不同型號自動氣象站溫度傳感器檢定數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

黃小靜，鄭 亮，李曉紅

(1.四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心，成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇四川省重點實驗室，成都 610072)

0 引言

目前，各省已全面布網(wǎng)自動氣象站，在地面氣象觀測中完全替代人工觀測，并實現(xiàn)無人值守。溫度是氣象觀測的關(guān)鍵要素之一，溫度傳感器測量準(zhǔn)確性是觀測數(shù)據(jù)可靠的基礎(chǔ)，也是傳感器選型和應(yīng)用評估的依據(jù)；因此，文章對現(xiàn)用各種型號溫度傳感器的準(zhǔn)確性進行了全面分析。

關(guān)于自動氣象站溫度傳感器的性能，行業(yè)工作者和研究人員一直非常關(guān)注，相關(guān)研究也很多。王曉默[1]等對自動氣象站溫度數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)進行了對比；付錫桂[2]等對HMP45D濕度傳感器溫度特性進行了測試與分析；王輝[3]等對HMP45D和HMP155傳感器的測量性能進行了對比；任燕[4]等對溫度傳感器檢定數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析。這些研究給行業(yè)人員帶來了很多啟示，但目前仍然存在著分析樣本較少和傳感器的型號不全等問題。

1 數(shù)據(jù)來源與統(tǒng)計方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

為了探討自動氣象站溫度傳感器測量性能，文章對四川省自動氣象站2019年臺站送檢傳感器的檢定結(jié)果進行了分析。此次分析的傳感器共4種型號，其中WPZ和HYA-T是地溫傳感器，HYA-T-H和HMP155是氣溫傳感器。除HMP155是溫濕度一體測量傳感器，其他都是獨立溫度測量。檢定人員按照《自動氣象站溫度傳感器檢定規(guī)程》在溫度實驗室應(yīng)用ZOGLAB溫度自動檢定系統(tǒng)對送檢傳感器進行檢定，在對實驗條件、設(shè)備和檢定流程的嚴(yán)格控制下，實驗室檢定結(jié)果的不確定度較小[5，6]。

按照規(guī)程要求，此次統(tǒng)計的傳感器檢定點為-10 ℃、0 ℃、+20 ℃、+50 ℃。在每個溫度檢定點讀數(shù)4次，每支傳感器在檢定過程中將產(chǎn)生16次原始讀數(shù)。統(tǒng)計分析時，將每1次讀數(shù)作為1個樣本。此次用于統(tǒng)計分析的傳感器共1233支，其中WPZ型394支、HYA-T型715支、HYA-T-H型16支、HMP155型108支，對應(yīng)讀數(shù)樣本分別為6304條、11，440條、256條、1718條。部分樣本數(shù)不是16的整倍數(shù)，是因為某些檢定點出現(xiàn)了無讀數(shù)或缺讀數(shù)的情況[7-9]。

1.2 統(tǒng)計方法

為了明確傳感器的測量性能，文章主要從合格率、誤差分布和誤差絕對值均值3個特征對樣本數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

1)合格率

根據(jù)《檢定規(guī)程》和《觀測指南》，溫度傳感器的計量性能因用途不同而不同[10]，地溫傳感器誤差不超過±0.3 ℃為合格；氣溫傳感器誤差不超過±0.2 ℃為合格。文章中的合格率統(tǒng)計的是傳感器的原始讀數(shù)樣本而非傳感器檢定結(jié)果。具體計算方法如公式(1)、(2)所示，結(jié)果保留2位小數(shù)。

(1)

(2)

式中，QRSi代表i型傳感器的合格率；NQSi和NSi代表其讀數(shù)合格次數(shù)和總次數(shù)；QRSiTj代表i型傳感器在j溫度檢定點的合格率；NQSiTj和NSiTj代表i型傳感器在j溫度檢定點的讀數(shù)合格次數(shù)和總次數(shù)。

2)誤差分布

為了考察各型號傳感器誤差的分布，將傳感器按照不同的誤差區(qū)間對樣本進行了統(tǒng)計。誤差區(qū)間共分為8個，依次為(-∞，-0.3)、[-0.3，-0.2)、[-0.2，-0.1)、[-0.1，0)、[0，+0.1)、[+0.1，+0.2)、[+0.2，+0.3)、[+0.3，+∞)，單位為℃。在不區(qū)分溫度檢定點的情況下，對各傳感器讀數(shù)誤差按8個區(qū)間計數(shù)，再除以總數(shù)得到百分比(結(jié)果保留2位小數(shù))，將結(jié)果繪制成柱狀分布圖。

3)誤差絕對值均值

誤差絕對值均值計算如公式(3)所示。

(3)

式中，MESiTj代表傳感器溫度檢定點的誤差絕對值均值(結(jié)果保留2位小數(shù))；NSiTj代表i型傳感器在j溫度檢定點的讀數(shù)總次數(shù)。為了直觀對比，基于各型傳感器在各溫度檢定點的計算結(jié)果繪制成柱狀散點圖。

