PTB330型氣壓傳感器示值誤差測量不確定度評定

王 旭，孔詩媛，張昊喆，王雪松

(吉林省氣象探測保障中心，長春 130062)

0 引言

氣壓是重要的氣象觀測要素之一，其大小與地面高度以及大氣的物理性質相關，涉及氣象預報、航空航天、工業化工等領域。目前，吉林省氣象部門主要通過PTB330型氣壓傳感器開展氣壓測量與采集。

氣壓傳感器的檢定工作由省級計量檢定站完成。在檢定過程中，由于氣壓傳感器自身、氣壓標準器及氣壓檢定裝置等因素影響，測量結果會引入測量不確定度[1]。測量不確定度是反映測量結果質量的一項重要指標，表征被測傳感器示值的分散性[2，3]。因此，對氣壓傳感器的測量結果進行不確定度評定具有重要的科學意義[4]。

1 測量模型

氣壓傳感器的檢定工作采用國家氣象局配發的3MS系統。待設定的氣壓穩定后，采集并上傳被檢氣壓傳感器和氣壓標準器的電壓值，通過軟件終端顯示氣壓差值。由此建立氣壓傳感器的示值誤差測量不確定度評定的數學模型為

ΔP=P-Ps+Pm

(1)

式(1)中，ΔP為被測氣壓傳感器的測量誤差；P為被測氣壓傳感器的示值；Ps為氣壓標準器的示值；Pm為影響量。

2 不確定度評定

2.1 PTB330型氣壓傳感器的不確定度分量

氣壓傳感器在檢定過程中，不確定度主要受氣壓傳感器示值重復性和氣壓傳感器分辨力的影響[5-7]。

1)示值重復性標準不確定度分量

氣壓傳感器在規范化常規測量中，示值重復性標準不確定度評定根據A類評定方法[8，9]。為增加自由度，提高不確定度的可信度，根據貝塞爾公式求得其各檢定點的標準不確定度分量為：

(2)

2)氣壓傳感器分辨力標準不確定度分量

(3)

2.2 氣壓標準器標準不確定度分量

1)氣壓標準器誤差引入的標準不確定度分量

氣壓標準器按照檢定規程要求最大允許誤差為：(-0.08，0.08)，按照均勻分布計算其各檢定點引入的標準不確定度分量為：

(4)

式中，k為包含因子。

2)氣壓標準器分辨力標準不確定度分量

(5)

2.3 檢定裝置標準不確定度分量

1)數字壓力控制器穩定性標準不確定度分量

檢定裝置中數字壓力控制器選用CPC6000型自動壓力校驗儀。其總體引入的不確定度為0.01%FS。服從反正弦分布，具體不確定度分量為：

(6)

2)計算機軟件數據修約標準不確定度分量

計算機軟件計算時會對氣壓差值修約至0.01 hPa，其服從均勻分布，引入的不確定度為：

(7)

2.4 標準不確定度評定

1)合成標準不確定度

氣壓傳感器的合成標準不確定度由式(2)～(7)構成，具體表示為：

(8)

2)擴展不確定度

擴展不確定度U由合成標準不確定度uc和包含因子k得到(k=2)。取置信概率P=95%，根據JJF 1059.1-2012規范可查k=2。

U=kuc=2uc

(9)

3 不確定度評定實例

選取10臺PTB330型氣壓傳感器按照JJG(氣象)001-2015《自動氣象站氣壓傳感器檢定規程》進行檢定。對其檢定數據結果進行不確定度評定，將其正反行程每個檢定點數值采集3次取平均值[10，11]。經計算，實驗標準偏差如表1所示。以正行程500 hPa為例。

表1 10臺PTB330型氣壓傳感器實驗標準偏差 hPa

1)PTB330型氣壓傳感器的不確定度分量

由式(3)得到氣壓傳感器分辨力標準不確定度分量為：u(P′)=0.003 hPa。

2)氣壓標準器標準不確定度分量

由式(4)得到氣壓標準器誤差引入的標準不確定度分量為：u(PB)=0.046 hPa。

3)檢定裝置標準不確定度分量

4)合成標準不確定度

由式(8)得到合成標準不確定度為：

5)擴展不確定度

由式(9)得到擴展不確定度為：U=2uc=0.18 hPa。

6)其他檢定點不確定度

根據正行程500 hPa不確定度的計算方式，可得到其他檢定點的不確定度。經計算，各檢定點的合成標準不確定度和擴展不確定度如表2所示。

表2 各個檢定點的合成標準不確定度和擴展不確定度 hPa

4 結束語

文章通過建立測量模型分析了PTB330型氣壓傳感器的不確定度分量，并對自動氣象站氣壓檢定規程要求的檢定點進行了不確定度評定。得到如下結論：各傳感器檢定點示值誤差測量的擴展不確定度為0.17～0.22 hPa(置信概率為95%)；各個檢定點的正反行程的測量結果不確定度相差較小。

文章所得結論為同類型的氣壓傳感器測量的檢定結果提供了科學的參考依據。