鉑電阻氣溫傳感器示值誤差測量不確定度評定

陳璐艷 陳 昉 余安安

(1.福建省大氣探測技術(shù)保障中心，福建 福州 350008；2.福州市氣象局，福建 福州 350008)

自動氣象站觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量對天氣預(yù)報準(zhǔn)確性產(chǎn)生直接影響，而傳感器本身的探測性能是決定氣溫觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素之一[1]。為了確保觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，必須定期對自動氣象站的傳感器按照相關(guān)規(guī)程進(jìn)行檢定，但是任何檢定結(jié)果都存在不確定度[2]。目前，不確定度的評定方法廣泛采用《測量不確定度評定與表示》(JJF1059.1-2012)，又稱GUM評定方法，主要分為標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評定方法和標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評定方法[2-4]。為了得出檢定結(jié)果更具有可信度，以及計(jì)量器具更具有可比性，本文根據(jù)自動氣象站鉑電阻溫度傳感器的相關(guān)檢定規(guī)程和測量不確定度評定方法，并結(jié)合實(shí)際工作，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析傳感器測量不確定度的影響因子，以及進(jìn)行合理的評定，使得檢定結(jié)果更具有真實(shí)性、可靠性和準(zhǔn)確性。

1 鉑電阻氣溫傳感器示值誤差測量不確定度評定模型

鉑電阻氣溫傳感器采用比較法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢定，利用二等的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)與鉑電阻氣溫傳感器做對比試驗(yàn)。在檢定過程中，將標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和被檢氣溫傳感器插入恒溫中，使二者感溫部分盡可能處于同一水平面，并設(shè)定恒溫槽工作溫度，當(dāng)槽溫達(dá)到設(shè)定溫度并穩(wěn)定后進(jìn)行讀數(shù)[5]，并計(jì)算鉑電阻氣溫傳感器和標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的差值，作為合格判據(jù)。其測量模型可表示為：

(1)

由于鉑電阻氣溫傳感器在檢定過程中存在一定誤差，對于鉑電阻氣溫傳感器的測量結(jié)果產(chǎn)生影響，假設(shè)影響量為T1，則測量模型可改進(jìn)為：

(2)

(3)

(4)

由式(4)可知，影響鉑電阻氣溫傳感器示值誤差測量不確定度的主要因子有被檢鉑電阻氣溫傳感器、標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)及氣溫檢定裝置。

2 鉑電阻氣溫傳感器示值誤差測量不確定度分量分析

2.1 被檢鉑電阻氣溫傳感器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分析

被檢鉑電阻氣溫傳感器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來源于兩方面，具體如下：

采用A類不確定度評定。取一支鉑電阻氣溫傳感器作為被檢傳感器，分辨率為0.01℃，測量范圍為-40℃～+60℃。將被檢鉑電阻氣溫傳感器與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)同時插入制冷恒溫槽中，并使二者保持在同一水平上，根據(jù)具體情況，設(shè)定檢定點(diǎn)位0℃、50℃，并連續(xù)進(jìn)行10次獨(dú)立重復(fù)測量，將被檢鉑電阻氣溫傳感器和標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的讀數(shù)分別記錄下來。具體測量結(jié)果見表1、表2。

(5)

由貝賽爾公式求單次測量結(jié)果的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差：

(6)

(7)

表1 0℃重復(fù)性試驗(yàn)測試結(jié)果 單位: ℃

表2 50℃重復(fù)性試驗(yàn)測試結(jié)果 單位:℃

(8)

2.2 標(biāo)準(zhǔn)器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分析

2.3 檢定裝置的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分析

檢定裝置的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的主要來源于三個方面。具體如下：

②數(shù)據(jù)采集器。采用的數(shù)據(jù)采集器為具有福建省計(jì)量科學(xué)研究院頒發(fā)的校準(zhǔn)證書，根據(jù)校準(zhǔn)證書的校準(zhǔn)結(jié)果可知，擴(kuò)展不確定度為0.05℃，k=2，所以u(T12)=0.05/2=0.025℃。

③制冷恒溫槽。采用的制冷恒溫槽為具有福建省計(jì)量科學(xué)研究院頒發(fā)的校準(zhǔn)證書，根據(jù)校準(zhǔn)證書的校準(zhǔn)結(jié)果可知，溫場波動性擴(kuò)展不確定度為0.005℃，k=2，所以u(T13)=0.005/2=0.0025℃，溫場均勻性擴(kuò)展不確定度為0.004℃，k=2，所以u(T14)=0.004/2=0.002℃。

因此，

3 合成不確定度評定

利用各分量標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成來產(chǎn)生合成不確定度，由式(4)可得，鉑電阻氣溫傳感器合成的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(9)

因此，當(dāng)檢定點(diǎn)為0℃時，u(Δt)≈0.039，當(dāng)檢定點(diǎn)為50℃時，u(Δt)≈0.039℃。

4 擴(kuò)展不確定度評定

取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度U=ku(Δt)=2u(Δt)，所確定的區(qū)間具有的包含概率約為95%。

因此，鉑電阻氣溫傳感器的示值誤差的擴(kuò)展不確定度，在檢定點(diǎn)為0℃時，U=0.078℃；在檢定點(diǎn)為50℃時，U=0.078℃。

由表1、表2可得，在檢定點(diǎn)0℃時，示值誤差均值為-0.072℃，則檢定結(jié)果為-0.072±0.078℃；在檢定點(diǎn)50℃時，示值誤差均值為-0.054℃，則檢定結(jié)果為-0.054±0.078℃。

5 結(jié)論

由以上分析可知，鉑電阻氣溫傳感器示值誤差測量不確定度主要來源于三個方面，分別是被檢鉑電阻氣溫傳感器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、溫度標(biāo)準(zhǔn)器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度及檢定裝置的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。其中，被檢鉑電阻氣溫傳感器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來源于示值重復(fù)性和鉑電阻氣溫傳感器分辨力；而檢定裝置的標(biāo)準(zhǔn)不確定度則是由自動測溫電橋、數(shù)據(jù)采集器、以及制冷恒溫槽中溫場波動性和溫場均勻性四方面構(gòu)成評定的。在鉑電阻氣溫傳感器示值誤差測量不確定度的評定示例中，選取比較有代表性的檢定點(diǎn)0℃和50℃，不確定評定的結(jié)果表明，0℃和50℃的合成不確定度均為0.039℃，擴(kuò)展不確定度均為0.078℃，其中被檢鉑電阻氣溫傳感器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度占的比重最小，檢定裝置的標(biāo)準(zhǔn)不確定度次之，為64.1%，溫度標(biāo)準(zhǔn)器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度占合成不確定度的比重最大，為76.9%，可以看出溫度標(biāo)準(zhǔn)器是影響其標(biāo)準(zhǔn)不確定度的主要因子,因此，在做溫度檢定時選用的溫度標(biāo)準(zhǔn)器的不確定等級應(yīng)比被檢溫度傳感器的等級要高。