Pt100型鉑電阻溫度傳感器測量結果不確定度評定

袁帥 韓嘯 李建宇

摘 要：鉑電阻溫度傳感器的不確定度直接影響溫度量值傳遞的檢定結果。依據規范JJF1059.1-2012，參照氣象部門檢定規程，從引起不確定度的因素和測量不確定度分量入手，對Pt100型鉑電阻溫度傳感器進行較為科學的不確定度評定。

關鍵詞：溫度傳感器；測量不確定度

我國氣象現代化水平不斷發展，利用傳感器進行氣象實時觀測已被業內認可。為了確保觀測數據的準確、可靠，必須按照規程進行檢定或校準。測量不確定度是對誤差理論的繼承和發展，利用科學方法分析評估測量不確定度，檢定結果才具可信度。

Pt100型鉑電阻溫度傳感器，在溫度變化時自身的電阻值也隨之改變，具有溫度靈敏度高、極佳的可換性和長期的穩定性，因此廣泛應用于氣象和環保等部門。

1 不確定度的相關定義

測量不確定度是對測量結果的不可信程度，也可以理解為對測量結果有效性的懷疑程度。測量不確定度可用標準偏差的倍數或置信區間的半寬度表征。不確定度一般為兩個分量即A類不確定度和B類不確定度。A 類不確定度用對觀測列進行統計分析的方法來評定，B類不確定度是用實驗或者有關信息進行估計。

2 技術依據

技術依據包括JJF1059.1-2012測量不確定度評定與表示[1]和JJG（氣象）002-2015自動氣象站溫度傳感器檢定規程。[2]

在檢定過程中，將標準溫度計和被檢溫度傳感器插入恒溫槽中同一深度，槽溫穩定后每30秒讀取一次標準值和被檢值，重復讀數4次，修約至0.01℃。

3 引起不確定度因素的來源分析

實驗中的影響因素：測量重復性引入的不確定度分量；數據修約引入的不確定度分量；由標準器誤差引入的不確定度分量；恒溫槽波動性和不均勻性引入的不確定度分量。

4 數據模型

標準器讀數為數字顯示，被檢傳感器讀數由儀器記錄并經過電腦讀出，根據檢定規程，建立數學模型：

5 不確定度的評定

5.1 不確定度u（T—）的評定

5.1.1重復性引入的標準不確定度u（T—A）評定

按A類方法評定，對同一支相對穩定的傳感器分別選取-10℃、0℃、20℃和50℃四個測試點，在每個溫度測試點上分別進行n次獨立重復測量（n=4）。

5.1.2 由數據修約引入的不確定度分量u（T—修約）

按B類方法評定，在實際應用中，鉑電阻溫度傳感器修約精度為0.01℃，按均勻分布處理，修約誤差是區間半寬為0005℃，包含因子k=3，則其標準不確定度分量為：

5.2.1 標準器引入的不確定度分量（B類）

根據標準器的技術指標，標準器在被檢量程內的最大允許誤差為±0.03℃，按均勻分布處理，區間半寬為0.03℃，包含因子k=3，不確定度分量為：

u（T—s1）=0.03/3=0.017℃

5.2.2 恒溫槽溫場不均勻性引入的不確定度分量（B類）

根據WLR-30D恒溫槽的校準證書，恒溫槽工作區域的最大溫差為0.015℃，則區間半寬約為0.008℃，按均勻分布處理，不確定度分量為：

5.2.3 恒溫槽溫場波動性引入的不確定度分量（B類）

根據WLR-30D恒溫槽的校準證書，恒溫槽溫場穩定性為±0.003℃/10min，則不確定度區間半寬為0.003℃，按均勻分布處理，不確定度分量為：

由于三個分量互不相關，參照數據模型中公式（3），輸入量T—s的標準不確定度可合成為：

5.3 由修正值Δt引入的標準不確定度uΔt的評定（B類）

由RCY-1A自校式鉑電阻數字測溫儀的校準證書可知，其檢定結果的擴展不確定度U95=0.02℃（k=2）。所以，uΔt=0.02/2=0.01℃

6 合成標準不確定度和擴展不確定度

6.1 合成標準不確定度uc（ΔT）

以上三個不確定度分量u（T—）、u（T—s）、uΔt互不相關，將靈敏系數帶入公式（3）中，可得合成標準不確定度如表2所示。

6.2 擴展不確定度U

擴展不確定度由合成標準不確定度的倍數表示。包括因子k=2時，置信區間具有的包含概率為95%。鉑電阻溫度傳感器的擴展不確定度為U=2uc，代入計算得各個檢定點的擴展不確定度如表2所示。

6.3 不確定度驗證

被測溫度傳感器的最大允許誤差絕對值MPEV=0.3℃，由表2可以看出，在各檢定點的示值誤差不確定度均小于0.1℃，即U95 MPEV/3，因此可不考慮不確定度對測量結果的影響。

7 結語

本文依據JJF1059.1-2012和自動氣象站檢定規程的要求，經過一次實地的檢定過程，利用極差法計算A類標準不確定度，分析影響來源并進行B類不確定度評定，得出了各個檢定點的合成和擴展不確定度，該結果經過驗證符合要求。本文僅對Pt100型溫度傳感器進行不確定度分析，其評定方法同樣可用于其它類型溫度傳感器。

參考文獻：

[1]JJF1059.1-2012測量不確定度評定與表示[S].

[2]JJG（氣象）002-2015自動氣象站溫度傳感器檢定規程[S].

[3]朱樂坤，鄭麗春.自動氣象站各要素傳感器檢定結果的不確定度分析[J].應用氣象學報，2006，17（5）：635-642.

[4]劉宇，張佳佳，劉文忠，等.鉑電阻地溫傳感器檢定不確定度評定[J].氣象科技，2016，44（5）：728-732.

作者簡介：袁帥（1980-），男，氣象電子工程師，主要從事工作：氣象儀器計量檢定，計算機網絡。