鉑電阻溫度傳感器檢定結(jié)果的不確定度分析評(píng)定

蔣冬雁　陳平　李偉雄

【摘 要】目前，廣西自動(dòng)氣象站溫度的采集都是采用鉑電阻溫度傳感器，文章主要探討了鉑電阻溫度傳感器的檢定過程中所采用的方法和思路，參照《自動(dòng)氣象站溫度傳感器檢定規(guī)程》[JJG（氣象）002—2015]和《測(cè)量不確定度評(píng)定和表示》（JJF1059—2012），分析計(jì)算檢定過程中測(cè)得的數(shù)值，進(jìn)行A類和B類不確定度的分析評(píng)定，最后計(jì)算出合成不確定度和擴(kuò)展不確定度。

【關(guān)鍵詞】鉑電阻溫度傳感器;自動(dòng)氣象站;不確定度;評(píng)定

【中圖分類號(hào)】P415.12 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）04-0059-02

自動(dòng)氣象站采集的要素很多，溫度是其中一個(gè)重要的要素。溫度和人們的生活息息相關(guān)，因此獲取準(zhǔn)確有效的溫度尤為重要，而溫度的取得離不開溫度傳感器。目前國(guó)內(nèi)氣象自動(dòng)站溫度的采集主要用鉑電阻溫度傳感器。由于傳感器具有漂移性，會(huì)隨時(shí)間的推移和環(huán)境的改變等因素慢慢地出現(xiàn)一定的誤差，所以需要定期檢定或校準(zhǔn)。鉑電阻溫度傳感器檢定的依據(jù)是《自動(dòng)氣象站鉑電阻溫度傳感器檢定規(guī)程》（JJG（氣象）002—2015），因?yàn)閲?yán)格意義上真值是無法得到的，所以測(cè)量是存在誤差的。為了確保測(cè)量值接近真值，只有對(duì)檢定過程中得出的結(jié)果進(jìn)行不確定度分析和評(píng)定，才能保證鉑電阻溫度傳感器探測(cè)出的數(shù)據(jù)有效且可靠。

1 鉑電阻溫度傳感器工作原理、性能

鉑電阻溫度傳感器是利用鉑金屬特性（其阻值會(huì)隨溫度上升而變化的特性）來測(cè)量溫度的（如圖1所示）。

2 鉑電阻溫度傳感器的檢定

將溫度傳感器和標(biāo)準(zhǔn)SWJ型二等鉑電阻放置于恒溫槽中，通電、開機(jī)在溫度設(shè)定點(diǎn)穩(wěn)定15 min以上后開始計(jì)數(shù)，0.02 ℃是各讀數(shù)的最大允許誤差，根據(jù)檢定規(guī)程被測(cè)溫度傳感器與標(biāo)準(zhǔn)二等鉑電阻溫度傳感器的差值小于0.2 ℃時(shí)合格。此次檢定過程采用的溫度檢定點(diǎn)為-30 ℃、-10 ℃、0 ℃、20 ℃、50 ℃、80 ℃，為各溫度檢定點(diǎn)，每隔1 min讀取1次各檢定點(diǎn)的溫度值，共讀取6次，然后計(jì)算它們之間的差值（求值誤差）進(jìn)行測(cè)量。得出的6次誤差結(jié)果平均，其平均值選定為最優(yōu)估計(jì)值。

3 檢定結(jié)果不確定度評(píng)定

GUM法是評(píng)定測(cè)量結(jié)果的不確定度的基礎(chǔ)，評(píng)定結(jié)果不確定度的GUM法是參照《測(cè)量不確定度評(píng)定表示》（JJF 1059—2012）方法，如圖2所示。

3.1 數(shù)學(xué)模型

△t=td-ts

公式中：△t為鉑電阻溫度傳感器示值誤差;td為被測(cè)儀器的讀數(shù);ts為標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器的讀數(shù)。

3.2 A類不確定度評(píng)定

A類評(píng)定度是若干次重復(fù)測(cè)量結(jié)果平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差（見表1），先通過各檢定點(diǎn)進(jìn)行6次誤差值的測(cè)量，然后分析6次檢定值的誤差值是否存在異常值，在傳感器的測(cè)量流程中，30 s讀一次標(biāo)準(zhǔn)器和被測(cè)溫度傳感器的讀數(shù)，連續(xù)讀6次數(shù)值，由于極差法的測(cè)量次數(shù)以4～9次為宜，滿足極差法的使用條件，因此用極差法重復(fù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，并進(jìn)行計(jì)算。

U（T）=S（■）=R/C■ ℃

從JJF 1059.1—2012查表得出，當(dāng)n=6次時(shí)，C=2.53。根據(jù)查表得出的結(jié)果代入公式，計(jì)算出重復(fù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

3.3 B類不確定度評(píng)定

B類不確定度評(píng)定是通過分析各方面的信息來源，比如校準(zhǔn)證書提供的數(shù)據(jù)或以前的測(cè)量數(shù)據(jù)，檢定人員的經(jīng)驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程、規(guī)范及其他技術(shù)文件等相關(guān)信息，進(jìn)行科學(xué)判斷，得出估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。根據(jù)鉑電阻溫度傳感器的檢定特點(diǎn)分析其測(cè)量結(jié)果的B類不確定度來源，主要包括溫度場(chǎng)不均勻性、標(biāo)準(zhǔn)器引入不確定度、被測(cè)傳感器溫度表分度值。

3.4 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

由于不確定度分量相互之間獨(dú)立存在，在協(xié)方差為零的情況下用方根合成，則B類合成不確定度UB=UB12+UB22+UB32+UB42=0.036，因A、B兩個(gè)不確定度分量之間相互獨(dú)立不相關(guān)，即相關(guān)系數(shù)R1.2=0，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為UC=UA2+UB2。

各檢定點(diǎn)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度見表2。

3.5 擴(kuò)展不確定度

擴(kuò)展不確定度：U=KU，U為包含因子。

U（△T）=KU（△T）=2U（△T）

為了方便比較測(cè)量結(jié)果，擴(kuò)展不確定度一般視為正態(tài)分布，取K=2，從而計(jì)算出擴(kuò)展不確定度（見表3）。

4 結(jié)語

由于鉑電阻溫度傳感器具有漂移性，必須對(duì)鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行定期的校準(zhǔn)、檢定，對(duì)測(cè)量到的數(shù)值計(jì)算估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度和其他已有信息進(jìn)行評(píng)估，即A類和B類不確定評(píng)定，根據(jù)各輸入量之間的相關(guān)性及數(shù)學(xué)模型的非線性合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，從而計(jì)算出擴(kuò)展不確定度。通過分析計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證所用鉑電阻溫度傳感器是否符合要求。

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]