國產(chǎn)智能氣壓測量儀實驗室校準方法研究

馬修才，重 陽，鄭樹芳，牛永紅，劉海珍

(1.內蒙古自治區(qū)大氣探測技術保障中心，呼和浩特 010051；2.內蒙古自治區(qū)氣象信息中心，呼和浩特 010051)

0 引言

目前用于地面氣象觀測中大氣壓力測量設備，主要是硅電容式數(shù)字氣壓傳感器[1]?，F(xiàn)階段全國50 000多個包括國家級和區(qū)域自動氣象觀測站所采用的硅電容式數(shù)字氣壓傳感器主要為芬蘭VAISALA進口產(chǎn)品[2]，型號包括PTB210、PTB220和PTB330。PTB系列的氣壓傳感器[3-4]具有高采樣率、高分辨力、測量穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，且均具備誤差調整功能以使其測量誤差控制在允許的范圍內[5-7]，然而其價格昂貴，地面氣象觀測站點逐步密集化必將帶來更高的業(yè)務運行成本，因此數(shù)字氣壓傳感器亟需國產(chǎn)化。另外，國內現(xiàn)有自動氣象站主要采用“采集器+傳感器”的結構[8]，不利于傳感器間的互換、標定和管理，中國氣象局于2017年底發(fā)布了《智能氣壓測量儀功能規(guī)格需求書》(后續(xù)簡稱《需求書》)，促進數(shù)字氣壓傳感器國產(chǎn)化，推動傳感器智能化發(fā)展。

目前已有多個國內廠商根據(jù)《需求書》設計開發(fā)了相關智能氣壓測量儀產(chǎn)品，2021年4月，中國氣象局綜合觀測司發(fā)布了“2021年度綜合氣象觀測試驗目錄”，將國產(chǎn)化氣壓傳感器對比觀測試驗列為其中一項任務。國產(chǎn)氣壓傳感器已進入場外實際對比觀測中，隨之而來的便是如何開展其實驗室檢定/校準的問題。本文選用上海氣象儀器廠的DYG4型智能氣壓測量儀，探索在實驗室環(huán)境條件下國產(chǎn)智能氣壓測量儀的校準方法，在校準方法研究的基礎上設計了數(shù)字式氣壓計自動化校準的系統(tǒng)方案[9-10]，對示值誤差測量結果的不確定度展開評定[11-14]，并通過實驗室比對[15-16]的方式驗證校準方法的合理性、校準結果的可靠性，以期對國產(chǎn)智能氣壓測量儀量值溯源工作帶來參考價值。

1 DYG4型智能氣壓測量儀

DYG4型智能氣壓測量儀(后續(xù)簡稱DYG4)按照《需求書》的要求設計，其產(chǎn)品技術手冊中的技術指標滿足《需求書》中對儀器測量性能指標的要求，具體如表1所示。

表1 DYG4主要測量性能指標 hPa

外部接口方面，DYG4使用5芯的針型航空插頭向用戶提供供電和通信接口，如圖1所示。DYG4適應直流9～15 V的寬電壓供電，對外直接輸出數(shù)字信號的測量結果，通信接口為標準的三線制RS232串行接口。

圖1 DYG4外部接口

DYG4引腳定義見表2。用戶可以定制外部線纜將傳感器接入測量系統(tǒng)中，例如一頭為5針航空插頭母頭連接DYG4，另一頭為接線端子或DB9等接入測量系統(tǒng)。

表2 DYG4外部接口引腳定義

DYG4默認通信協(xié)議為“96008N1”，即波特率9 600，8位數(shù)據(jù)位，無校驗位，1位停止位。其通信命令及數(shù)據(jù)格式符合《需求書》要求，傳輸模式有主動和被動兩種，被動傳輸時需要用戶發(fā)送“READDATA”命令DYG4才會返回存儲中的最近一條數(shù)據(jù)，主動模式時無需用戶發(fā)送命令，DYG4會根據(jù)設置的發(fā)送間隔主動發(fā)送數(shù)據(jù)。表3中列出了實驗室校準時需要用到的DYG4通信命令。

