馬修才，重 陽，鄭樹芳，牛永紅，劉海珍

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測技術(shù)保障中心，呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象信息中心，呼和浩特 010051)

0 引言

目前用于地面氣象觀測中大氣壓力測量設(shè)備，主要是硅電容式數(shù)字氣壓傳感器[1]?，F(xiàn)階段全國50 000多個(gè)包括國家級(jí)和區(qū)域自動(dòng)氣象觀測站所采用的硅電容式數(shù)字氣壓傳感器主要為芬蘭VAISALA進(jìn)口產(chǎn)品[2]，型號(hào)包括PTB210、PTB220和PTB330。PTB系列的氣壓傳感器[3-4]具有高采樣率、高分辨力、測量穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，且均具備誤差調(diào)整功能以使其測量誤差控制在允許的范圍內(nèi)[5-7]，然而其價(jià)格昂貴，地面氣象觀測站點(diǎn)逐步密集化必將帶來更高的業(yè)務(wù)運(yùn)行成本，因此數(shù)字氣壓傳感器亟需國產(chǎn)化。另外，國內(nèi)現(xiàn)有自動(dòng)氣象站主要采用“采集器+傳感器”的結(jié)構(gòu)[8]，不利于傳感器間的互換、標(biāo)定和管理，中國氣象局于2017年底發(fā)布了《智能氣壓測量儀功能規(guī)格需求書》(后續(xù)簡稱《需求書》)，促進(jìn)數(shù)字氣壓傳感器國產(chǎn)化，推動(dòng)傳感器智能化發(fā)展。

目前已有多個(gè)國內(nèi)廠商根據(jù)《需求書》設(shè)計(jì)開發(fā)了相關(guān)智能氣壓測量儀產(chǎn)品，2021年4月，中國氣象局綜合觀測司發(fā)布了“2021年度綜合氣象觀測試驗(yàn)?zāi)夸洝?，將國產(chǎn)化氣壓傳感器對(duì)比觀測試驗(yàn)列為其中一項(xiàng)任務(wù)。國產(chǎn)氣壓傳感器已進(jìn)入場外實(shí)際對(duì)比觀測中，隨之而來的便是如何開展其實(shí)驗(yàn)室檢定/校準(zhǔn)的問題。本文選用上海氣象儀器廠的DYG4型智能氣壓測量儀，探索在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下國產(chǎn)智能氣壓測量儀的校準(zhǔn)方法，在校準(zhǔn)方法研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了數(shù)字式氣壓計(jì)自動(dòng)化校準(zhǔn)的系統(tǒng)方案[9-10]，對(duì)示值誤差測量結(jié)果的不確定度展開評(píng)定[11-14]，并通過實(shí)驗(yàn)室比對(duì)[15-16]的方式驗(yàn)證校準(zhǔn)方法的合理性、校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性，以期對(duì)國產(chǎn)智能氣壓測量儀量值溯源工作帶來參考價(jià)值。

1 DYG4型智能氣壓測量儀

DYG4型智能氣壓測量儀(后續(xù)簡稱DYG4)按照《需求書》的要求設(shè)計(jì)，其產(chǎn)品技術(shù)手冊(cè)中的技術(shù)指標(biāo)滿足《需求書》中對(duì)儀器測量性能指標(biāo)的要求，具體如表1所示。

表1 DYG4主要測量性能指標(biāo) hPa

外部接口方面，DYG4使用5芯的針型航空插頭向用戶提供供電和通信接口，如圖1所示。DYG4適應(yīng)直流9～15 V的寬電壓供電，對(duì)外直接輸出數(shù)字信號(hào)的測量結(jié)果，通信接口為標(biāo)準(zhǔn)的三線制RS232串行接口。

圖1 DYG4外部接口

DYG4引腳定義見表2。用戶可以定制外部線纜將傳感器接入測量系統(tǒng)中，例如一頭為5針航空插頭母頭連接DYG4，另一頭為接線端子或DB9等接入測量系統(tǒng)。

