PTB210氣壓傳感器檢定結(jié)果不確定度分析與評定

文/張敏

隨著氣象自動化進(jìn)程加快及自動氣象觀測儀器的普遍使用，目前山西109個國家氣象站已全部安裝了兩套自動氣象站，各站測量氣壓采用的儀器均為芬蘭維薩拉公司生產(chǎn)的PTB210型氣壓傳感器和PTB330型氣壓傳感器。氣壓傳感器設(shè)備是對壓力參數(shù)進(jìn)行顯示、記錄、監(jiān)控的設(shè)備，其準(zhǔn)確度和可靠性直接影響到氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性，由于受非線性、遲滯性、非重復(fù)性、溫度、零點(diǎn)偏置刻度的影響以及隨著使用時間引起的線性漂移，氣壓傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)會發(fā)生變化，為了保證儀器性能穩(wěn)定以及觀測數(shù)據(jù)可靠、準(zhǔn)確并且具有可比性，要定期對氣壓傳感器進(jìn)行檢定。目前全國氣象部門計量檢定主要利用數(shù)字氣壓計和壓力校準(zhǔn)儀作為標(biāo)準(zhǔn)器的檢定系統(tǒng)對氣壓傳感器進(jìn)行檢定，大部分氣象傳感器檢定結(jié)果僅僅是被測量的估計值，其可信程度并未以測量不確定度進(jìn)行定量表示。氣象計量工作者的職責(zé)是保證自動站傳感器性能的準(zhǔn)確可靠。不確定度的評定對于氣象計量工作的開展非常重要。本文通過建立氣壓傳感器檢定結(jié)果不確定度評定模型，確定影響檢定結(jié)果不確定的來源，對檢定結(jié)果進(jìn)行不確定度評定，進(jìn)行科學(xué)的結(jié)果表示，對于保證我省氣象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠具有極為重要的作用。

1 概述

1.1 評定依據(jù)

JJF 1059.1-2012 《測量不確定度評定與表示》。

1.2 測量條件

溫度：20.8℃-21℃；環(huán)境濕度：53.45%RH；氣壓：930.265hPa。

1.3 實(shí)驗(yàn)室工作標(biāo)準(zhǔn)

環(huán)境發(fā)生裝置：CPC6000，測量范圍(500～1100)hPa，分辨力0.01hPa。

工作標(biāo)準(zhǔn)裝置：745-16B，編號：115109，測量范圍（500～1100）hPa，最大允許誤差±0.10hP。

2 方法與測量模型

2.1 測量方法

將745數(shù)字氣壓計、CPC6000壓力校準(zhǔn)儀組成氣壓檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置。被檢氣壓傳感器為3臺性能良好的PTB210氣壓傳感器，對密封性檢查后，在（500-1100）hPa的氣壓測試點(diǎn)上進(jìn)行壓力循環(huán)的檢定，每個測試點(diǎn)穩(wěn)定后，分別讀取氣壓標(biāo)準(zhǔn)器和被檢傳感器示值，共讀10次；當(dāng)一個檢定點(diǎn)檢定完成，調(diào)整到下一個檢定點(diǎn)繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)，直到一個循環(huán)結(jié)束。在檢定過程中，應(yīng)平穩(wěn)升壓和降壓，并逐一讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，計算氣壓傳感器的示值誤差。

表1：重復(fù)性引入的不確定度

圖1：檢定結(jié)果不確定度評定流程

2.2 不確定度評定方法

檢定結(jié)果的測量不確定度由若干分量組成，分量用概率分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差表征，稱為標(biāo)準(zhǔn)不確定度，用ui表示。對被測量一系列測得值xi得到的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差的方法為A類評定。根據(jù)有關(guān)信息估計的先驗(yàn)概率分布得到標(biāo)準(zhǔn)偏差估計值的方法為B類評定。檢定結(jié)果的不確定度評定流程如圖1。

2.3 測量模型

選取性能良好的PTB210氣壓傳感器作為被測量對象，建立氣壓傳感器檢定結(jié)果不確定度評定模型。

3 不確定度來源

PTB210氣壓傳感器測量結(jié)果不確定度的來源有：

（1）示值重復(fù)性測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

（2）標(biāo)準(zhǔn)器修正值引入的不確定度；

（3）測量系統(tǒng)引入的不確定度；

（4）計算機(jī)數(shù)據(jù)處理帶來的修約誤差。

4 各類不確定度分量的評定

4.1 A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

重復(fù)性測量引入的不確定度為A類不確定度，在復(fù)現(xiàn)性條件下對傳感器示值誤差重復(fù)測量10次，得到10個測量值xi。被測量X的最佳估計值是10個獨(dú)立測得值的算術(shù)平均值，計算公式為：

式中：

n—測量次數(shù)；

xi—檢定點(diǎn)上被測氣壓傳感器第i次示值誤差；

單個測得值xk的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s(xk)，計算公式為：

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s(xk)表征了測得值x的分散性，測量重復(fù)性用s(xk)表示。自由度v為n-1。

故重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

具體各點(diǎn)不確定度分量如表1。

4.2 B類不確定度的評定

B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定主要是從采集器數(shù)據(jù)處理誤差、標(biāo)準(zhǔn)器修正值變化、環(huán)境條件影響、檢定設(shè)備檢定場的波動度和均勻度等因素來考慮。其數(shù)據(jù)來源于有關(guān)技術(shù)資料和各種影響因素的統(tǒng)計和分析。針對PTB210氣壓傳感器的檢定，主要考慮標(biāo)準(zhǔn)器修正值引入的不確定度、測量系統(tǒng)引入的不確定度、計算機(jī)數(shù)據(jù)處理修約誤差帶來的不確定度。

式中：α—被測量可能值區(qū)間的半寬度；

K—置信因子。

4.2.1 標(biāo)準(zhǔn)器修正值引入的不確定度

745-16B型數(shù)字壓力計最大誤差為±0.1 hPa，以均勻分布估計，故：

4.2.2 測量系統(tǒng)引入的不確定度

從氣象傳感器計量保障子系統(tǒng)采集器的技術(shù)資料中得知，采集器的壓力通道為RS232通信，其不確定度為忽略不計。

4.2.3 計算機(jī)數(shù)據(jù)處理修約誤差引入的不確定度

檢定中，標(biāo)準(zhǔn)氣壓值由計算機(jī)自動采集并處理，最終保留一位小數(shù)。此時數(shù)據(jù)修約誤差最大是0.05hPa，修約誤差對各測量點(diǎn)的影響呈均勻分布，包含因子取k=1.732，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計算

其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

6 擴(kuò)展不確定度的評定

擴(kuò)展不確定度U由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以包含因子k得到，包含因子取k=2，，因此擴(kuò)展不確定度計算為U=0.12hPa。

7 小結(jié)

氣壓傳感器的不確定度分析和評定說明,壓力儀器在計量檢定過程中重復(fù)測量引起的誤差、標(biāo)準(zhǔn)器誤差等因素對不確定度影響較大。通過檢定數(shù)據(jù)來統(tǒng)計分析得出PTB210氣壓傳感器測量結(jié)果的不確定度為0.12 hPa，評定結(jié)果能夠客觀反映本實(shí)驗(yàn)室的檢定裝置和檢定水平的現(xiàn)狀，對于其他計量特性相同或相近的氣壓傳感器評定結(jié)果具有借鑒作用，進(jìn)一步規(guī)范計量檢定流程，提高檢定數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，保證我省氣象數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。