氣象用數(shù)字式氣壓計(jì)期間核查方法的研究

劉海珍，鄭樹芳，溫曉輝，李林蔚，馬修才

（內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測技術(shù)保障中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

0 引 言

數(shù)字式氣壓計(jì)的計(jì)量特性必須符合相應(yīng)計(jì)量檢定規(guī)程和計(jì)量技術(shù)規(guī)范的要求，方可開展檢定或校準(zhǔn)工作[1?2]。為了確保數(shù)字式氣壓計(jì)的準(zhǔn)確性、可靠性與穩(wěn)定性，需定期對其進(jìn)行量值溯源。但在兩次檢定或校準(zhǔn)間隔之間，材料的不穩(wěn)定、元器件的老化、使用中的磨損、使用或保存環(huán)境的變化等因素，都可能導(dǎo)致數(shù)字式氣壓計(jì)的計(jì)量性能發(fā)生變化[3?5]。因此，在兩次檢定或校準(zhǔn)間隔之間，需要定期或不定期地對數(shù)字式氣壓計(jì)進(jìn)行有效的期間核查，使其計(jì)量性能得到有效控制，確保其檢定或校準(zhǔn)狀態(tài)具有良好的置信度。目前，丁紅英等人對活塞壓力計(jì)的期間核查方法進(jìn)行了研究[6]。該方法實(shí)現(xiàn)了對活塞壓力計(jì)通用性能和計(jì)量性能的核查，但并未對每次核查的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從而無法保證設(shè)備的計(jì)量性能在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)，可得到持續(xù)有效的控制。

針對以上情況，本文研究設(shè)計(jì)了一種氣象用數(shù)字式氣壓計(jì)期間核查方案，該方案包括5 個(gè)方面，即核查標(biāo)準(zhǔn)的選擇、核查參數(shù)的選擇、核查頻次的確定、核查方法的設(shè)計(jì)以及核查結(jié)論的判定。本文以型號為XDY?06的0.01 級數(shù)字式氣壓計(jì)作為核查對象，以芬蘭維薩拉公司的型號為PTB220 的氣壓傳感器作為核查標(biāo)準(zhǔn)，對該核查方案進(jìn)行驗(yàn)證，從而證明該核查方案具有有效性與可行性。該方案不僅實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備通用性能和計(jì)量性能的核查，還實(shí)現(xiàn)了對每次核查數(shù)據(jù)的對比，確保設(shè)備的計(jì)量性能在兩次檢定或校準(zhǔn)間隔之間，可得到持續(xù)有效的控制。

1 核查標(biāo)準(zhǔn)的選擇

核查標(biāo)準(zhǔn)必須具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，同時(shí)還需要具有核查的參數(shù)和量值[7]。芬蘭維薩拉公司的型號為PTB220 的氣壓傳感器采用硅電容式絕對壓力傳感器，傳感器的阻容振蕩電路保持了阻抗的穩(wěn)定，在長的時(shí)期內(nèi)不受環(huán)境溫度和濕度的影響，具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性[8]。同時(shí)，它的測量范圍為500～1 100 hPa，與數(shù)字式氣壓計(jì)的測量范圍相同。因此，本文選用芬蘭維薩拉公司的型號為PTB220 的氣壓傳感器作為數(shù)字式氣壓計(jì)期間核查的核查標(biāo)準(zhǔn)。該核查標(biāo)準(zhǔn)僅用于核查，并在實(shí)驗(yàn)室需得到安全、有效的保存，以確保其穩(wěn)定性。

2 核查參數(shù)的選擇

期間核查參數(shù)的選擇必須遵循兩個(gè)原則：一是核查對象的關(guān)鍵測量參數(shù)；二是核查對象的基本測量范圍和常用測量點(diǎn)[7]。數(shù)字式氣壓計(jì)的測量范圍為500～1 100 hPa，本文中數(shù)字式氣壓計(jì)的期間核查點(diǎn)選擇了實(shí)際工作中使用的氣壓測量范圍的最低點(diǎn)、最高點(diǎn)和中間點(diǎn)，即：500 hPa，1 100 hPa 和900 hPa。

3 核查方法的設(shè)計(jì)

根據(jù)JJF1033—2016《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》[9]和GB/T 27025—2019《檢測和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力的通用要求》[10]的相關(guān)規(guī)定可知，期間核查主要是對測量設(shè)備的通用性能和計(jì)量性能兩大項(xiàng)進(jìn)行核查。

3.1 通用性能的核查

數(shù)字式氣壓計(jì)通用性能核查方法為：接通數(shù)字式氣壓計(jì)的電源并打開其開關(guān)，設(shè)備顯示通電正常，測量數(shù)據(jù)無跳變等異?，F(xiàn)象，設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)正確，功能鍵正常且均達(dá)到預(yù)期，則判定數(shù)字式氣壓計(jì)的通用性能符合要求。