表2 DYG4外部接口引腳定義

DYG4默認(rèn)通信協(xié)議為“96008N1”，即波特率9 600，8位數(shù)據(jù)位，無校驗(yàn)位，1位停止位。其通信命令及數(shù)據(jù)格式符合《需求書》要求，傳輸模式有主動(dòng)和被動(dòng)兩種，被動(dòng)傳輸時(shí)需要用戶發(fā)送“READDATA”命令DYG4才會(huì)返回存儲(chǔ)中的最近一條數(shù)據(jù)，主動(dòng)模式時(shí)無需用戶發(fā)送命令，DYG4會(huì)根據(jù)設(shè)置的發(fā)送間隔主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。表3中列出了實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)時(shí)需要用到的DYG4通信命令。

表3 DYG4部分通信命令

另外，DYG4數(shù)據(jù)格式嚴(yán)格遵循《需求書》要求，“BG,001,81234,311719,1213941,00040,14,YTPS,000,20001105103100,001,002,02,AGA,08917,AGAl,000423,00,z,0,xA,7,5653,ED”為其一幀完整的數(shù)據(jù)包示例，數(shù)據(jù)包以“BG”字符開頭，“ED”字符結(jié)尾，中間數(shù)據(jù)又分前段的數(shù)據(jù)包頭和后段的數(shù)據(jù)主體及校驗(yàn)碼，各要素之間通過“,”分割，“AGA”之前的數(shù)據(jù)為版本號(hào)、區(qū)站號(hào)、經(jīng)緯度、海拔等站點(diǎn)及傳感器標(biāo)識(shí)等包頭信息，“AGA”后為觀測要素變量和對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。其中“AGA,08917”表示分鐘氣壓為891.7 hPa，“AGAl,000423”表示氣壓分鐘標(biāo)準(zhǔn)差為0.0423 hPa。有時(shí)數(shù)據(jù)中會(huì)出現(xiàn)“AGA,/////”，表示數(shù)據(jù)未準(zhǔn)備好或某段時(shí)間內(nèi)氣壓變化過快。數(shù)據(jù)幀分析和提取分鐘氣壓及標(biāo)準(zhǔn)差信息對(duì)后續(xù)實(shí)現(xiàn)DYG4自動(dòng)化校準(zhǔn)軟件尤為重要。

2 校準(zhǔn)方法

目前國內(nèi)現(xiàn)行有效的適用于數(shù)字氣壓測量儀量值溯源的規(guī)范性技術(shù)文件為《JJG1084―2013 數(shù)字式氣壓計(jì)檢定規(guī)程》[17](以下簡稱《規(guī)程》)，另外《JJG(氣象)001-2015 自動(dòng)氣象站氣壓傳感器檢定規(guī)程》雖然也可用于自動(dòng)氣象站氣壓傳感器的檢定/校準(zhǔn)，但其適范圍為模擬信號(hào)輸出的傳感器。根據(jù)《規(guī)程》選擇滿足相應(yīng)指標(biāo)要求的標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備，與被校準(zhǔn)儀器組成校準(zhǔn)鏈路(包括通信和氣路連接)，參照《規(guī)程》規(guī)定的方法進(jìn)行DYG4主要測量技術(shù)指標(biāo)的測試實(shí)驗(yàn)。

2.1 校準(zhǔn)所用的標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備

《規(guī)程》要求作為標(biāo)準(zhǔn)器的數(shù)字氣壓計(jì)最大允許誤差不能超過被檢儀器最大允許誤差的三分之一，因此按《需求書》和DYG4技術(shù)手冊(cè)上±0.2 hPa的最大允許誤差，用于檢定/校準(zhǔn)DYG4的數(shù)字氣壓計(jì)的氣壓標(biāo)準(zhǔn)器誤差需在±0.067 hPa范圍內(nèi)，即準(zhǔn)確度等級(jí)需要優(yōu)于0.01級(jí)(0.01級(jí)即最大允許誤差為±0.1 hPa)。而目前國內(nèi)絕大部分省級(jí)氣象計(jì)量實(shí)驗(yàn)室中配備的氣壓標(biāo)準(zhǔn)器均為0.01級(jí)，無法滿足作為0.02級(jí)(最大允許誤差±0.2 hPa)被檢儀器的標(biāo)準(zhǔn)器的要求。而中國氣象局發(fā)布的《地面氣象自動(dòng)觀測規(guī)范》和國家標(biāo)準(zhǔn)《自動(dòng)氣象站觀測規(guī)范》[18]，對(duì)地面氣象觀測儀器技術(shù)性能做出了要求，其中將氣壓測量儀器的最大允許誤差規(guī)定為±0.3 hPa，因此我們將DYG4降級(jí)為0.03級(jí)數(shù)字氣壓計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)也是符合氣象觀測要求的。因此選擇0.01級(jí)數(shù)字氣壓計(jì)作為DYG4校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)器是合理的。

