JKZ型電子探空儀基測箱校準結果的不確定度評定方法

韓玉婷,第五朋朋,汪 鑫,宋 媛,金紅梅,鄭甲煒

(甘肅省氣象信息與技術裝備保障中心,蘭州 730020)

0 引言

高空氣象觀測的自動化是科技發展的必然趨勢,隨著探空儀的技術發展,JKZ型電子探空儀基測箱已替代GEZ10型且廣泛應用于氣象領域[1]。目前中國氣象部門使用的電子探空儀基測箱(簡稱“基測箱”)具有外觀新穎、使用方便、質量小、檢測數據穩定可靠等優點。

針對JKZ型電子探空儀基測箱的量值溯源,目前暫無相應的檢定規程或校準規范,全國各氣象計量技術機構依據中國氣象局氣象探測中心2018年10月下發的《電子探空儀基測箱測試方案》對基測箱進行校準。校準結果的可信度受測量誤差、校準環境、標準設備等影響,因此難以確定引入不確定度的大小[2-6]。針對這個問題,文章基于JKZ型基測箱的測量原理和校準方法,采用GUM法通過實例分別對溫度、濕度、氣壓、電壓4種參數的校準結果進行了不確定度分析和評定,為制定相應的校準規范提供理論依據。

1 電子探空儀基測箱簡介

電子探空儀基測箱是一種綜合性檢測設備,使用干濕球法測定測試區的標準溫度值和濕度值;使用氣壓傳感器給出放球地點的地面氣壓標準值;使用濕敏電容傳感器測定零點測試室的標準濕度值,符合氣象要素測量值傳遞要求,用于對探空儀的溫度、濕度、氣壓地面基值進行測定,確定探空儀是否符合施放要求。其結構原理如圖1所示。

圖1 電子探空儀基測箱結構原理圖

2 不確定度評定方法

2.1 GUM法評定不確定度的一般流程

文章采用GUM法評定不確定度,其評定的一般流程如圖2所示。

圖2 GUM法評定不確定度的一般流程

2.2 數學模型

測量數學模型是指測量結果與其直接測量的量、引用的量及影響量等有關量之間的數學函數關系[7]。

根據實際校準方法,可以認為JKZ型基測箱4種參數的測量數學模型均為:

Δx=xi-xs

(1)

式中,Δx為示值誤差;xi為被校對象示值平均值;xs為標準示值平均值。

則合成標準不確定度可表示為:

(2)

式中,uc為合成標準不確定度;ux,i為被校對象引入的標準不確定度;ux,s為標準裝置引入的標準不確定度。

3 4種參數校準結果的不確定度實例分析

3.1 溫度

溫度標準器為標準鉑電阻溫度計,其準確度等級為二等。配套設備是直流測溫電橋,其準確度等級為0.002級;液體恒溫槽的溫度均勻性≤0.02 ℃,溫度波動性≤±0.02 ℃/10 min。

3.1.1 由被校對象引入的標準不確定度uT,i

在測試方案規定的環境條件下,將標準鉑電阻溫度計和基測箱溫度傳感器同時固定于同一液體恒溫槽內中央等高位置,選擇具有代表性的0 ℃和30 ℃溫度點進行分析。調節液體恒溫槽,分別設定溫度測試點為0 ℃和30 ℃,當液體恒溫槽溫度達到設定值時,穩定15 min后分別讀取并記錄溫度標準器示值和基測箱溫度示值,每10 s讀取1次,連續讀取10次,分別用基測箱溫度示值減去溫度標準器示值得到單次示值誤差,計算10次示值誤差的平均值,用貝塞爾公式求得各校準點的示值誤差及標準偏差如表1所示。

表1 被?；鶞y箱在不同溫度校準點上的示值誤差及標準偏差 單位:℃

因被校對象示值重復性引入的標準不確定度小于其分辨力引入的標準不確定度,故uT,i=0.0029 ℃。

3.1.2 由二等標準鉑電阻溫度計標準裝置引入的標準不確定度uT,s

對于30 ℃校準點,由于操作在較高溫度流動介質的恒溫槽中進行,自熱影響可忽略不計。

因測量二等標準鉑電阻溫度計的直流測溫電橋準確度等級為0.002級,電阻相對誤差不大于2.0×10-5Ω,對應溫度相對誤差不大于2.0×10-6℃,其標準不確定度uT,s3可忽略不計。

以上各項標準不確定度分量互不相關,則有:

(3)

0 ℃測試點uT,s≈0.0174 ℃。

30 ℃測試點uT,s≈0.0169 ℃。

3.1.3 合成標準不確定度uc及擴展不確定度U95

用公式(2)計算其合成標準不確定度為:0 ℃測試點uc≈0.018 ℃;30 ℃測試點uc≈0.017 ℃。

取包含因子k=2,則擴展不確定度為:0 ℃測試點U95=k·uc≈0.04 ℃;30 ℃測試點U95=k·uc≈0.04 ℃。

3.2 濕度

濕度標準器為精密露點儀,在測量范圍-20～40 ℃露點最大允許誤差為±0.15 ℃,濕度最大允許誤差為±1.0%RH,分辨力為0.01%RH。配套設備是濕度檢定箱,20℃時在有效區域內,濕度均勻度≤0.3%RH,濕度波動度≤±0.3%RH。

