移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)風(fēng)向量值比對(duì)結(jié)果分析

雷曉妹，宋 媛，汪 鑫，第五朋朋，陳小怡

(甘肅省氣象信息與技術(shù)裝備保障中心，蘭州 730020)

0 引言

比對(duì)能考察各實(shí)驗(yàn)室測(cè)量量值的一致程度、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的可靠程度，檢查計(jì)量機(jī)構(gòu)檢定準(zhǔn)確度是否保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，考察校準(zhǔn)人員技術(shù)水平和數(shù)據(jù)處理的能力。氣象行業(yè)組織開(kāi)展比對(duì)項(xiàng)目逐漸增多，黨選發(fā)[1]、肖建輝[2]分別探討了2011年、2014年西北區(qū)域?qū)嶒?yàn)室綜合比對(duì)結(jié)果，均為比對(duì)結(jié)果的評(píng)定提供參考依據(jù)；李建英[3]、劉宇[4]針對(duì)全國(guó)大氣壓力、溫度量值比對(duì)，進(jìn)行比對(duì)結(jié)果評(píng)定；尹躍[5]分析山東省各部門(mén)測(cè)溫儀表量值比對(duì)；苗潔[6]評(píng)定了江西省氣象部門(mén)濕度比對(duì)結(jié)果，均客觀地反映了各參比實(shí)驗(yàn)室的檢定/校準(zhǔn)能力，但目前并沒(méi)有關(guān)于氣象6要素的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)比對(duì)案例。由于校準(zhǔn)系統(tǒng)中部分設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)量值溯源，不能確保量值傳遞的準(zhǔn)確、可靠、一致，2020年由甘肅省氣象計(jì)量檢定站主導(dǎo)開(kāi)展市(州)級(jí)移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)計(jì)量比對(duì)工作，14個(gè)移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)參比。文章針對(duì)此次風(fēng)向量值比對(duì)，對(duì)校準(zhǔn)方法的確定、校準(zhǔn)點(diǎn)的選擇、穩(wěn)定性的分析、不確定度的評(píng)定、異常值的判定以及比對(duì)結(jié)果的評(píng)定進(jìn)行詳細(xì)了分析。

1 比對(duì)

1.1 比對(duì)方式

此次比對(duì)采用圓環(huán)型線路和固定地點(diǎn)比對(duì)方式，在甘肅省計(jì)量檢定站完成，如圖1所示。因場(chǎng)地限制將參比單位分2組，每組7個(gè)單位，首先由主導(dǎo)單位對(duì)比對(duì)樣品進(jìn)行穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，確保比對(duì)樣品的穩(wěn)定可靠，并對(duì)樣品進(jìn)行首次實(shí)驗(yàn)室檢定，比對(duì)完成后，返回主導(dǎo)單位完成復(fù)檢。

圖1 圓環(huán)型線路

1.2 風(fēng)向比對(duì)試驗(yàn)

1.2.1 參比樣品及設(shè)備

比對(duì)采用中環(huán)天儀氣象儀器股份有限公司生產(chǎn)的編號(hào)為17070273331和17070273238的EL15-2C型風(fēng)向傳感器作為參比樣品。其計(jì)量性能如表1所示。

表1 風(fēng)向傳感器計(jì)量性能指標(biāo)

風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)裝置由標(biāo)準(zhǔn)度盤(pán)和風(fēng)向校驗(yàn)儀組成，采用JJE10型風(fēng)向校驗(yàn)儀，其性能如表2所示。

表2 風(fēng)向校驗(yàn)儀性能指標(biāo)

1.2.2 校準(zhǔn)方法

根據(jù)JJG(氣象)004-2011《自動(dòng)氣象站風(fēng)向風(fēng)速傳感器》檢定規(guī)程和參考文獻(xiàn)[7-9]，選擇0°、28°、90°、180°、239°、267°作為比對(duì)校準(zhǔn)點(diǎn)。校準(zhǔn)前首先將風(fēng)向傳感器樣品安裝在標(biāo)準(zhǔn)度盤(pán)上，固定在平坦的工作臺(tái)面上，并保持水平，然后將傳感器插座、度盤(pán)插座與采集器相連，然后安裝風(fēng)向標(biāo)、調(diào)節(jié)定位叉使風(fēng)向標(biāo)保持水平，打開(kāi)電源預(yù)熱5 min后開(kāi)始校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)時(shí)，先調(diào)整風(fēng)向標(biāo)、指北線與標(biāo)準(zhǔn)度盤(pán)的0°點(diǎn)對(duì)齊，在采集器上讀取標(biāo)準(zhǔn)度盤(pán)的值作為標(biāo)準(zhǔn)值，風(fēng)向傳感器示值作為測(cè)量值，由于采集器顯示為格雷碼，需要查表找到對(duì)應(yīng)的風(fēng)向值，記錄數(shù)據(jù)，0°校準(zhǔn)完成。以同樣的方法按照校準(zhǔn)點(diǎn)依次校準(zhǔn)，直至完成所有校準(zhǔn)點(diǎn)。

1.2.3 示值誤差

各校準(zhǔn)點(diǎn)示值誤差計(jì)算公式：

ΔE=e-E

(1)

式中，e為校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量值；E為校準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值。

