自動(dòng)氣象站HYAT型地溫傳感器檢定的不確定度分析

金銳 鄭德彬

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201720088

摘要：本文依據(jù)氣象檢定規(guī)程要求和JJF10591999測(cè)量不確定度評(píng)定與要求，并根據(jù)檢定數(shù)據(jù)，分別從標(biāo)準(zhǔn)器引入、穩(wěn)定性、檢定設(shè)備、數(shù)據(jù)修約等幾個(gè)方面對(duì)HYAT型地溫傳感器進(jìn)行不確定度分析，對(duì)自動(dòng)氣象站各要素傳感器檢定可信度評(píng)估具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)氣象站；地溫傳感器檢定結(jié)果；不確定度分析

自動(dòng)氣象站是地面氣象觀測(cè)的重要組成部分，對(duì)自動(dòng)站各要素傳感器的計(jì)量檢定工作已全面展開(kāi)，為保證各傳感器檢定修正值準(zhǔn)確可靠性，本文主要根據(jù)JJF10591999測(cè)量不確定度評(píng)定與要求，對(duì)HYAT型地溫傳感器檢定進(jìn)行不確定度的分析。

1 不確定度分析思路

（1）標(biāo)準(zhǔn)不確定度的 A類評(píng)定 。

指通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來(lái)評(píng)定的不確定度。依據(jù)氣象檢定規(guī)程要求，自動(dòng)氣象站各要素傳感器都是采用多點(diǎn)檢定方法，每個(gè)點(diǎn)的修正值不能代替?zhèn)鞲衅鞯男拚担ㄟ^(guò)對(duì)各點(diǎn)修正值的標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行合成，得出該傳感器A類不確定度。

（2）標(biāo)準(zhǔn)不確定度的 B類評(píng)定。

除統(tǒng)計(jì)方法得出不確定度以外的不確定度統(tǒng)稱為B類不確定度，他的來(lái)源十分廣泛，但各種類別的因素對(duì)于不確定度貢獻(xiàn)值相差懸殊，為便于分析計(jì)算，又可反映主要特征，分析和確定不確定度分量來(lái)源十分重要。B類不確定度的一般來(lái)源包括如環(huán)境條件，標(biāo)準(zhǔn)器誤差，數(shù)據(jù)修約、檢定設(shè)備、技術(shù)參數(shù)等等，他們分量相互獨(dú)立，通過(guò)合成得出B類不確定度。

（3）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度（A類和B類）。

通常用A類不確定度和B類不確定度的方和根表示。

（4）確定包含因子。

在實(shí)際工作中，擴(kuò)展不確定度指的就是總不確定度，是用于定義測(cè)量區(qū)間的一個(gè)量，被測(cè)量的值采用某一置信水平（可能性）進(jìn)入這個(gè)區(qū)間后，擴(kuò)展不確定度就是該區(qū)間的半寬。通過(guò)合成不確定度，然后乘以一相應(yīng)的包含因子后就會(huì)得到擴(kuò)展不確定度。

（5）確定擴(kuò)展不確定度。

擴(kuò)展不確定度用于確定測(cè)量結(jié)果區(qū)間的量，合理賦予被測(cè)量之值分布的大部分可望含于此區(qū)間。

2 HYAT型地溫傳感器檢定的不確定度分析

地溫傳感器檢定自動(dòng)化系統(tǒng)裝置包括采集器、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式鉑電阻溫度計(jì)、恒溫液體檢定槽及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。依據(jù)JJG（氣象）0022011檢定規(guī)程，選取5個(gè)溫度點(diǎn)，分別為10℃、0℃、10℃、30℃、50℃，等到槽溫升至規(guī)定的溫度且穩(wěn)定后，每30秒進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)值和被測(cè)量溫度傳感器數(shù)值的讀取（采集），一共連續(xù)采集4次，下面的各個(gè)溫度檢定點(diǎn)的示值進(jìn)行讀取（采集）的次數(shù)、讀取（采集）數(shù)據(jù)間隔的時(shí)間、處理數(shù)據(jù)的方法均相同。用同樣的方法檢定10次，計(jì)算出每個(gè)溫度點(diǎn)的誤差值，用公式（1）計(jì)算每個(gè)溫度點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差（℃）

UA=∑N[]i=1（ΔHi-ΔHi）2[]N-1（1）

用公式（2）求出合并樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差為被檢地溫傳感器的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

