海洋環境自動觀測系統氣壓現場校準方法及不確定度評定

蘇繼琨，林雪麗，張濤，高昆，孫蕾，谷貝，辛阿阿

(國家海洋局北海標準計量中心 青島 266033)

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海洋環境自動觀測系統氣壓現場校準方法及不確定度評定

蘇繼琨，林雪麗，張濤，高昆，孫蕾，谷貝，辛阿阿

(國家海洋局北海標準計量中心 青島 266033)

文章依據JJG(海洋)01-1994《海洋資料浮標傳感器檢定規程》[1]、JJG860-1994《壓力傳感器(靜態)檢定規程》以及2013年8月13日最新實施的JJG1084-2013《數字式氣壓計檢定規程》，結合海洋環境監測站和海洋資料浮標的海洋環境自動觀測系統設備現場校準工作，研究總結了應用0.02級數字式氣壓計在現場校準0.1級氣壓傳感器的校準方法，并在實際工作中得到使用，結果準確可靠。依據JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》，運用測量結果不確定度評定與表示方法，對測量結果不確定度進行了評定。符合條件要求的測量結果，一般可參照使用本不確定度的評定方法。

海洋環境自動觀測系統；氣壓傳感器；校準方法；不確定度

歷年來，國家海洋局北海標準計量中心承擔著對北海區已納入全國觀測預報業務系統運行的海洋環境監測站自動觀測系統和海洋資料浮標傳感器開展現場計量校準工作。派遣優秀的技術人員，腳步遍及海洋臺站的每一座山、每一個島、每一個海上浮標，對自動觀測系統的所有傳感器進行現場示值比對校準，確保了量值溯源，保證了監測設備的準確可靠，為海洋環境觀測預報提供了有力保障。

現場實際比對校準工作與實驗室檢測工作不同，在符合規程對實驗環境的要求同時，所采取的實驗方法應依據檢定規程結合實際現場環境進行。本文基于海洋環境監測站和海洋資料浮標的海洋環境自動觀測系統設備現場校準工作， 依據JJG(海洋)01-1994《海洋資料浮標傳感器檢定規程》[1]、JJG860-1994《壓力傳感器(靜態)檢定規程》[2]以及2013年8月13日最新實施的JJG1084-2013《數字式氣壓計檢定規程》[3]，把氣壓傳感器實驗室檢定方法與現場校準工作進行比較，從而研究討論適用于現場校準氣壓傳感器的方法和不確定度評定。

1 氣壓傳感器的現場校準方法

在實驗室中檢定氣壓傳感器依據JJG(海洋)01-1994《海洋資料浮標傳感器檢定規程》[1]和JJG860-1994《壓力傳感器(靜態)檢定規程》[2]。規程要求使用雙管水銀氣壓表或數字式氣壓計作為標準器，要求單獨取氣壓傳感器對其進行輸出電壓測量。而現場實際情況是適宜要求便攜和精確的氣壓標準器，且自動觀測系統為各種氣象數據傳感器的集成設備，單獨的傳感器不宜拆卸。所以在實際現場校準自動觀測系統的0.1級氣壓傳感器時，我們采用0.02級數字氣壓計作為標準器，利用自動觀測系統設備為實時數字顯示的特性，結合JJG1084-2013《數字式氣壓計檢定規程》[3]，總結了現場校準方法。

1.1 范圍

本校準方法適用于測量范圍在800～1 100 hPa內海洋環境自動觀測系統氣壓傳感器的使用中校準。

1.2 引用文件

JJG1084-2013 數字式氣壓計[3]；JJG(海洋)01-1994海洋資料浮標傳感器[1]；JJG860-1994壓力傳感器(靜態)[2]。

1.3 技術要求

(1)傳感器結構應完整，接口明顯，內部結構密閉，接(插)件應牢固，不應有松動現象。

(2)傳感器應標明型號、編號、測量范圍、制造單位或商標等信息。

(3)采集數據應在自動觀測系統顯示界面實時顯示，要求更新時間不大于2 s。

1.4 標準器及輔助設備

標準器為數字氣壓計，測量范圍應覆蓋被測設備的測量范圍，最大允許誤差的絕對值應不大于被測設備最大允許誤差絕對值的1/3。輔助設備為壓力控制裝置。

1.5 環境條件

環境溫度：(20±2)℃；環境濕度：不大于80%RH。

1.6 校準方法

校準方法包括：① 外觀及功能檢測；② 校準時傳壓介質選用潔凈干燥的空氣；③ 傳感器示值誤差的校準按圖1所示的方式連接；④ 校準時應盡量使氣壓傳感器壓力參考位置與標準器壓力參考位置在同一水平面上；⑤ 校準前應對校準系統進行密封性檢測；⑥ 在傳感器測量范圍內均勻選取不少于6個整10 hPa檢定點，逐點對傳感器進行升壓(降壓)試驗，壓力控制裝置在校準點穩壓波動在±1 hPa內，待被測系統顯示數字不變時記錄數據。此工作重復不少于3次循環。