3.2 計(jì)量性能的核查

數(shù)字式氣壓計(jì)計(jì)量性能核查方法：本文以型號為XDY?06 的0.01 級數(shù)字式氣壓計(jì)（最小分辨力為0.001 hPa，測量范圍為500～1 100 hPa）作為核查對象，以芬蘭維薩拉公司型號PTB220 氣壓傳感器（最小分辨力為0.01 hPa、測量范圍為500～1 100 hPa）作為核查標(biāo)準(zhǔn)，在溫度為（20±2）℃、濕度不大于85% RH 的環(huán)境條件下[11]，將數(shù)字式氣壓計(jì)和氣壓傳感器放置在同一水平面上，并分別連接到PG6000 氣壓發(fā)生器（測量范圍為500～1 100 hPa上，打開氣壓發(fā)生器和數(shù)字式氣壓計(jì)開關(guān)，接通氣壓傳感器讀數(shù)裝置，分別設(shè)定氣壓核查點(diǎn)為500 hPa，900 hPa 和1 100 hPa。當(dāng)氣壓發(fā)生器內(nèi)的氣壓達(dá)到設(shè)定值，數(shù)字式氣壓計(jì)正常顯示測量數(shù)據(jù)，無異常現(xiàn)象，穩(wěn)定10 min 后，分別讀取并記錄數(shù)字式氣壓計(jì)和核查標(biāo)準(zhǔn)的示值，每10 s 讀取1 次，共讀取10 次；之后計(jì)算各核查點(diǎn)核查對象和核查標(biāo)準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)的平均值，將經(jīng)修正后的數(shù)字式氣壓計(jì)示值平均值減去核查標(biāo)準(zhǔn)示值平均值作為核查結(jié)果。

將數(shù)字式氣壓計(jì)經(jīng)上級計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)溯源返回實(shí)驗(yàn)室后立即進(jìn)行首次核查的結(jié)果作為基值，后續(xù)每次核查的結(jié)果與其進(jìn)行比較，得出差值Y。由于在檢定或校準(zhǔn)工作中，數(shù)字式氣壓計(jì)需要加修正值使用，所以在后續(xù)核查中，當(dāng)各氣壓核查點(diǎn)的差值Y都小于或等于其對應(yīng)核查點(diǎn)修正值的擴(kuò)展不確定度時(shí)，則判定數(shù)字式氣壓計(jì)的測量范圍和氣壓示值均符合要求。

以上兩項(xiàng)均符合要求，即說明數(shù)字式氣壓計(jì)的原始狀態(tài)持續(xù)有效、可信；否則分析原因，評估其產(chǎn)生偏移的嚴(yán)重程度，并采取糾正措施及驗(yàn)證，必要時(shí)送上級計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)。

4 核查頻次的確定

數(shù)字式氣壓計(jì)的期間核查就是在兩次檢定或校準(zhǔn)間隔之間，選定同一核查標(biāo)準(zhǔn)，在相同的工作環(huán)境下，對氣壓量值進(jìn)行定期或不定期的核查。一般情況下，數(shù)字式氣壓計(jì)經(jīng)上級計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定或校準(zhǔn)返回實(shí)驗(yàn)室后，立即進(jìn)行首次核查，確定其初始檢定校準(zhǔn)狀態(tài)或初始測量過程狀態(tài)，以便與后續(xù)的核查數(shù)據(jù)作對比。后續(xù)的核查可以按照年度核查計(jì)劃，在數(shù)字式氣壓計(jì)經(jīng)溯源返回實(shí)驗(yàn)室半年左右進(jìn)行一次核查，數(shù)字式氣壓計(jì)下一次溯源前一個(gè)月左右進(jìn)行一次核查，中間由于某種特殊原因，如數(shù)字式氣壓計(jì)脫離實(shí)驗(yàn)室直接控制后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，或其出現(xiàn)異常，或其使用頻繁，或其測量環(huán)境有重大變化，或其即將被用于特殊測量時(shí)，均可增加核查頻次。

5 核查結(jié)論的判定

5.1 核查結(jié)果

本文中數(shù)字式氣壓計(jì)在兩次檢定或校準(zhǔn)間隔內(nèi)，期間核查的頻次為5 次，每次核查中各氣壓核查點(diǎn)上的測量次數(shù)為10 次，取各點(diǎn)平均值，然后計(jì)算得到每次核查中各氣壓核查點(diǎn)核查對象的氣壓示值誤差平均值，公式如下：

