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)
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(zhì)相關(guān),涉及氣象預(yù)報、航空航天、工業(yè)化工等領(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)器及氣壓檢定裝置等因素影響,測量結(jié)果會引入測量不確定度[1]。測量不確定度是反映測量結(jié)果質(zhì)量的一項重要指標(biāo),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(jié)果進(jìn)行不確定度評定具有重要的科學(xué)意義[4]。
氣壓傳感器的檢定工作采用國家氣象局配發(fā)的3MS系統(tǒng)。待設(shè)定的氣壓穩(wěn)定后,采集并上傳被檢氣壓傳感器和氣壓標(biāo)準(zhǔn)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(shù)學(xué)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(biāo)準(zhǔn)器的示值;Pm為影響量。
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(fù)性和氣壓傳感器分辨力的影響[5-7]。
1)示值重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
氣壓傳感器在規(guī)范化常規(guī)測量中,示值重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定根據(jù)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(jù)貝塞爾公式求得其各檢定點的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:
(2)
2)氣壓傳感器分辨力標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
(3)
1)氣壓標(biāo)準(zhǔn)器誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
氣壓標(biāo)準(zhǔn)器按照檢定規(guī)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(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:
(4)
式中,k為包含因子。
2)氣壓標(biāo)準(zhǔn)器分辨力標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
(5)
1)數(shù)字壓力控制器穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
檢定裝置中數(shù)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(jī)軟件數(shù)據(jù)修約標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
計算機(jī)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)
1)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度
氣壓傳感器的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度由式(2)~(7)構(gòu)成,具體表示為:
(8)
2)擴(kuò)展不確定度
擴(kuò)展不確定度U由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc和包含因子k得到(k=2)。取置信概率P=95%,根據(jù)JJF 1059.1-2012規(guī)范可查k=2。
U=kuc=2uc
(9)
選取10臺PTB330型氣壓傳感器按照J(rèn)JG(氣象)001-2015《自動氣象站氣壓傳感器檢定規(guī)程》進(jìn)行檢定。對其檢定數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行不確定度評定,將其正反行程每個檢定點數(shù)值采集3次取平均值[10,11]。經(jīng)計算,實驗標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:u(P′)=0.003 hPa。
2)氣壓標(biāo)準(zhǔn)器標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
由式(4)得到氣壓標(biāo)準(zhǔn)器誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:u(PB)=0.046 hPa。
3)檢定裝置標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
4)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度
由式(8)得到合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:
5)擴(kuò)展不確定度
由式(9)得到擴(kuò)展不確定度為:U=2uc=0.18 hPa。
6)其他檢定點不確定度
根據(jù)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(jīng)計算,各檢定點的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度如表2所示。
表2 各個檢定點的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度 hPa
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(guī)程要求的檢定點進(jìn)行了不確定度評定。得到如下結(jié)論:各傳感器檢定點示值誤差測量的擴(kuò)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(jié)果不確定度相差較小。
文章所得結(jié)論為同類型的氣壓傳感器測量的檢定結(jié)果提供了科學(xué)的參考依據(jù)。