铂电阻气温传感器示值误差测量不确定度评定

陈璐艳 陈 昉 余安安

(1.福建省大气探测技术保障中心，福建 福州 350008；2.福州市气象局，福建 福州 350008)

自动气象站观测数据的质量对天气预报准确性产生直接影响，而传感器本身的探测性能是决定气温观测数据质量的主要因素之一[1]。为了确保观测数据的质量，必须定期对自动气象站的传感器按照相关规程进行检定，但是任何检定结果都存在不确定度[2]。目前，不确定度的评定方法广泛采用《测量不确定度评定与表示》(JJF1059.1-2012)，又称GUM评定方法，主要分为标准不确定度的A类评定方法和标准不确定度的B类评定方法[2-4]。为了得出检定结果更具有可信度，以及计量器具更具有可比性，本文根据自动气象站铂电阻温度传感器的相关检定规程和测量不确定度评定方法，并结合实际工作，通过实验数据分析传感器测量不确定度的影响因子，以及进行合理的评定，使得检定结果更具有真实性、可靠性和准确性。

1 铂电阻气温传感器示值误差测量不确定度评定模型

铂电阻气温传感器采用比较法进行实验室检定，利用二等的标准铂电阻温度计与铂电阻气温传感器做对比试验。在检定过程中，将标准温度计和被检气温传感器插入恒温中，使二者感温部分尽可能处于同一水平面，并设定恒温槽工作温度，当槽温达到设定温度并稳定后进行读数[5]，并计算铂电阻气温传感器和标准温度计的差值，作为合格判据。其测量模型可表示为：

(1)

由于铂电阻气温传感器在检定过程中存在一定误差，对于铂电阻气温传感器的测量结果产生影响，假设影响量为T1，则测量模型可改进为：

(2)

(3)

(4)

由式(4)可知，影响铂电阻气温传感器示值误差测量不确定度的主要因子有被检铂电阻气温传感器、标准温度计及气温检定装置。

2 铂电阻气温传感器示值误差测量不确定度分量分析

2.1 被检铂电阻气温传感器的标准不确定度分析

被检铂电阻气温传感器的标准不确定度主要来源于两方面，具体如下：

采用A类不确定度评定。取一支铂电阻气温传感器作为被检传感器，分辨率为0.01℃，测量范围为-40℃～+60℃。将被检铂电阻气温传感器与标准温度计同时插入制冷恒温槽中，并使二者保持在同一水平上，根据具体情况，设定检定点位0℃、50℃，并连续进行10次独立重复测量，将被检铂电阻气温传感器和标准温度计的读数分别记录下来。具体测量结果见表1、表2。

(5)

由贝赛尔公式求单次测量结果的实验标准差：

(6)

(7)

表1 0℃重复性试验测试结果 单位: ℃

表2 50℃重复性试验测试结果 单位:℃

(8)

2.2 标准器的标准不确定度分析

2.3 检定装置的标准不确定度分析

检定装置的标准不确定度的主要来源于三个方面。具体如下：

②数据采集器。采用的数据采集器为具有福建省计量科学研究院颁发的校准证书，根据校准证书的校准结果可知，扩展不确定度为0.05℃，k=2，所以u(T12)=0.05/2=0.025℃。

③制冷恒温槽。采用的制冷恒温槽为具有福建省计量科学研究院颁发的校准证书，根据校准证书的校准结果可知，温场波动性扩展不确定度为0.005℃，k=2，所以u(T13)=0.005/2=0.0025℃，温场均匀性扩展不确定度为0.004℃，k=2，所以u(T14)=0.004/2=0.002℃。

因此，

3 合成不确定度评定

利用各分量标准不确定度的合成来产生合成不确定度，由式(4)可得，铂电阻气温传感器合成的标准不确定度为：

(9)

因此，当检定点为0℃时，u(Δt)≈0.039，当检定点为50℃时，u(Δt)≈0.039℃。

4 扩展不确定度评定

取包含因子k=2，则扩展不确定度U=ku(Δt)=2u(Δt)，所确定的区间具有的包含概率约为95%。

因此，铂电阻气温传感器的示值误差的扩展不确定度，在检定点为0℃时，U=0.078℃；在检定点为50℃时，U=0.078℃。

由表1、表2可得，在检定点0℃时，示值误差均值为-0.072℃，则检定结果为-0.072±0.078℃；在检定点50℃时，示值误差均值为-0.054℃，则检定结果为-0.054±0.078℃。

5 结论

由以上分析可知，铂电阻气温传感器示值误差测量不确定度主要来源于三个方面，分别是被检铂电阻气温传感器的标准不确定度、温度标准器的标准不确定度及检定装置的标准不确定度。其中，被检铂电阻气温传感器的标准不确定度主要来源于示值重复性和铂电阻气温传感器分辨力；而检定装置的标准不确定度则是由自动测温电桥、数据采集器、以及制冷恒温槽中温场波动性和温场均匀性四方面构成评定的。在铂电阻气温传感器示值误差测量不确定度的评定示例中，选取比较有代表性的检定点0℃和50℃，不确定评定的结果表明，0℃和50℃的合成不确定度均为0.039℃，扩展不确定度均为0.078℃，其中被检铂电阻气温传感器的标准不确定度占的比重最小，检定装置的标准不确定度次之，为64.1%，温度标准器的标准不确定度占合成不确定度的比重最大，为76.9%，可以看出温度标准器是影响其标准不确定度的主要因子,因此，在做温度检定时选用的温度标准器的不确定等级应比被检温度传感器的等级要高。