表3 DYG4部分通信命令

另外，DYG4數(shù)據(jù)格式嚴格遵循《需求書》要求，“BG,001,81234,311719,1213941,00040,14,YTPS,000,20001105103100,001,002,02,AGA,08917,AGAl,000423,00,z,0,xA,7,5653,ED”為其一幀完整的數(shù)據(jù)包示例，數(shù)據(jù)包以“BG”字符開頭，“ED”字符結尾，中間數(shù)據(jù)又分前段的數(shù)據(jù)包頭和后段的數(shù)據(jù)主體及校驗碼，各要素之間通過“,”分割，“AGA”之前的數(shù)據(jù)為版本號、區(qū)站號、經(jīng)緯度、海拔等站點及傳感器標識等包頭信息，“AGA”后為觀測要素變量和對應的數(shù)據(jù)。其中“AGA,08917”表示分鐘氣壓為891.7 hPa，“AGAl,000423”表示氣壓分鐘標準差為0.0423 hPa。有時數(shù)據(jù)中會出現(xiàn)“AGA,/////”，表示數(shù)據(jù)未準備好或某段時間內氣壓變化過快。數(shù)據(jù)幀分析和提取分鐘氣壓及標準差信息對后續(xù)實現(xiàn)DYG4自動化校準軟件尤為重要。

2 校準方法

目前國內現(xiàn)行有效的適用于數(shù)字氣壓測量儀量值溯源的規(guī)范性技術文件為《JJG1084―2013 數(shù)字式氣壓計檢定規(guī)程》[17](以下簡稱《規(guī)程》)，另外《JJG(氣象)001-2015 自動氣象站氣壓傳感器檢定規(guī)程》雖然也可用于自動氣象站氣壓傳感器的檢定/校準，但其適范圍為模擬信號輸出的傳感器。根據(jù)《規(guī)程》選擇滿足相應指標要求的標準器及配套設備，與被校準儀器組成校準鏈路(包括通信和氣路連接)，參照《規(guī)程》規(guī)定的方法進行DYG4主要測量技術指標的測試實驗。

2.1 校準所用的標準器和配套設備

《規(guī)程》要求作為標準器的數(shù)字氣壓計最大允許誤差不能超過被檢儀器最大允許誤差的三分之一，因此按《需求書》和DYG4技術手冊上±0.2 hPa的最大允許誤差，用于檢定/校準DYG4的數(shù)字氣壓計的氣壓標準器誤差需在±0.067 hPa范圍內，即準確度等級需要優(yōu)于0.01級(0.01級即最大允許誤差為±0.1 hPa)。而目前國內絕大部分省級氣象計量實驗室中配備的氣壓標準器均為0.01級，無法滿足作為0.02級(最大允許誤差±0.2 hPa)被檢儀器的標準器的要求。而中國氣象局發(fā)布的《地面氣象自動觀測規(guī)范》和國家標準《自動氣象站觀測規(guī)范》[18]，對地面氣象觀測儀器技術性能做出了要求，其中將氣壓測量儀器的最大允許誤差規(guī)定為±0.3 hPa，因此我們將DYG4降級為0.03級數(shù)字氣壓計進行校準也是符合氣象觀測要求的。因此選擇0.01級數(shù)字氣壓計作為DYG4校準用標準器是合理的。

另外我們需要壓力控制設備控制不同的氣壓校準點，在壓力控制箱和壓力控制器兩者中選擇后者作為壓力控制設備，原因主要有兩點：一是組成的氣路連接密閉空間更小，壓力控制器控制速率更快，也能更快穩(wěn)定，二是壓力控制器可溯源性更優(yōu)。表4列出了校準所采用的標準器和配套設備信息。

表4 標準器和配套設備信息

2.2 校準項目及數(shù)據(jù)處理原則

主要進行示值誤差、回程誤差和測量結果重復性3個方面的測試。

2.2.1 示值誤差

需要在DYG4測量范圍內均勻選取不少于6個整10 hPa點作為校準點，實際選取500 hPa、600 hPa、700 hPa、800 hPa、900 hPa、1000 hPa、1100 hPa共7個點。DYG4準確度優(yōu)于0.05級，需要進行2次壓力循環(huán)，即500 hPa→1100 hPa→500 hPa→1100 hPa→500 hPa，整個校準過程的校準點見圖2，正行程、反行程各進行2次，共28個校準點。

