2.3. Сравнение приборов иностранного и российского производства

Описаны сравнительные испытания акустического анемометра Wind Master ("GUI Instruments Ltd.Англия) и двух акустических анемометров АЦАТ-ЗМ производства НПО "Тайфун"(г. Обнинск, Россия). Представлены данные измерений стандартных отклонений и спектральных характери­стик горизонтального и вертикального компонентов скорости ветра, а также потоков тепла и трения. Разброс данных и степень согласованности измерений характеризуются величиной коэффициентов а и b в уравнениях регрессии, а также коэффициентами взаимных корреляций. График когерен­тности показывает согласованность данных измерений обоих приборов во всем диапазоне частот.

В НПО "Тайфун" несколько лет назад впервые в нашей стране был раз­работан акустический цифровой анемометр-термометр (АЦАТ) и налажен его выпуск. В отличие от приборов подобного рода, в основе которых за­ложен так называемый фазовый метод, АЦАТ выполнен на основе компь­ютерной технологии с использованием цифрового метода преобразования и передачи данных. Применение в приборе герметичных акустических преобразователей обеспечивает высокую надежность, он практически не имеет недостатков, связанных с эксплуатационными качествами. Его мет­рологические характеристики не уступают лучшим зарубежным образцам.

. Адекватность оценок потоков тепла и трения вызывает наибольший интерес. Именно этим характеристикам уделяется особое внимание при различных сверочных измерениях, в том числе и междуна­родных

Аппаратура, используемая при сравнении. В эксперименте были использованы три трехкомпонентных акустиче­ских анемометра: Wind Master фирмы "Gill Instruments Ltd." (Англия), ко­торый в дальнейшем будет идентифицирован под номером 1, и два прибо­ра АЦАТ-ЗМ с идентификационными номерами 3 и 4 (3-я модификация прибора, разработанная и изготовленная в НПО "Тайфун", г. Обнинск). Характеристики приборов приведены в табл. 1. Отметим, что кроме трех компонентов вектора скорости ветра приборы 3 и 4 измеряют температуру воздуха и ее пульсации.

Место и условия проведения измерений. Сверочные эксперименты проводились в октябре — декабре 2006 г. на полигоне Высотной метеорологической мачты НПО "Тайфун" на расстоя­нии от нее 200 м. Акустические датчики сравниваемых приборов размеща­лись на высоте 2,5 м и на расстоянии 0,8 м друг от друга, при этом база их расположения всегда ориентировалась перпендикулярно направлению по­тока ветра. В период экспериментов преобладали нейтральные условия (масштаб Монина — Обухова L = 300—500 м). Измерения горизонтальных и вертикальных компонентов скорости ветра и мгновенной температуры воздуха с квантованием At = 1 с осуществлялись сериями продолжитель­ностью от 5 до 9 ч. В каждой отдельной серии использовалось два прибо­ра: 1 и 3 либо 1 и 4. Расчет турбулентных характеристик осуществлялся на интервале 600 с.

Рис. 2.7 Сопоставление результатов измерения средних квадратов (а), (б) потоков трения u (в) и тепла H (г) разными приборами.

Этот период осреднения выбран потому, что он охватыва­ет весь масштаб микрометеорологии, но оценки характеристик турбулент­ности, полученные на этом временном интервале, не подвержены влиянию тренда за счет суточного хода метеорологических величин.

На рис. 2.7 представлены корреляционные графики средних квадратов пульсации горизонтальной и вертикальнойсоставляющих вектора ветра, потоков теплаН = W’T' и трения u*. =uw. Штрихи означают пульса­ции этих величин относительно среднего, черта сверху — осреднение во времени. Приведенные данные показывают качественное согласие сравни­ваемых величин при некотором разбросе отдельных точек.

Количественно степень согласованности данных может быть охаракте­ризована коэффициентами а и b в уравнении регрессии у = ах + b и коэф­фициентом корреляции г. Здесь х и у — данные измерений одной и той же величины разными приборами. Значения коэффициентов а_, b и r обобщен­ные по всем сериям измерений, приведены в табл. 2. Индекс 1 в табл. 2 соответствует прибору Wind Master, 3 и 4 — соответственно приборам АЦАТ-ЗМ. Анализ данных табл. 2 показывает, что в обоих случаях резуль­таты измерений характеристик турбулентности приборами 1 и 3, 4 согла­суются между собой примерно с одинаковой степенью точности, характе­ризуемой отличием коэффициентов а и b от единицы и Ь от нуля. Обращает на себя внимание значение коэффициента а = 1,309 в уравнении _w1 = a + b. Это связано с тем, что вертикальная скорость, измеряемая АЦАТ-ЗМ с номером 3, вследствие ошибки градуировки занижена пример­но на 30% по сравнению с Wind Master.

Занижение w₃ сказывается соответственно и на значениях скорости трения м.₃, и потоках тепла u₃, коэффициенты а ко­торых в уравнениях регрессии завышены на 20% (табл. 2.1). В связи с этим отметим, что вертикальный компонент скорости играет важную роль в микрометеорологии, так как он участвует в турбулентном переносе теп­ла, влаги и количества движения.

Таблица 2.1

Технические характеристики приборов Wind Master и АЦАТ-ЗМ

Измеряемый параметр	Диапазон		Точность (RMS)
	Wind Master	АЦАТ-ЗМ	Wind Master	АЦАТ-ЗМ
Скорость ветра (и, v)	0—20 м/с	0,2—60 м/с	1,5%	0,02 ±0,02 V
	35—60 м/с		3,0%
Вертикальная скорость (w)	w = Vsin10°	0,1—10м/с	3,0% от W	0,02 ± 0,02W
Разрешение			0,01 м/с
Смещение			±0,01 м/с	±0,01 м/с
Направление	0—359°	0—359°	< 25 м/с:±2°	5°
			> 25 м/с:±4°
Разрешение			1°	2°
Диапазон рабочей температуры	-40...60°С	-60...50°С

При измерении этому компоненту нужно уделять особое внимание. Прямая калибровка любого прибора для измере­ния вертикальной составляющей скорости ветра затруднена, поскольку на­турные условия невозможно воспроизвести в калибровочных установках. Есть возможность оценить характеристики w путем тщательного анализа данных, полученных при измерении этого компонента.

Таблица 2.2