表层水温表测量结果不确定度评定

黄亚飞 巨龙 钱飞

摘要：文章以表层水温表为研究对象，根据JJG 289—2005表层水温表检定规程的要求，以计量标准器二等标准铂电阻温度计及配套设备制冷恒温槽为基础，详细分析了表层水温表温度测量值的不确定度来源，从而得到表层水温表温度示值误差的扩展不确定度，并给出了减小合成标准不确定度的方法。

关键词：表层水温表;温度;不确定度评定;二等标准铂电阻温度计;垂直度偏差

中图分类号：TB942 ;P7文献标志码：A文章编号：1005-9857（2019）05-0048-03

Evaluation of Uncertainty in Surface Temperature Measurement

HUANG Yafei，JU Long，QIAN Fei

（South China Sea Center of Ocean Standards and Metrology，SOA，Guangzhou  510700，China）

Abstract： According to the requirements of JJG 289—2005 “Surface water thermometer”，this study took the surface temperature as the subject investigated.By using the measuring standard device which including the second class standard platinum resistance thermometer and the refrigeration thermostat，the source of uncertainty of surface temperature measurement was analyzed in detail.Thus the expanded uncertainty of surface temperature indication error was obtained，and the method of reducing the combined standard uncertainty was given.

Key words：Surface water thermometer，Temperature，Evaluation of uncertainty，Grade Ⅱ standard Platinum resistance thermometer，Perpendicularity deviation

0引言

海水温度是海洋水文参数中最重要参数之一，常作为研究水团及水团运动的参数指标，同时也对研究海水温度的地理分布、海上捕捞作业等非常重要。表层海水温度一般是指水面以下0.5 m以内的水层温度，目前国内较多采用表层水温表进行测量。表层水温表除了测量海水温度，还可测量湖泊、河流、水库、池塘等表层水温。

为更加全面地分析表层水温表校准的不确定度来源，满足不确定度评定的需求，本研究参照JJG 289—2005表层水温表检定规程的方法，采用二等标准铂电阻温度计、超级测温仪、制冷恒温槽对表层水温表进行校准，通过对测量结果的不确定度评定，表明测量结果具有较窄的不确定度，满足了表层水温表不确定度的需求[1-2]。

1方案设计

1.1測试环境

实验室室温应控制在10℃ ～30℃，相对湿度不大于80%RH，本研究开展的试验在24℃的室温，50%RH的环境中进行。

1.2测量仪器

表层水温表：宁波市温度表厂，型号SWL1-1，编号159，温度测量范围为-5℃～40℃、分度值为0.2℃。二等标准铂电阻温度计：昆明特普瑞仪表有限公司，型号WZPB-2，编号8067，二等，温度测量范围为-189.344℃ ～419.527℃，溯源机构为广东省计量科学研究院，检定证书编号：RZD201803018。测温电阻比较仪：FLUKE，型号1594A，编号B08032，U=0.3×10-6℃（k=2），电阻测量范围为0～500kΩ，溯源机构为广东省计量科学研究院，检定证书编号：DYL201800332。制冷恒温槽：湖州晶觅试验设备有限公司，型号RTS-20A，编号17067，温度测量范围为-35℃～95℃，溯源机构为国家海洋局南海标准计量中心，检测证书编号：NHC2018164。读数望远镜：Odylley，型号OCC-1031。水三相点瓶：昆明特普瑞仪表有限公司，型号DFTP-1。

1.3测量方法

试验前，先测定二等标准铂电阻温度计在水三相点的Rtp电阻值，以提高标准铂电阻温度计的测量精度。将表层水温表的外壳卸下，取出温度表，将温度表和二等标准铂电阻温度计放入制冷恒温槽中，依次设定制冷恒温槽0℃、10℃、20℃、30℃、40℃，在每个温度点稳定后两个人自二等铂标准温度计至表层水温表依次循环读取两组数据并记录。为使得扩展不确定度在数值上保留两位有效数字，本研究计算标准不确定度分量时取小数点后4位[3-4]。

2测量模型

2.1温度测量模型

T=Tb-Ts

式中：T为t温度时的示值误差;

Tb为t温度时表层水温表读数平均值;

Ts为t温度时二等标准铂电阻温度计读数平均值。

2.2灵敏系数

c1=TTb=1;c2=TTs=-1

式中：c1为Tb的不确定度影响被测估计值的不确定度T的灵敏程度;

c2为Ts的不确定度影响被测估计值的不确定度T的灵敏程度。

3测量结果及不确定度评定

3.1输入量Tb标准不确定度u1i

3.1.1测量重复性引入的标准不确定度分量u11

以0℃为例，表层水温表的4次读数为0.04℃、0.04℃、0.06℃、0.06℃。测量值的标准不确定度s可由贝塞尔公式得出：

s=∑n1（Tbi-Tb）2（n-1）=0.011 5℃

式中：s为试验标准偏差，表征了测得值Tbi的分散性;

