高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统技术条件风速风向监测设备.doc

高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统技术条件风速风向监测设备 (试行) 二一二年十月 ·北京前 言风速风向监测设备的检定和验收作为高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统质量控制的一个重要环节，必须制定严格的本技术条件，以确保风速风向监测设备质量满足高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统的设计要求。本技术条件是根据中华人民共和国气象法、中华人民共和国铁路法等法律法规及国家和行业相关标准而编制。本技术条件着重对风速风向监测设备的分类及构成、技术要求、试验方法、检验规则、标识、包装、运输及贮存等进行了规定。本技术条件中的附录A、B、C、D为规范性附录。本技术条件负责起草单位：中南大学，中国铁道科学研究院，铁三院，上海局本技术条件主要起草人：田红旗、梁习锋、许平、史宏、沈敬伟、樊艳、潘振华。本技术条件由中国铁道部科学技术司负责解释。目 录1 范围12 规范性引用文件13 术语与定义14 分类及构成24.1 分类24.2 构成35 技术要求35.1 工作环境35.2 外观35.3 风速风向传感器35.4 数据采集器45.5 数据远程传输单元45.6 防雷及电磁兼容45.7 防护45.8 可靠性46 试验方法56.1 外观试验56.2 测量性能试验56.3 电源适应性、电气安全性和电磁兼容试验76.4 环境适应性试验76.5 采集方式、参数配置、接口方式、状态自检、采集频率功能试验76.6 防护试验76.7 可靠性试验77 检验规则87.1出厂检验规则87.2 型式检验88 标识、存放、运输及贮存88.1标识88.2包装98.3运输98.4贮存9附录A 风速传感器阻塞系数的测试方法10附录B 实测风速的计算方法11附录C 测量范围及最大允许误差试验方法13附录D 动态跟随性允许误差试验方法141 范围本技术条件规定了高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统中的风速风向监测设备的分类及构成、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存等内容。本技术条件适用于高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统的机械式（风杯式、螺旋桨式）、非机械式（超声波式、热场式）风速风向监测设备（以下简称风速风向监测设备），其他类型铁路自动测量风速风向的仪器可参照使用。2 规范性引用文件下列文件中的条款通过本技术条件的引用而成为本技术条件的条款。凡是注明日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本技术条件，然而，鼓励根据本技术条件达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注明日期的引用文件，其最新版本适用于本技术条件。GB 4793.1-2007 测量、控制和实验室用电气设备的安全要求 第1部分：通用要求GB/T 2829-2002 周期检验计数抽样程序及表（适用于对过程稳定性的检验）GB/T 191-2000 包装储运图示标志GB/T 4208-2008 IP防护等级标准QX/T 51-2007 地面气象观测规范 第7部分：风速和风向观测QX/T 23-2004 旋转式测风传感器JB/T 11258-2011 数字风向风速测量仪JB/T 9329-1999 仪器仪表运输、运输贮存基本环境条件及试验方法JJG431-1986 DEM6型轻便三杯风向风速表检定规程JJF 1094-2002 测量仪器特性评定3 术语与定义下列术语和定义适用于本技术条件。3.1风空气相对于地面的运动，包括方向和大小（及风向和风速）。3.2 风速风向风速是单位时间内风移动的距离；风向是（相对于正北方向）风吹来的方向。