UA合=∑5[]N=1UAN2[]N（2）

uA=0.011℃

通過(guò)以上計(jì)算，得出HYAT型地溫傳感器A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.011℃。

溫度檢定結(jié)果不確定度，確定標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式鉑電阻溫度計(jì)修正值變化、恒溫液體檢定槽溫度場(chǎng)波動(dòng)度和均勻度、自動(dòng)站采集器測(cè)量誤差及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理時(shí)的修約誤差等。

標(biāo)準(zhǔn)器的不確定度從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式鉑電阻溫度計(jì)的技術(shù)資料可知，在溫度為30℃—80℃的范圍內(nèi)，最大允差：±（0.03～0.06） ℃。從國(guó)家氣象計(jì)量站校準(zhǔn)各檢定點(diǎn)的測(cè)量誤差值為0.02℃，給被檢結(jié)果帶來(lái)的誤差服從均勻分布規(guī)律，取包含因子k=2，則由標(biāo)準(zhǔn)器引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB1=0.01℃。

恒溫液體箱不均勻性帶來(lái)不確定度，從江西省計(jì)量測(cè)試研究院對(duì)恒溫液體箱檢測(cè)工作區(qū)域內(nèi)最大溫差0.0324℃，產(chǎn)生的誤差分量呈反正弦分布，取相應(yīng)包含因子k=1.4，帶來(lái)不確定度uB2=0.024℃。

采集器引入不確定度，分析自動(dòng)站采集器CAWS 600B的數(shù)據(jù)采集精度指標(biāo)，可知采集器地溫通道最大測(cè)量誤差是01℃，對(duì)各檢定點(diǎn)產(chǎn)生的影響具有一定的均勻分布規(guī)律，取包含因子k=1.732，所以標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB3=0.057℃。

計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理修約引起的不確定度分量。每個(gè)點(diǎn)計(jì)算出來(lái)的誤差一般五舍六入取一位小數(shù)，通過(guò)上面對(duì)HYAT地溫傳感器檢定的數(shù)據(jù)，計(jì)算找出修約值為0.05℃。取均勻分布K=1.73，修約引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB4為0.001℃。

根據(jù)B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定結(jié)果，用式（3）求B類合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

uB合=u2B1+u2B2...+u2Bn（3）

uB合=0.026℃

A類不確定度的分量加上B類不確定度的分量。用式（4）求合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

uC=u2A+u2B合（4）

uC=0.028℃

依據(jù)規(guī)范，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以包含因子得擴(kuò)展不確定度，一般情況下擴(kuò)展不確定度可視為均勻分布，則包含因子取k=1.73，用式（5）求擴(kuò)展不確定度為：

U=kuc（5）

U=k×0.028℃=0.048℃

3 結(jié)語(yǔ)

保證自動(dòng)氣象站各要素傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，是我們氣象計(jì)量檢定工作的職責(zé)。不確定度的評(píng)定對(duì)于我們氣象計(jì)量工作是越來(lái)越重要，通過(guò)對(duì)HYAT型溫度傳感器的研究和分析，恒溫液體檢定槽內(nèi)波動(dòng)度，均勻度對(duì)溫度傳感器測(cè)量的影響最大，所以在不確定度的評(píng)定中，分析和確定不確定度的來(lái)源十分重要，分析它的來(lái)源一定要做到科學(xué)性和合理性。無(wú)論對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A或B類評(píng)定，如果采用等級(jí)不同的準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)器和對(duì)應(yīng)的檢定設(shè)備，那么獲取的不確定度分析結(jié)果肯定不一樣。所以，被檢傳感器的準(zhǔn)確度相對(duì)很高時(shí)，可運(yùn)用性能穩(wěn)定、精確度高的可靠標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備來(lái)檢定，不然的話，就會(huì)造成被檢傳感器出現(xiàn)附加誤差，被檢傳感器性能進(jìn)而判斷不公正和不科學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

[1]調(diào)溫調(diào)濕箱校準(zhǔn)證書.江西省計(jì)量測(cè)試研究院，2011（11）.

[2]施昌彥.測(cè)量不確定度評(píng)定與表示指南[M].中國(guó)計(jì)量出版社，2000.

作者簡(jiǎn)介：金銳（1971），男，漢族，江西省南昌市人，本科，高級(jí)工程師，從事氣象工作。