JJF(桂) 74-2020 风速变送器校准规范

广西壮族自治区地方计量技术规范

JJ F( 桂 ) 74 - 2020

风速变送器校准规范

Calibration Specification for Wind Speed Transmitter

2020 - 0 1 - 20 发布 2020-02-0 1 实施

广西 壮族 自治 区市 场监 督管 理局 发布

JJF (桂)74-2020

JJ F( 桂 ) 74-2020

本规范经广西壮族自治区市场监督管理局于 2020 年01 月 09 日批准，并自 2020 年 02 月 01 日起实施。

归口 单位：广西壮族自治区市场监督管理局

主要起草单位：广西壮族自治区计量检测研究院

本规范由广西壮族自治区市场监督管理局负责解释

本规范主要起草人：

吴宇(广西壮族自治区计量检测研究院)

陆伟(广西壮族自治区计量检测研究院)

罗远芳(广西壮族自治区计量检测研究院)

封筝(广西壮族自治区计量检测研究院)参加起草人：

李学良(广西壮族自治区计量检测研究院)张淞(广西壮族自治区计量检测研究院)

陈洁(广西壮族自治区计量检测研究院)

目录

引言 II

1 范围 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

4 概述 1

5 计量特性 2

6 校准条件 2

6. 1 环境条件 2

6.2 校准用介质 2

6.3 测量标准及其他设备 2

7 校准项目和校准方法 3

7. 1 校准项目 3

7.2 校准方法 3

7.3 数据处理 5

8 校准结果表达 6

9 复校时间间隔 6

附录 A 标准风速计算方法 7

附录 B 风速变送器校准原始记录参考格式 8

附录 C 风速变送器校准证书内页参考格式 9

附录 D 示值误差不确定度评定示例 10

I

引言

本规范以 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》和 JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》为基础性规范进行编写。

在本规范的编制中，参考了 JJG431-2014《轻便三杯风向风速表》、JJF 1431-2013《风电场用磁电式风速传感器校准规范》和 MT 448-2008《矿用风速传感器》。

本规范为首次制定。

II

1 范围

本规范适用于测量上限不超过30m/s的带传感器的风速变送器(以下简称变送器)的校准。

2 引用文件

本规范引用下列文件：

JJG 431-2014 轻便三杯风向风速表

JJF 1431-2013 风电场用磁电式风速传感器校准规范

MT 448-2008 矿用风速传感器

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 流场均匀区 uniform space of velocity [JJF 1431-2013，3.1.3]风洞试验段内符合流速均匀性等技术指标的区域。

3.1.2 阻塞比 blockage ratio [JJF 1431-2013，3.1.2]

试验段内仪器(包括安装支架)迎风面积与试验段流场均匀区横截面积之比。

3.2 计量单位

3.2.1 电流单位：毫安，符号mA。

3.2.2 电压单位：伏特，符号V。

3.2.3 风速单位：米每秒，符号m/s。

3.2.4 压力单位：帕(斯卡)，符号Pa;或千帕，符号kPa;或兆帕，符号MPa。

4 概述

变送器工作原理示意图如图1所示。变送器主要由风速传感器、测量电路、

1

运算放大电路、信号转换电路等组成，风速传感器一般采用风速三杯或者热式等原理，将风速信号转化为电信号。变送器的基本工作原理：风速传感器根据风速的变化输出相应的电信号，经测量电路转换成电压信号，经线性校正、放大后输入信号转换电路转换成标准直流电信号。变送器输出的标准化信号主要为 ( 4～20)mA、(0～10)mA、(0～5)V、(1～10)V和(1～5)V的直流电信号，不排除具有特殊规定的其他标准化信号。

风速传

感器

风速检测点

信号处

理单元变送器

标准化信号

图1 变送器工作原理示意图

5 计量特性

示值误差：

变送器在测量范围内的示值误差以换算的风速表示，最大允许误差为± (0.5m/s+0.03×vs)(vs为标准风速)。

注： 以上指标不用于合格性判别，仅供参考。

6 校准条件

6.1 环境条件

环境温度：(15～30)ºC;

