气温和气压对风速计校准的影响

  1 介绍气温和气压对风速计校准的影响
 

  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IEC 61400-12-1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IEC 61400-12-1 [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。

气温和气压对风速计校准的影响

  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。

气温和气压对风速计校准的影响

  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。

气温和气压对风速计校准的影响
 

  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。

气温和气压对风速计校准的影响
 

  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(<0.5%)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IEC 61400-12-1 [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:0.9 kg/m³ – 1.35 kg/m³

  空气压力:600 hPa – 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。

气温和气压对风速计校准的影响

  图5:空气密度可变风洞的安装过程。

气温和气压对风速计校准的影响

  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。

气温和气压对风速计校准的影响

  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4 m / 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

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