另外我們需要壓力控制設(shè)備控制不同的氣壓校準(zhǔn)點(diǎn)，在壓力控制箱和壓力控制器兩者中選擇后者作為壓力控制設(shè)備，原因主要有兩點(diǎn)：一是組成的氣路連接密閉空間更小，壓力控制器控制速率更快，也能更快穩(wěn)定，二是壓力控制器可溯源性更優(yōu)。表4列出了校準(zhǔn)所采用的標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備信息。

表4 標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備信息

2.2 校準(zhǔn)項(xiàng)目及數(shù)據(jù)處理原則

主要進(jìn)行示值誤差、回程誤差和測量結(jié)果重復(fù)性3個(gè)方面的測試。

2.2.1 示值誤差

需要在DYG4測量范圍內(nèi)均勻選取不少于6個(gè)整10 hPa點(diǎn)作為校準(zhǔn)點(diǎn)，實(shí)際選取500 hPa、600 hPa、700 hPa、800 hPa、900 hPa、1000 hPa、1100 hPa共7個(gè)點(diǎn)。DYG4準(zhǔn)確度優(yōu)于0.05級(jí)，需要進(jìn)行2次壓力循環(huán)，即500 hPa→1100 hPa→500 hPa→1100 hPa→500 hPa，整個(gè)校準(zhǔn)過程的校準(zhǔn)點(diǎn)見圖2，正行程、反行程各進(jìn)行2次，共28個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。

圖2 整個(gè)校準(zhǔn)過程的校準(zhǔn)點(diǎn)

每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定后1分鐘后開始讀取氣壓參考值和DYG4氣壓值，每間隔1分鐘讀一組，每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)共讀N組數(shù)，本文校準(zhǔn)中N實(shí)際取3。按式(1)、(2)計(jì)算整個(gè)過程中各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的參考?xì)鈮浩骄岛褪局灯骄?，按?3)到式(5)計(jì)算DYG4在各校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2.2.2 回程誤差

DYG4在各校準(zhǔn)點(diǎn)的回程誤差按照式(6)計(jì)算得到，該值不能超過最大允許誤差絕對(duì)值的一半。

(6)

式中，△pe為DYG4的回程誤差。

2.2.3 測量結(jié)果重復(fù)性

可以通過測量結(jié)果重復(fù)性來評(píng)估校準(zhǔn)過程中所有的隨機(jī)效應(yīng)對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響。設(shè)某校準(zhǔn)點(diǎn)的測量結(jié)果序列為[y1,y2,…,yn]，通過式(7)來計(jì)算測量結(jié)果的重復(fù)性。

(7)

在評(píng)估重復(fù)性時(shí)，n取值一般不少于10次，若重復(fù)性較小，不構(gòu)成測量結(jié)果不確定度評(píng)定中的主要分量時(shí)，在日常的檢定/校準(zhǔn)中，測量序列的值可以適當(dāng)減小，但當(dāng)序列長度小于6時(shí)，則不可以用式(7)來進(jìn)行測量結(jié)果重復(fù)性的評(píng)估，可采取極差法代替。本文校準(zhǔn)方法中，每個(gè)正、反行程各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)讀數(shù)3次，則各校準(zhǔn)點(diǎn)在整個(gè)校準(zhǔn)過程的測量序列長度為12，滿足用式(7)評(píng)估測量結(jié)果重復(fù)性的要求。

2.2.4 異常值的剔除

若測量序列中含有個(gè)別數(shù)據(jù)明顯差異與其他數(shù)據(jù)時(shí)，常常認(rèn)為這些個(gè)別數(shù)據(jù)為可疑數(shù)據(jù)或異常值，正確判斷和移除異常值是獲得可觀測量結(jié)果的重要手段[19]。常用的異常值判斷準(zhǔn)則有Grubbs準(zhǔn)則、3σ準(zhǔn)則和Dixon準(zhǔn)則，綜合比較后，選擇改進(jìn)型的Grubbs準(zhǔn)則進(jìn)行本文校準(zhǔn)方法中異常值判斷。