环境湿度：小于等于90%RH。

6.2 校准用介质

校准用介质一般为常压洁净的空气。

6.3 测量标准及其他设备

6.3.1 测量标准

2

测量标准由标准皮托静压管(以下简称皮托管)、微差压计、数字直流电流表或数字直流电压表组成。皮托管应选用L型标准皮托静压管，校准系数范围应在0.998~ 1.004内;微差压计的测量上限不低于2200Pa，最大允许误差优于±0.5Pa;数字直流电流表的测量范围应与被校变送器输出的直流电流信号范围相适应，准确度等级为0.05级及以上;数字直流电压表的测量范围应与被校变送器输出的直流电压信号范围相适应，准确度等级为0.05级及以上。

6.3.2 配套设备

配套设备一览表见表1。

表1 配套设备一览表

序号

设备名称

测量范围

主要技术指标

风洞

(0.4~30)m/s

均匀性≤1%，稳定性≤0.5%

温度计

(0~50) ℃

最大允许误差不超过±0.3℃

3

湿度计

(10~95)%RH

最大允许误差不超过±7%

4

气压计

(500~ 1050)hPa

最大允许误差不超过± 1.0hPa

5

直流电源

(0～30)V

直流电压纹波<1%

6

负载电阻

标称值为250Ω

准确度等级优于0.01 级

7 校准项目和校准方法

7.1 校准项目

变送器校准项目及对应的校准方法条款见表2。

表2 校准项目一览表

校准项目

校准方法对应条款

示值误差

校准方法见7.2.3

7.2 校准方法

7.2.1 校准前的准备工作

7.2.1.1 外观检查

对变送器的外观进行检查，记录产品名称、型号、出厂编号、量程、制造厂

名等。变送器外形结构应完好，铭牌应标明制造厂名(或商标)、产品名称、型

号规格、准确度等级或最大允许误差、出厂编号、测量范围、与测量范围相对应的输出信号范围、出厂日期等。

7.2.2.2 测量标准的安装

将皮托管牢固安装在风洞试验段流场均匀区内，其测头轴线与风洞试验段轴线平行，并对准风的来向。将皮托管的总压接头、静压接头分别与微差压计测试端、参考端通过管路相连。将变送器电源与直流电源相连，变送器信号输出端与直流数字电流表或电压表相连。

7.2.2.3 变送器的安装

将被校变送器的传感器部分牢固安装在风洞试验段流场均匀区内。被校变送器的传感器部分距离标准风速测量点后端(相对气流来向)不小于150mm。

7.2.2.4 计算阻塞比

将被校变送器(包括安装支架)在迎风方向上的投影面积除以风洞试验段流场均匀区面积，其比值不大于0.05时，方可进行校准。

7.2.2.5 变送器校准示意图

a)变送器输出信号为直流电流信号，变送器校准示意图如图2所示(其中， I代表变送器信号输出端，V+代表变送器正极，GND代表变送器接地端)。

直流数字电流表负载电阻

皮托管微差压计

V+

GND

信号

处理

单元

变送器

图 2 电流输出的变送器校准示意图

b)变送器输出信号为直流电压信号，变送器校准示意图如图3所示(其中， V代表变送器信号输出端)。

7.2.3 变送器的校准

7.2.3.1 校准点的选择。在变送器的风速测量范围内大致均匀地选取至少7个校准点，其中应包含测量范围上限点和下限点。各校准点可调在该校准点± 1m/s范围内，但校准点上限可调低(1~2)m/s。也可根据用户要求选择校准点。

直流数字电压表

单元变送器

V

图 3 电压输出的变送器校准示意图

7.2.3.2 调整风速至校准点，稳定1min后，先读取微差压计示值，再读取直流电流表或电压表示值，重复三次。期间读取试验段内温度、相对湿度及气压值。取三次微差压计示值的算术平均值作为该校准点的微差压计示值，取三次直流电流表或电压表示值的算术平均值作为该校准点的电流表或电压表示值。

7.3 数据处理

7.3.1 标准风速计算

根据变送器校准时，测得的空气温度、相对湿度、气压和微差压计示值计算出各校准点的标准风速(计算方法见附录A)。

7.3.2 变送器风速值计算

根据变送器校准时，测得的变送器标准信号输出值，计算出各校准点的被校变送器风速值。

式中：

v ——被校变送器输出信号换算的风速值，m/s;

