浅析EL型电接风向风速仪风速测量中的误差问题
EL型电接风向风速仪在全国气象台(站)使用已40年,根据我们多年来在检定(校验)、调修电接风向风速仪过程中的经验体会,对电接风向风速仪在风速测量中的误差进行浅析。
1 系统误差
(1)在稳定风力作用下,风杯受到扭力矩的作用开始旋转,它的转速与风速成一定的关系。假设外界风速u恒定不变,第i个风杯和空气的相对运动速度V为:
电接风向风速仪记录器是以风速感应器的开关信号(电接)进行记录的,它规定风杯每转动80圈电接一次,相对应的风的行程为200米,根据(1)式得电接风向风速仪记录风速的表达式:
式中:V—记录风速(m/s);π—圆周率(3·1416);N—风杯的转速(圈/s);R—风杯至旋转轴半径(0·1475m);iθ—气流与风杯内法线方向的交角(度);K—实验常数(2·65)。则
上式由于摩擦力矩等原因的影响,无论取多少时间隔来进行风速平均,得到的风速变化曲线还是有明显的风速脉动现象,另外转速与风速关系不是固定不变的,在低风速时电接一次,风的实际行程要比高风速时风的实际行程的要大,如果单一的用转速与风速关系记录风速,必然存在低风速时记录风速偏少的现象。
(2)电接风向风速仪的风速感应器为风杯,它带动交流发电机及蜗轮传动机构输出交流电压,指示瞬时风速,通过开关信号(电接)驱动风速记录器。风速指示电表的面板刻度是根据在大型风洞中的实验测试结果来进行刻度的,即电接风向风速仪指示风速的表达式:
式中:V′—指示风速m/s;N—风杯的转速(圈/s)
将式(3)和式(4)比较,在相同转速下指示风速和记录风速的差值如表1所示:
综合上述分析可知风速记录器是有一定的系统误差。特别是在低风速(小于10 m/s),其相对误差就相当大,由于我省的平均风速都比较低,就形成了风速自记记录普遍低于定时风速观测记录的现象。由于电接风向风速仪本身结构上的原因,它包括了系统误差和随机误差,风速指示器的电路中设有调节电阻,发电机部分有可调的磁分路片,所以系统误差可以调得比较小,但电接风向风速仪指示风速部分的检定(校验))采用EB-Ⅱ型风速仪校验器带动使之强迫转动,且未安装风杯,所以因风杯个体间的差异和摩擦力矩等原因的变化对风速测量的影响就无法确定,这样就形成了电接风向风速仪的随机误差。
2 随机误差
电接风向风速仪除系统误差外,还存在随机误差(严重的电器和机械故障除外)。其产生原因可能有以下几种:
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