自動(dòng)氣象站地溫傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評(píng)定

黃小靜，楊 濤，夏 雪

(1.四川省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072)

0 引言

自動(dòng)氣象站是能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、蒸發(fā)、雨量和輻射等地面氣象要素并獲取資料的自動(dòng)化氣象設(shè)備。多氣象要素的連續(xù)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)觀測(cè)，為氣象預(yù)報(bào)及服務(wù)提供了及時(shí)可靠的數(shù)據(jù)資料。另外，這些數(shù)據(jù)資料也是洪澇、干旱、地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警和當(dāng)?shù)卣M(jìn)行氣象防災(zāi)減災(zāi)決策的基礎(chǔ)。為了保障氣象數(shù)據(jù)的可靠性，自動(dòng)氣象站傳感器需定期進(jìn)行檢定或現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)[1，2]。除了誤差，檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度也是其可靠性的重要參考指標(biāo)。

近年來(lái)，行業(yè)專家對(duì)自動(dòng)氣象站各傳感器的檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度開(kāi)展了大量研究。目前，針對(duì)地溫傳感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)果的評(píng)定還沒(méi)有具體的文獻(xiàn)參考[3]。

文章在參考其他專家研究成果的基礎(chǔ)上，提出了自動(dòng)氣象站地溫傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評(píng)定模型，分析了不確定度來(lái)源，并通過(guò)實(shí)例說(shuō)明了計(jì)算過(guò)程和評(píng)定結(jié)果。模型可以應(yīng)用于自動(dòng)氣象站地溫傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評(píng)定，評(píng)定結(jié)果可以作為校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)用時(shí)的參考指標(biāo)。

1 評(píng)定方法

測(cè)量不確定度的評(píng)定方法依據(jù)國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范JJF 1059進(jìn)行，該規(guī)范現(xiàn)分為兩部分：JJF 1059.1-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》，又稱GUM法；JJF 1059.2-2012《用蒙特卡洛法評(píng)定測(cè)量不確定度》，又稱MCM法。文章應(yīng)用GUM法進(jìn)行自動(dòng)氣象站地溫傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評(píng)定。具體流程分為：1)分析不確定度來(lái)源和建立模型；2)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；3)計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度；4)確定擴(kuò)展不確定度；5)報(bào)告評(píng)定結(jié)果[4-6]。

1.1 不確定度來(lái)源分析

不確定度的來(lái)源及其分布是不確定度評(píng)定中的重要因素，其直接影響不確定度評(píng)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。文章結(jié)合不確定度評(píng)定理論和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)實(shí)地調(diào)研，對(duì)地溫傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)過(guò)程中的影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，主要包含被檢儀器、環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)器、附屬設(shè)備和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)等多方面因素，其中已明確以下5個(gè)原因：1)測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度；2)標(biāo)準(zhǔn)器數(shù)字溫度計(jì)引入的不確定度；3)地溫采集器測(cè)量誤差引入的不確定度；4)恒溫液體槽溫度場(chǎng)的波動(dòng)性和均勻度引入的不確定度；5)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理時(shí)的修約誤差引入的不確定度。其中由重復(fù)性引入的不確定度分量按A類評(píng)定方法計(jì)算，其他4個(gè)不確定度分量按B類評(píng)定方法計(jì)算[7，8]。

1.2 A類評(píng)定

重復(fù)性引入不確定度分為3種情況：1)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；2)測(cè)量過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)不確定度；3)規(guī)范化常規(guī)測(cè)量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。自動(dòng)氣象站地溫傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)，按照現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法規(guī)定的校準(zhǔn)程序和條件，在不同溫度點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量?？梢詤⒖记闆r1)單獨(dú)計(jì)算各校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，也可以參考情況2)和3)計(jì)算整個(gè)測(cè)量樣本的合成不確定度，文章采用前者。其測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度按標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評(píng)定進(jìn)行計(jì)算，具體評(píng)定流程如圖1所示。其中，yij表示在j校準(zhǔn)點(diǎn)的第i次測(cè)量結(jié)果。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評(píng)定流程

1.3 B類評(píng)定

標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評(píng)定是借助于一切可利用的相關(guān)信息進(jìn)行科學(xué)判斷，得到測(cè)量結(jié)果估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。B類評(píng)定的流程如圖2所示。其中區(qū)間半寬度a值是根據(jù)有關(guān)的信息確定的，如相關(guān)技術(shù)資料和儀器特性、校準(zhǔn)證書(shū)、檢定證書(shū)、測(cè)試報(bào)告提供的數(shù)據(jù)和準(zhǔn)確性等級(jí)等。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評(píng)定流程

