氣象測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)誤差

劉紅霞 ， 黃 玲 ， 蔣 惠

（1.成都信息工程學(xué)院，四川 成都 610225；2.塔城地區(qū)氣象局，新疆 塔城 834700；3.呼圖壁縣氣象局，新疆 昌吉 831200）

0 引 言

在氣象測(cè)試中離不開壓力、溫度、濕度、風(fēng)向的測(cè)量，為滿足氣象高精度測(cè)試的要求，通常配備了大量的數(shù)據(jù)測(cè)量、采集系統(tǒng)。對(duì)其實(shí)施準(zhǔn)確的校準(zhǔn)是控制測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)確度的主要途徑，也是保證測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信的必要手段。

1 國(guó)內(nèi)外進(jìn)展情況

其實(shí)，國(guó)內(nèi)外早就有“現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)”的做法，但由于當(dāng)時(shí)準(zhǔn)確度低，在現(xiàn)場(chǎng)主要檢查儀器、儀表是否正常，還不能用來校準(zhǔn)工作特性，也沒有“現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)”的說法。

由于現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件和計(jì)量室的環(huán)境條件不一樣，使得在計(jì)量室校準(zhǔn)獲得的工作特性不能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作條件的需要，從而促進(jìn)對(duì)實(shí)際工作環(huán)境和工作條件的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)的研究，尤其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)儀的溯源和校準(zhǔn)規(guī)范問題的解決。近年來，隨著ISO 9000標(biāo)準(zhǔn)的貫徹，提出了從產(chǎn)品研制生產(chǎn)過程中，從設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)試驗(yàn)和使用過程中都要實(shí)施“計(jì)量保證”的措施。現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)就是測(cè)試儀表在使用過程中實(shí)施“計(jì)量保證”的有力措施之一。

2 測(cè)量誤差

2.1 測(cè)量誤差源

測(cè)試系統(tǒng)的每個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)都可能存在著測(cè)量誤差，造成測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)量通道的基本誤差源可分為：

（1）校準(zhǔn)誤差源；（2）數(shù)據(jù)采集誤差源；（3）數(shù)據(jù)處理誤差源。

2.2 測(cè)量誤差的分類

按照測(cè)量結(jié)果中存在誤差的特點(diǎn)與性質(zhì)不同，測(cè)量誤差可分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。需說明的是，雖可將誤差分為3類，但各類誤差在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)換。

3 測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性與數(shù)據(jù)處理

3.1 概述

測(cè)試系統(tǒng)與其輸入、輸出之間的關(guān)系如圖1所示，其中x和y分別表示輸入量和輸出量，H（t）表示系統(tǒng)的傳遞特性，3者之間一般有如下3種關(guān)系：

圖1 測(cè)試系統(tǒng)框圖

（1）若已知輸入量和系統(tǒng)的傳遞關(guān)系，則可求出系統(tǒng)的輸出量；

（2）已知系統(tǒng)的輸入量和輸出量，則可知道系統(tǒng)的傳遞特性；

（3）已知系統(tǒng)的傳遞特性和輸出量，來推知系統(tǒng)的輸入量。

測(cè)試系統(tǒng)的輸出量y和輸入量x之間的函數(shù)關(guān)系如式（1），這一關(guān)系和時(shí)間無關(guān)，通常可以描述為

式中：ai——測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)定系數(shù)，反映了系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線的形態(tài)。當(dāng)式（1）寫成

時(shí)，系統(tǒng)的靜態(tài)特性為一條直線，稱a0為零位輸出，a1為靜態(tài)傳遞系數(shù)（或靜態(tài)增益）。通常測(cè)試系統(tǒng)的零位是可以補(bǔ)償?shù)模瓜到y(tǒng)的靜態(tài)特性變?yōu)?/p>

這時(shí)稱測(cè)試系統(tǒng)為線性的。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)標(biāo)定

靜態(tài)標(biāo)定就是將原始基準(zhǔn)器，或比被標(biāo)定系統(tǒng)準(zhǔn)確度高的各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，或已知輸入源作用于測(cè)試系統(tǒng)得出測(cè)試系統(tǒng)的激勵(lì)——相應(yīng)關(guān)系的試驗(yàn)操作。

標(biāo)定的主要作用是：

（1）確定測(cè)試系統(tǒng)的輸入－輸出關(guān)系，賦予測(cè)試系統(tǒng)分度值；

（2）確定測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)；

（3）消除系統(tǒng)誤差，改善測(cè)試系統(tǒng)的正確度。

通過標(biāo)定，可得到測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)值γi和激勵(lì)值xi之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，稱為測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性，可以用一個(gè)多項(xiàng)式表示，即

式（4）稱為測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型。靜態(tài)特性可用一條曲線表示，該曲線稱為測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性曲線，有時(shí)也稱靜態(tài)校準(zhǔn)曲線或靜態(tài)標(biāo)定曲線，一般都以平均特性曲線作為測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性。

3.3 測(cè)量不確定性的數(shù)學(xué)模型

測(cè)量的不確定性用不確定度表示：用測(cè)量的系統(tǒng)誤差和精密度（表征測(cè)量結(jié)果中隨機(jī)誤差大小的程度）的合成表示。不確定度按其數(shù)值評(píng)定方法的不同分為A、B兩類。計(jì)算使用“疊加”和“方根和”兩種數(shù)學(xué)模型（建議采用置信概率為95%）。