圖2 整個校準過程的校準點

每個校準點穩(wěn)定后1分鐘后開始讀取氣壓參考值和DYG4氣壓值，每間隔1分鐘讀一組，每個校準點共讀N組數(shù)，本文校準中N實際取3。按式(1)、(2)計算整個過程中各個校準點的參考氣壓平均值和示值平均值，按式(3)到式(5)計算DYG4在各校準點的示值誤差。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2.2.2 回程誤差

DYG4在各校準點的回程誤差按照式(6)計算得到，該值不能超過最大允許誤差絕對值的一半。

(6)

式中，△pe為DYG4的回程誤差。

2.2.3 測量結果重復性

可以通過測量結果重復性來評估校準過程中所有的隨機效應對校準結果的影響。設某校準點的測量結果序列為[y1,y2,…,yn]，通過式(7)來計算測量結果的重復性。

(7)

在評估重復性時，n取值一般不少于10次，若重復性較小，不構成測量結果不確定度評定中的主要分量時，在日常的檢定/校準中，測量序列的值可以適當減小，但當序列長度小于6時，則不可以用式(7)來進行測量結果重復性的評估，可采取極差法代替。本文校準方法中，每個正、反行程各個校準點讀數(shù)3次，則各校準點在整個校準過程的測量序列長度為12，滿足用式(7)評估測量結果重復性的要求。

2.2.4 異常值的剔除

若測量序列中含有個別數(shù)據(jù)明顯差異與其他數(shù)據(jù)時，常常認為這些個別數(shù)據(jù)為可疑數(shù)據(jù)或異常值，正確判斷和移除異常值是獲得可觀測量結果的重要手段[19]。常用的異常值判斷準則有Grubbs準則、3σ準則和Dixon準則，綜合比較后，選擇改進型的Grubbs準則進行本文校準方法中異常值判斷。

設測量序列在某校準點的測量序列為[x1,x2,…,xn]，假設xd為可疑數(shù)據(jù)，若式(8)成立，則可判斷xd為異常值，可以考慮剔除。

(8)

Grubbs準則中s在測量序列n≥6時采用式(7)求得，而本文校準方法中各獨立校準點的示值誤差序列為3，此時s使用式(9)的極差法求得：

(9)

式中，xmax為序列中的最大值，xmin為序列中的最小值，dn為極差法估計系數(shù)，通過查表得到。

2.2.5 數(shù)據(jù)修約

對于中間結果和最終測量結果，均采用工程修約(四舍六入，逢五取偶)的原則進行數(shù)據(jù)修約。

2.3 校準步驟

按圖3連接好待校準儀器和標準器、配套設備，預熱好氣壓標準器和壓力控制器，開始按預設的校準點進行校準。設置壓力控制器穩(wěn)定到預設校準點，穩(wěn)定后讀取氣壓標準器、DYG4的氣壓值，以經(jīng)過修正后的氣壓標準器氣壓值為氣壓參考值，經(jīng)過異常值判斷、剔除后，每個校準點的有效測量序列長度為3，直至完成所有預設校準點的校準，按2.2的數(shù)據(jù)處理原則進行數(shù)據(jù)處理。

圖3 設備連接

3 自動校準系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)結構

為了方便后續(xù)實現(xiàn)自動化的校準系統(tǒng)，測量鏈路所涉及的設備均選擇具有遠程控制功能，系統(tǒng)由運行于業(yè)務計算機的傳感器校準系統(tǒng)軟件和用于采集和控制智能型氣壓測量儀、壓力控制器、氣壓標準器的硬件設備，結構如圖4所示。系統(tǒng)可支持DYG4自動化校準，同時也支持PTB系列氣壓傳感器。