設(shè)測量序列在某校準(zhǔn)點(diǎn)的測量序列為[x1,x2,…,xn]，假設(shè)xd為可疑數(shù)據(jù)，若式(8)成立，則可判斷xd為異常值，可以考慮剔除。

(8)

Grubbs準(zhǔn)則中s在測量序列n≥6時(shí)采用式(7)求得，而本文校準(zhǔn)方法中各獨(dú)立校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差序列為3，此時(shí)s使用式(9)的極差法求得：

(9)

式中，xmax為序列中的最大值，xmin為序列中的最小值，dn為極差法估計(jì)系數(shù)，通過查表得到。

2.2.5 數(shù)據(jù)修約

對(duì)于中間結(jié)果和最終測量結(jié)果，均采用工程修約(四舍六入，逢五取偶)的原則進(jìn)行數(shù)據(jù)修約。

2.3 校準(zhǔn)步驟

按圖3連接好待校準(zhǔn)儀器和標(biāo)準(zhǔn)器、配套設(shè)備，預(yù)熱好氣壓標(biāo)準(zhǔn)器和壓力控制器，開始按預(yù)設(shè)的校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。設(shè)置壓力控制器穩(wěn)定到預(yù)設(shè)校準(zhǔn)點(diǎn)，穩(wěn)定后讀取氣壓標(biāo)準(zhǔn)器、DYG4的氣壓值，以經(jīng)過修正后的氣壓標(biāo)準(zhǔn)器氣壓值為氣壓參考值，經(jīng)過異常值判斷、剔除后，每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的有效測量序列長度為3，直至完成所有預(yù)設(shè)校準(zhǔn)點(diǎn)的校準(zhǔn)，按2.2的數(shù)據(jù)處理原則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖3 設(shè)備連接

3 自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了方便后續(xù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的校準(zhǔn)系統(tǒng)，測量鏈路所涉及的設(shè)備均選擇具有遠(yuǎn)程控制功能，系統(tǒng)由運(yùn)行于業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)的傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件和用于采集和控制智能型氣壓測量儀、壓力控制器、氣壓標(biāo)準(zhǔn)器的硬件設(shè)備，結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)可支持DYG4自動(dòng)化校準(zhǔn)，同時(shí)也支持PTB系列氣壓傳感器。

圖4 氣壓測量儀自動(dòng)化校準(zhǔn)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

3.2 多通道連接器

其中多通道連接器可集中為8通道的待校準(zhǔn)儀器提供供電和到電腦采集端的通信連接，其結(jié)構(gòu)和外部接口分別如圖5、圖6所示。

圖5 多通道連接器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6 多通道連接器外部接口

多通道連接器采用12V 5A的直流開關(guān)電源為各通道待校準(zhǔn)儀器供電，DYG4整機(jī)功耗不超過1.5 W，PTB系列傳感器功耗不超過6 W，滿足8通道待校準(zhǔn)儀器同時(shí)接入的功耗需求。多通道連接器外部接口中，與被校準(zhǔn)儀器連接端采用DB9和接線端子兩種方式，DYG4傳感器通過5針航空插頭轉(zhuǎn)DB9或接線端子的線纜接入傳感器，與串口服務(wù)器端采用RJ45接口，通過直連網(wǎng)線與串口服務(wù)器連接。

3.3 自動(dòng)化校準(zhǔn)軟件

在校準(zhǔn)方法研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了用于DYG4和PTB系列氣壓傳感器自動(dòng)化校準(zhǔn)的應(yīng)用軟件，將校準(zhǔn)方法程序化實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)點(diǎn)控制、標(biāo)準(zhǔn)氣壓值采集、被校準(zhǔn)儀器氣壓值采集，將2.2節(jié)中校準(zhǔn)項(xiàng)目均在軟件實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理也與軟件后臺(tái)算法實(shí)現(xiàn)。軟件基于.net framework框架，基于WinForm技術(shù)，后端控制流程和相關(guān)算法采用c#語言實(shí)現(xiàn)，可同時(shí)支持8通道被校準(zhǔn)儀器的自動(dòng)化校準(zhǔn)任務(wù)。

