《数字风向风速测量仪》制标综述

　　风是由许多在时空上随机变化的小尺度脉动叠加在大尺度规则气流上的三维矢量[2]。但在气象学上,是把空气的水平移动定义为风,通常将地面风作为二维矢量来考虑,即由两个参数来确定:风速(风矢量的模数)和风向(风矢量的幅角)[3]。

　　数字风向风速测量仪是用来测量地面风向、风速的,此类测量仪广泛应用于气象、海洋、机场、道路、交通、环境、农业、林业、水利、电力、军事、科研、文物保护等领域。目前,设计、生产数字风向风速测量仪的厂家很多,有国内也有国外的厂商,仪器的种类繁多,规格、技术指标、检验方法及验收规则不一[4,5],而且在机械制造领域此类产品尚无可执行的标准,鉴于此,我们提出并制定了机械行业标准《数字风向风速测量仪》。旨在使气象仪器在设计、生产、销售、检验等过程达到规范化、程序化、制度化和标准化管理的效果。力求做到紧密结合气象等行业观测业务的发展需求,发挥标准的支撑作用,促进科技成果的转化与应用,切实提高气象仪器的制造能力和水平,为贸易活动提供依据。

　　1　必要性

　　制定《数字风向风速测量仪》标准是满足行业需求和技术发展的所必须的,主要从以下几方面考虑:

　　(1)世界气象组织(WMO)最新编写的《气象仪器和观测方法指南》(第六版)对数字风向风速测量仪,特别是地面气象观测站网常用数字测风仪的业务准确度要求与常用仪器性能提出了更高的要求,同时对一些重要参数也给出了新的规定。

　　(2)近十几年来,地面气象观测站网因设备更新,对数字测风仪的需求量越来越大,因此,国内出现了一大批专业生产或兼业生产数字测风仪的研制和生产单位,各种型号的产品已用于或准备用于气象观测网站。尤其在各类气象观测站网都已装备并正在运行中。

　　(3)随着国民经济各部门和国防建设各兵种高新技术的应用,对风要素的测量应用越来越广泛,要求越来越严格。于是,利用各种物理原理研发出来的数字测风仪,已经大量生产并应用于不同专业领域。这些产品的研制和生产厂家分布在我国多个部门和地区,对产品的技术要求(主要是测量性能要求)、检验方法和验收规则等存在较大差异。为规范测风仪器产品的研制、生产,促进地面风的观测与国际接轨,推动测风技术进步发展。

　　(4)气象仪器标准严重匮缺,就现有的基础标准、方法标准到产品标准等各个方面,都不能支撑起气象仪器标准体系,更无法满足科研生产单位和用户的基本需求。

　　2　主要内容

　　《数字风向风速测量仪》将产品进行了分类,量化了技术指标,具体涵盖了产品的外观、结构、功能、接口、测量性能、电气、电源、可靠性、环境等方面的要求,给出了与此相对应的检验方法,同时制订了适宜的检验规则。

　　3　遵循的原则

　　在标准的制定过程中,进行了充分的试验验证,以国家气象仪器产品质量监督检验中心、中国白城兵器试验中心等检验机构的大量实验数据为依据,力求提高标准制定的前瞻性,做到标准能够在一定时期内适应市场与技术发展的的需求,搞好标准与合格评定的协作关系

　　(1)先进性

　　本标准修改采用了《气象仪器和观测方法指南》(第六版)关于“业务准确度要求与常用仪器性能”新规定。关于地面风向最大允许误差,《气象仪器和观测方法指南》和中国气象局《地面气象观测规范》要求±5°,本标准采用了国内先进指标和国外先进国家的指标±3°和±5°系列;风速最大允许误差《气象仪器和观测方法指南》要求±0.5 m/s,(≤5 m/s);±10%,(>5 m/s)。本标准采用采用了±(0.3+0.03 V) m/s和±(0.5+0.03 V) m/s系列,符合中国气象局《地面气象观测规范》要求,高于文献[2]的要求,具有一定的先进性和前瞻性。

　　(2)适用性

　　此项目依据中国气象局《地面气象观测规范》

　　(2003年版)的相关要求,以国家级气象仪器产品质量监督检验中心5年来的鉴定资料、各研制、生产单位数字测风仪的技术总结和技术条件为基础,参考了相关国家标准、行业标准,并考虑到与各类不同用途的自动气象站配套应用的实际情况,加之我国气象仪器发展中新技术、新工艺的引用,规范的所有技术指标、整机性能等要求都是能够实现的,并与气象行政管理部门的法规条例相适应,目前本标准是适宜的,并能满足未来几年气象仪器行业技术发展的需求。

　　4　充分性

　　在标准的制定过程中,编写组成员在充分收集并分析了国内数十个生产厂家、科研院所、大专院校、检验检测机构及芬兰、美国等国家的有关数字测风仪的企业标准、技术条件、使用说明书及检验报告、检测记录等大量产品资料的基础上,参考相关行业标准和《气象仪器和观测方法气象仪器和观测方法指南》,起草了《数字风向风速测量仪》标准初稿。在多次征求行业内知名专家个人意见及机械行业和气象仪器应用领域的单位意见,并与厂家、检验机构、用户及军方等多方面进行沟通、分析,召开编写组会议和专家论证会议,特别对测量性能和整机功能方面进行认真核查修改指标,对检验方法做到用数据说话,实事求是。既要满足行业发展的要求,又能将技术指标和检验方法落到实处,使标准具有可操作性,为标准的贯彻执行奠定基础。最终顺利通过了机械工业气象仪器标委会的审查。