3.3 降雨强度单位时间或某一时段内的降雨量。3.4 分辨力在仪器的测量范围内，能导致可观测到的输出量变化的最小输人量变化值。3.5 风速风向监测设备 通过有线方式，将风速风向信号传至远距离现场处进行显示或记录的风速风向仪。3.6 机械式风速风向监测设备通过风向标调整平衡角度测量风向，通过测量螺旋桨或风杯转动速度测量风速的设备。3.7 超声波式风速风向设备利用发送声波脉冲,测量接收端的时间或频率差别来测量风速和风向的设备。3.8 热场式风速风向设备利用对流换热原理来测量气流速度和方向的设备。3.9 平均无故障工作时间一个或多个仪器在它的使用寿命期内的某个观察期间累计工作时间与故障次数之比。3.10气流偏角即指流场内气流偏离风洞工作段轴线的角度（°）。3.11阻塞系数即风速仪感应器的迎风面积与风洞工作段横截面积之比。3.12湍流度即气流在三维方向上的脉动分速的均方根值。4 分类及构成4.1 分类风速风向监测设备可分为机械式（风杯式、螺旋桨式）、非机械式（超声波式、热场式）。4.2 构成风速风向监测设备一般由外壳支架、风速风向传感器、数据采集器、数据远程传输单元等构成。5 技术要求5.1 工作环境温度：-3555湿度：40时不大于85%；环境降雨强度： 0mm/h200mm/h，水温535。抗风强度：70m/s。5.2 外观5.2.1 各零部件安装牢固，不应有明显的凹迹、外伤、裂缝、变形，及其他影响使用的缺陷；5.2.2 各零部件所敷保护层应牢固、均匀、光洁，不得有划伤、锈蚀等缺陷。5.2.3 设备型号、出厂编号应清晰。5.3 风速风向传感器5.3.1 分辨力风速分辨力：0.5m/s；风向分辨力：3°。5.3.2 测量范围风速测量范围：0m/s60m/s；风向测量范围：0°360°。5.3.3 允许误差及动态参数风速示值允许误差：±0.8 m/s（<16.0m/s）； ±5%测量值（16.0m/s）；风向示值允许误差：±5°（>1m/s）；5.3.3.1 机械式（风杯式、螺旋桨式）：a) 风向特性：启动风速：不应大于对应风速启动风速 ；阻尼比：0.30.7（在5m/s风速条件下）；动态偏移角不超过最大允许误差的1/3（在风向标3倍启动风速条件下）；b) 风速特性：启动风速：2.0m/s ；距离常数：25m（在5m/s风速条件下）；5.3.3.2 超声波式：启动风速：0.5m/s ；时间常数：0.5s；动态跟随性允许误差（风速）：±5%测量值（=15m/s、20m/s、25m/s、30m/s、35m/s、40m/s）；动态跟随性允许误差（风向）：±10°（=15m/s、20m/s、25m/s、30m/s、35m/s、40m/s）；5.3.3.3 热场式：启动风速：0.5m/s ；时间常数：4s上升，2s下降；动态跟随性允许误差（风速）：±5%测量值（=15m/s、20m/s、25m/s、30m/s、35m/s、40m/s）；动态跟随性允许误差（风向）：±10°（=15m/s、20m/s、25m/s、30m/s、35m/s、40m/s）。5.4 数据采集器5.4.1 采集方式连续自动采集。5.3.4 采样频率风速和风向采样频率均不小于1Hz。5.4.2 参数配置具有修改采样频率、接口方式等参数的功能。5.4.3 接口方式应具备RS-232/RS-422/RS-485标准接口与计算机进行数据交换或运行参数设置。5.4.4 状态自检可提供风速风向监测设备运行状态信息。5.5 数据远程传输单元5.5.1 远程传输模块当风速风向监测设备与监控单元距离超过500m时，应安装远程传输模块。5.5.2 电源应满足下列条件：a）采用直流供电，电压可为3V、6V、9V、12V、24V、36V，允许偏差-15%+20%；b）当风速风向监测设备功耗超过20W时，应具备直流升压供电装置。5.6 防雷及电磁兼容应满足下列条件：a) 风速风向监测设备在正常条件和单一故障条件下，可触及零部件放电击的允许限值应符合GB 4793.1-2007中6.3的要求；b) 电磁兼容性应符合JB/T 11258-2011 中6.9的要求。5.7 防护防护等级应达到IP65。5.8 可靠性在正常工作条件下，平均无故障工作时间不小于8000小时。6 试验方法6.1 外观试验按照通用技术要求进行外观检查（常规目测方法）。