CC BY
18
УПРАВЛЕНИЕ КА ЧЕСТВОМ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ
УДК 551.501.75
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ВОСПРОИЗВОДИМОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРА БЕЗЗОНДОВЫМ МЕТЕОКОМПЛЕКСОМ
В.М. Калмыков, Д.В. Ермилов, С.И. Соловьев, Д.Б. Белов
Рассмотрена методика оценки воспроизводимости измерения скорости и направления ветра беззондовым метеокомплексом.
Ключевые слова: параметры ветра, воспроизводимость измерений, беззондо-вый метеокомплекс.
В работе [1] отмечено, что в существующей практике измерения параметров ветра, а именно скорости и направления на различных уровнях высоты, используются измерительные устройства, основанные на применении радиозондов и шаров-пилотов, положение которых отслеживается с земли с помощью специальных средств измерений с последующим расчетом скорости и направления ветра. Кроме того, для измерения указанных параметров на низких высотах широко применяются высотные метеомачты с установленными на них датчиками скорости и направления ветра. Указанные методы имеют свои достоинства и недостатки. К основным недостаткам радиозондов и шаров-пилотов относятся их снос на достаточно большое расстояние от места запуска, а также заметная инерционность в отслеживании изменения скорости и направления ветра. Что касается метеомачт, то в силу ограниченности высоты они позволяют измерять параметры ветра на высотах не выше 300 метров.
С целью устранения недостатков, присущих указанным устройствам, а также для повышения эффективности измерения был разработан беззондовый радиолокационный измерительный метеокомплекс для определения параметров ветра. Принцип работы данного метеокомплекса основан на измерении скорости и направления движения естественных метеообразований в атмосфере, поскольку направление и скорость их движе-
321
ния практически идентичны соответствующим параметрам движения воздуха, который практически безынерционно увлекает их своим потоком. Основными достоинствами такого измерительного устройства являются автономность его работы, малое временя приведения в рабочее состояние, отсутствие необходимости использования шаров-пилотов и радиозондов, а также обеспечение требуемой зоны (места) измерения параметров ветра.
Создание такого беззондового метеокомплекса потребовало изучения и установления его точностных характеристик. Для этого были проведены предварительные исследования, которые заключались в следующем.
В одном и том же месте (полигон), в одно и то же время проводились синхронные измерения параметров (скорости и направления) ветра с помощью опытного образца метеокомплекса и шаропилотных средств или датчиков метеомачты, которые в этой ситуации играли роль образцовых средств измерений.
В работе [1] изложена методика оценки точности измерений параметров ветра согласно ГОСТ Р 50779.21-2004 [2].
Кроме того, необходимо было сделать вывод о том, что измерению подвергался один и тот же объект, т.е. параметры ветра, измеряемые обоими средствами измерений, являются одними и теми же. Для этого проверялась статистическая гипотеза о воспроизводимости результатов измерений согласно методике, изложенной в ГОСТ Р 50779.23-2005 [3].
Изложение методики проверки гипотезы о воспроизводимости потребовало уточнения используемой в этой области терминологии в соответствии с действующими РМГ 29-2013 [4].
Согласно этому документу условиями воспроизводимости измерений называется один из наборов условий измерений, включающий разные местоположения, разные средства измерений, участие разных операторов и выполнение повторных измерений на одном и том же или аналогичных объектах. Воспроизводимостью измерений называется прецизионность измерений в условиях воспроизводимости измерений. Прецизионностью измерений называется близость между показаниями или измеренными значениями величины, полученными при повторных измерениях для одного и того же или аналогичных объектов при заданных условиях.
Проверка гипотезы о воспроизводимости результатов измерений на каждом отдельном уровне высоты двумя сравниваемыми методами проводилась согласно ГОСТ Р 50779.23-2005 в следующем порядке.
1. Вычислялись разности результатов измерений, выполненных сравниваемыми методами измерений в одно и то же время,
= Х11 - Х21, (1) где хц, - результаты отдельных измерений скорости или направления ветра, выполненных установками, используемыми в качестве образцовых и испытуемым комплексом соответственно.