2 結(jié)果分析

2.1 合格率

WPZ、HYA-T、HYA-T-H和HMP155型傳感器讀數(shù)樣本合格率分別為98.02%、97.25%、100%和94.07%。文章對各傳感器在各溫度檢定點讀數(shù)的合格率進行了統(tǒng)計(圖1)。其中，HYA-T傳感器在所有溫度檢定點的合格率均達到了100%；其他3種傳感器在0 ℃和+20 ℃的合格率明顯高于-10 ℃和+50 ℃。日常測量區(qū)間主要在0～30 ℃。

圖1 各型傳感器在各檢定點合格率

對于地溫傳感器，在-10 ℃、0 ℃和+20 ℃ WPZ的合格率都高于HYA-T，而在+50 ℃時，恰恰相反。對于氣溫傳感器，HYA-T-H在-10 ℃、0 ℃、+20 ℃和+50 ℃檢定點的合格率均高于HMP155；特別是在-10 ℃和+50 ℃溫度檢定點，HMP155的合格率遠遠低于HAY-T-H。HYA-T-H的樣本較少，可能合格率100%過于理想，但兩類氣溫傳感器的對比趨勢應(yīng)該是合理的。值得注意的是，溫濕一體測量的HMP155傳感器在-10 ℃和+50 ℃的合格率遠遠低于其他3種獨立測量的傳感器，這可能是由獨立測量和溫濕一體傳感器的感溫元件和封裝結(jié)構(gòu)不同造成的[11，12]。

2.2 誤差分布

文章對誤差在各溫度區(qū)間的分布情況進行分析(圖2)。各傳感器誤差在各溫度區(qū)間分布趨勢大致相同，主要集中在-0.2 ～+0.2 ℃，WPZ、HYA-T、HYA-T-H和HMP155誤差在此區(qū)間的占比分別為94.90%、87.21%、96.09%和75.67%。從誤差分布來看，對于地溫傳感器，WPZ略優(yōu)于HYA-T；對于氣溫傳感器，HYA-T-H明顯優(yōu)于HMP155；獨立測量的WPZ、HYA-T和HYA-T-H優(yōu)于溫濕一體測量的HMP155。

圖2 各型傳感器在各誤差區(qū)間分布情況

此外，對誤差絕對值超過0.3 ℃的樣本進行進一步分析，各傳感器誤差絕對值在(0.3，0.5]、(0.5，1]、(1，5]和(5，∞)區(qū)間的樣本占總樣本的百分比如表1所示。4種型號傳感器在4個區(qū)間的分布規(guī)律并不一致。為了保證統(tǒng)計結(jié)果的全面性，對傳感器誤差絕對值均值的統(tǒng)計分析考慮了兩種情況：一種是保留全樣本統(tǒng)計；另一種是將誤差絕對值超過0.3 ℃的樣本作為異常樣本剔除后統(tǒng)計。

表1 誤差絕對值超過0.3 ℃的樣本分布

2.3 誤差絕對值均值

剔除異常樣本后，WPZ、HYA-T和HMP155的誤差絕對值均值明顯降低。除HMP155在-10 ℃溫度檢定點的誤差均值超過了0.1 ℃，其他都在0.1 ℃范圍內(nèi)。從誤差絕對值均值來看，對于地溫傳感器，HYA-T和 WPZ性能差異不大；對于氣溫傳感器，HYA-T-H的性能仍然明顯優(yōu)于HMP155；獨立測量的WPZ、HYA-T-H、HYA-T性能明顯優(yōu)于溫濕一體的HMP155。

值得注意的是，HMP155在-10 ℃和+50 ℃的誤差絕對值均值與其誤差均值的絕對值幾乎相等。查閱原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，HMP155樣本誤差在-10 ℃幾乎都為正值，在+50 ℃基本為負(fù)值，而其他3種傳感器未出現(xiàn)這種情況；可能是因為HMP155響應(yīng)不夠靈敏，存在一定的系統(tǒng)誤差。

3 結(jié)束語

為了探討自動氣象站溫度傳感器測量準(zhǔn)確性，文章對2019年四川省自動氣象站4種型號溫度傳感器的檢定數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析。此次分析涵蓋了較全的傳感器類型，數(shù)據(jù)樣本也進行了擴展，分析結(jié)果可以為自動氣象站傳感器選型和測評提供依據(jù)，這也是對溫度傳感器檢定結(jié)果綜合應(yīng)用的一種擴展。四川省完全展開自動氣象站傳感器實驗室檢定的時間不長，樣本有限，且各型號傳感器使用年限也無法確定，結(jié)論可能存在一定偏差，未來在數(shù)據(jù)更完備的情況下，將繼續(xù)完善此研究。