　　5　指标的确定依据

　　制定标准时首先对测风产品进行了分类,按仪器的使用方式分为2类,二是按传感器的感应原理分为7类。正文中传感器的技术指标确定就是依照感应原理的分类顺序规定了不同传感器的具体指标。对于风传感器的性能特性要求参考了文献[2]的要求并结合国内目前行业设计制造水平,分别规定了起动风速、距离常数、时间常数等数值,而分辨力、测量范围及最大允许误差这些代表整个系统的参数则是作为整机的要求提出的,这符合气象行业检定、验收的惯例和规程,各个生产厂家也是这样运作的。除基本参数外,同时还规定了电源适应性、电气安全性、电磁兼容性、可靠性和维修性,以及环境适应性方面的具体要求。上述各项均规定了具体可行的检验方法。对于目前尚无法做到或需耗费大量资金方能实现的要求,如:“稳定性要求”、“传导发射和辐射发射要求”。我们暂不列入标准中,其具体原因如下:

　　数字测风仪将在变化的大气诸要素作用下工作,长期稳定性是其重要指标。但试验不但需要较长时间,而且需要模拟大气变化。根据GB/T1.2—2002中5.3.3可证实性原则:“如果没有一种试验方法能在较短的时间内证实产品是否符合稳定性、可靠性或寿命等要求,则不应规定这些求。”[6],因此对长期稳定性要求未作规定。传统的做法是,在仪器应用之前,根据用户要求,在当地气候环境条件下实际应用进行长期考核,考核项目包括长期稳定性

　　经查,截止到2009年5月,我国现有电磁兼容标准108项,其中对强电产生的辐射干扰和传导干扰有标准限值,对仪器仪表等弱电设备,除1项国家军用标准(GJB 151A—1997)之外,只有抗干扰的要求,没有传导发射和辐射发射的限值要求的标准可参考。我国气象站网运行的自动气象站(大约1600套)的技术要求均无此项指标。芬兰的Milos500和美国的ASOS系统只有在军事应用,有特殊要求时,加入传导发射和辐射发射的限值。

　　我们认为,如果军用系统采用数字测风仪,可用《合同》或《单篇规范》按GJB 151A—1997军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求提出限值,按GJB 152A—1997军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量进行验收试验。

　　另外,有专家提出环境试验设备中无风源,风洞中温度、湿度又不能变化,如何模拟工作环境试验?

　　气象仪器,特别是用于站网的气象仪器,在大气诸要素的同时作用下工作,而且要素随机变化。目前国内外还没有模拟大气诸要素同时随机变化的环境试验室,只能做静态大气单要素环境试验。

　　现行的弥补方法是,在数字测风仪应用于站网之前,作长期的实地应用运行考核,各项技术指标与标准比对,完成在大气诸要素同时作用下“工作环境试验”,最后决定仪器是否符合应用要求。

　　6　技术指标对比

　　制定的标准主要指标与《气象仪器和观测方法指南》的要求、先进国家技术指标对比如表1所示:

　　从表1可以看出,与《气象仪器和观测方法指南》要求相比,风速在小于等于7 m/s时,本标准规定的2种最大允许误差指标,一种好于《气象仪器和观测方法指南》要求,一种则与《气象仪器和观测方法指南》要求相当;而在风速大于7 m/s时,2种均小于《气象仪器和观测方法指南》要求。风速大于19.0 m/s时,小于《气象仪器和观测方法指南》要求的1/2;当风速达到60.0 m/s时,仅为《气象仪器和观测方法指南》要求的1/3。

　　与国外先进国家相比,风速小于12.0 m/s时,与芬兰基本一致,远远好于美国;风速在12.0 m/s至26 m/s,一种指标好于芬兰和美国;一种与芬兰和美国相当;当风速大于26 m/s,2种指标均好于芬兰和美国;风速达到60.0 m/s时,为芬兰和美国的2/3。

　　风向的最大允许误差好于或等于《气象仪器和观测方法指南》的要求,等于国外先进国家的指标。

　　参考文献:

　　[ 1 ]洪生伟.标准文件编写指南[M].北京:中国标准出版社,2005.

　　[ 2 ]中国气象局监测网络司.气象仪器和观测方法指南(6版)[M].北京:气象出版社,2005.

　　[ 3 ]中国气象局.地面气象观测规范[M].北京:气象出版社,2003.

　　[ 4 ]王剑,王晓蕾,慕新仓,等.三类测风传感器的原理及性能比较[J].气象水文海洋仪器,2008(3):23-25.

　　[ 5 ]徐明,朱庆春.风向风速测量仪设计[J].气象水文海洋仪器,2008(4):5-10.

　　[ 6 ] GB/T 1.1-2000标准化工作导则第1部分:标准的结构和编写[S].