表層水溫表測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

黃亞飛 巨龍 錢飛

摘要：文章以表層水溫表為研究對(duì)象，根據(jù)JJG 289—2005表層水溫表檢定規(guī)程的要求，以計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)及配套設(shè)備制冷恒溫槽為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析了表層水溫表溫度測(cè)量值的不確定度來(lái)源，從而得到表層水溫表溫度示值誤差的擴(kuò)展不確定度，并給出了減小合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的方法。

關(guān)鍵詞：表層水溫表;溫度;不確定度評(píng)定;二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì);垂直度偏差

中圖分類號(hào)：TB942 ;P7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1005-9857（2019）05-0048-03

Evaluation of Uncertainty in Surface Temperature Measurement

HUANG Yafei，JU Long，QIAN Fei

（South China Sea Center of Ocean Standards and Metrology，SOA，Guangzhou ?510700，China）

Abstract： According to the requirements of JJG 289—2005 “Surface water thermometer”，this study took the surface temperature as the subject investigated.By using the measuring standard device which including the second class standard platinum resistance thermometer and the refrigeration thermostat，the source of uncertainty of surface temperature measurement was analyzed in detail.Thus the expanded uncertainty of surface temperature indication error was obtained，and the method of reducing the combined standard uncertainty was given.

Key words：Surface water thermometer，Temperature，Evaluation of uncertainty，Grade Ⅱ standard Platinum resistance thermometer，Perpendicularity deviation

0引言

海水溫度是海洋水文參數(shù)中最重要參數(shù)之一，常作為研究水團(tuán)及水團(tuán)運(yùn)動(dòng)的參數(shù)指標(biāo)，同時(shí)也對(duì)研究海水溫度的地理分布、海上捕撈作業(yè)等非常重要。表層海水溫度一般是指水面以下0.5 m以內(nèi)的水層溫度，目前國(guó)內(nèi)較多采用表層水溫表進(jìn)行測(cè)量。表層水溫表除了測(cè)量海水溫度，還可測(cè)量湖泊、河流、水庫(kù)、池塘等表層水溫。

為更加全面地分析表層水溫表校準(zhǔn)的不確定度來(lái)源，滿足不確定度評(píng)定的需求，本研究參照J(rèn)JG 289—2005表層水溫表檢定規(guī)程的方法，采用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)、超級(jí)測(cè)溫儀、制冷恒溫槽對(duì)表層水溫表進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定，表明測(cè)量結(jié)果具有較窄的不確定度，滿足了表層水溫表不確定度的需求[1-2]。

1方案設(shè)計(jì)

1.1測(cè)試環(huán)境

實(shí)驗(yàn)室室溫應(yīng)控制在10℃ ～30℃，相對(duì)濕度不大于80%RH，本研究開(kāi)展的試驗(yàn)在24℃的室溫，50%RH的環(huán)境中進(jìn)行。

1.2測(cè)量?jī)x器

表層水溫表：寧波市溫度表廠，型號(hào)SWL1-1，編號(hào)159，溫度測(cè)量范圍為-5℃～40℃、分度值為0.2℃。二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)：昆明特普瑞儀表有限公司，型號(hào)WZPB-2，編號(hào)8067，二等，溫度測(cè)量范圍為-189.344℃ ～419.527℃，溯源機(jī)構(gòu)為廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，檢定證書編號(hào)：RZD201803018。測(cè)溫電阻比較儀：FLUKE，型號(hào)1594A，編號(hào)B08032，U=0.3×10-6℃（k=2），電阻測(cè)量范圍為0～500kΩ，溯源機(jī)構(gòu)為廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，檢定證書編號(hào)：DYL201800332。制冷恒溫槽：湖州晶覓試驗(yàn)設(shè)備有限公司，型號(hào)RTS-20A，編號(hào)17067，溫度測(cè)量范圍為-35℃～95℃，溯源機(jī)構(gòu)為國(guó)家海洋局南海標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心，檢測(cè)證書編號(hào)：NHC2018164。讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡：Odylley，型號(hào)OCC-1031。水三相點(diǎn)瓶：昆明特普瑞儀表有限公司，型號(hào)DFTP-1。

1.3測(cè)量方法

試驗(yàn)前，先測(cè)定二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在水三相點(diǎn)的Rtp電阻值，以提高標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的測(cè)量精度。將表層水溫表的外殼卸下，取出溫度表，將溫度表和二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)放入制冷恒溫槽中，依次設(shè)定制冷恒溫槽0℃、10℃、20℃、30℃、40℃，在每個(gè)溫度點(diǎn)穩(wěn)定后兩個(gè)人自二等鉑標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)至表層水溫表依次循環(huán)讀取兩組數(shù)據(jù)并記錄。為使得擴(kuò)展不確定度在數(shù)值上保留兩位有效數(shù)字，本研究計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量時(shí)取小數(shù)點(diǎn)后4位[3-4]。

2測(cè)量模型

2.1溫度測(cè)量模型

T=Tb-Ts

式中：T為t溫度時(shí)的示值誤差;

Tb為t溫度時(shí)表層水溫表讀數(shù)平均值;