Следует отметить, что в соответствии с [3] условием корректности применения описываемой проверки является то, что распределение вероятности величин йг должно быть нормальным или близким к нормальному. Данное условие проверялось с помощью критерия Шапиро-Уилка, методика применения которого регламентирована ГОСТ Р ИСО 5479-2002 [5].
2. Определялось среднее значение этих разностей
п
_ I 4
й = (2) п
где п - число параллельных наблюдений.
3. Вычислялась оценка среднего квадратического отклонения разностей
=
1 п _ 2
I й - й)2. (3)
п -1 п-1
4. Определялась квантиль распределения Стьюдента
^1-а/2(^
где а - уровень значимости; V = п-1 - число степеней свободы.
5. Проверялось условие
й
< (^1-а/2^. (4)
Если данное условие выполняется, то гипотеза о воспроизводимости принимается с доверительной вероятностью Р (уровнем значимости а = 1 - Р).
Условие (4) необходимо проверять при значениях квантили *1-а /2(п), начиная с минимальной доверительной вероятности Р = 0,95 (уровень значимости а = 0,05 максимальный). Если оно выполняется, то гипотеза о воспроизводимости принимается с доверительной вероятностью Р = 0,95 (а = 0,05), что соответствует «высокой» воспроизводимости серий измерений.
Если условие не выполняется, то проверку необходимо повторять для доверительной вероятности Р = 0,99 (а = 0,01). Выполнение условия при данной доверительной вероятности будет соответствовать квазивоспроизводимости серий измерений, т.е. воспроизводимости, требующей дополнительных исследований для ее подтверждения. В противном случае гипотеза о воспроизводимости результатов серий измерений отвергается с вероятностью Р = 0,95 .
Данная методика была применена для исследования воспроизводимости результатов измерений скорости V и направления а ветра, полученных датчиками метеомачты и испытуемым комплексом на высоте 300 м (табл.1).
323
Таблица 1
Результаты измерений скорости и направления ветра на высоте 300 м
№ пп. Датчики Метеокомплекс
Скорость V м/с Направление а,° Скорость V м/с Направление а,°
1 11,7 321,72 11,14 314,23
2 10,1 318,24 9,575 324,45
3 10,5 315,72 14,7 342,78
4 9,7 326,76 13,96 342,41
5 9,8 330,66 10,42 329,78
6 9,8 330,66 9,929 327,77
7 10,2 331,74 10,92 331,77
8 13,1 340,2 10,23 341
9 6,7 335,04 8,736 334,45
10 11,2 344,16 19,01 354,37
11 13,9 345,96 14,16 343,69
12 14 358,8 15,27 352,46
Для проверки гипотезы о воспроизводимости результатов измерений параметров ветра сначала по формулам (1) и (2) определяем среднее значение й и оценку среднего квадратического отклонения ^^ разностей ^ результатов измерений скорости и направления ветра, выполненных сравниваемыми методами.
Для скорости ветра й = -1,45 м/с; = 2,82 м/с.
Для направления ветра й = -3,3 = 10,0
Далее определяем табличное значение квантили распределения Стьюдента ¿1-а (V) при уровне значимости а = 0,05 и числе степеней свободы п = 12 -1 = 11: *0,95(11) = 2,2 [3].
Проверяем условие (10) для скорости ветра:
|-1,45 < (2,2 / л/П)2,82 = 1,87.
Условие выполняется, следовательно, гипотеза о воспроизводимости результатов измерений скорости ветра метеокомплексом и датчиками на мачте подтверждается с доверительной вероятностью Р = 0,95 (уровнем значимости а = 0,05 ), что соответствует «высокой» воспроизводимости.
Проверяем условие (4) для направления ветра:
|- 3,3| < (2,2/л/П)10 = 6,63.
Условие выполняется. Вывод аналогичен.
Теперь исследуем воспроизводимость результатов измерений скорости V и направления а ветра на высоте 900 м, полученных шаропилот-ными средствами измерений и испытуемым комплексом (табл. 2).