Ox ——各风速校准点的变送器输出值，mA或V;

Omax、Omin——变送器输出信号的上限值、下限值，mA或V;

vmax、vmin ——变送器风速测量范围的上限值、下限值，m/s。

7.3.3 示值误差计算

各校准点，以风速值表示的示值误差计算见式(2)。

Δv = v _ vs (2)

Δv ——示值误差，m/s。

8 校准结果表达

按本规范进行校准，出具校准证书，并给出校准结果的测量不确定度，校准原始记录参考格式见附录 B，校准证书内页参考格式见附录 C。

9 复校时间间隔

建议变送器的复校时间间隔最长不超过1年。由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的，因此，送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。

附录 Λ

标准风速计算方法 [JJG431-2014，附录 A]

A.1 用风洞试验段内的空气温度按式(A. 1)计算出饱和水汽压:

ew = k × e T (A. 1)

( AT2 +BT +C +D )

ew ——T 温度下的饱和水汽压，Pa;

T ——试验段内空气温度，K;

k =1 Pa;

A、B、C、D 均为常数，其值如下：

A =1.2378847×10-5K-2;

B =-1.9121316×10-2K-1;

C =33.93711047;

D =-6.3431645×103K。

A.2 用风洞试验段内空气温度、相对湿度和气压值按式(A.2)计算出空气密度。

P0 ——试验段内气压，Pa;

H ——试验段内空气相对湿度，用小数表示;

ew ——T温度下的饱和水汽压，Pa;

A.3 再将空气密度值和微差压计示值代入式(A.3)计算出标准风速值。

vs (A.3)

vs ——标准风速，m/s;

p ——空气密度，kg/m3;

p ——微差压计示值，Pa;

ξ ——皮托管校准系数;

7

附录 B

风速变送器校准原始记录参考格式

共页 第页记录编号： 证书编号：

委托单位

委托单位地址

仪器名称

型号规格

出厂编号

制造厂

校准依据

测量标准

环境参数

气压：，温度：，相对湿度：

校准地点

外观检查

校准 点

微差压计读数 Pa

试验段内

标

准

风

速m/s

被校表输出值 ( )

换

算

示值误差m/s

相对扩

展不确定度 Ur (k=2)

平均

温度 ℃

湿度 %RH

气

压hPa

p

kg/m3

备注

校准日期： 年月 日建议复校准日期： 年月 日

校准员： 核验员：

8

附录 C

风速变送器校准证书内页参考格式

校准结果如下：

标准风速(m/s)

被校表输出值 ( )

换算风速(m/s)

示值误差(m/s)

相对扩展不确定度 Ur(k=2)

9

附录 D

示值误差不确定度评定示例

D.1 概述

D.1.1 校准方法

按本规范给出的校准方法，正确安装测量标准及被校变送器，并完成校准前的准备工作。调整风速至校准点，稳定 1min后，读取微差压计、数字直流电流表、气压计、温度计及湿度计的数值，经过公式计算得出该风压对应的标准风速值以及变送器输出值对应的风速值。被校变送器换算的风速值与标准风速值之差即为被校变送器的示值误差。

D.1.2 测量标准

本示例中所用测量标准及配套设备名称及技术指标见表 D.1。

表 D.1 测量标准及配套设备

分类

名称

技术指标

皮托管

(0~30)m/s

ξ = 1.000

微差压计

(0~2200)Pa

最大允许误差：±0.5Pa

数字直流电流表

(0~ 100)mA

准确度等级：0.005 级

配套设备

稳定性≤0.5%均匀性≤1%

最大允许误差：±0.3℃

最大允许误差：±7%RH

最大允许误差：±0.5hPa

D.1.3 被校准对象

变送器，风速测量范围为(0~30)m/s，电流输出范围为(4~20)mA;

D.2 测量模型

示值误差的测量模型为：

Δv = v _ vs (D. 1)

10

Δv ——示值误差，m/s;

v ——被校变送器输出值换算的风速值，m/s;

vs ——标准风速示值，m/s;

