一种超声测风仪的检定方法及其设备与流程

本发明涉及质量控制，尤其涉及一种超声测风仪的检定方法、一种可读存储介质和一种计算机设备。

背景技术：

1、相比于传统的机械三杯式传感器，超声波测风仪不单具有精度高、测量频率快、无需维护的优势，更可以对声速进行高频测量，从而反演计算出声虚拟温度。声虚拟温度反映了空气温度的真实变化，与太阳辐射无关，广泛利用于环境通量观测。目前，气象行业内缺少对于超声波测风仪声虚拟温度测量值的检定方法。

2、声虚拟温度的测量精度又取决于超声波飞行路程(以下简称声程)的精确测量。传统的声程确定方法是采用物理量取两个传感器之间距离的方式，这样做对声虚拟温度的测量精度具有很大影响。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

2、为此，本发明的目的在于提供一种超声测风仪的检定方法及其设备，其能够提供精确标准对超声测风仪的声虚拟温度和声程进行检定。

3、为实现上述目的，本发明第一方面的技术方案提供了一种超声测风仪的检定方法，包括以下步骤：

4、获取安装有超声测风仪的封闭箱体内的环境参数，环境参数包括气温数据、湿度数据和气压数据；

5、基于理论声虚拟温度模型、并利用环境参数计算得到当前环境下的的理论声虚拟温度；

6、基于理论声速模型、并利用理论声虚拟温度计算得到当前环境下的理论声速；

7、基于实际声虚拟温度模型和实际声速模型、并利用超声测风仪中单一轴向上超声波换能器测量的超声波飞行时间计算得到实际声虚拟温度模型和实际声速模型；

8、根据理论声速模型和实际声速模型得到超声测风仪的声程计算模型；

9、基于理论声速模型和理论声虚拟温度模型、并利用干燥空气的气体常数和比热比计算得到超声测风仪的标准声速；

10、根据声程计算模型、并利用标准声速计算得到对应超声测风仪的标准声程；

11、判断理论声虚拟温度与实际声虚拟温度的差值是否落入超声测风仪的预设校准阈值内；

12、当差值落入预设校准阈值内时，根据标准声程校准超声测风仪。

13、在上述技术方案中，优选地，基于预设的理论声虚拟温度模型、并利用环境参数计算得到当前环境下的的理论声虚拟温度，包括以下步骤：

14、构建声虚拟温度、气温数据、湿度数据和气压数据的理论声虚拟温度初始模型；

15、构建气温数据、湿度数据和气压数据之间的环境参数关联关系；

16、根据环境参数关联关系简化理论声虚拟温度初始模型，得到理论声虚拟温度模型；

17、根据理论声虚拟温度模型、并利用环境参数计算得到当前环境下的的理论声虚拟温度。

18、在上述任一技术方案中，优选地，理论声虚拟温度初始模型的表达式为：

19、

20、t为干燥空气中的声虚拟温度，为干空气与水汽的比热比，为水汽与干空气的分子质量比；e是水汽分压，p是总空气压力，tav为理论声虚拟温度；

21、环境参数关联关系的表达式为：

22、

23、

24、理论声虚拟温度模型的表达式为：

25、

26、es(t)为饱和水汽压，rh表示为相对湿度，其中与分别采用经验值0.95108和0.621978。

27、在上述任一技术方案中，优选地，理论声速模型的表达式为：

28、

29、rd为干燥空气的气体常数。

30、在上述任一技术方案中，优选地，超声测风仪中单一轴向上超声波换能器测量的超声波飞行时间，表达式为：

31、

32、

33、t1为超声波换能器正向传播所用时间，t2为超声波换能器反向传播所用时间，d为两对超声波换能器之间的声程，θ为风向角度，即二维平面内，正北方向和来风方向之间的夹角，w为风速在两个超声波换能器连线方向上的投影分量。

34、在上述任一技术方案中，优选地，实际声速模型的表达式为：

35、

36、实际声虚拟温度模型的表达式为：

37、

38、u为风速在垂直于两个超声波换能器连线的投影分量。

39、在上述任一技术方案中，优选地，声程计算模型的表达式为：

40、

41、将干燥空气的气体常数rd＝287.05及水汽的比热比γd＝1.399463代入理论声速模型表达式中，得到标准声速；

42、将标准声速代入声程计算模型的表达式中，计算得到对应超声测风仪的标准声程。

43、本发明第二方面的技术方案提供了一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述第一方面的技术方案提供的超声测风仪的检定方法的步骤。

44、本发明第三方面的技术方案提供了一种计算机设备，包括存储介质和处理器；存储介质，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序以实现上述第一方面的技术方案提供的超声测风仪的检定方法的步骤。

45、本发明提供的超声测风仪的检定方法及其设备与现有技术相比的优点在于：

46、1、能够解决二维、三维超声测风仪声虚拟温度的检定和声程标定。

47、2、采用高精度空气温度、湿度、压力传感器对封闭箱体内部空气参数进行精确测量，通过计算方法得出精确虚拟温度。将被测超声测风仪放置于封闭箱体内部，利用精确虚拟温度作为标准虚拟温度，对测风仪输出的虚拟温度进行检定。同时，标准虚拟温度亦可反算标准声速，对测风仪本身的声程进行标定。

48、3、能够提供精确标准对超声测风仪的虚拟温度进行检定；同时，也提供更为精确的声程作为超声测风仪声程的标定基准。

技术特征：

1.一种超声测风仪的检定方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的超声测风仪的检定方法，其特征在于，基于理论声虚拟温度模型、并利用所述环境参数计算得到当前环境下的的理论声虚拟温度，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的超声测风仪的检定方法，其特征在于，所述理论声虚拟温度初始模型的表达式为：

4.根据权利要求3所述的超声测风仪的检定方法，其特征在于，所述理论声速模型的表达式为：

5.根据权利要求4所述的超声测风仪的检定方法，其特征在于，所述超声测风仪中单一轴向上超声波换能器测量的超声波飞行时间，表达式为：

6.根据权利要求5所述的超声测风仪的检定方法，其特征在于，所述实际声速模型的表达式为：

7.根据权利要求6所述的超声测风仪的检定方法，其特征在于，所述声程计算模型的表达式为：

8.一种可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的超声测风仪的检定方法的步骤。

9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储介质和处理器；存储介质，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序以实现如权利要求1至7中任一项所述的超声测风仪的检定方法的步骤。

技术总结
本发明涉及一种超声测风仪的检定方法，包括以下步骤：获取安装超声测风仪的封闭箱体内环境参数；基于环境参数构建理论声虚拟温度模型；基于理论声虚拟温度构建理论声速模型；基于超声测风仪中单一轴向上超声波换能器测量的超声波飞行时间构建实际声虚拟温度模型和实际声速模型；构建超声测风仪的声程计算模型；基于干燥空气的气体常数和比热比计算超声测风仪的标准声速；根据声程计算模型、并利用标准声速计算得到对应超声测风仪的标准声程；判断理论声虚拟温度与实际声虚拟温度的差值是否校准超声测风仪。通过本发明的技术方案，能够提供精确标准对超声测风仪的虚拟温度进行检定；同时，也提供更为精确的声程作为超声测风仪声程的标定基准。

技术研发人员：张弛,张绪景,杨加春,李佳,杨毕宣,金宝峻,王会敏,高旭宾,王志杰,李红海,吴强
受保护的技术使用者：华云升达（北京）气象科技有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31