3.3.1 校準(zhǔn)軟件主任務(wù)流程

校準(zhǔn)軟件主任務(wù)的流程如圖7所示。首先根據(jù)軟件界面預(yù)設(shè)的氣壓校準(zhǔn)點(diǎn)控制列表開始校準(zhǔn)點(diǎn)控制循環(huán)，氣壓穩(wěn)定后，開始獲取氣壓參考值和被校準(zhǔn)儀器氣壓值，對(duì)每個(gè)氣壓校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行異常值的判斷和剔除，保存數(shù)據(jù)并更新數(shù)據(jù)列表，完成當(dāng)前校準(zhǔn)點(diǎn)的校準(zhǔn)后進(jìn)入下一個(gè)氣壓校準(zhǔn)點(diǎn)，直至控制列表循環(huán)完成，最后進(jìn)行包括示值誤差、回程誤差、測量結(jié)果重復(fù)性在內(nèi)的校準(zhǔn)結(jié)果處理，完成本次校準(zhǔn)。

圖7 校準(zhǔn)軟件主任務(wù)流程

3.3.2 改進(jìn)Grubbs準(zhǔn)則的程序?qū)崿F(xiàn)

主程序在某氣壓校準(zhǔn)點(diǎn)讀取第三次氣壓標(biāo)準(zhǔn)值或被校準(zhǔn)儀器氣壓值時(shí)，調(diào)用異常值判斷子程序，傳入?yún)?shù)為三次測量值的數(shù)組，返回為異常值的數(shù)組下標(biāo)或者-1，返回-1表示數(shù)組無異常值。當(dāng)有異常值時(shí)主程序舍棄該數(shù)值，重新進(jìn)行第三次測量，直到數(shù)組無異常值。基于改進(jìn)型Grubbs準(zhǔn)則的異常值判斷子程序流程如圖8所示。

圖8 異常值判斷函數(shù)流程

首先對(duì)數(shù)組求平均值A(chǔ)，用極差法求數(shù)組的標(biāo)準(zhǔn)偏差s，再求出異常值判斷閾值T，若數(shù)組元素不介于A±T之間，表明該元素?cái)?shù)據(jù)為異常值，返回該元素的數(shù)組下標(biāo)，結(jié)束子程序，若數(shù)組元素介于A±T之間，表明該元素不是異常值，再對(duì)下一個(gè)數(shù)組元素執(zhí)行相同的判斷，若直至數(shù)組所有元素判斷完成都無異常值，向執(zhí)行調(diào)用操作的程序返回-1，結(jié)束子程序。

4 校準(zhǔn)結(jié)果分析及不確定度評(píng)定

實(shí)際校準(zhǔn)中，根據(jù)第2節(jié)中的校準(zhǔn)方法，利用第3節(jié)的自動(dòng)化校準(zhǔn)系統(tǒng)，選擇DYG4、PTB210、PTB220、PTB330各一臺(tái)進(jìn)行校準(zhǔn)。

4.1 校準(zhǔn)結(jié)果

DYG4的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)三次測量取平均值后的結(jié)果見表5，限于篇幅原因文中只列出了DYG4的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

表5 DYG4校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

各校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果見表6。

表6 示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果

各校準(zhǔn)點(diǎn)的回程誤差校準(zhǔn)結(jié)果見表7。

表7 回程誤差校準(zhǔn)結(jié)果

各校準(zhǔn)點(diǎn)的測量結(jié)果重復(fù)性校準(zhǔn)結(jié)果見表8。

表8 測量結(jié)果重復(fù)性校準(zhǔn)結(jié)果

由于DYG4的分辨力為0.1 hPa，本次校準(zhǔn)中，其校準(zhǔn)結(jié)果若按其分辨力能達(dá)到的小數(shù)位數(shù)修約，修約后各校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差均為0.0，回程誤差也為0.0，測量結(jié)果的重復(fù)性除了1 100 hPa點(diǎn)達(dá)到了其分辨力的1/5，其余各校準(zhǔn)點(diǎn)均達(dá)到其分辨力的1/10。

出現(xiàn)上述校準(zhǔn)結(jié)果的原因，與DYG4的設(shè)計(jì)原理有很大關(guān)系。DYG4采樣率為30次/分鐘，其向外輸出數(shù)據(jù)位分鐘算術(shù)平均值，因此在壓力控制器達(dá)到穩(wěn)定后，DYG4表現(xiàn)為示值十分穩(wěn)定，其測量結(jié)果的重復(fù)性更多的是由標(biāo)準(zhǔn)器的氣壓值變化引起的。