圖4 氣壓測量儀自動化校準系統(tǒng)組成結構

3.2 多通道連接器

其中多通道連接器可集中為8通道的待校準儀器提供供電和到電腦采集端的通信連接，其結構和外部接口分別如圖5、圖6所示。

圖5 多通道連接器內部結構

圖6 多通道連接器外部接口

多通道連接器采用12V 5A的直流開關電源為各通道待校準儀器供電，DYG4整機功耗不超過1.5 W，PTB系列傳感器功耗不超過6 W，滿足8通道待校準儀器同時接入的功耗需求。多通道連接器外部接口中，與被校準儀器連接端采用DB9和接線端子兩種方式，DYG4傳感器通過5針航空插頭轉DB9或接線端子的線纜接入傳感器，與串口服務器端采用RJ45接口，通過直連網(wǎng)線與串口服務器連接。

3.3 自動化校準軟件

在校準方法研究基礎上，設計了用于DYG4和PTB系列氣壓傳感器自動化校準的應用軟件，將校準方法程序化實現(xiàn)，可實現(xiàn)校準點控制、標準氣壓值采集、被校準儀器氣壓值采集，將2.2節(jié)中校準項目均在軟件實現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理也與軟件后臺算法實現(xiàn)。軟件基于.net framework框架，基于WinForm技術，后端控制流程和相關算法采用c#語言實現(xiàn)，可同時支持8通道被校準儀器的自動化校準任務。

3.3.1 校準軟件主任務流程

校準軟件主任務的流程如圖7所示。首先根據(jù)軟件界面預設的氣壓校準點控制列表開始校準點控制循環(huán)，氣壓穩(wěn)定后，開始獲取氣壓參考值和被校準儀器氣壓值，對每個氣壓校準點進行異常值的判斷和剔除，保存數(shù)據(jù)并更新數(shù)據(jù)列表，完成當前校準點的校準后進入下一個氣壓校準點，直至控制列表循環(huán)完成，最后進行包括示值誤差、回程誤差、測量結果重復性在內的校準結果處理，完成本次校準。

圖7 校準軟件主任務流程

3.3.2 改進Grubbs準則的程序實現(xiàn)

主程序在某氣壓校準點讀取第三次氣壓標準值或被校準儀器氣壓值時，調用異常值判斷子程序，傳入?yún)?shù)為三次測量值的數(shù)組，返回為異常值的數(shù)組下標或者-1，返回-1表示數(shù)組無異常值。當有異常值時主程序舍棄該數(shù)值，重新進行第三次測量，直到數(shù)組無異常值。基于改進型Grubbs準則的異常值判斷子程序流程如圖8所示。

圖8 異常值判斷函數(shù)流程

首先對數(shù)組求平均值A，用極差法求數(shù)組的標準偏差s，再求出異常值判斷閾值T，若數(shù)組元素不介于A±T之間，表明該元素數(shù)據(jù)為異常值，返回該元素的數(shù)組下標，結束子程序，若數(shù)組元素介于A±T之間，表明該元素不是異常值，再對下一個數(shù)組元素執(zhí)行相同的判斷，若直至數(shù)組所有元素判斷完成都無異常值，向執(zhí)行調用操作的程序返回-1，結束子程序。

4 校準結果分析及不確定度評定

實際校準中，根據(jù)第2節(jié)中的校準方法，利用第3節(jié)的自動化校準系統(tǒng)，選擇DYG4、PTB210、PTB220、PTB330各一臺進行校準。

4.1 校準結果

DYG4的校準數(shù)據(jù)對各個校準點三次測量取平均值后的結果見表5，限于篇幅原因文中只列出了DYG4的校準數(shù)據(jù)。

表5 DYG4校準數(shù)據(jù)

各校準點的示值誤差校準結果見表6。

表6 示值誤差校準結果

各校準點的回程誤差校準結果見表7。

表7 回程誤差校準結果

各校準點的測量結果重復性校準結果見表8。

表8 測量結果重復性校準結果

由于DYG4的分辨力為0.1 hPa，本次校準中，其校準結果若按其分辨力能達到的小數(shù)位數(shù)修約，修約后各校準點的示值誤差均為0.0，回程誤差也為0.0，測量結果的重復性除了1 100 hPa點達到了其分辨力的1/5，其余各校準點均達到其分辨力的1/10。

