韓玉婷,第五朋朋,汪 鑫,宋 媛,金紅梅,鄭甲煒

(甘肅省氣象信息與技術(shù)裝備保障中心,蘭州 730020)

0 引言

高空氣象觀測(cè)的自動(dòng)化是科技發(fā)展的必然趨勢(shì),隨著探空儀的技術(shù)發(fā)展,JKZ型電子探空儀基測(cè)箱已替代GEZ10型且廣泛應(yīng)用于氣象領(lǐng)域[1]。目前中國氣象部門使用的電子探空儀基測(cè)箱(簡稱“基測(cè)箱”)具有外觀新穎、使用方便、質(zhì)量小、檢測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)JKZ型電子探空儀基測(cè)箱的量值溯源,目前暫無相應(yīng)的檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范,全國各氣象計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)依據(jù)中國氣象局氣象探測(cè)中心2018年10月下發(fā)的《電子探空儀基測(cè)箱測(cè)試方案》對(duì)基測(cè)箱進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)結(jié)果的可信度受測(cè)量誤差、校準(zhǔn)環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備等影響,因此難以確定引入不確定度的大小[2-6]。針對(duì)這個(gè)問題,文章基于JKZ型基測(cè)箱的測(cè)量原理和校準(zhǔn)方法,采用GUM法通過實(shí)例分別對(duì)溫度、濕度、氣壓、電壓4種參數(shù)的校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行了不確定度分析和評(píng)定,為制定相應(yīng)的校準(zhǔn)規(guī)范提供理論依據(jù)。

1 電子探空儀基測(cè)箱簡介

電子探空儀基測(cè)箱是一種綜合性檢測(cè)設(shè)備,使用干濕球法測(cè)定測(cè)試區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)溫度值和濕度值;使用氣壓傳感器給出放球地點(diǎn)的地面氣壓標(biāo)準(zhǔn)值;使用濕敏電容傳感器測(cè)定零點(diǎn)測(cè)試室的標(biāo)準(zhǔn)濕度值,符合氣象要素測(cè)量值傳遞要求,用于對(duì)探空儀的溫度、濕度、氣壓地面基值進(jìn)行測(cè)定,確定探空儀是否符合施放要求。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 電子探空儀基測(cè)箱結(jié)構(gòu)原理圖

2 不確定度評(píng)定方法

2.1 GUM法評(píng)定不確定度的一般流程

文章采用GUM法評(píng)定不確定度,其評(píng)定的一般流程如圖2所示。

圖2 GUM法評(píng)定不確定度的一般流程

2.2 數(shù)學(xué)模型

測(cè)量數(shù)學(xué)模型是指測(cè)量結(jié)果與其直接測(cè)量的量、引用的量及影響量等有關(guān)量之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系[7]。

根據(jù)實(shí)際校準(zhǔn)方法,可以認(rèn)為JKZ型基測(cè)箱4種參數(shù)的測(cè)量數(shù)學(xué)模型均為:

Δx=xi-xs

(1)

式中,Δx為示值誤差;xi為被校對(duì)象示值平均值;xs為標(biāo)準(zhǔn)示值平均值。

則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可表示為:

(2)

式中,uc為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度;ux,i為被校對(duì)象引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度;ux,s為標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

3 4種參數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度實(shí)例分析

3.1 溫度

溫度標(biāo)準(zhǔn)器為標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì),其準(zhǔn)確度等級(jí)為二等。配套設(shè)備是直流測(cè)溫電橋,其準(zhǔn)確度等級(jí)為0.002級(jí);液體恒溫槽的溫度均勻性≤0.02 ℃,溫度波動(dòng)性≤±0.02 ℃/10 min。

3.1.1 由被校對(duì)象引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uT,i

在測(cè)試方案規(guī)定的環(huán)境條件下,將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和基測(cè)箱溫度傳感器同時(shí)固定于同一液體恒溫槽內(nèi)中央等高位置,選擇具有代表性的0 ℃和30 ℃溫度點(diǎn)進(jìn)行分析。調(diào)節(jié)液體恒溫槽,分別設(shè)定溫度測(cè)試點(diǎn)為0 ℃和30 ℃,當(dāng)液體恒溫槽溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí),穩(wěn)定15 min后分別讀取并記錄溫度標(biāo)準(zhǔn)器示值和基測(cè)箱溫度示值,每10 s讀取1次,連續(xù)讀取10次,分別用基測(cè)箱溫度示值減去溫度標(biāo)準(zhǔn)器示值得到單次示值誤差,計(jì)算10次示值誤差的平均值,用貝塞爾公式求得各校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差及標(biāo)準(zhǔn)偏差如表1所示。

表1 被?；鶞y(cè)箱在不同溫度校準(zhǔn)點(diǎn)上的示值誤差及標(biāo)準(zhǔn)偏差 單位:℃

因被校對(duì)象示值重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于其分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,故uT,i=0.0029 ℃。