2 評(píng)定實(shí)例

2.1 A類不確定度評(píng)定

依據(jù)自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法，地溫傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)以校驗(yàn)爐液槽作為恒溫設(shè)備，以RCY-1A作為標(biāo)準(zhǔn)器，在-20 ℃、0 ℃、+30 ℃ 3個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。進(jìn)行A類不確定度評(píng)定時(shí)，在每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)上進(jìn)行10次等間隔的測(cè)量，讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算各校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果如表1所示。

表1 地溫傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)果 ℃

-20 ℃、0 ℃、+30 ℃校準(zhǔn)點(diǎn)校準(zhǔn)結(jié)果因測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度按A類評(píng)定得到的uA如下：

-20 ℃校準(zhǔn)點(diǎn)：uA=0.0058 ℃；

0 ℃校準(zhǔn)點(diǎn)：uA=0.0037 ℃；

+30 ℃校準(zhǔn)點(diǎn)：uA=0.0031 ℃。

2.2 B類不確定評(píng)定

1)標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度。由數(shù)字式鉑電阻溫度計(jì)的校準(zhǔn)證書(shū)提供的數(shù)據(jù)可知，其擴(kuò)展不確定度為0.03 ℃，它對(duì)各溫度點(diǎn)的校準(zhǔn)結(jié)果的影響是均勻分布的，取包含因子k=1.732，則標(biāo)準(zhǔn)器數(shù)字式鉑電阻溫度計(jì)對(duì)測(cè)量結(jié)果引入的不確定度uB1為：

uB1=0.03/1.732=0.017 ℃

2)地溫采集器在測(cè)量過(guò)程中引入的不確定度分量。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)給出的參考數(shù)據(jù)[9-11]，地溫采集器的測(cè)量不確定度為0.032 ℃，引入的不確定度服從均勻分布規(guī)律，取包含因子k=1.732，則由地溫采集器測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uB2為：

uB2=0.032/1.732=0.017 ℃

3)恒溫液體槽溫度場(chǎng)的波動(dòng)性和均勻度引起的不確定度。由恒溫溫度槽的技術(shù)指標(biāo)和測(cè)試數(shù)據(jù)可知，溫度場(chǎng)的波動(dòng)性為0.03 ℃，校準(zhǔn)時(shí)溫度場(chǎng)的波動(dòng)性引起的測(cè)量誤差服從反正弦分布規(guī)律，由它產(chǎn)生的不確定度呈反正弦分布，取包含因子k=1.4，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uB3為：

uB3=0.03/1.4=0.021 ℃

4)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理時(shí)的修約誤差引入的不確定度。在校準(zhǔn)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)處理采集的溫度數(shù)據(jù)時(shí)保留1位小數(shù)，修約誤差最大為0.05 ℃。修約誤差呈均勻分布，取包含因子k=1.732，則有效數(shù)字修約誤差所引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB4為：

uB4=0.05/1.732=0.029 ℃

根據(jù)B類不確定度的評(píng)定結(jié)果，求出B類合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB為：

2.3 合成不確定度和擴(kuò)展不確定度

根據(jù)A類、B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定結(jié)果，計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uC為：

根據(jù)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定結(jié)果，計(jì)算擴(kuò)展不確定度U=kuC，一般擴(kuò)展不確定度服從正態(tài)分布，取包含因子k=2，則有U=2uC，即地溫傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度U為：

-20 ℃校準(zhǔn)點(diǎn)：U=0.088 ℃，k=2；

0 ℃校準(zhǔn)點(diǎn)：U=0.086 ℃，k=2；

+30 ℃校準(zhǔn)點(diǎn)：U=0.086 ℃，k=2。

結(jié)果表明，-20 ℃校準(zhǔn)點(diǎn)校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度最大。此次現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的被校傳感器是用于國(guó)家一般站的WZP1型地溫傳感器。根據(jù)自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法，地溫傳感器在各溫度檢定點(diǎn)的最大允許誤差(MPEV)為±0.5 ℃。根據(jù)符合性評(píng)定方法，此次校準(zhǔn)結(jié)果-20 ℃、0 ℃、+30 ℃校準(zhǔn)點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度均小于MPEV的1/3，對(duì)符合性評(píng)定的影響可忽略不計(jì)。當(dāng)校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度大于MPEV的1/3時(shí)，符合性評(píng)定需考慮校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章在分析自動(dòng)氣象站地溫傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度來(lái)源的基礎(chǔ)上，提出了不確定度評(píng)定模型，并給出了評(píng)定實(shí)例。實(shí)例中，-20 ℃、0 ℃、+30 ℃校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度分別為0.088 ℃、0.086 ℃、0.086 ℃，均小于MPEV的1/3，對(duì)符合性評(píng)定的影響可忽略不計(jì)。該評(píng)定模型可以為自動(dòng)氣象站地溫傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評(píng)定提供參考，但是不確定度來(lái)源分析仍存在不足，未來(lái)將進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究。