PTB330型气压传感器示值误差测量不确定度评定

王 旭，孔诗媛，张昊喆，王雪松

(吉林省气象探测保障中心，长春 130062)

0 引言

气压是重要的气象观测要素之一，其大小与地面高度以及大气的物理性质相关，涉及气象预报、航空航天、工业化工等领域。目前，吉林省气象部门主要通过PTB330型气压传感器开展气压测量与采集。

气压传感器的检定工作由省级计量检定站完成。在检定过程中，由于气压传感器自身、气压标准器及气压检定装置等因素影响，测量结果会引入测量不确定度[1]。测量不确定度是反映测量结果质量的一项重要指标，表征被测传感器示值的分散性[2，3]。因此，对气压传感器的测量结果进行不确定度评定具有重要的科学意义[4]。

1 测量模型

气压传感器的检定工作采用国家气象局配发的3MS系统。待设定的气压稳定后，采集并上传被检气压传感器和气压标准器的电压值，通过软件终端显示气压差值。由此建立气压传感器的示值误差测量不确定度评定的数学模型为

ΔP=P-Ps+Pm

(1)

式(1)中，ΔP为被测气压传感器的测量误差；P为被测气压传感器的示值；Ps为气压标准器的示值；Pm为影响量。

2 不确定度评定

2.1 PTB330型气压传感器的不确定度分量

气压传感器在检定过程中，不确定度主要受气压传感器示值重复性和气压传感器分辨力的影响[5-7]。

1)示值重复性标准不确定度分量

气压传感器在规范化常规测量中，示值重复性标准不确定度评定根据A类评定方法[8，9]。为增加自由度，提高不确定度的可信度，根据贝塞尔公式求得其各检定点的标准不确定度分量为：

(2)

2)气压传感器分辨力标准不确定度分量

(3)

2.2 气压标准器标准不确定度分量

1)气压标准器误差引入的标准不确定度分量

气压标准器按照检定规程要求最大允许误差为：(-0.08，0.08)，按照均匀分布计算其各检定点引入的标准不确定度分量为：

(4)

式中，k为包含因子。

2)气压标准器分辨力标准不确定度分量

(5)

2.3 检定装置标准不确定度分量

1)数字压力控制器稳定性标准不确定度分量

检定装置中数字压力控制器选用CPC6000型自动压力校验仪。其总体引入的不确定度为0.01%FS。服从反正弦分布，具体不确定度分量为：

(6)

2)计算机软件数据修约标准不确定度分量

计算机软件计算时会对气压差值修约至0.01 hPa，其服从均匀分布，引入的不确定度为：

(7)

2.4 标准不确定度评定

1)合成标准不确定度

气压传感器的合成标准不确定度由式(2)～(7)构成，具体表示为：

(8)

2)扩展不确定度

扩展不确定度U由合成标准不确定度uc和包含因子k得到(k=2)。取置信概率P=95%，根据JJF 1059.1-2012规范可查k=2。

U=kuc=2uc

(9)

3 不确定度评定实例

选取10台PTB330型气压传感器按照JJG(气象)001-2015《自动气象站气压传感器检定规程》进行检定。对其检定数据结果进行不确定度评定，将其正反行程每个检定点数值采集3次取平均值[10，11]。经计算，实验标准偏差如表1所示。以正行程500 hPa为例。

表1 10台PTB330型气压传感器实验标准偏差 hPa

1)PTB330型气压传感器的不确定度分量

由式(3)得到气压传感器分辨力标准不确定度分量为：u(P′)=0.003 hPa。

2)气压标准器标准不确定度分量

由式(4)得到气压标准器误差引入的标准不确定度分量为：u(PB)=0.046 hPa。

3)检定装置标准不确定度分量

4)合成标准不确定度

由式(8)得到合成标准不确定度为：

5)扩展不确定度

由式(9)得到扩展不确定度为：U=2uc=0.18 hPa。

6)其他检定点不确定度

根据正行程500 hPa不确定度的计算方式，可得到其他检定点的不确定度。经计算，各检定点的合成标准不确定度和扩展不确定度如表2所示。

表2 各个检定点的合成标准不确定度和扩展不确定度 hPa

4 结束语

文章通过建立测量模型分析了PTB330型气压传感器的不确定度分量，并对自动气象站气压检定规程要求的检定点进行了不确定度评定。得到如下结论：各传感器检定点示值误差测量的扩展不确定度为0.17～0.22 hPa(置信概率为95%)；各个检定点的正反行程的测量结果不确定度相差较小。

文章所得结论为同类型的气压传感器测量的检定结果提供了科学的参考依据。