3.1.2 由二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uT,s

對(duì)于30 ℃校準(zhǔn)點(diǎn),由于操作在較高溫度流動(dòng)介質(zhì)的恒溫槽中進(jìn)行,自熱影響可忽略不計(jì)。

因測(cè)量二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的直流測(cè)溫電橋準(zhǔn)確度等級(jí)為0.002級(jí),電阻相對(duì)誤差不大于2.0×10-5Ω,對(duì)應(yīng)溫度相對(duì)誤差不大于2.0×10-6℃,其標(biāo)準(zhǔn)不確定度uT,s3可忽略不計(jì)。

以上各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量互不相關(guān),則有:

(3)

0 ℃測(cè)試點(diǎn)uT,s≈0.0174 ℃。

30 ℃測(cè)試點(diǎn)uT,s≈0.0169 ℃。

3.1.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc及擴(kuò)展不確定度U95

用公式(2)計(jì)算其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:0 ℃測(cè)試點(diǎn)uc≈0.018 ℃;30 ℃測(cè)試點(diǎn)uc≈0.017 ℃。

取包含因子k=2,則擴(kuò)展不確定度為:0 ℃測(cè)試點(diǎn)U95=k·uc≈0.04 ℃;30 ℃測(cè)試點(diǎn)U95=k·uc≈0.04 ℃。

3.2 濕度

濕度標(biāo)準(zhǔn)器為精密露點(diǎn)儀,在測(cè)量范圍-20～40 ℃露點(diǎn)最大允許誤差為±0.15 ℃,濕度最大允許誤差為±1.0%RH,分辨力為0.01%RH。配套設(shè)備是濕度檢定箱,20℃時(shí)在有效區(qū)域內(nèi),濕度均勻度≤0.3%RH,濕度波動(dòng)度≤±0.3%RH。

3.2.1 由被校對(duì)象引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uH,i

在測(cè)試方案規(guī)定的環(huán)境條件下,將電子探空儀基測(cè)箱置于濕度檢定箱內(nèi),并將精密露點(diǎn)儀探頭和基測(cè)箱濕度感應(yīng)部分(保持濕球紗布一直浸潤在純凈水中)同時(shí)固定于電子探空儀基測(cè)箱測(cè)試區(qū)中央工作區(qū)域的等高位置上。調(diào)節(jié)濕度檢定箱,設(shè)定濕度測(cè)試點(diǎn)為具有代表性的33%RH進(jìn)行測(cè)試分析,當(dāng)濕度檢定箱內(nèi)空氣濕度到達(dá)測(cè)試點(diǎn)后穩(wěn)定15 min,分別讀取并記錄濕度標(biāo)準(zhǔn)器示值和基測(cè)箱濕度示值,每10 s讀取1次,連續(xù)讀取10次,分別用基測(cè)箱濕度示值減去濕度標(biāo)準(zhǔn)顯示值得到單次示值誤差,計(jì)算10次示值誤差的平均值,用貝塞爾公式得出示值誤差及標(biāo)準(zhǔn)偏差如表2所示。

表2 被?；鶞y(cè)箱在該濕度校準(zhǔn)點(diǎn)上的示值誤差及標(biāo)準(zhǔn)偏差 單位:%RH

由于校準(zhǔn)結(jié)果為10次平均值,所以由被校對(duì)象示值重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uH,i1≈0.009%RH。

因被校對(duì)象示值重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于其分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,故uH,i=0.029%RH。

3.2.2 由精密露點(diǎn)儀標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uH,s

在測(cè)量范圍為-20～40 ℃時(shí),精密露點(diǎn)儀露點(diǎn)的最大允許誤差為±0.15 ℃,濕度最大允許誤差為±1.0%RH。在環(huán)境溫度為20 ℃、濕度為33%RH時(shí),露點(diǎn)為3.3 ℃,則濕度最大允許誤差為±1.0%RH,取正態(tài)分布k=3,則由精密露點(diǎn)儀的準(zhǔn)確度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uH,s1≈0.33%RH。

3.2.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc及擴(kuò)展不確定度U95

用公式(2)計(jì)算其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc≈0.41%RH。

取包含因子k=2,則擴(kuò)展不確定度U95=k·uc≈0.9%RH。

3.3 氣壓

標(biāo)準(zhǔn)器為數(shù)字氣壓計(jì),分辨力為0.0001%FS,最大允許誤差為±0.1 hPa。配套設(shè)備是氣壓發(fā)生器,擴(kuò)展不確定度U=(0.02～0.04) hPa,k=2。