6.2 测量性能试验6.2.1 试验设备和标准器6.2.1.1 标准器：a) 皮托静压管皮托管的K值应在0.9971.003之间；皮托管系数的允许误差：不超过±0.05。b) 数字微压计测量范围：0 Pa2500 Pa；分辨力：0.2Pa；零位对准误差：±0.6Pa；零位回复误差：±0.9Pa；最大允许误差：±1.0Pa。c) 标准度盘测量范围：0°360°；分辨力：0.1°。6.2.1.2 试验设备a) 低速风洞风速范围：1.5 m/s60m/s；湍流度：1%；工作段流速均匀性：0.5%；工作段流速稳定性：0.5%；气流偏角：1°。b) 调速装盘调速范围：0.01r/s0.2r/s；测量范围：0°360°；分辨力：0.1°。c) 气温表、相对湿度表、气压表d) 数据采集器静态直流电压测量： 测量范围：0.0V10.0V ； 分辨力：1.0V； 最大允许误差:±(读数的ppm + 量程的ppm)；动态电压测量： 测量范围：0.0V10.0V； 分辨力：0.2 mV； 最大允许误差:±5 mV； 采样频率： 5KHz；频率测量： 测量范围：3Hz500kHz； 最大允差:±(读数的ppm + 量程的ppm)。6.2.2 试验准备将皮托管和风速风向监测设备安装于风洞实验段内，皮托管的总压输出和静压输出分别连至数字微压计的总压和静压输入端口上，风速传感器输出端连至采集器(频率)的输入端子上。打开数字微压计、采集器电源开关，预热5分钟后开始启动风速和风速示值检定。当风速风向监测设备的阻塞系数大于5.0时，将会给检定结果带来误差，必须进行阻塞系数修正，风速风向监测设备阻塞系数的测量方法见附录A。6.2.3 风速风向启动性能试验6.2.3.1 风向测量启动特性不同类型风速风向监测设备的风向启动特性按照如下方法测试：a) 机械式： 启动风速：按QX/T 23-2004中5.6.2.2的规定进行； 阻尼比：按QX/T 23-2004中5.6.2.4的规定进行； 动态偏移角：按QX/T 23-2004中5.6.2.5的规定进行。b) 超声波式：启动临界值和时间常数，应在不同方向上进行，每隔15°取一检验方向。c) 热场式：启动临界值和时间常数，应在不同方向上进行，每隔15°取一检验方向。6.2.3.2 风速测量启动特性不同类型风速风向监测设备的风速启动特性按照如下方法测试：a) 机械式： 启动风速：按QX/T 23-2004中5.6.1.2的规定进行； 距离常数：按QX/T 23-2004中5.6.1.4的规定进行。b) 超声波式：启动临界值和时间常数，应在不同方向上进行，每隔15°取一检验方向。检验方向应包括气流顺向超声波的发射方向。c) 热场式：启动临界值和时间常数，应在不同方向上进行，每隔15°取一检验方向。时间常数包括上升时间常数和下降时间常数，按照JB/T 11258-2011数字风向风速测量仪中7.6.2.2的规定进行。6.2.4 分辨力试验按JJF 1094-2002测量仪器特性评定中5.7.2的规定进行。6.2.5 测量范围及最大允许误差试验按照附录C进行测量范围及最大允许误差试验。6.2.6 动态跟随性允许误差试验按照附录D进行动态跟随性允许误差试验。本节仅针对超声波式和热场式风速风向监测设备。6.3 电源适应性、电气安全性和电磁兼容试验6.3.1电源适应性采用可调直流稳压电源给风速风向监测设备供电，电压在-15%20%范围内变化，同时测量风速和风向参数的瞬态值，该测量值应不受电压变化的影响。6.3.2 电气安全性按GB 4793.1-2007中6.4、6.5和6.6中规定的试验方法进行。6.3.3电磁兼容性电磁兼容性应按照JB/T 11258-2011 中7.9的测试方法进行试验。6.4 环境适应性试验6.4.1高温将正常工作状态的风速风向监测设备置于高温试验箱内，以不大于1/min的速度加温至55，保持2h。试验过程中，监测设备输出信号应正常。试验结束后，关闭监测设备，常温下恢复8h，监测设备运行状况应正常。6.4.2 低温将正常工作状态的风速风向监测设备置于低温试验箱内，以不大于1/min的速度降温至-35，保持2h。试验过程中，监测设备输出信号应正常。试验结束后，关闭监测设备，常温下恢复8h，监测设备运行状况应正常。