4.2 示值誤差測量結(jié)果的不確定度評(píng)定

根據(jù)第2節(jié)的研究內(nèi)容可知，示值誤差的最終結(jié)果為各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)氣壓示值平均值和氣壓參考值平均值之差，故可得出式(10)所示的示值誤差測量模型：

△p=p′-p

(10)

式中，△p表示示值誤差，p′表示被校準(zhǔn)儀器示值，p表示氣壓參考值。

p′與p相互獨(dú)立，則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可由式(11)求得：

(11)

式中，uc表示合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，u(p′)表示被校準(zhǔn)儀引入的不確定度分量，u(p)表示氣壓參考值引入的不確定度分量。

4.2.1 不確定度來源分析

綜合考慮來自被測儀器示值和參考?xì)鈮阂氲牟淮_定度，得到表9所示的不確定度來源。

表9 不確定度分量

4.2.2 由被測儀器示值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

1)由測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度:由于最終測量結(jié)果由測量序列的平均值得到，則測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度由式(12)求得，結(jié)果見表10。

(12)

式中，u表示測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，s表示測量序列標(biāo)準(zhǔn)偏差，由式(7)求得，n表示測量序列長度，本校準(zhǔn)中為12。

表10 測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

表11 儀器分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

被測儀器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度應(yīng)綜合上述兩種情況取其中較大者，因此被測儀器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(p′)結(jié)果見表12。

表12 被測儀器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

4.2.3 由參考?xì)鈮褐狄氲臉?biāo)準(zhǔn)不確定度

3)高度差引入的不確定度：校準(zhǔn)中我們已將氣壓標(biāo)準(zhǔn)器和被校準(zhǔn)儀器放置于同一水平面，由高度差引起的不確定度忽略。

4.2.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成

由式(11)計(jì)算得到合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度結(jié)果見表13。

表13 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

4.2.5 擴(kuò)展不確定度

按照正態(tài)分布，包含因子取2，示值誤差測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度結(jié)果見表14。

表14 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

5 校準(zhǔn)結(jié)果驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證校準(zhǔn)結(jié)果的有效性，以及測量不確定度評(píng)定的合理性，將校準(zhǔn)用的DYG4傳遞到同等級(jí)的其他三家實(shí)驗(yàn)室，以同樣的校準(zhǔn)程序進(jìn)行比對(duì)校準(zhǔn)，將各實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)結(jié)果匯總，根據(jù)式(13)計(jì)算歸一化偏差，結(jié)果如表15所示。

(13)

式中，En表示歸一化偏差，xi表示參比實(shí)驗(yàn)室示值誤差結(jié)果，x0表示參考示值誤差結(jié)果，Ui為參比實(shí)驗(yàn)室的不確定度，U0參考不確定度。

表15 參比實(shí)驗(yàn)室歸一化偏差絕對(duì)值

當(dāng)En絕對(duì)值小于等于1時(shí)，表明比對(duì)結(jié)果滿意[20]，表15結(jié)果表明，參比實(shí)驗(yàn)室在各個(gè)氣壓校準(zhǔn)點(diǎn)的對(duì)比結(jié)果均較為理想，說明校準(zhǔn)結(jié)果可觀，測量不確定度評(píng)定合理，校準(zhǔn)方法有效。

6 結(jié)束語

1)由于DYG4設(shè)計(jì)時(shí)氣壓輸出值為分鐘平均氣壓，與自動(dòng)站觀測規(guī)范相關(guān)技術(shù)要求一致，而PTB系列氣壓傳感器輸出瞬時(shí)氣壓，是造成校準(zhǔn)結(jié)果中PTB系列氣壓傳感器測量重復(fù)性大于DYG4的主要原因；

2)雖然校準(zhǔn)中的DYG4示值誤差結(jié)果非常小，但其不確定度卻高于PTB系列傳感器，高出的部分主要是由于分辨力引起的；

3)本文選取的校準(zhǔn)樣本雖然不多，但由實(shí)驗(yàn)室比對(duì)的結(jié)果可以證明本文的校準(zhǔn)方法合理、有效。本文的校準(zhǔn)結(jié)果也表明，國產(chǎn)智能型氣壓測量儀用測量不確定度來表述測量結(jié)果比經(jīng)典誤差理論更合理。