3.3.1 由被校對(duì)象引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uP,i

選擇常壓點(diǎn)900 hPa作為校準(zhǔn)點(diǎn),使數(shù)字氣壓計(jì)與基測(cè)箱同時(shí)與氣壓發(fā)生器連接,調(diào)節(jié)氣壓發(fā)生器到達(dá)校準(zhǔn)點(diǎn),待穩(wěn)定后,分別讀取數(shù)字氣壓計(jì)和基測(cè)箱氣壓示值,每10 s讀取1次,連續(xù)讀取10次,分別用基測(cè)箱氣壓示值減去標(biāo)準(zhǔn)器示值得到單次示值誤差,計(jì)算10次示值誤差的平均值,用貝塞爾公式求得示值誤差及標(biāo)準(zhǔn)偏差如表3所示。

表3 被?；鶞y(cè)箱在該氣壓校準(zhǔn)點(diǎn)上的示值誤差及標(biāo)準(zhǔn)偏差 單位:hPa

由于校準(zhǔn)結(jié)果為10次平均值,所以由被校對(duì)象示值重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uP,i1≈0.0010 hPa。

因被校對(duì)象示值重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于其分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,故uP,i=0.0029 hPa。

3.3.2 由氣壓標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uP,s

數(shù)字氣壓計(jì)的最大允許誤差為±0.1 hPa,取正態(tài)分布k=3,則由數(shù)字氣壓計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uP,s1≈0.033 hPa。

氣壓發(fā)生器的擴(kuò)展不確定度為U=(0.02～0.04) hPa,k=2。取最不利值,則由氣壓發(fā)生器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uP,s2≈0.02 hPa。

3.3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc及擴(kuò)展不確定度U95

用公式(2)計(jì)算其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc≈0.039 hPa。

取包含因子k=2,則擴(kuò)展不確定度U95=k·uc≈0.08 hPa。

3.4 電壓

數(shù)字多用表擴(kuò)展不確定度為U=(0.8～2.0)×10-6V,k=2。

3.4.1 由被校對(duì)象引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uV,i

在測(cè)試方案規(guī)定的環(huán)境條件下,將基測(cè)箱供電輸出線正壓、負(fù)壓接線端分別與數(shù)字多用表電壓通道正壓、負(fù)壓接線端連接。打開基測(cè)箱設(shè)置電源界面,選取12 V作為校準(zhǔn)點(diǎn),設(shè)置輸出電壓值,打開輸出電源開關(guān),通過數(shù)字多用表讀取輸出電壓值作為標(biāo)準(zhǔn)值,每10 s讀取1次標(biāo)準(zhǔn)值和基測(cè)箱輸出電壓值,連續(xù)讀取10次,分別用被?；鶞y(cè)箱輸出電壓示值減去標(biāo)準(zhǔn)器示值得到單次示值誤差,計(jì)算10次示值誤差的平均值,用貝塞爾公式求得示值誤差及標(biāo)準(zhǔn)偏差如表4所示。

表4 被?；鶞y(cè)箱在該電壓校準(zhǔn)點(diǎn)上的示值誤差及標(biāo)準(zhǔn)偏差 單位:V

由于校準(zhǔn)結(jié)果為10次平均值,所以由被校對(duì)象示值重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uV,i1≈0.010 V。

因被校對(duì)象示值重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于其分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,故uV,i≈0.029 V。

3.4.2 由數(shù)字多用表引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uV,s

從數(shù)字多用表校準(zhǔn)證書中得知數(shù)字多用表準(zhǔn)確度引入的擴(kuò)展不確定度U=(0.8～2.0)×10-6V,k=2。

U取最大值,則其標(biāo)準(zhǔn)不確定度uV,s=1.0×10-6V。

3.4.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc及擴(kuò)展不確定U95

因數(shù)字多用表引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度遠(yuǎn)小于被校對(duì)象引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,其不確定度可忽略不計(jì)。所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc=0.029 V。

取包含因子k=2,則擴(kuò)展不確定度U95=k·uc≈0.1 V。

4 結(jié)束語

JKZ型基測(cè)箱的不確定度評(píng)定需分別給出4種測(cè)量參數(shù)的不確定度,且電壓校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度即為基測(cè)箱電壓分辨力引入的不確定度。在文章所述測(cè)量條件下因分辨力引入的不確定度均大于示值重復(fù)性引入的不確定度,故在評(píng)定其他3種測(cè)量參數(shù)時(shí)忽略了基測(cè)箱示值重復(fù)性引入的不確定度,直接采用其分辨力引入的不確定度進(jìn)行了評(píng)定。但因測(cè)量條件不一致可能會(huì)導(dǎo)致示值重復(fù)性引入的不確定度偏大,故文章的評(píng)定結(jié)果適用于基本滿足上述測(cè)量條件的情況,當(dāng)測(cè)量條件基本一致時(shí)可以直接引用上述結(jié)果,其余校準(zhǔn)點(diǎn)可按照同樣方法進(jìn)行分析評(píng)定。