海洋環(huán)境自動觀測系統(tǒng)氣壓現(xiàn)場校準(zhǔn)方法及不確定度評定

蘇繼琨，林雪麗，張濤，高昆，孫蕾，谷貝，辛阿阿

(國家海洋局北海標(biāo)準(zhǔn)計量中心 青島 266033)

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海洋環(huán)境自動觀測系統(tǒng)氣壓現(xiàn)場校準(zhǔn)方法及不確定度評定

蘇繼琨，林雪麗，張濤，高昆，孫蕾，谷貝，辛阿阿

(國家海洋局北海標(biāo)準(zhǔn)計量中心 青島 266033)

文章依據(jù)JJG(海洋)01-1994《海洋資料浮標(biāo)傳感器檢定規(guī)程》[1]、JJG860-1994《壓力傳感器(靜態(tài))檢定規(guī)程》以及2013年8月13日最新實(shí)施的JJG1084-2013《數(shù)字式氣壓計檢定規(guī)程》，結(jié)合海洋環(huán)境監(jiān)測站和海洋資料浮標(biāo)的海洋環(huán)境自動觀測系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場校準(zhǔn)工作，研究總結(jié)了應(yīng)用0.02級數(shù)字式氣壓計在現(xiàn)場校準(zhǔn)0.1級氣壓傳感器的校準(zhǔn)方法，并在實(shí)際工作中得到使用，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。依據(jù)JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》，運(yùn)用測量結(jié)果不確定度評定與表示方法，對測量結(jié)果不確定度進(jìn)行了評定。符合條件要求的測量結(jié)果，一般可參照使用本不確定度的評定方法。

海洋環(huán)境自動觀測系統(tǒng)；氣壓傳感器；校準(zhǔn)方法；不確定度

歷年來，國家海洋局北海標(biāo)準(zhǔn)計量中心承擔(dān)著對北海區(qū)已納入全國觀測預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行的海洋環(huán)境監(jiān)測站自動觀測系統(tǒng)和海洋資料浮標(biāo)傳感器開展現(xiàn)場計量校準(zhǔn)工作。派遣優(yōu)秀的技術(shù)人員，腳步遍及海洋臺站的每一座山、每一個島、每一個海上浮標(biāo)，對自動觀測系統(tǒng)的所有傳感器進(jìn)行現(xiàn)場示值比對校準(zhǔn)，確保了量值溯源，保證了監(jiān)測設(shè)備的準(zhǔn)確可靠，為海洋環(huán)境觀測預(yù)報提供了有力保障。

現(xiàn)場實(shí)際比對校準(zhǔn)工作與實(shí)驗(yàn)室檢測工作不同，在符合規(guī)程對實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求同時，所采取的實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)依據(jù)檢定規(guī)程結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行。本文基于海洋環(huán)境監(jiān)測站和海洋資料浮標(biāo)的海洋環(huán)境自動觀測系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場校準(zhǔn)工作， 依據(jù)JJG(海洋)01-1994《海洋資料浮標(biāo)傳感器檢定規(guī)程》[1]、JJG860-1994《壓力傳感器(靜態(tài))檢定規(guī)程》[2]以及2013年8月13日最新實(shí)施的JJG1084-2013《數(shù)字式氣壓計檢定規(guī)程》[3]，把氣壓傳感器實(shí)驗(yàn)室檢定方法與現(xiàn)場校準(zhǔn)工作進(jìn)行比較，從而研究討論適用于現(xiàn)場校準(zhǔn)氣壓傳感器的方法和不確定度評定。