324
Таблица 2
Результаты измерений скорости и направления ветра на высоте 900 м
№ пп Шаропилотные с| эедства измерений Метеокомплекс
Скорость V, м/с Направление а,° Скорость V, м/с Направление а,°
1 15,4 335,82 14,90 330,54
2 13,0 331,02 12,35 333,18
3 10,4 323,94 12,39 346,53
4 10,2 327,30 11,51 333,51
5 11,6 340,44 11,48 335,00
6 11,6 340,44 10,30 331,00
7 11,2 340,26 12,38 336,19
8 13,9 353,04 9,762 346,18
9 8,8 343,44 11,77 342,72
10 15,2 354,30 11,95 351,68
11 14,3 356,70 14,29 350,84
12 15,2 348,5 16,56 346,12
По формулам (1) и (2) определяем среднее значение d и оценку среднего квадратического отклонения Sd разностей di результатов измерений скорости и направления ветра, выполненных сравниваемыми методами.
Для скорости ветра d = 0,10 м/с; Sd = 2,08 м/с.
Для направления ветра d = 0,98 Sd = 8,53
Табличное значение квантили распределения Стьюдента ¿1-а (V) такое же, как и при предыдущей проверке: 10 95(11) = 2,2 [3].
Проверяем условие (4) для скорости ветра:
0,10 < (2,2/л/П)2,08 = 1,38.
Условие выполняется, следовательно, гипотеза о воспроизводимости результатов измерений скорости ветра метеокомплексом и шаропилот-ными средствами измерений подтверждается с доверительной вероятностью Р = 0,95 (уровнем значимости а = 0,05), что соответствует «высокой» воспроизводимости.
Проверяем условие (4) для направления ветра:
0,98 < (2,2 / л/ТТ)8,53 = 5,66.
Условие выполняется, вывод аналогичен.
Подводя итоги, можно сделать общий вывод о том, что результаты измерений параметров ветра, полученные в ходе предварительных испытаний метеокомплекса, не противоречат результатам, полученным с помощью метеомачты и шаров-пилотов и воспроизводятся с вероятностью не ниже 0,95.
Список литературы
1. Методика оценки точности измерений параметров ветра беззон-довым метеокомплексом / В.М.Калмыков, Д.В.Ермилов, С.И.Соловьев, Д.Б.Белов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 11. Ч. 2. С. 396-401.
2. ГОСТ Р 50779.21-2004. Статистические методы. Правила определения и методы расчета статистических характеристик по выборочным данным. Ч. 1. Нормальное распределение.
3. ГОСТ Р 50779.23-2005 (ИСО 3301:1975). Статистические методы. Статистическое представление данных. Сравнение двух средних в парных наблюдениях.
4. РМГ 29-2013. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения.
5. ГОСТ Р ИСО 5479-2002. Статистические методы. Проверка отклонения распределения вероятностей от нормального распределения.
Калмыков Виктор Михайлович, нач. отдела, [email protected], Россия, Тула, АО «Центральное конструкторское бюро аппаратостроения»,
Ермилов Дмитрий Владимирович, вед. инженер, [email protected], Россия, Тула, АО «Центральное конструкторское бюро аппаратостроения»
Соловьев Сергей Игоревич, канд. техн. наук, доц, sergei59hk.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Белов Дмитрий Борисович, канд. техн. наук, доц, imshelov@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
TECHNIQUE OF THE ASSESSMENT OF ACCURACY OF MEASUREMENTS OF PARAMETERS OF THE BEZZONDOV WIND METEOCOMPLEX
V.M. Kalmykov, D. V. Ermilov, S.I. Solovyev, D.B. Belov
The technique of assessment of reproducibility of measurement of speed and the direction of wind is considered hy a tuheless meteocomplex.
Key words: wind parameters, reproducibility of measurements, tuheless meteocomp-
lex.
Kalmykov Victor Mikhaylovich, head of department, [email protected], Russia, Tula, JSC «Central design hureau of apparatus engineering»
Ermilov Dmitry Vladimirovich, management engineer, [email protected], Russia, Tula, JSC «Central design hureau of apparatus engineering»,
Solovyev Sergei Igorevich, candidate of technical sciences, docent, sergei59hk.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Belov Dmitry Borisovich, candidate of technical sciences, docent, imshelov@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
