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        基于不確定度評定的濕度觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評估方法研究

        2023-01-18 00:28:36
        氣象水文海洋儀器 2022年4期
        關(guān)鍵詞:數(shù)字式型號濕度

        陳 平

        (北京工商大學(xué),北京 100081)

        0 引言

        濕度是表征大氣干燥程度的物理量??諝鉂穸仁且粋€無量綱的量,常用%RH表示,用于衡量空氣中水汽含量的大小。自動氣象站使用的濕度傳感器主要有濕敏電容式傳感器、標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表等。冷鏡式露點儀等儀器偶爾也用于氣象觀測,但由于價格較高,且鏡面清潔度維護(hù)要求比較復(fù)雜,因此較少在自動氣象站中使用[1,2]。

        空氣濕度在大氣學(xué)、氣象學(xué)和氣候?qū)W等許多方面有重要的用途。目前自動氣象站濕度傳感器主要通過定期的計量檢定來保證其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,但是計量檢定通常是在實驗室內(nèi)相對固定的環(huán)境下進(jìn)行的,現(xiàn)實中的濕度觀測主要是在室外復(fù)雜環(huán)境下開展,可能會受到不同環(huán)境因素的影響。因此,分析不同的環(huán)境因素對濕度觀測數(shù)據(jù)的影響及其引入的不確定度,對準(zhǔn)確評估濕度觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量具有重要意義[3-7]。

        1 濕度觀測數(shù)據(jù)的不確定度評定

        1.1 不確定度評定與數(shù)學(xué)模型的建立

        數(shù)學(xué)建模是開展不確定度評定的前提。為使不確定度評定結(jié)果能夠真實全面地反映濕度測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,建立的數(shù)學(xué)模型應(yīng)該盡可能包含所有影響濕度觀測數(shù)據(jù)的不確定度分量。

        濕度傳感器觀測數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)模型為:

        H=Hc+ΔHτ+ΔHo+ΔHp+ΔHy

        (1)

        式中,H為濕度觀測值(%RH);Hc為濕度采樣值(%RH);ΔHτ為標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度值(%RH);ΔHo為校準(zhǔn)時濕度檢定箱濕度場的波動度引入的不確定度(%RH);ΔHp為采集器引入的不確定度值(%RH);ΔHy為計算機數(shù)據(jù)處理時的修約引入的不確定度值(%RH);標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定包含的內(nèi)容以及具體評定流程和方法,可以參見JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》。

        1.2 不確定度評定

        試驗采用兩種地面氣象觀測中常用的濕度傳感器作為測試傳感器,分別為型號1濕度傳感器和型號2濕度傳感器;使用數(shù)字式標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表的測量值作為標(biāo)準(zhǔn)值。數(shù)字式標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表和測試傳感器同步測量,測量間隔為2 min,測量點為30%RH,50%RH,70%RH,90%RH,單點每組測20次。用每個測量點的測試傳感器的測量值減去標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表的測量值,作為該點的濕度測量誤差值,同時計算標(biāo)準(zhǔn)偏差。

        1)型號1濕度傳感器測量不確定度評估

        根據(jù)濕度傳感器觀測數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)模型,濕度測量結(jié)果的不確定度分量主要有濕度標(biāo)準(zhǔn)器修正引入的變化、濕度發(fā)生器箱中濕度的均勻性和波動性、數(shù)據(jù)采集單元的測量誤差等。

        計算可得型號1濕度傳感器的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA為0.0474%。

        由標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式干濕表的技術(shù)指標(biāo)可知,標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式干濕表的標(biāo)準(zhǔn)值的測量不確定度為1%。由于測量誤差屬于均勻分布,則包含因子k=1.732。因此,標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式干濕表引入的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB1為:

        uB1=ΔH1/k=0.577%

        (2)

        根據(jù)濕度檢定箱的技術(shù)指標(biāo)可知,其產(chǎn)生的濕度環(huán)境的均勻度為1%。由于均勻度引入的測量誤差分布屬于反正弦分布,因此其包含因子k=1.4。濕度檢定箱的均勻性引入的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB2為:

        uB2=ΔH2/k=0.714%

        (3)

        試驗中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)濕度測量的最大允許誤差為±1%,該不確定度分量屬于均勻分布,因此其包含因子k=1.732。由此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)引入的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB3為:

        uB3=ΔH3/k=0.577%

        (4)

        根據(jù)數(shù)據(jù)修約規(guī)則,由數(shù)據(jù)修約引入的最大誤差分量為0.05%,該不確定度分量屬于均勻分布,因此其包含因子k=1.732。由此數(shù)據(jù)修約引入的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB4為:

        uB4=ΔH4/k=0.029%

        (5)

        綜合以上B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評定結(jié)果,合成后的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

        (6)

        合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

        (7)

        擴展不確定度為:

        U=2uC=2.172%

        (8)

        2)型號2濕度傳感器測量不確定度評估

        濕度觀測數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)模型中列出的不確定度分量主要由濕度標(biāo)準(zhǔn)器、濕度箱、數(shù)據(jù)采集單元等引入。計算可得型號2濕度傳感器A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA為0.0451%。

        根據(jù)B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定結(jié)果,B類合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

        (9)

        合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

        (10)

        擴展不確定度為:

        U=2uC=2.172%

        (11)

        濕度傳感器的不確定度研究表明:型號1濕度傳感器的A類不確定度為0.0474%,B類不確定度為1.085%,合成不確定度為1.086%,擴展不確定度為2.172%;型號2濕度傳感器A類不確定度為0.0451%,B類不確定度為1.085%,合成不確定度為1.086%,擴展不確定度為2.172%。

        2 結(jié)束語

        文章通過分析不同環(huán)境因素對濕度觀測數(shù)據(jù)的影響及其引入的不確定度,建立濕度觀測不確定度評估模型,并進(jìn)行定量分析,分析結(jié)果對準(zhǔn)確評估濕度觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量具有重要意義。

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