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)的質量對天氣預報準確性產(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)質量的主要因素之一[1]。為了確保觀測數(shù)據(jù)的質量，必須定期對自動氣象站的傳感器按照相關規(guī)程進行檢定，但是任何檢定結果都存在不確定度[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，主要分為標準不確定度的A類評定方法和標準不確定度的B類評定方法[2-4]。為了得出檢定結果更具有可信度，以及計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檢定規(guī)程和測量不確定度評定方法，并結合實際工作，通過實驗數(shù)據(jù)分析傳感器測量不確定度的影響因子，以及進行合理的評定，使得檢定結果更具有真實性、可靠性和準確性。

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行實驗室檢定，利用二等的標準鉑電阻溫度計與鉑電阻氣溫傳感器做對比試驗。在檢定過程中，將標準溫度計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，并設定恒溫槽工作溫度，當槽溫達到設定溫度并穩(wěn)定后進行讀數(shù)[5]，并計算鉑電阻氣溫傳感器和標準溫度計的差值，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果產(chǎn)生影響，假設影響量為T1，則測量模型可改進為：

(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、標準溫度計及氣溫檢定裝置。

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準不確定度分析

被檢鉑電阻氣溫傳感器的標準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準溫度計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，設定檢定點位0℃、50℃，并連續(xù)進行10次獨立重復測量，將被檢鉑電阻氣溫傳感器和標準溫度計的讀數(shù)分別記錄下來。具體測量結果見表1、表2。

(5)

由貝賽爾公式求單次測量結果的實驗標準差：

(6)

(7)

表1 0℃重復性試驗測試結果 單位: ℃

表2 50℃重復性試驗測試結果 單位:℃

(8)

2.2 標準器的標準不確定度分析

2.3 檢定裝置的標準不確定度分析

檢定裝置的標準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量科學研究院頒發(fā)的校準證書，根據(jù)校準證書的校準結果可知，擴展不確定度為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量科學研究院頒發(fā)的校準證書，根據(jù)校準證書的校準結果可知，溫場波動性擴展不確定度為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

利用各分量標準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準不確定度為：

(9)

因此，當檢定點為0℃時，u(Δt)≈0.039，當檢定點為50℃時，u(Δt)≈0.039℃。

4 擴展不確定度評定

取包含因子k=2，則擴展不確定度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展不確定度，在檢定點為0℃時，U=0.078℃；在檢定點為50℃時，U=0.078℃。

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

5 結論

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準不確定度、溫度標準器的標準不確定度及檢定裝置的標準不確定度。其中，被檢鉑電阻氣溫傳感器的標準不確定度主要來源于示值重復性和鉑電阻氣溫傳感器分辨力；而檢定裝置的標準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0℃和50℃，不確定評定的結果表明，0℃和50℃的合成不確定度均為0.039℃，擴展不確定度均為0.078℃，其中被檢鉑電阻氣溫傳感器的標準不確定度占的比重最小，檢定裝置的標準不確定度次之，為64.1%，溫度標準器的標準不確定度占合成不確定度的比重最大，為76.9%，可以看出溫度標準器是影響其標準不確定度的主要因子,因此，在做溫度檢定時選用的溫度標準器的不確定等級應比被檢溫度傳感器的等級要高。