出現(xiàn)上述校準結果的原因，與DYG4的設計原理有很大關系。DYG4采樣率為30次/分鐘，其向外輸出數(shù)據(jù)位分鐘算術平均值，因此在壓力控制器達到穩(wěn)定后，DYG4表現(xiàn)為示值十分穩(wěn)定，其測量結果的重復性更多的是由標準器的氣壓值變化引起的。

4.2 示值誤差測量結果的不確定度評定

根據(jù)第2節(jié)的研究內容可知，示值誤差的最終結果為各個校準點氣壓示值平均值和氣壓參考值平均值之差，故可得出式(10)所示的示值誤差測量模型：

△p=p′-p

(10)

式中，△p表示示值誤差，p′表示被校準儀器示值，p表示氣壓參考值。

p′與p相互獨立，則合成標準不確定度可由式(11)求得：

(11)

式中，uc表示合成標準不確定度，u(p′)表示被校準儀引入的不確定度分量，u(p)表示氣壓參考值引入的不確定度分量。

4.2.1 不確定度來源分析

綜合考慮來自被測儀器示值和參考氣壓引入的不確定度，得到表9所示的不確定度來源。

表9 不確定度分量

4.2.2 由被測儀器示值引入的標準不確定度

1)由測量重復性引入的標準不確定度:由于最終測量結果由測量序列的平均值得到，則測量重復性引入的標準不確定度由式(12)求得，結果見表10。

(12)

式中，u表示測量重復性引入的標準不確定度，s表示測量序列標準偏差，由式(7)求得，n表示測量序列長度，本校準中為12。

表10 測量重復性引入的標準不確定度

表11 儀器分辨力引入的標準不確定度

被測儀器引入的標準不確定度應綜合上述兩種情況取其中較大者，因此被測儀器引入的標準不確定度u(p′)結果見表12。

表12 被測儀器引入的標準不確定度

4.2.3 由參考氣壓值引入的標準不確定度

3)高度差引入的不確定度：校準中我們已將氣壓標準器和被校準儀器放置于同一水平面，由高度差引起的不確定度忽略。

4.2.4 標準不確定度的合成

由式(11)計算得到合成標準不確定度結果見表13。

表13 合成標準不確定度

4.2.5 擴展不確定度

按照正態(tài)分布，包含因子取2，示值誤差測量結果的擴展不確定度結果見表14。

表14 合成標準不確定度

5 校準結果驗證與分析

為驗證校準結果的有效性，以及測量不確定度評定的合理性，將校準用的DYG4傳遞到同等級的其他三家實驗室，以同樣的校準程序進行比對校準，將各實驗室的校準結果匯總，根據(jù)式(13)計算歸一化偏差，結果如表15所示。

(13)

式中，En表示歸一化偏差，xi表示參比實驗室示值誤差結果，x0表示參考示值誤差結果，Ui為參比實驗室的不確定度，U0參考不確定度。

表15 參比實驗室歸一化偏差絕對值

當En絕對值小于等于1時，表明比對結果滿意[20]，表15結果表明，參比實驗室在各個氣壓校準點的對比結果均較為理想，說明校準結果可觀，測量不確定度評定合理，校準方法有效。

6 結束語

1)由于DYG4設計時氣壓輸出值為分鐘平均氣壓，與自動站觀測規(guī)范相關技術要求一致，而PTB系列氣壓傳感器輸出瞬時氣壓，是造成校準結果中PTB系列氣壓傳感器測量重復性大于DYG4的主要原因；

2)雖然校準中的DYG4示值誤差結果非常小，但其不確定度卻高于PTB系列傳感器，高出的部分主要是由于分辨力引起的；

3)本文選取的校準樣本雖然不多，但由實驗室比對的結果可以證明本文的校準方法合理、有效。本文的校準結果也表明，國產(chǎn)智能型氣壓測量儀用測量不確定度來表述測量結果比經(jīng)典誤差理論更合理。