两种不同的，常用的和类似形状的风杯形风速计。两个风速计都包含支撑主轴的滚子轴承。为了比较两个风速计的结果，计算了一个比例。这个比率表示测得的风速（如果风速计未针对不同的空气温度和空气压力校准）和真实风速之间的关系。比率k计算如下：

6.1 不同空气文档的校准结果

图8是不同空气温度下的比率。

图8：风速计A和B在变化的空气温度和风速以及恒定的空气压力下的比率𝑘。

 

带有三角形标记的虚线表示风速计A在不同风速下的结果，实线表示风速计B的圆形标记。如上所述，通过对20°C时的结果进行归一化来计算比率。 两个风速计的变化温度的影响是完全不同的。 风速计A对于降低的温度具有降低的比率，而风速计B具有相反的特征。 此外，在较低的风速下，改变气温的影响更大。

 如果应用20°C时建立的基本校准，风速计A会低估低温时的风速。 另一方面，风速计B表示在低温下风速太高。 高于20°C的空气温度会导致相反的结果。 因此，对风速计B的影响更大，并会导致风速略低。

 

6.2 不同空气压力/空气密度的校准结果

图9显示了不同空气密度和风速的比率。不同的空气密度是通过在10°C的恒定空气温度下改变空气压力而获得的。

图9：恒定的空气温度下，风速计A和B在变化的空气密度和风速以及的比率𝑘。

 

带有三角形标记的虚线表示风速计A的结果，具有圆形标记的实线是风速计B的结果。如上所述，通过归一化至1000hPa的结果来计算比率，相当于空气密度约为1.23kg /m3。两个风速计的密度变化的影响几乎相同。 两个风速计读数随着空气压力下降也下降。 对于较低的风速，影响更明显。

 如果在1000hPa建立基本校准，则这两个器件都会分别低估较低空气密度和压力下的风速。用所谓的气压公式可以将压力换算到海平面以上的某高度。大约950hPa的压力相当于图9中的1.16kg /m³，相当与高度约500m的空气密度。从约500米的中等高度开始，空气气压的差别将会影响风速计的输出。

 

7              结论

第5章给出的结果清楚地验证了不同的空气温度和气压对风杯式风速计性能的影响。对于两种测试的风杯式风速计，在低风速下的影响更为明显。虽然测试风速计的变化的气压结果是相似的，但不同气温的结果是相反的。这表明，空气温度的变化可能会产生其他影响，而不仅仅是轴承摩擦的增加。因此，用飞轮法评估变化温度的影响是不够的。有必要进行使整个风速计暴露于不同温度下进行测试。

此外，结果表明将空气压力作为杯式风速计测量的主要影响变量而非空气密度的重要性。此外，由于空气密度取决于空气温度和空气压力，因此杯式风速计测量时空气密度和空气温度的影响可能会有很大差异。IEC 61400-12-1 [1]没有涉及这些方面。

如果在亚北极气候地区或更高海拔地区使用杯形风速计，标准校准会导致对风速的低估或高估。风速的大小可能在百分之几左右，如果换算至能量则会有更大的偏差。

此外，在这些地区使用风速计进行风机控制可能会导致发电延迟启动（如果风速作为启动前提），特别是当低风速时气压和温度的影响最大。

调整指示风速的修正流程似乎是可行的。校正算法可以综合考虑空气压力，空气温度和风速来开发。这种校正功能必须针对每种风速计类型单独开发。如何评估气压和空气温度的校正对与根据文献[1]中风速计分级级别号相关的不确定度的影响，需要进一步讨论。

 

8              参考

略