1 氣壓傳感器的現(xiàn)場校準(zhǔn)方法

在實(shí)驗(yàn)室中檢定氣壓傳感器依據(jù)JJG(海洋)01-1994《海洋資料浮標(biāo)傳感器檢定規(guī)程》[1]和JJG860-1994《壓力傳感器(靜態(tài))檢定規(guī)程》[2]。規(guī)程要求使用雙管水銀氣壓表或數(shù)字式氣壓計作為標(biāo)準(zhǔn)器，要求單獨(dú)取氣壓傳感器對其進(jìn)行輸出電壓測量。而現(xiàn)場實(shí)際情況是適宜要求便攜和精確的氣壓標(biāo)準(zhǔn)器，且自動觀測系統(tǒng)為各種氣象數(shù)據(jù)傳感器的集成設(shè)備，單獨(dú)的傳感器不宜拆卸。所以在實(shí)際現(xiàn)場校準(zhǔn)自動觀測系統(tǒng)的0.1級氣壓傳感器時，我們采用0.02級數(shù)字氣壓計作為標(biāo)準(zhǔn)器，利用自動觀測系統(tǒng)設(shè)備為實(shí)時數(shù)字顯示的特性，結(jié)合JJG1084-2013《數(shù)字式氣壓計檢定規(guī)程》[3]，總結(jié)了現(xiàn)場校準(zhǔn)方法。

1.1 范圍

本校準(zhǔn)方法適用于測量范圍在800～1 100 hPa內(nèi)海洋環(huán)境自動觀測系統(tǒng)氣壓傳感器的使用中校準(zhǔn)。

1.2 引用文件

JJG1084-2013 數(shù)字式氣壓計[3]；JJG(海洋)01-1994海洋資料浮標(biāo)傳感器[1]；JJG860-1994壓力傳感器(靜態(tài))[2]。

1.3 技術(shù)要求

(1)傳感器結(jié)構(gòu)應(yīng)完整，接口明顯，內(nèi)部結(jié)構(gòu)密閉，接(插)件應(yīng)牢固，不應(yīng)有松動現(xiàn)象。

(2)傳感器應(yīng)標(biāo)明型號、編號、測量范圍、制造單位或商標(biāo)等信息。

(3)采集數(shù)據(jù)應(yīng)在自動觀測系統(tǒng)顯示界面實(shí)時顯示，要求更新時間不大于2 s。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)器及輔助設(shè)備

標(biāo)準(zhǔn)器為數(shù)字氣壓計，測量范圍應(yīng)覆蓋被測設(shè)備的測量范圍，最大允許誤差的絕對值應(yīng)不大于被測設(shè)備最大允許誤差絕對值的1/3。輔助設(shè)備為壓力控制裝置。

1.5 環(huán)境條件

環(huán)境溫度：(20±2)℃；環(huán)境濕度：不大于80%RH。

1.6 校準(zhǔn)方法

校準(zhǔn)方法包括：① 外觀及功能檢測；② 校準(zhǔn)時傳壓介質(zhì)選用潔凈干燥的空氣；③ 傳感器示值誤差的校準(zhǔn)按圖1所示的方式連接；④ 校準(zhǔn)時應(yīng)盡量使氣壓傳感器壓力參考位置與標(biāo)準(zhǔn)器壓力參考位置在同一水平面上；⑤ 校準(zhǔn)前應(yīng)對校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行密封性檢測；⑥ 在傳感器測量范圍內(nèi)均勻選取不少于6個整10 hPa檢定點(diǎn)，逐點(diǎn)對傳感器進(jìn)行升壓(降壓)試驗(yàn)，壓力控制裝置在校準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)壓波動在±1 hPa內(nèi)，待被測系統(tǒng)顯示數(shù)字不變時記錄數(shù)據(jù)。此工作重復(fù)不少于3次循環(huán)。

圖1 傳感器示值誤差校準(zhǔn)氣路連接方式

1.7 計算被測傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差

按式(1)和式(2)分別計算氣壓傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)正行程、反行程示值誤差，即

(i=1,2,…,m)

(1)

(i=1,2,…,m)

(2)

按式(3)和式(4)分別計算氣壓傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)正行程、反行程示值誤差的平均值，即

(i=1,2,…,m)

(3)

(i=1,2,…,m)

(4)

按式(5)分別計算氣壓傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)示值誤差的平均值，即

(i=1,2,…，m)

(5)

2 不確定度評定

2.1 測量依據(jù)

依據(jù)JJG1084-3013《數(shù)字式氣壓計檢定規(guī)程》[2]和JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》[4]進(jìn)行測量。

2.2 測量標(biāo)準(zhǔn)

0.02級數(shù)字氣壓計，測量范圍為600～1 100 hPa，最大允許誤差為0.02%FS。

2.3 測量方法

選定一臺0.1級氣壓傳感器，其測量范圍為800～1 100 hPa，最大允許誤差為0.1%FS。用標(biāo)準(zhǔn)器在要求環(huán)境下對其進(jìn)行升降壓比對。逐點(diǎn)讀取被測傳感器響應(yīng)示值，被測傳感器響應(yīng)示值與標(biāo)準(zhǔn)器產(chǎn)生的壓力值之差為該傳感器的示值誤差。

