PTB330型氣壓傳感器示值誤差測量不確定度評定

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)

0 引言

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，涉及氣象預報、航空航天、工業(yè)化工等領域。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、氣壓標準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，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)果進行不確定度評定具有重要的科學意義[4]。

1 測量模型

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)。待設定的氣壓穩(wěn)定后，采集并上傳被檢氣壓傳感器和氣壓標準器的電壓值，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為氣壓標準器的示值；Pm為影響量。

2 不確定度評定

2.1 PTB330型氣壓傳感器的不確定度分量

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性和氣壓傳感器分辨力的影響[5-7]。

1)示值重復性標準不確定度分量

氣壓傳感器在規(guī)范化常規(guī)測量中，示值重復性標準不確定度評定根據(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準不確定度分量為：

(2)

2)氣壓傳感器分辨力標準不確定度分量

(3)

2.2 氣壓標準器標準不確定度分量

1)氣壓標準器誤差引入的標準不確定度分量

氣壓標準器按照檢定規(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準不確定度分量為：

(4)

式中，k為包含因子。

2)氣壓標準器分辨力標準不確定度分量

(5)

2.3 檢定裝置標準不確定度分量

1)數(shù)字壓力控制器穩(wěn)定性標準不確定度分量

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)計算機軟件數(shù)據(jù)修約標準不確定度分量

計算機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)

2.4 標準不確定度評定

1)合成標準不確定度

氣壓傳感器的合成標準不確定度由式(2)～(7)構成，具體表示為：

(8)

2)擴展不確定度

擴展不確定度U由合成標準不確定度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)

3 不確定度評定實例

選取10臺PTB330型氣壓傳感器按照JJG(氣象)001-2015《自動氣象站氣壓傳感器檢定規(guī)程》進行檢定。對其檢定數(shù)據(jù)結(jié)果進行不確定度評定，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，實驗標準偏差如表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準偏差 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準不確定度分量為：u(P′)=0.003 hPa。

2)氣壓標準器標準不確定度分量

由式(4)得到氣壓標準器誤差引入的標準不確定度分量為：u(PB)=0.046 hPa。

3)檢定裝置標準不確定度分量

4)合成標準不確定度

由式(8)得到合成標準不確定度為：

5)擴展不確定度

由式(9)得到擴展不確定度為：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，各檢定點的合成標準不確定度和擴展不確定度如表2所示。

表2 各個檢定點的合成標準不確定度和擴展不確定度 hPa

4 結(jié)束語

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)果提供了科學的參考依據(jù)。