Tbi为表层水温表的实际测得值。

算术平均值Tb的标准不确定度为：

u11=sn=0.005 8℃

3.1.2表层水温表分辨率引入的标准不确定度分量u12

表层水温表分度值为0.2℃，被测量可能值区间的半宽度a为0.02℃，在此区间，服从均匀分布，按照B类不确定度评定，置信因子k取3，表层水温表分辨率引入的标准不确定度分量：

u12=ak=0.011 5℃

3.1.3读数望远镜与表层水温表垂直度引入的标准不确定度分量u13

通过实际操作，读数望远镜与表层水温表的垂直度偏差导致被测量值偏离真值达到表层水温表的半个分度值即0.1℃，被测量可能值区间的半宽度a为0.05℃，在此区间，服从均匀分布，按照B类不确定度评定，置信因子k取3，读数望远镜与表层水温表垂直度引入的标准不确定度：

u13=ak=0.028 9℃

3.2输入量Ts标准不确定度u2i

3.2.1制冷恒温槽温差及温度稳定性引入的标准不确定度分量u21

（1）根据检测证书，制冷恒温槽工作空间最大温差为0.002℃，区间的半宽度a为0.001℃，在此区间，服从均匀分布，按照B类不确定度评定，k=3，制冷恒温槽温差引入的标准不确定度为：

u′21=ak=0.000 6℃

（2）根据检测证书，制冷恒温槽10 min温度稳定性最大为0.012℃，区间半宽度a为0.006℃。在此区间，假设服从均匀分布，按照B类不确定度评定，k=3，制冷恒温槽温度稳定性引入的标准不确定度：

u″21=ak=0.003 5℃

制冷恒温槽温差及温度稳定性引入的标准不确定度分量为：

u21=u′212+u″212=0.003 6℃

3.2.2超级测温仪引入的标准不确定度分量u22

（1）超级测温仪分辨率为3×10-5Ω，被测量可能值区间的半宽度a为1.5×10-5Ω，在此区间，服从均匀分布，按照B类不确定度评定，k=3，超级测温仪分辨率标准不确定度u′22为0.000 1℃。

（2）超级测温仪测量重复性引起的标准不确定度分量u″22。

每10 s记录一次，每分钟取平均值，共测10 min，10组平均值数据为25.471 5Ω、25.471 4Ω、25.471 4Ω、25.471 6Ω、25.471 7Ω、25.471 3Ω、25.471 6Ω、25.471 4Ω、25.471 5Ω、25.471 3Ω，按照A类不确定度评定，u″22算术平均值的不确度为0.000 1℃。

超级测温仪引入的标准不确定度为：

u22=u′222+u″222=0.000 1℃

3.2.3二等標准铂电阻温度计引入的标准不确定度分量u23

（1）根据检定证书，温度扩展不确定U=5 mK，k=2，则标准不确定度

u′23=Uk=2.5 mK=0.002 5℃。

（2）根据检定证书，自热效应U为1.3 mK，在此区间服从均匀分布，按照B类不确定度评定，置信因子k取3，则标准不确定度为：

u″23=uk=0.75 mK=0.000 8℃

二等标准铂电阻温度计引入的标准不确定度分量为：

u23=u′232+u″232=0.002 6℃

3.3合成标准不确定度

以上各项标准不确定度来源彼此独立不相关如表1所示，因此0℃时，表层水温表示值误差的合成标准不确定度为：

u=u112+u122+u132+u212+u222+u232=0.032 0℃

3.4扩展不确定度

U=2u=0.064℃，k=2

4结语

采用二等标准铂电阻温度计、超级测温仪、制冷恒温槽对表层水温表的不确定度进行评定，测量结果具有较窄的不确定度，满足了表层水温表不确定度的需求。从不确定度来源可知，读数望远镜与表层水温表垂直度的标准不确定度对合成标准不确定度影响最大。在现有条件的基础上，安装测量读数望远镜与表层水温表垂直度的标准装置，可减小测量示值误差的标准不确定度。测量重复性引入的标准不确定度，可通过提高读数望远镜的放大倍数，使整个显示器屏幕显示1～1.5个表层水温表分度值，进一步减小人为读数误差。

参考文献

[1]国家质量监督检验检疫总局.JJG 289—2005表层水温表检定规程[S].北京：标准出版社，2005.

[2]国家质量监督检验检疫总局.JJF 1059.1-2012测量不确定度评定与表示[S].北京：标准出版社，2012.

[3]中国计量测试学会.一级注册计量师基础知识及专业实务[M].北京：中国质检出版社，2013.

[4]亚力坤，朱锐.热量表温度示值误差测量不确定度评定[J].计量与测试技术，2015，42（4）：63-65.