（1）疊加模型：

U=B+Ur（置信概率為99%）

4 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)

4.1 校準(zhǔn)目的

提高測(cè)試參數(shù)的準(zhǔn)確度，并使測(cè)試參數(shù)可溯源到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。如實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量精度要求高（比如壓力、溫度、濕度測(cè)量），此時(shí)，地方校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)不能滿足預(yù)期要求，則現(xiàn)場(chǎng)使用的工作標(biāo)準(zhǔn)直接越級(jí)溯源到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家最高標(biāo)準(zhǔn)。但值得注意的是，在估算該項(xiàng)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)溯源鏈誤差時(shí)，誤差源則為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)減去現(xiàn)場(chǎng)工作標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)減去現(xiàn)場(chǎng)工作標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 信號(hào)接入方式

在現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)各類測(cè)量通道時(shí)，一般接入的為物理信號(hào)源（標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源），然后對(duì)包含傳感器或變送器在內(nèi)的各個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)組成的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

4.3 測(cè)量誤差計(jì)算

4.3.1 校準(zhǔn)誤差

校準(zhǔn)誤差是測(cè)試系統(tǒng)的主要誤差，通過校準(zhǔn)（檢定）可測(cè)得系統(tǒng)的主要誤差值而予以修正。

（1）平均值計(jì)算

正行程平均值：

（2）回程誤差計(jì)算

（3）校準(zhǔn)系統(tǒng)誤差分量的計(jì)算

（4）實(shí)際校準(zhǔn)偏差的計(jì)算

對(duì)呈正態(tài)分布的重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)，按式（10）進(jìn)行計(jì)算：

（5）校準(zhǔn)隨機(jī)誤差的計(jì)算

對(duì)正態(tài)分布隨機(jī)誤差不確定度上限的計(jì)算公式為

式中：t95——學(xué)生氏分布的“t”因子，在置信概率為95%重復(fù)測(cè)量次數(shù)n=50（自由度μ=n-1）時(shí)，由t 分布，可查 t95≈2；

s——標(biāo)準(zhǔn)偏差，按式（10）計(jì)算的實(shí)際值代入。

4.3.2 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理誤差

數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理誤差視其測(cè)量通道種類和測(cè)量環(huán)節(jié)組成的不同，來具體確定誤差種類和數(shù)量。但是，環(huán)境影響誤差和安裝方法影響誤差產(chǎn)生的附加誤差分量均是存在的，必須認(rèn)真分析確定。

4.4 誤差的合成

4.4.1 系統(tǒng)誤差分量的合成

對(duì)于各相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)誤差分量Bij，可用“方和根”方法進(jìn)行合成。

當(dāng)未修正的系統(tǒng)誤差呈均勻分布時(shí)，應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)“方和根”方法合成的基礎(chǔ)上，對(duì)合成后的系統(tǒng)誤差乘上k倍的范圍因子，即得合成后總的系統(tǒng)誤差。

式中：k——范圍因子，當(dāng)置信概率為95%，取k=1.1，如果未修正得系統(tǒng)誤差呈均勻分布，取k=1，本報(bào)告取k=1.1；

i——在j類誤差中第i種誤差；

j——測(cè)試系統(tǒng)誤差類別；

ΔBij——第j類、i類系統(tǒng)誤差分量絕對(duì)值。

4.4.2 隨機(jī)誤差分量得合成

對(duì)各種隨機(jī)誤差分量（ΔUr）ij2，可用“方和根”方法進(jìn)行合成。

式中：（ΔUr）ij——第j類、i種隨機(jī)誤差分量絕對(duì)值。4.4.3 測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差極限

4.5 系統(tǒng)附加誤差分量的計(jì)算

（1）在校準(zhǔn)系統(tǒng)中已包括得測(cè)量環(huán)節(jié)不再參與計(jì)算，只是在數(shù)據(jù)采集中的小環(huán)節(jié)引起得附加系統(tǒng)誤差分量仍需逐一計(jì)算。

（2）原則上，把那些數(shù)值固定或遵循一定規(guī)律變化的誤差，以及環(huán)境溫度變化和時(shí)間漂移引起系統(tǒng)增益和零漂等附加誤差，均可視為系統(tǒng)誤差分量。而把那些無規(guī)律可循或隨機(jī)變化的誤差，如系統(tǒng)或測(cè)量環(huán)節(jié)的測(cè)量不重復(fù)性誤差、干擾、噪聲誤差等視為隨機(jī)誤差分量。

5 結(jié)束語

本文初步探討了氣象專業(yè)測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)的原理以及測(cè)量誤差評(píng)定的方法，該方法能夠比較容易在現(xiàn)場(chǎng)得到實(shí)施和運(yùn)用，對(duì)于提高測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試可信度有較大幫助，實(shí)踐證明該方法具有較高的合理性與先進(jìn)性。

[1]JJG 1048—1995數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1995.

[2]趙慶海.測(cè)試技術(shù)與工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.