6.4.3湿热将正常工作状态的风速风向监测设备置于高低温交变湿热试验设备中，温度调至40，相对湿度85%，保持2h。试验过程中，监测设备输出信号应正常。试验结束后，关闭监测设备，常温下恢复8h，监测设备运行状况应正常。6.4.4 抗风强度在风速试验时，将风速风向监测设备固定在风洞试验段，将试验流速调整至设备测量上限1.1倍的风速值，保持5h。试验结束后，监测设备结构和运行状况应正常。6.4.5淋雨试验将正常工作状态的风速风向监测设备顶部的环境感受部分固定在淋雨设备的平台上，以水温535、雨强200mm/h，从垂直及45°方向分别喷淋30min。试验过程中观察监测设备运行应正常。6.5 采集方式、参数配置、接口方式、状态自检、采集频率功能试验用常规方法检验5.3.4、5.4.1、5.4.2、5.4.3和5.4.4，检验步骤如下：a) 用通讯电缆将风速风向监测设备与计算机连接；b) 在计算机上运行风速风向监测设备应用程序，设置好记录仪的记录启动时间、记录周期、停止时间、停止方式等参数；c) 将风速风向监测设备记录数据下载到计算机内进行数据处理。6.6 防护试验按GB/T 4208-2008规定的试验方法进行试验。6.7 可靠性试验可靠性应按照JB/T 11258-2011 中7.11的测试方法进行试验。7 检验规则7.1出厂检验规则7.1.1批量出厂的风速风向监测设备，应逐台进行出厂检验。7.1.2 出厂检验由制造厂质量检验部门负责检验。应按本技术条件5.2、5.3、5.4条的要求逐项进行检验。7.1.3 出厂检验不进行风速/风向启动风速和时间常数检验。7.1.4 风速风向监测设备应经制造厂质量检验部门检验合格后，并签发合格证，方允许出厂、销售。7.1.5 出厂检验中凡出现不合格者，应进行返工。7.2 型式检验7.2.1 型式检验按本技术条件的技术要求规定内容进行全性能检验。7.2.2有下列情况之一时，应进行型式检验：a）新产品提交技术（定型）鉴定前；b）新产品试生产或老产品转厂生产后；c）在设计、工艺和材料有较大改进时，可能影响产品性能时；d）不经常生产当再次生产时；e）成批生产进行定期抽检时；f）国家质量监督机构提出进行型式检验要求时；g）根据合同规定双方有约定时。7.2.3 型式检验项目应按本技术条件第5章的全部要求进行检验7.2.4抽样规则型式检验应从出厂检验合格品中抽样进行。可按照GB/T 2829-2002中第4章、第5章规定的方法进行，采用一次抽样方案，监测判别水平。8 标识、存放、运输及贮存8.1标识每台风速风向监测设备应有如下标志：a) 产品名称及型号；b) 制造厂名称；c) 产品编号；d) 计量器具许可证编号。8.2包装8.2.1每台风速风向监测设备应用发泡塑料膜包好，再装入包装箱，箱内应有减震填充物。8.2.2包装箱应牢固，防潮，应有不易擦掉的标志，内容为：a) 制造厂名称及地址；b) 产品名称及型号；c) 收发货单位、地址；d) 产品执行标准代号；e) 标有“向上”、“易碎物品”、“怕雨”等字样及相应图案，图示标志应符合GB/T 191要求。8.3运输风速风向监测设备经包装后可用常用的交通运输工具运输，适用于各种运输条件。8.4贮存包装状态下的风速风向监测设备应能适应于以下贮存环境条件：a）温度：-3555b）相对湿度：40时，不大于85%；c）长期贮存状态下的风速风向监测设备，其贮存场所应选择通风、干燥的室内，附近应无酸性、碱性及其他腐蚀性物质存在。附录A（规范性附录）风速传感器阻塞系数的测试方法A.1概述根据风速仪器检定规程要求，被检风速传感器在风洞工作段气流方向上的投影面积不大于整个工作段截面积的5.0，否则就会产生对气流的阻塞现象，从而形成乱流和回流压力，造成风速测量误差，因此必须知晓风速传感器的阻塞系数和测试方法。A.2 阻塞修正系数测量步骤和方法A.2.1挑选两支性能稳定的风速传感器，送国家气象计量站大风洞测试后作为标准风速传感器使用。A.2.2 将其中的一支标准风速传感器安装在风洞工作段内已选定的位置上。利用静压落差法（见JJG431-86DEM6型轻便三杯风向风速表检定规程）校准标准风速传感器，并绘制成校准图线。