2.4 評定結(jié)果的使用

符合上述條件的測量結(jié)果，一般可參照使用本不確定度的評定方法。

2.5 數(shù)學(xué)模型

建立不確定度計算的數(shù)學(xué)模型，即

Δp=pR-pS+δpH

(6)

式中：Δp為傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差；pR為傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)正反行程示值；pS為標(biāo)準(zhǔn)器修正后各校準(zhǔn)點(diǎn)正反行程示值；δpH為傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)由高度差引起的示值誤差修正值。

2.6 不確定度分量的來源及其評定

2.6.1 示值重復(fù)性引起的不確定度分量u1(pR)

在被測氣壓傳感器量程范圍內(nèi)均勻選取7個校準(zhǔn)點(diǎn)，每個校準(zhǔn)點(diǎn)正反行程循環(huán)比對5次。此項(xiàng)不確定度類型為A類，概率分布為正態(tài)分布，由示值重復(fù)性引起的不確定度分量

(7)

不確定度分量見表1所示。

表1 示值重復(fù)性引起的不確定度分量

2.6.2 被測數(shù)字氣壓計分辨力引起不確定度分量u2(pR)

被測數(shù)字氣壓計的分辨力為0.1hPa，此項(xiàng)不確定度類型為B類，概率分布為均勻分布。由此引起的不確定度分量為

(8)

2.6.3 標(biāo)準(zhǔn)器最大允許誤差所產(chǎn)生的不確定度分量u3(pS)

選用的標(biāo)準(zhǔn)器最大允許誤差為0.2hPa，此項(xiàng)不確定度類型為B類，概率分布為均勻分布。由此引起的不確定度分量為

(9)

2.6.4 工作介質(zhì)高度差誤差修正值引起的不確定度分量u4(pH)

依據(jù)JJG1084-2013《數(shù)字式氣壓計檢定規(guī)程》[3]，由參考位置高度差引起的示值誤差應(yīng)不超過被測氣壓計最大允許誤差的1/10，在此為0.1hPa。此項(xiàng)不確定度類型為B類，概率分布為均勻分布，由此引起的不確定度分量為

(10)

2.7 合成測量不確定度

不確定度分量匯總見表2所示。

表2 合成測量不確定度

以上各量互不相關(guān)，故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(11)

2.8 擴(kuò)展不確定度

被測氣壓傳感器示值誤差的測量結(jié)果符合正態(tài)分布，置信概率為95%，此時擴(kuò)展因子k=2，擴(kuò)展不確定度為

U=2uc(Δp)

(12)

示值誤差測量結(jié)果不確定度報告見表3。

2.9 不確定度驗(yàn)證

采用傳遞比較法[5]，用該標(biāo)準(zhǔn)器對經(jīng)上級標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)符合要求的氣壓傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)(表4)。

表3 擴(kuò)展不確定度

表4 不確定度驗(yàn)證

如表4所示，對比結(jié)果最大差值為0.04 hPa，滿足∣y-y0∣≤U的條件，所以該測量不確定度得到驗(yàn)證。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該應(yīng)用0.02級數(shù)字式氣壓計在現(xiàn)場校準(zhǔn)0.1級氣壓傳感器的校準(zhǔn)方法及示值誤差測量不確定度評定符合JG1084-2013《數(shù)字式氣壓計檢定規(guī)程》[3]和JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》[4]的要求，可以開展相關(guān)工作。

[1] 國家海洋局. JJG(海洋)01-1994海洋資料浮標(biāo)傳感器[S].1994.

[2] 國家技術(shù)監(jiān)督局. JJG860-1994壓力傳感器(靜態(tài))[S].1994.

[3] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG1084-2013數(shù)字式氣壓計[S].2013.

[4] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF1059-1999測量不確定度評定與表示[S].1999.

[5] 中國計量測試學(xué)會壓力專業(yè)委員會.壓力測量不確定度評定[M].北京:中國計量出版社，2006.

P71

A

1005-9857(2015)08-0092-04