圖1 傳感器示值誤差校準氣路連接方式

1.7 計算被測傳感器各校準點的示值誤差

按式(1)和式(2)分別計算氣壓傳感器各校準點正行程、反行程示值誤差，即

(i=1,2,…,m)

(1)

(i=1,2,…,m)

(2)

按式(3)和式(4)分別計算氣壓傳感器各校準點正行程、反行程示值誤差的平均值，即

(i=1,2,…,m)

(3)

(i=1,2,…,m)

(4)

按式(5)分別計算氣壓傳感器各校準點示值誤差的平均值，即

(i=1,2,…，m)

(5)

2 不確定度評定

2.1 測量依據

依據JJG1084-3013《數字式氣壓計檢定規程》[2]和JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》[4]進行測量。

2.2 測量標準

0.02級數字氣壓計，測量范圍為600～1 100 hPa，最大允許誤差為0.02%FS。

2.3 測量方法

選定一臺0.1級氣壓傳感器，其測量范圍為800～1 100 hPa，最大允許誤差為0.1%FS。用標準器在要求環境下對其進行升降壓比對。逐點讀取被測傳感器響應示值，被測傳感器響應示值與標準器產生的壓力值之差為該傳感器的示值誤差。

2.4 評定結果的使用

符合上述條件的測量結果，一般可參照使用本不確定度的評定方法。

2.5 數學模型

建立不確定度計算的數學模型，即

Δp=pR-pS+δpH

(6)

式中：Δp為傳感器各校準點的示值誤差；pR為傳感器各校準點正反行程示值；pS為標準器修正后各校準點正反行程示值；δpH為傳感器各校準點由高度差引起的示值誤差修正值。

2.6 不確定度分量的來源及其評定

2.6.1 示值重復性引起的不確定度分量u1(pR)

在被測氣壓傳感器量程范圍內均勻選取7個校準點，每個校準點正反行程循環比對5次。此項不確定度類型為A類，概率分布為正態分布，由示值重復性引起的不確定度分量

(7)

不確定度分量見表1所示。

表1 示值重復性引起的不確定度分量

2.6.2 被測數字氣壓計分辨力引起不確定度分量u2(pR)

被測數字氣壓計的分辨力為0.1hPa，此項不確定度類型為B類，概率分布為均勻分布。由此引起的不確定度分量為

(8)

2.6.3 標準器最大允許誤差所產生的不確定度分量u3(pS)

選用的標準器最大允許誤差為0.2hPa，此項不確定度類型為B類，概率分布為均勻分布。由此引起的不確定度分量為

(9)

2.6.4 工作介質高度差誤差修正值引起的不確定度分量u4(pH)

依據JJG1084-2013《數字式氣壓計檢定規程》[3]，由參考位置高度差引起的示值誤差應不超過被測氣壓計最大允許誤差的1/10，在此為0.1hPa。此項不確定度類型為B類，概率分布為均勻分布，由此引起的不確定度分量為

(10)

2.7 合成測量不確定度

不確定度分量匯總見表2所示。

表2 合成測量不確定度

以上各量互不相關，故合成標準不確定度為

(11)

2.8 擴展不確定度

被測氣壓傳感器示值誤差的測量結果符合正態分布，置信概率為95%，此時擴展因子k=2，擴展不確定度為

U=2uc(Δp)

(12)

示值誤差測量結果不確定度報告見表3。

2.9 不確定度驗證

采用傳遞比較法[5]，用該標準器對經上級標準器校準符合要求的氣壓傳感器進行校準(表4)。

表3 擴展不確定度

表4 不確定度驗證

如表4所示，對比結果最大差值為0.04 hPa，滿足∣y-y0∣≤U的條件，所以該測量不確定度得到驗證。

3 結論

通過實驗驗證，該應用0.02級數字式氣壓計在現場校準0.1級氣壓傳感器的校準方法及示值誤差測量不確定度評定符合JG1084-2013《數字式氣壓計檢定規程》[3]和JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》[4]的要求，可以開展相關工作。

[1] 國家海洋局. JJG(海洋)01-1994海洋資料浮標傳感器[S].1994.

[2] 國家技術監督局. JJG860-1994壓力傳感器(靜態)[S].1994.

[3] 國家質量監督檢驗檢疫總局.JJG1084-2013數字式氣壓計[S].2013.

[4] 國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF1059-1999測量不確定度評定與表示[S].1999.

[5] 中國計量測試學會壓力專業委員會.壓力測量不確定度評定[M].北京:中國計量出版社，2006.

P71

A

1005-9857(2015)08-0092-04