移動校準系統風向量值比對結果分析

雷曉妹，宋 媛，汪 鑫，第五朋朋，陳小怡

(甘肅省氣象信息與技術裝備保障中心，蘭州 730020)

0 引言

比對能考察各實驗室測量量值的一致程度、計量標準的可靠程度，檢查計量機構檢定準確度是否保持在規定的范圍內，考察校準人員技術水平和數據處理的能力。氣象行業組織開展比對項目逐漸增多，黨選發[1]、肖建輝[2]分別探討了2011年、2014年西北區域實驗室綜合比對結果，均為比對結果的評定提供參考依據；李建英[3]、劉宇[4]針對全國大氣壓力、溫度量值比對，進行比對結果評定；尹躍[5]分析山東省各部門測溫儀表量值比對；苗潔[6]評定了江西省氣象部門濕度比對結果，均客觀地反映了各參比實驗室的檢定/校準能力，但目前并沒有關于氣象6要素的現場校準系統比對案例。由于校準系統中部分設備無法實現量值溯源，不能確保量值傳遞的準確、可靠、一致，2020年由甘肅省氣象計量檢定站主導開展市(州)級移動校準系統計量比對工作，14個移動校準系統參比。文章針對此次風向量值比對，對校準方法的確定、校準點的選擇、穩定性的分析、不確定度的評定、異常值的判定以及比對結果的評定進行詳細了分析。

1 比對

1.1 比對方式

此次比對采用圓環型線路和固定地點比對方式，在甘肅省計量檢定站完成，如圖1所示。因場地限制將參比單位分2組，每組7個單位，首先由主導單位對比對樣品進行穩定性實驗，確保比對樣品的穩定可靠，并對樣品進行首次實驗室檢定，比對完成后，返回主導單位完成復檢。

圖1 圓環型線路

1.2 風向比對試驗

1.2.1 參比樣品及設備

比對采用中環天儀氣象儀器股份有限公司生產的編號為17070273331和17070273238的EL15-2C型風向傳感器作為參比樣品。其計量性能如表1所示。

表1 風向傳感器計量性能指標

風向傳感器校準裝置由標準度盤和風向校驗儀組成，采用JJE10型風向校驗儀，其性能如表2所示。

表2 風向校驗儀性能指標

1.2.2 校準方法

根據JJG(氣象)004-2011《自動氣象站風向風速傳感器》檢定規程和參考文獻[7-9]，選擇0°、28°、90°、180°、239°、267°作為比對校準點。校準前首先將風向傳感器樣品安裝在標準度盤上，固定在平坦的工作臺面上，并保持水平，然后將傳感器插座、度盤插座與采集器相連，然后安裝風向標、調節定位叉使風向標保持水平，打開電源預熱5 min后開始校準。

校準時，先調整風向標、指北線與標準度盤的0°點對齊，在采集器上讀取標準度盤的值作為標準值，風向傳感器示值作為測量值，由于采集器顯示為格雷碼，需要查表找到對應的風向值，記錄數據，0°校準完成。以同樣的方法按照校準點依次校準，直至完成所有校準點。

1.2.3 示值誤差

各校準點示值誤差計算公式：

ΔE=e-E

(1)

式中，e為校準點測量值；E為校準點標準值。

2 比對結果分析

2.1 比對樣品穩定性分析

樣品的穩定性是比對能夠正常進行的關鍵，主導實驗室通過多次試驗確保樣品的穩定。按照要求，樣品比對前進行實驗室初檢，比對完成后返回實驗室復檢，若初檢誤差和復檢誤差相差不超過最大允許誤差，則穩定性較好，滿足比對要求，測量結果準確、可靠。樣品17070273331和17070273238的初檢、復檢結果分別如表3、表4所示。可以看出，復檢與初檢示值誤差差值的最大值|ΔEf1-ΔEc1|max=|ΔEf2-ΔEc2|max=3°，均小于最大允許誤差5°。按照比對穩定性的要求，可以判定兩個樣品在此時間段內穩定性滿足要求。

表3 樣品17070273331穩定性 °

表4 樣品17070273238穩定性 °

2.2 比對數據

選擇穩定性更好的樣品17070273331進行數據分析，采用格拉布斯準則[10，11]判別數據異常情況。

在所有比對數據中，若殘差絕對值滿足公式(2)，則可以判定可疑值xd為異常值，應予以剔除。

(2)

(3)

統計參比單位測量結果，α=0.05時，14個參比單位在對應校準點的殘差絕對值的臨界值為G(0.05，14)=2.37 s。各校準點通過計算殘差絕對值的最大值均小于對應的臨界值，測量數據均無異常值。

2.3 測量結果不確定度

汲取已有的不確定度評定方案[12-15]，結合比對裝置主要考慮風向校驗儀引入的不確定度，依據GUM法評定流程分析。

連續測量儀器10次，得到數據如表5所示。測量重復性引入的標準不確定度uA=0°。

表5 10次測量示值誤差 °

2.4 比對結果評價

根據量值比對通用能力驗證評價原則中歸一化偏差值進行評價，歸一化偏差公式：

(4)

式中，Eni為第i個參比單位在某個測量點上En值；yi為第i個參比單位在某個測量點上的示值誤差；y為在某個測量點上的參考值，取檢定站首末2次檢定數據平均值；Ui為第i個參比單位在某個測量點上的擴展不確定度；U為參考值的擴展不確定度。若|En|≤1，則校準結果滿意；若|En|>1，則結果不滿意。統計各參比校準點不確定度，Ui均為2，代入式(4)，計算得出對應的|En|。

經計算可以得出，平涼、蘭州在239°校準點，天水在90°校準點，白銀、甘南、嘉峪關在267°校準點，歸一化偏差絕對值均為2，比對結果不滿意；其余歸一化偏差絕對值均不大于1，比對結果滿意。

結合比對實施過程，深入分析造成比對結果不滿意的可能原因，并提出以下建議：

1)參比單位風向校準裝置未經溯源，因此不能保證校準數據準確，建議定期送檢校準，有條件的情況下，更新校準裝置；

2)校準員手動進行度盤和風向標對齊時存在偏離，導致隨機誤差偏大，因此一定要垂直對齊；

3)格雷碼顯示不穩定，導致讀數存在偏差，且偏差較大為3°，需要多次讀數確定測量結果；

4)參比單位校準不確定度評定不合理，未考慮現場校準的環境因素，以及隨機誤差引入的不確定度分量，建議參比單位進行不確定度分析和評定培訓，提升校準能力。

3 結束語

此次比對客觀、真實地反映了各市(州)級移動校準系統的測量能力，加強了參比單位校準人員技術水平和數據處理的能力，確保了計量標準及配套設備量值傳遞的可靠性，對統一量值傳遞起到了重要作用。

文章通過對風向比對結果的分析也發現諸多問題，如部分校準人員報告書寫不規范、示值誤差計算錯誤、測量不確定度評定考慮不全等。在以后的現場校準工作中還需加強校準人員的技術培訓，規范校準設備的維護和管理，提升校準人員不確定度分析能力。