PTB210气压传感器检定结果不确定度分析与评定

文/张敏

随着气象自动化进程加快及自动气象观测仪器的普遍使用，目前山西109个国家气象站已全部安装了两套自动气象站，各站测量气压采用的仪器均为芬兰维萨拉公司生产的PTB210型气压传感器和PTB330型气压传感器。气压传感器设备是对压力参数进行显示、记录、监控的设备，其准确度和可靠性直接影响到气象数据质量的可靠性，由于受非线性、迟滞性、非重复性、温度、零点偏置刻度的影响以及随着使用时间引起的线性漂移，气压传感器的各项性能指标会发生变化，为了保证仪器性能稳定以及观测数据可靠、准确并且具有可比性，要定期对气压传感器进行检定。目前全国气象部门计量检定主要利用数字气压计和压力校准仪作为标准器的检定系统对气压传感器进行检定，大部分气象传感器检定结果仅仅是被测量的估计值，其可信程度并未以测量不确定度进行定量表示。气象计量工作者的职责是保证自动站传感器性能的准确可靠。不确定度的评定对于气象计量工作的开展非常重要。本文通过建立气压传感器检定结果不确定度评定模型，确定影响检定结果不确定的来源，对检定结果进行不确定度评定，进行科学的结果表示，对于保证我省气象数据的准确可靠具有极为重要的作用。

1 概述

1.1 评定依据

JJF 1059.1-2012 《测量不确定度评定与表示》。

1.2 测量条件

温度：20.8℃-21℃；环境湿度：53.45%RH；气压：930.265hPa。

1.3 实验室工作标准

环境发生装置：CPC6000，测量范围(500～1100)hPa，分辨力0.01hPa。

工作标准装置：745-16B，编号：115109，测量范围（500～1100）hPa，最大允许误差±0.10hP。

2 方法与测量模型

2.1 测量方法

将745数字气压计、CPC6000压力校准仪组成气压检定标准装置。被检气压传感器为3台性能良好的PTB210气压传感器，对密封性检查后，在（500-1100）hPa的气压测试点上进行压力循环的检定，每个测试点稳定后，分别读取气压标准器和被检传感器示值，共读10次；当一个检定点检定完成，调整到下一个检定点继续读取数据，直到一个循环结束。在检定过程中，应平稳升压和降压，并逐一读取相应数据，计算气压传感器的示值误差。

表1：重复性引入的不确定度

图1：检定结果不确定度评定流程

2.2 不确定度评定方法

检定结果的测量不确定度由若干分量组成，分量用概率分布的标准偏差表征，称为标准不确定度，用ui表示。对被测量一系列测得值xi得到的实验标准偏差的方法为A类评定。根据有关信息估计的先验概率分布得到标准偏差估计值的方法为B类评定。检定结果的不确定度评定流程如图1。

2.3 测量模型

选取性能良好的PTB210气压传感器作为被测量对象，建立气压传感器检定结果不确定度评定模型。

3 不确定度来源

PTB210气压传感器测量结果不确定度的来源有：

（1）示值重复性测量引入的标准不确定度；

（2）标准器修正值引入的不确定度；

（3）测量系统引入的不确定度；

（4）计算机数据处理带来的修约误差。

4 各类不确定度分量的评定

4.1 A类标准不确定度评定

重复性测量引入的不确定度为A类不确定度，在复现性条件下对传感器示值误差重复测量10次，得到10个测量值xi。被测量X的最佳估计值是10个独立测得值的算术平均值，计算公式为：

式中：

n—测量次数；

xi—检定点上被测气压传感器第i次示值误差；

单个测得值xk的实验标准偏差s(xk)，计算公式为：

实验标准偏差s(xk)表征了测得值x的分散性，测量重复性用s(xk)表示。自由度v为n-1。

故重复性引入的标准不确定度为：

具体各点不确定度分量如表1。

4.2 B类不确定度的评定

B类标准不确定度的评定主要是从采集器数据处理误差、标准器修正值变化、环境条件影响、检定设备检定场的波动度和均匀度等因素来考虑。其数据来源于有关技术资料和各种影响因素的统计和分析。针对PTB210气压传感器的检定，主要考虑标准器修正值引入的不确定度、测量系统引入的不确定度、计算机数据处理修约误差带来的不确定度。

式中：α—被测量可能值区间的半宽度；

K—置信因子。

4.2.1 标准器修正值引入的不确定度

745-16B型数字压力计最大误差为±0.1 hPa，以均匀分布估计，故：

4.2.2 测量系统引入的不确定度

从气象传感器计量保障子系统采集器的技术资料中得知，采集器的压力通道为RS232通信，其不确定度为忽略不计。

4.2.3 计算机数据处理修约误差引入的不确定度

检定中，标准气压值由计算机自动采集并处理，最终保留一位小数。此时数据修约误差最大是0.05hPa，修约误差对各测量点的影响呈均匀分布，包含因子取k=1.732，其标准不确定度为：

5 合成标准不确定度计算

其合成标准不确定度为：

6 扩展不确定度的评定

扩展不确定度U由合成标准不确定度乘以包含因子k得到，包含因子取k=2，，因此扩展不确定度计算为U=0.12hPa。

7 小结

气压传感器的不确定度分析和评定说明,压力仪器在计量检定过程中重复测量引起的误差、标准器误差等因素对不确定度影响较大。通过检定数据来统计分析得出PTB210气压传感器测量结果的不确定度为0.12 hPa，评定结果能够客观反映本实验室的检定装置和检定水平的现状，对于其他计量特性相同或相近的气压传感器评定结果具有借鉴作用，进一步规范计量检定流程，提高检定数据的精准性，保证我省气象数据准确可靠。