根据该校准图线和国家气象计量站给出的校准图线，分别查出指示风速为30m/s对应的实际风速值，将此值代入式(1)求出风速传感器的阻塞修正系数 (A.1)式中：从国家气象计量站检定结果的校准图线上查出的实际风速；从用静压落差法得到的校准图线上查出的实际风速；A.2.3 再用另外一支标准风速传感器以同样的方法复测一次。A.2.4 两次测量的值相差不超过2.0。两次值的平均值即为风速传感器的阻塞系数，取小数点后三位。如果风洞经过修理或重新安装后，应重新测试风速传感器的阻塞系数。附录B（规范性附录）实测风速的计算方法B.1 相当风速计算用皮托管的测量结果计算实测风速。将微压计在各检定点上的读数平均值减去初始零位值，得出实测风压值（单位为Pa），标准状态下的相当风速值见公式(1). (B.1)对于采用mmH2O为刻度单位的微压计，计算相当风速的公式为=4式中为水柱高度(mm)B.2 空气密度修正系数计算用公式(2)计算出风速值的空气密度修正系数： (B.2)式中：流场内温度，；流场内湿度，RH；环境大气压力，hPa；流场温度为时的饱和水汽压，hPa；B.3 总修正系数计算再用式（3）计算总修正系数 (B.3)式中：微压计工作液体的密度修正系数（工作液体为蒸馏水时，=1）；皮托管系数；微压计系数（当采用二等微压计时，=1）；B.4 实测风速计算最后计算出实测风速值 (B.4)附录C（规范性附录）测量范围及最大允许误差试验方法C.1 概述本附录给出了评估风速风向监测设备静态测量范围和误差的试验方法。C.2 风向点试验风向间隔选择为从0°开始，每隔30°选取一个测试点。检定前将风速风向测量仪器（传感器）安装在风洞试验段地面转盘上，安装时应确保风速风向测量仪指北线与转盘的0°点方向（即风洞来流方向）对齐。风向传感器和采集器牢固连接并加电预热5分钟后开始风向示值检定。在0°点位置，风速稳定2分钟后，读取风向示值，一个风向检定点结束。再将风向标顺序转动到其他各个检定点进行检定，在每个风向检定点风速稳定至少2分钟。用风向传感器在各个风向检点上的显示值减去标准值，得出各个风向点上的测量误差。以各个检定点上的测量误差均不超过最大允差为合格,否则应进行维修后重新检定。重新检定仍不合格，作不合格处理并更换。C.3 风速点试验风速测试点为：2m/s，5m/s，10m/s，15m/s，20m/s，25m/s，30m/s，45m/s，60m/s。当风速点调好、且稳定2分钟后，用风速参数数据采集器自动采集微压计的实测风压值( Pa)、流场温度值()、流场湿度值(RH)和室内大气压力值(hPa)，用数据采集器读取（采集）被检风速传感器的输出值（如果输出值是频率信号，应根据风速方程转换成风速值）, 根据实测风速计算公式（见附录B），计算出各风速检定点上的实测风速值。检定开始前和检定结束后，分别读取（采集）环境温度、湿度和大气压力值，用两次读数（采集）到的环境条件的平均值作为检定时的环境条件，填写到检定记录表格中。用被检风速传感器在各风速检定点上的指示风速减去实测风速，得出各风速检定点上的测量误差（示值误差），再将各风速检定点上的指示风速值代入技术要求中给出的风速最大允许误差计算公式，得出各风速检定点上的允许误差值。当被检风速传感器，在各风速检定点上的测量误差均小于被检风速传感器在各风速检定点上的允许误差值时视为合格，否则应对风速传感器进行维修，维修后的风速传感器应按规程要求重新检定。重新检定仍不合格者，作为不合格处理并更换。附录D（规范性附录）动态跟随性允许误差试验方法D.1 概述本附录给出了评估风速风向监测设备动态跟随性的试验方法。D.2 动态跟随性允许误差试验风速风向监测设备在风速恒定、风向匀速变化条件下进行试验。风洞风速分别取15m/s、20m/s、25m/s、30m/s、35m/s、40m/s。检定方法如下：a) 在给定的风洞风速下，稳定2分钟后，记录风速仪风速风向稳定示值；b) 控制风速仪在给定转速12s/r下匀速转动2周，记录风速仪风速、风向输出以及风速仪实际转角（转盘转角）随时间变化曲线；c) 在风速曲线上转盘旋转中间一周读取风速最大值、最小值、平均值，得到相对于风洞风速的最大风速偏差；在风向曲线上读取风向示值与转盘实际转角最大差值；d) 改变旋转方向，重复步骤(a)-(c)；e) 重复(a)-(d)的过程3次，取对应偏差的最大值作为最终偏差极值，。，分别是最终的风速和风向的动态跟随性允许误差值。