D.3 不确定度传播率

对式(D. 1)的各分量求偏导，得到各分量的灵敏系数

引起示值误差 Δv不确定度的v 和vs 分量彼此独立，互不相关，则合成标准不确定度的计算公式如式(D.2)所示：

D3.1 变送器风速测量引入的标准不确定度

根据变送器校准时，测得的变送器标准信号输出值，由式(D.3)计算被校变送器风速值。

对式(D.3)的Ox 分量求偏导，得到Ox 分量的灵敏系数

D.3.2 标准风速测量引入的标准不确定度

标准风速vs 按式(D.4)计算：

11

vs pξ +ΔvA + ΔvT (D.4)

p ——测量温度下空气密度;

p ——微差压计显示的风压值，Pa;

ξ ——标准皮托静压管系数;

ΔvA ——风洞流场不均匀引入的风速修正值，m/s;

ΔvA ——风洞流场稳定性引入的风速修正值，m/s。

其中：

H ——试验段内空气相对湿度，用小数表示; ew ——T温度下的饱和水汽压，Pa;

则，

对式(D6)的各分量求偏导，得到各分量的灵敏系数

12

以变送器 20m/s风速校准点为例，对风速示值误差进行不确定度评定，使用的相关参数或计算数据见表 D.2。

表 D.2 相关参数及计算数据

温度平均值(℃)

湿度平均值

(%RH)

大气压力值

(hPa)

微差压平均值

(Pa)

标准皮托管系数

23.3

60.38

1006.19

234.80

1.000

D.4 不确定度来源

D.4.1 变送器风速测量引入的标准不确定度

a)变送器电流测量重复性引入的标准不确定度b)变送器电流测量误差引入的标准不确定度 D.4.2 标准风速测量引入的标准不确定度

a)温度测量引入的标准不确定度

b)微差压测量引入的标准不确定度

c)标准皮托管系数引入的标准不确定度

d)大气压测量引入的标准不确定度

e)流场不均匀性引入的标准不确定度

f)流场稳定性引入的标准不确定度

D.5 标准不确定度评定

D.5.1 变送器风速测量引入的标准不确定度

电流输出的变送器风速测量引入的标准不确定度由两部分引入，一是变送器电流测量的重复性引入的标准不确定度，二是变送器电流测量的误差引入的标准不确定度。

D5.1.1 变送器电流测量重复性引入的标准不确定度

13

选取一台风速测量范围为(0~30)m/s，电流输出范围为(4~20)mA 的变送器，牢固安装在风洞试验段流场均匀区，在 20m/s风速点，使用数字直流电流表重复测量 10 次，所得数据如表 D.3 所示。

表 D.3 电流表示值

电流值(mA)

14.722

14.758

14.736

14.725

14.761

14.716

14.738

14.719

14.702

14.762

平均值(mA)

14.734

根据贝塞尔公式计算可得标准偏差：s = 0.0208mA。在日常校准时，一般在同一校准点重复测量3 次，取其平均值作为最终示值。因此，被校变送器输出的平均值引入的标准不确定度为u1(ox)= s /3 = 0.0208 / 3 = 0.012 mA。

D5.1.2 变送器电流测量的误差引入的标准不确定度

电流测量误差引入的标准不确定度由两部分引入，一是电流表读数分辨力引入的标准不确定度，二是电流表最大允许误差引入的标准不确定度。

a)电流表读数分辨力引入的标准不确定度

直流数字电流表读取小数点后三位，即 0.001 mA，按均匀分布处理，则电流表读数分辨力引入的标准不确定度为0.0001 /(23) = 0.0003mA，则该分量小于被校变送器电流测量重复性引入的标准不确定度，故只考虑变送器电流测量重复性引入的标准不确定度。

b)数字直流电流表允许误差引入的标准不确定度

电流表的测量范围为(0～100)mA，允许误差限为±(0.05%rd+0.005%fs)，风速校准点为20m/s 时，实测变送器电流输出值为 14.734mA，则数字直流电流表的 允许 误差 限为 ± 0.0124mA， 按均 匀分 布处 理， 则u2(ox)= 0.0124 / 3 = 0.0072 mA。