3.2.1 由被校對象引入的標準不確定度uH,i

在測試方案規定的環境條件下,將電子探空儀基測箱置于濕度檢定箱內,并將精密露點儀探頭和基測箱濕度感應部分(保持濕球紗布一直浸潤在純凈水中)同時固定于電子探空儀基測箱測試區中央工作區域的等高位置上。調節濕度檢定箱,設定濕度測試點為具有代表性的33%RH進行測試分析,當濕度檢定箱內空氣濕度到達測試點后穩定15 min,分別讀取并記錄濕度標準器示值和基測箱濕度示值,每10 s讀取1次,連續讀取10次,分別用基測箱濕度示值減去濕度標準顯示值得到單次示值誤差,計算10次示值誤差的平均值,用貝塞爾公式得出示值誤差及標準偏差如表2所示。

表2 被?；鶞y箱在該濕度校準點上的示值誤差及標準偏差 單位:%RH

由于校準結果為10次平均值,所以由被校對象示值重復性引入的標準不確定度uH,i1≈0.009%RH。

因被校對象示值重復性引入的標準不確定度小于其分辨力引入的標準不確定度,故uH,i=0.029%RH。

3.2.2 由精密露點儀標準裝置引入的標準不確定度uH,s

在測量范圍為-20～40 ℃時,精密露點儀露點的最大允許誤差為±0.15 ℃,濕度最大允許誤差為±1.0%RH。在環境溫度為20 ℃、濕度為33%RH時,露點為3.3 ℃,則濕度最大允許誤差為±1.0%RH,取正態分布k=3,則由精密露點儀的準確度引入的標準不確定度分量uH,s1≈0.33%RH。

3.2.3 合成標準不確定度uc及擴展不確定度U95

用公式(2)計算其合成標準不確定度uc≈0.41%RH。

取包含因子k=2,則擴展不確定度U95=k·uc≈0.9%RH。

3.3 氣壓

標準器為數字氣壓計,分辨力為0.0001%FS,最大允許誤差為±0.1 hPa。配套設備是氣壓發生器,擴展不確定度U=(0.02～0.04) hPa,k=2。

3.3.1 由被校對象引入的標準不確定度uP,i

選擇常壓點900 hPa作為校準點,使數字氣壓計與基測箱同時與氣壓發生器連接,調節氣壓發生器到達校準點,待穩定后,分別讀取數字氣壓計和基測箱氣壓示值,每10 s讀取1次,連續讀取10次,分別用基測箱氣壓示值減去標準器示值得到單次示值誤差,計算10次示值誤差的平均值,用貝塞爾公式求得示值誤差及標準偏差如表3所示。

表3 被?；鶞y箱在該氣壓校準點上的示值誤差及標準偏差 單位:hPa

由于校準結果為10次平均值,所以由被校對象示值重復性引入的標準不確定度uP,i1≈0.0010 hPa。

因被校對象示值重復性引入的標準不確定度小于其分辨力引入的標準不確定度,故uP,i=0.0029 hPa。

3.3.2 由氣壓標準裝置引入的標準不確定度uP,s

數字氣壓計的最大允許誤差為±0.1 hPa,取正態分布k=3,則由數字氣壓計引入的標準不確定度分量uP,s1≈0.033 hPa。

氣壓發生器的擴展不確定度為U=(0.02～0.04) hPa,k=2。取最不利值,則由氣壓發生器引入的標準不確定度分量uP,s2≈0.02 hPa。

3.3.3 合成標準不確定度uc及擴展不確定度U95

用公式(2)計算其合成標準不確定度uc≈0.039 hPa。

取包含因子k=2,則擴展不確定度U95=k·uc≈0.08 hPa。

3.4 電壓

數字多用表擴展不確定度為U=(0.8～2.0)×10-6V,k=2。

3.4.1 由被校對象引入的標準不確定度uV,i

在測試方案規定的環境條件下,將基測箱供電輸出線正壓、負壓接線端分別與數字多用表電壓通道正壓、負壓接線端連接。打開基測箱設置電源界面,選取12 V作為校準點,設置輸出電壓值,打開輸出電源開關,通過數字多用表讀取輸出電壓值作為標準值,每10 s讀取1次標準值和基測箱輸出電壓值,連續讀取10次,分別用被?；鶞y箱輸出電壓示值減去標準器示值得到單次示值誤差,計算10次示值誤差的平均值,用貝塞爾公式求得示值誤差及標準偏差如表4所示。

表4 被?；鶞y箱在該電壓校準點上的示值誤差及標準偏差 單位:V

由于校準結果為10次平均值,所以由被校對象示值重復性引入的標準不確定度uV,i1≈0.010 V。

因被校對象示值重復性引入的標準不確定度小于其分辨力引入的標準不確定度,故uV,i≈0.029 V。

3.4.2 由數字多用表引入的標準不確定度uV,s

從數字多用表校準證書中得知數字多用表準確度引入的擴展不確定度U=(0.8～2.0)×10-6V,k=2。

U取最大值,則其標準不確定度uV,s=1.0×10-6V。

3.4.3 合成標準不確定度uc及擴展不確定U95

因數字多用表引入的標準不確定度遠小于被校對象引入的標準不確定度,其不確定度可忽略不計。所以合成標準不確定度uc=0.029 V。

取包含因子k=2,則擴展不確定度U95=k·uc≈0.1 V。

4 結束語

JKZ型基測箱的不確定度評定需分別給出4種測量參數的不確定度,且電壓校準結果的不確定度即為基測箱電壓分辨力引入的不確定度。在文章所述測量條件下因分辨力引入的不確定度均大于示值重復性引入的不確定度,故在評定其他3種測量參數時忽略了基測箱示值重復性引入的不確定度,直接采用其分辨力引入的不確定度進行了評定。但因測量條件不一致可能會導致示值重復性引入的不確定度偏大,故文章的評定結果適用于基本滿足上述測量條件的情況,當測量條件基本一致時可以直接引用上述結果,其余校準點可按照同樣方法進行分析評定。