韓廣魯，孫 嫣，王錫芳，邊文超

（山東省氣象局大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，濟(jì)南　250031）

DZZ4型數(shù)據(jù)采集器氣溫通道校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度評(píng)定

韓廣魯，孫 嫣，王錫芳，邊文超

（山東省氣象局大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，濟(jì)南250031）

根據(jù)自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法和測(cè)量不確定度評(píng)定方法，以JJQ1型自動(dòng)站信號(hào)模擬器作為標(biāo)準(zhǔn)器，校準(zhǔn)DZZ4型自動(dòng)站數(shù)據(jù)采集器氣溫通道各點(diǎn)的示值誤差，介紹其示值誤差的測(cè)量不確定度評(píng)定方法。根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，分析各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定分量來(lái)源并逐項(xiàng)評(píng)定，最終完成測(cè)量不確定度評(píng)定：該數(shù)據(jù)采集器氣溫通道在-30℃，0℃和50℃三個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，擴(kuò)展不確定度均為U=0.06℃，k=2。

數(shù)據(jù)采集器；氣溫通道；測(cè)量不確定度

引言

隨著氣象計(jì)量工作的深入開(kāi)展，自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器的校準(zhǔn)工作經(jīng)歷了方法研究和標(biāo)準(zhǔn)器開(kāi)發(fā)，當(dāng)前已逐步進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)階段。山東省氣象局自2009年以來(lái)，借助自己開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)方法和設(shè)備，已連續(xù)開(kāi)展了多年采集器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作［1］。根據(jù)計(jì)量業(yè)務(wù)的要求，給出校準(zhǔn)結(jié)果時(shí)必須附以測(cè)量不確定度，同時(shí)，在2012年頒布了新版的《JJF 1059.1-2012 測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》，進(jìn)一步規(guī)范了測(cè)量不確定度評(píng)定方法。因此，為了完善氣象計(jì)量校準(zhǔn)工作，介紹了自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器氣溫通道校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度評(píng)定方法。

1　概述

根據(jù)采集器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法，以JJQ1型自動(dòng)站信號(hào)模擬器（編號(hào)JJQ1-11.0007，已溯源）作為標(biāo)準(zhǔn)器，校準(zhǔn)DZZ4型自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器（主采編號(hào)SCBH-1302.0099，溫濕度分采編號(hào)SCBH-1307.0111*）氣溫通道的示值誤差，校準(zhǔn)點(diǎn)分別為-30℃，0℃和50℃。校準(zhǔn)時(shí)信號(hào)模擬器由其內(nèi)部電池供電，使用其電腦管理軟件控制信號(hào)輸出，用串口調(diào)試軟件讀取數(shù)據(jù)采集器通道校準(zhǔn)示值，根據(jù)采集器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法中的步驟分別校準(zhǔn)各點(diǎn)。

2　數(shù)學(xué)模型

被校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集器的讀數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)器讀數(shù)值之差為通道示值誤差［2-3］。因此，數(shù)據(jù)采集器氣溫通道的誤差計(jì)算公式如下：

（1）式中，TΔ為氣溫通道在某一校準(zhǔn)點(diǎn)的誤差；Tn為氣溫通道在某一校準(zhǔn)點(diǎn)3次校準(zhǔn)結(jié)果的算術(shù)平均值；Ts為信號(hào)模擬器氣溫通道在該校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)值。

3　不確定度來(lái)源及其分量評(píng)定

根據(jù)測(cè)量模型，被校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集器氣溫通道示值誤差的測(cè)量不確定度取決于測(cè)量重復(fù)性、輸入量Tn和標(biāo)準(zhǔn)器修正值ΔTs的不確定度［4-6］。

3.1測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA

由測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA，采用A類評(píng)定方法評(píng)定。

將信號(hào)模擬器氣溫通道的輸出信號(hào)設(shè)置為-30℃，對(duì)數(shù)據(jù)采集器氣溫通道進(jìn)行3次重復(fù)校準(zhǔn)，得到一組數(shù)據(jù)，同樣方法得到該通道0℃和50℃校準(zhǔn)點(diǎn)的重復(fù)性測(cè)量結(jié)果，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　氣溫通道各校準(zhǔn)點(diǎn)重復(fù)性測(cè)量結(jié)果 ℃

由于只測(cè)量了3次被校準(zhǔn)采集器的示值，次數(shù)較少，故采用極差法計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

（2）式中，uA為測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度；R為極差；C為極差系數(shù)；n為重復(fù)讀數(shù)次數(shù)。

在-30℃校準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：uA=0.02/（1.69×3）=0.0069℃；在0℃校準(zhǔn)點(diǎn)，uA=0.02/（1.69×3）=0.0069℃；在50℃校準(zhǔn)點(diǎn)，uA=0.02/（1.69×3）=0.0069℃。