因此，电流测量引入的标准不确定度为

14

变送器风速测量的不确定度分量汇总见表 D.4。

表 D.4 变送器风速测量的不确定度分量汇总

不确定度来源

符号

输入量的标准

不确定度/mA

灵敏系数/ m · s-1·(mA) -1

标准不确定度

ci u (x) / m · s-1

电流测量

u(ox)

0.0139

1.875

0.026

因此，变送器风速测量引入的标准不确定度为

D.5.2 标准风速测量引入的标准不确定度

D.5.2.1 温度测量引入的标准不确定度

根据证书可知，温度计的最大允许误差为±0.3℃ (±0.3K)，按均匀分布处理， u(T)= 0.3/3 = 0.173 K。

D.5.2.2 微差压测量引入的标准不确定度

微差压测量引入的标准不确定度，由两部分引入，一是微差压计重复测量引入的标准不确定度，二是微差压计测量误差引入的标准不确定度。

a)将变送器牢固安装在风洞试验段流场均匀区，在 20m/s风速点，使用微差压计重复测量 10 次，所得数据如表 D.5 所示。

表 D.5 标准风速值

平均值

微差压值(Pa)

234.98

234.65

235.06

234.67

235.12

234.62

234.77

234.68

234.84

234.8

根据贝塞尔公式计算可得标准偏差：s = 0.189Pa。在日常校准时，一般在同一校准点重复测量3 次，取其平均值作为最终示值，因此微差压计显示的平均值引入的标准不确定度为u1(p)= s / 3 = 0. 189 / 3 = 0.109 Pa。

b ) 微差 压计 的最 大允 许误 差为 ±0.5Pa， 按均 匀分 布处 理， u2(p)= 0.5 / 3=0.289Pa。

因此，微差压测量引入的标准不确定度为

15

D.5.2.3 标准皮托管系数引入的标准不确定度

根据标准皮托管校准证书可知，皮托管系数ξ =1.000，相对扩展不确定度为

0.5%(k=2)。则标准皮托管系数引入的标准不确定度为

D.5.2.4 大气压测量引入的相对标准不确定度

气压 计的 最大 允许 误差 为 ±0.5hPa， 按均 匀分 布处 理， u(P0) = 50 / 3=28.868 Pa。

D.5.2.5 流场不均匀性引入的标准不确定度

根据风洞证书可知，风洞的不均匀性为0.6%，则区间半宽为0.3%，按均匀分布处理，u(ΔvA) = 0.3% / 3 × vs = 0.034 m/s。

D.5.2.6 流场稳定性引入的标准不确定度

根据风洞证书可知，风洞的波动性为±0. 1%，则区间半宽为0. 1%，按均匀分布处理，u(ΔvT) = 0. 1% / 3 × vs = 0.012m/s。

标准风速测量的不确定度分量汇总见表 D.6。

表 D.6 标准风速的不确定度分量汇总

输入量的标准不确定度

灵敏系数

不确定度分量

温度测量

u(T)

0.173K

0.0433 m · s-1·K-1

0.0075

微差压测量

u(p)

0.309Pa

0.0546 m · s-1·Pa -1

0.0169

皮托管系数

u(ξ)

0.0025

12.8312 m · s-1

0.0321

气压计测量

u(P0)

28.868Pa

-9.0046×10-7 m · s-1·Pa -1

2.5994×10-5

流场不均匀性

u(ΔvA)

0.034 m · s-1

0.034

流场稳定性

u(ΔvT)

0.012 m · s-1

0.012

因此，标准风速测量引入的标准不确定度为

16

=0.052m/s

D.4 不确定度分量汇总

变送器在 20m/s风速校准点的不确定度分量汇总见表 D.7。

表 D.7 不确定度分量汇总

输入量的标准不

确定度/ m · s-1

变送器风速测量

u(v)

标准风速测量

u(vs)

0.052

-1

D.5 合成标准不确定度

D.6 扩展不确定度

取包含因子k=2，则变送器在 20m/s风速校准点的扩展不确定度为：

U=0.12m/s，k=2

17