式中：ΔP為每次核查中各氣壓核查點(diǎn)核查對象的氣壓示值誤差平均值，單位為hPa；為每次核查中各氣壓核查點(diǎn)核查對象經(jīng)修正后的氣壓示值平均值，單位為hPa；為每次核查中各氣壓核查點(diǎn)核查標(biāo)準(zhǔn)的氣壓示值平均值，單位為hPa。

將數(shù)字式氣壓計(jì)經(jīng)檢定或校準(zhǔn)后首次核查中各氣壓核查點(diǎn)的氣壓示值誤差平均值設(shè)為ΔP0，后續(xù)的4 次核查中各氣壓核查點(diǎn)的氣壓示值誤差平均值依次設(shè)為ΔP1，ΔP2，ΔP3，ΔP4。數(shù)字式氣壓計(jì)每次核查中各氣壓核查點(diǎn)氣壓示值誤差平均值（即核查結(jié)果）的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 數(shù)字式氣壓計(jì)每次核查中各氣壓核查點(diǎn)的氣壓示值誤差平均值（核查結(jié)果）hPa

5.2 核查結(jié)果的驗(yàn)證

由JJF1033—2016《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》[9]和測量儀器特性評定[12]的相關(guān)規(guī)定可知，數(shù)字式氣壓計(jì)各核查點(diǎn)修正值的擴(kuò)展不確定度必須小于或等于數(shù)字式氣壓計(jì)最大允許誤差的1 3。數(shù)字式氣壓計(jì)經(jīng)上級計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定為0.01 級合格，其最大允許誤差為±0.1 hPa，則數(shù)字式氣壓計(jì)各核查點(diǎn)修正值的擴(kuò)展不確定度最大為0.033 hPa。

通過比較數(shù)字式氣壓計(jì)后續(xù)核查中各氣壓核查點(diǎn)示值誤差平均值與首次核查中各氣壓核查點(diǎn)示值誤差平均值的差值的絕對值（即后續(xù)核查中各氣壓核查點(diǎn)相對于首次核查的變化量）是否均小于或等于對應(yīng)氣壓核查點(diǎn)修正值的擴(kuò)展不確定度，來驗(yàn)證數(shù)字式氣壓計(jì)后續(xù)每次核查中各氣壓核查點(diǎn)示值誤差平均值（即核查結(jié)果）是否均合格，從而判定數(shù)字式氣壓計(jì)的測量范圍和氣壓示值是否均符合要求。驗(yàn)證結(jié)果見表2。

表2 數(shù)字式氣壓計(jì)后續(xù)核查中各氣壓核查點(diǎn)核查結(jié)果的驗(yàn)證hPa

經(jīng)驗(yàn)證，數(shù)字式氣壓計(jì)在兩次檢定或校準(zhǔn)間隔之間，后續(xù)的每次核查中各氣壓核查點(diǎn)示值誤差平均值（即核查結(jié)果）均合格，則判定數(shù)字式氣壓計(jì)在此期間的測量范圍和氣壓示值均符合要求。

5.3 核查結(jié)論的判定

數(shù)字式氣壓計(jì)在兩次檢定或校準(zhǔn)間隔之間，經(jīng)該方案核查，其通用性能和計(jì)量性能均符合要求。因此，數(shù)字式氣壓計(jì)在此期間的原始狀態(tài)是持續(xù)有效、可信的。

如果數(shù)字式氣壓計(jì)經(jīng)該方案核查，發(fā)現(xiàn)其性能不符合要求，則需要分析原因。若懷疑是設(shè)備本身造成的，則應(yīng)及時(shí)送往上級計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)重新檢定或校準(zhǔn)；若懷疑是由粗大誤差、人員操作、環(huán)境影響或核查標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化等因素造成的，則應(yīng)采取適當(dāng)?shù)募m正措施，糾正完成后應(yīng)立即再次進(jìn)行核查，核查發(fā)現(xiàn)設(shè)備還不符合要求，則應(yīng)將其送往上級計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)重新檢定或校準(zhǔn)[13?14]。

6 結(jié) 語

本文針對氣象用數(shù)字式氣壓計(jì)提出了一種期間核查方案，該方案包括核查標(biāo)準(zhǔn)的選擇、核查參數(shù)的選擇、核查方法的設(shè)計(jì)、核查頻次的確定以及核查結(jié)論的判定五個(gè)方面。本文通過實(shí)驗(yàn)對該方案進(jìn)行了驗(yàn)證，確定了該方案的有效性和可行性。該方案不僅實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備通用性能和計(jì)量性能的核查，還實(shí)現(xiàn)了對每次核查數(shù)據(jù)的對比，確保設(shè)備的計(jì)量性能在兩次檢定或校準(zhǔn)間隔之間，可得到持續(xù)有效的控制。其他氣象用測量設(shè)備的期間核查，可參考該核查方案進(jìn)行。