Ts為t溫度時(shí)二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)讀數(shù)平均值。

2.2靈敏系數(shù)

c1=TTb=1;c2=TTs=-1

式中：c1為Tb的不確定度影響被測(cè)估計(jì)值的不確定度T的靈敏程度;

c2為Ts的不確定度影響被測(cè)估計(jì)值的不確定度T的靈敏程度。

3測(cè)量結(jié)果及不確定度評(píng)定

3.1輸入量Tb標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1i

3.1.1測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u11

以0℃為例，表層水溫表的4次讀數(shù)為0.04℃、0.04℃、0.06℃、0.06℃。測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度s可由貝塞爾公式得出：

s=∑n1（Tbi-Tb）2（n-1）=0.011 5℃

式中：s為試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，表征了測(cè)得值Tbi的分散性;

Tbi為表層水溫表的實(shí)際測(cè)得值。

算術(shù)平均值Tb的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

u11=sn=0.005 8℃

3.1.2表層水溫表分辨率引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u12

表層水溫表分度值為0.2℃，被測(cè)量可能值區(qū)間的半寬度a為0.02℃，在此區(qū)間，服從均勻分布，按照B類不確定度評(píng)定，置信因子k取3，表層水溫表分辨率引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量：

u12=ak=0.011 5℃

3.1.3讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡與表層水溫表垂直度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u13

通過(guò)實(shí)際操作，讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡與表層水溫表的垂直度偏差導(dǎo)致被測(cè)量值偏離真值達(dá)到表層水溫表的半個(gè)分度值即0.1℃，被測(cè)量可能值區(qū)間的半寬度a為0.05℃，在此區(qū)間，服從均勻分布，按照B類不確定度評(píng)定，置信因子k取3，讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡與表層水溫表垂直度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

u13=ak=0.028 9℃

3.2輸入量Ts標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2i

3.2.1制冷恒溫槽溫差及溫度穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u21

（1）根據(jù)檢測(cè)證書，制冷恒溫槽工作空間最大溫差為0.002℃，區(qū)間的半寬度a為0.001℃，在此區(qū)間，服從均勻分布，按照B類不確定度評(píng)定，k=3，制冷恒溫槽溫差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

u′21=ak=0.000 6℃

（2）根據(jù)檢測(cè)證書，制冷恒溫槽10 min溫度穩(wěn)定性最大為0.012℃，區(qū)間半寬度a為0.006℃。在此區(qū)間，假設(shè)服從均勻分布，按照B類不確定度評(píng)定，k=3，制冷恒溫槽溫度穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

u″21=ak=0.003 5℃

制冷恒溫槽溫差及溫度穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

u21=u′212+u″212=0.003 6℃

3.2.2超級(jí)測(cè)溫儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u22

（1）超級(jí)測(cè)溫儀分辨率為3×10-5Ω，被測(cè)量可能值區(qū)間的半寬度a為1.5×10-5Ω，在此區(qū)間，服從均勻分布，按照B類不確定度評(píng)定，k=3，超級(jí)測(cè)溫儀分辨率標(biāo)準(zhǔn)不確定度u′22為0.000 1℃。

（2）超級(jí)測(cè)溫儀測(cè)量重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u″22。

每10 s記錄一次，每分鐘取平均值，共測(cè)10 min，10組平均值數(shù)據(jù)為25.471 5Ω、25.471 4Ω、25.471 4Ω、25.471 6Ω、25.471 7Ω、25.471 3Ω、25.471 6Ω、25.471 4Ω、25.471 5Ω、25.471 3Ω，按照A類不確定度評(píng)定，u″22算術(shù)平均值的不確度為0.000 1℃。

超級(jí)測(cè)溫儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

u22=u′222+u″222=0.000 1℃

3.2.3二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u23

（1）根據(jù)檢定證書，溫度擴(kuò)展不確定U=5 mK，k=2，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度

u′23=Uk=2.5 mK=0.002 5℃。

（2）根據(jù)檢定證書，自熱效應(yīng)U為1.3 mK，在此區(qū)間服從均勻分布，按照B類不確定度評(píng)定，置信因子k取3，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

u″23=uk=0.75 mK=0.000 8℃

二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

u23=u′232+u″232=0.002 6℃

3.3合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

以上各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度來(lái)源彼此獨(dú)立不相關(guān)如表1所示，因此0℃時(shí)，表層水溫表示值誤差的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

u=u112+u122+u132+u212+u222+u232=0.032 0℃

3.4擴(kuò)展不確定度

U=2u=0.064℃，k=2

4結(jié)語(yǔ)

采用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)、超級(jí)測(cè)溫儀、制冷恒溫槽對(duì)表層水溫表的不確定度進(jìn)行評(píng)定，測(cè)量結(jié)果具有較窄的不確定度，滿足了表層水溫表不確定度的需求。從不確定度來(lái)源可知，讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡與表層水溫表垂直度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度影響最大。在現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上，安裝測(cè)量讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡與表層水溫表垂直度的標(biāo)準(zhǔn)裝置，可減小測(cè)量示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，可通過(guò)提高讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)，使整個(gè)顯示器屏幕顯示1～1.5個(gè)表層水溫表分度值，進(jìn)一步減小人為讀數(shù)誤差。

參考文獻(xiàn)

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