2 比對(duì)結(jié)果分析

2.1 比對(duì)樣品穩(wěn)定性分析

樣品的穩(wěn)定性是比對(duì)能夠正常進(jìn)行的關(guān)鍵，主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室通過(guò)多次試驗(yàn)確保樣品的穩(wěn)定。按照要求，樣品比對(duì)前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室初檢，比對(duì)完成后返回實(shí)驗(yàn)室復(fù)檢，若初檢誤差和復(fù)檢誤差相差不超過(guò)最大允許誤差，則穩(wěn)定性較好，滿足比對(duì)要求，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。樣品17070273331和17070273238的初檢、復(fù)檢結(jié)果分別如表3、表4所示。可以看出，復(fù)檢與初檢示值誤差差值的最大值|ΔEf1-ΔEc1|max=|ΔEf2-ΔEc2|max=3°，均小于最大允許誤差5°。按照比對(duì)穩(wěn)定性的要求，可以判定兩個(gè)樣品在此時(shí)間段內(nèi)穩(wěn)定性滿足要求。

表3 樣品17070273331穩(wěn)定性 °

表4 樣品17070273238穩(wěn)定性 °

2.2 比對(duì)數(shù)據(jù)

選擇穩(wěn)定性更好的樣品17070273331進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用格拉布斯準(zhǔn)則[10，11]判別數(shù)據(jù)異常情況。

在所有比對(duì)數(shù)據(jù)中，若殘差絕對(duì)值滿足公式(2)，則可以判定可疑值xd為異常值，應(yīng)予以剔除。

(2)

(3)

統(tǒng)計(jì)參比單位測(cè)量結(jié)果，α=0.05時(shí)，14個(gè)參比單位在對(duì)應(yīng)校準(zhǔn)點(diǎn)的殘差絕對(duì)值的臨界值為G(0.05，14)=2.37 s。各校準(zhǔn)點(diǎn)通過(guò)計(jì)算殘差絕對(duì)值的最大值均小于對(duì)應(yīng)的臨界值，測(cè)量數(shù)據(jù)均無(wú)異常值。

2.3 測(cè)量結(jié)果不確定度

汲取已有的不確定度評(píng)定方案[12-15]，結(jié)合比對(duì)裝置主要考慮風(fēng)向校驗(yàn)儀引入的不確定度，依據(jù)GUM法評(píng)定流程分析。

連續(xù)測(cè)量?jī)x器10次，得到數(shù)據(jù)如表5所示。測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA=0°。

表5 10次測(cè)量示值誤差 °

2.4 比對(duì)結(jié)果評(píng)價(jià)

根據(jù)量值比對(duì)通用能力驗(yàn)證評(píng)價(jià)原則中歸一化偏差值進(jìn)行評(píng)價(jià)，歸一化偏差公式：

(4)

式中，Eni為第i個(gè)參比單位在某個(gè)測(cè)量點(diǎn)上En值；yi為第i個(gè)參比單位在某個(gè)測(cè)量點(diǎn)上的示值誤差；y為在某個(gè)測(cè)量點(diǎn)上的參考值，取檢定站首末2次檢定數(shù)據(jù)平均值；Ui為第i個(gè)參比單位在某個(gè)測(cè)量點(diǎn)上的擴(kuò)展不確定度；U為參考值的擴(kuò)展不確定度。若|En|≤1，則校準(zhǔn)結(jié)果滿意；若|En|>1，則結(jié)果不滿意。統(tǒng)計(jì)各參比校準(zhǔn)點(diǎn)不確定度，Ui均為2，代入式(4)，計(jì)算得出對(duì)應(yīng)的|En|。

經(jīng)計(jì)算可以得出，平?jīng)觥⑻m州在239°校準(zhǔn)點(diǎn)，天水在90°校準(zhǔn)點(diǎn)，白銀、甘南、嘉峪關(guān)在267°校準(zhǔn)點(diǎn)，歸一化偏差絕對(duì)值均為2，比對(duì)結(jié)果不滿意；其余歸一化偏差絕對(duì)值均不大于1，比對(duì)結(jié)果滿意。

結(jié)合比對(duì)實(shí)施過(guò)程，深入分析造成比對(duì)結(jié)果不滿意的可能原因，并提出以下建議：

1)參比單位風(fēng)向校準(zhǔn)裝置未經(jīng)溯源，因此不能保證校準(zhǔn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，建議定期送檢校準(zhǔn)，有條件的情況下，更新校準(zhǔn)裝置；

2)校準(zhǔn)員手動(dòng)進(jìn)行度盤(pán)和風(fēng)向標(biāo)對(duì)齊時(shí)存在偏離，導(dǎo)致隨機(jī)誤差偏大，因此一定要垂直對(duì)齊；

3)格雷碼顯示不穩(wěn)定，導(dǎo)致讀數(shù)存在偏差，且偏差較大為3°，需要多次讀數(shù)確定測(cè)量結(jié)果；

4)參比單位校準(zhǔn)不確定度評(píng)定不合理，未考慮現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的環(huán)境因素，以及隨機(jī)誤差引入的不確定度分量，建議參比單位進(jìn)行不確定度分析和評(píng)定培訓(xùn)，提升校準(zhǔn)能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

此次比對(duì)客觀、真實(shí)地反映了各市(州)級(jí)移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的測(cè)量能力，加強(qiáng)了參比單位校準(zhǔn)人員技術(shù)水平和數(shù)據(jù)處理的能力，確保了計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)及配套設(shè)備量值傳遞的可靠性，對(duì)統(tǒng)一量值傳遞起到了重要作用。

文章通過(guò)對(duì)風(fēng)向比對(duì)結(jié)果的分析也發(fā)現(xiàn)諸多問(wèn)題，如部分校準(zhǔn)人員報(bào)告書(shū)寫(xiě)不規(guī)范、示值誤差計(jì)算錯(cuò)誤、測(cè)量不確定度評(píng)定考慮不全等。在以后的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作中還需加強(qiáng)校準(zhǔn)人員的技術(shù)培訓(xùn)，規(guī)范校準(zhǔn)設(shè)備的維護(hù)和管理，提升校準(zhǔn)人員不確定度分析能力。