3.2數(shù)據(jù)采集器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Tn）

由被校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Tn）主要是由數(shù)據(jù)采集器讀數(shù)修約和受環(huán)境氣溫的影響引入，均采用B類方法評(píng)定。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集器氣溫通道讀數(shù)修約到0.01℃，半寬為0.005℃，服從均勻分布，，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1：

在數(shù)據(jù)采集器受環(huán)境氣溫的影響方面，參照DT50型數(shù)據(jù)采集器的試驗(yàn)結(jié)果可知，將DT50數(shù)據(jù)采集器先后放在0℃和30℃的恒溫箱內(nèi)，使用同一溫度信號(hào)對(duì)其校準(zhǔn)，測(cè)得在-30℃，0℃和50℃三個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)上，兩種環(huán)境氣溫中的校準(zhǔn)結(jié)果最大偏差0.07℃，引用該數(shù)據(jù)，其半寬為0.035℃，假設(shè)服從均勻分布，，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2關(guān)，所以由數(shù)據(jù)采集器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u為：

該項(xiàng)不確定度是由信號(hào)模擬器傳遞的不確定度引入的，包括信號(hào)模擬器的允許誤差、分辨力、校準(zhǔn)環(huán)境氣溫變化。

信號(hào)模擬器的允許誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u1（sTΔ），采用B類方法評(píng)定。根據(jù)JJQ1型信號(hào)模擬器使用說(shuō)明書(shū)可知，其氣溫通道的最大允許誤差為±0.03℃，則其區(qū)間半寬為0.03℃，假設(shè)其服從均勻分布，，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1（sTΔ）為：

信號(hào)模擬器的分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u2（sTΔ），采用B類方法評(píng)定。根據(jù)其使用說(shuō)明書(shū)可知，其氣溫通道的分辨力為0.01℃，則其區(qū)間半寬為0.005℃，服從均勻分布，，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2為：

數(shù)據(jù)采集器的讀數(shù)修約與其受溫度影響不相

由于環(huán)境氣溫變化影響引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u3（sTΔ）。根據(jù)信號(hào)模擬器的設(shè)計(jì)生產(chǎn)要求，由于氣溫變化對(duì)信號(hào)模擬器溫度輸出值的影響應(yīng)符合信號(hào)模擬器的技術(shù)要求，因此該項(xiàng)不確定度包含在信號(hào)模擬器的允許誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1（sTΔ）中。

而信號(hào)模擬器的允許誤差與其分辨力不相關(guān)，因此，由信號(hào)模擬器傳遞引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（sTΔ）為：

4　合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc為：

即：在-30℃，0℃和50℃三個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度均為：

5　擴(kuò)展不確定度

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度一般服從正態(tài)分布，取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度U為：

（3）式中：U為擴(kuò)展不確定度；k為包含因子；uc為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

則：在-30℃，0℃，50℃三個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，其擴(kuò)展不確定度均為：U=0.058≈0.06℃，k=2。

6　測(cè)量不確定度報(bào)告

在環(huán)境氣溫為23℃、相對(duì)濕度為30%時(shí)，以JJQ1型自動(dòng)氣象站信號(hào)模擬器（編號(hào)JJQ1-11.0007）作為標(biāo)準(zhǔn)器，校準(zhǔn)DZZ4型自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器氣溫通道（主采編號(hào)SCBH-1302.0099，溫濕度分采編號(hào)SCBH-1307.0111*）各校準(zhǔn)點(diǎn)的通道示值誤差。

在-30℃校準(zhǔn)點(diǎn)，校準(zhǔn)結(jié)果為T(mén)Δ=-0.02℃，擴(kuò)展不確定度U=0.06℃，k=2。

在0℃校準(zhǔn)點(diǎn)，校準(zhǔn)結(jié)果為T(mén)Δ=-0.05℃，擴(kuò)展不確定度U=0.06℃，k=2。

在50℃校準(zhǔn)點(diǎn)，校準(zhǔn)結(jié)果為T(mén)Δ=-0.06℃，擴(kuò)展不確定度U=0.06℃，k=2。

7　結(jié)語(yǔ)

此文給出了自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器氣溫通道校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度評(píng)定方法，評(píng)定過(guò)程符合《JJF 1059.1-2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》的規(guī)定，評(píng)定結(jié)果滿足相關(guān)文件的要求。該方法為校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集器其他模擬通道的測(cè)量不確定度評(píng)定工作給出了示例，進(jìn)一步完善了氣象計(jì)量校準(zhǔn)工作的程序與質(zhì)量。

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1005-0582（2016）02-0071-03

2015-06-29

韓廣魯（1985—），男，陜西銅川人，碩士，工程師，主要從事氣象計(jì)量工作。