MSB780(X)型数字气压计示值误差不确定度评定

杨卫洁， 王 欣

(云南省气象局大气探测技术保障中心，云南 昆明 650034)

0 引言

MSB780(X)型数字气压计以其精度高、可靠性好和稳定性强的特点，常应用于民航机场气象台站气压要素的探测。测量不确定度是用来表征测量结果质量的重要指标。对测量结果的不确定度分析，是对测量结果好坏的评定[1]，是评价整个测量过程稳定性和可靠性的重要组成部分[2]。测量不确定度作为试验室间比对、测量审核等能力验证活动和试验室符合性评判的重要参考技术指标，对其规范合理地分析、评定和表述十分重要。本文阐述了评定的测量依据、测量方法、测量标准、测量过程、数据处理等[3]，并依据国家制定的相关规程和规范，对影响数字气压计示值误差的因子进行分析，计算引入的不确定度分量，最后进行不确定度的合成、扩展和报告。

1 测量试验

1.1 测量和评定依据

测量和评定依据为JJG 1084—2013《数字式气压计检定规程》(以下简称“规程”)和JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》。

1.2 测量标准及辅助设备

标准器、辅助设备的技术参数如表1所示。

表1 标准器、辅助设备的技术参数

1.3 测量方法

选取一台某机场气象台送检的编号为2.0-1610-3-004的MSB780X型数字气压计。在满足规程要求的环境(温度20 ℃±2 ℃，相对湿度≤85%RH，附近无热源，无明显振动)条件下，采用该气压计进行示值误差的测量和不确定度的分析与评定。

1.3.1 连接测量标准和测量对象

检定气路连接方式如图1所示。

图1 检定气路连接方式

由图1可知，将气压发生器分别连接测量标准和测量对象，将两者的压力参考位置尽量置于同一水平面上，各个压力接头、管路应连接牢固可靠。将测量对象与数据采集器接口板按图2所示的接线示意图连接，将稳压电源(13.8 V)输出端+V接数据采集器接口板49口、-V端接50口。MSB780X气压计的接线示意图如图2所示。

图2 MSB780X气压计的接线示意图

1.3.2 检查气密性

通电开机，查看显示功能，无损坏后通大气并静置2 h以上，并对气压为500 hPa的点的气密性进行检查。待整个系统运行稳定后，PG600气压发生器设定至500 hPa；待标准器745-16B数字气压计数值稳定后，连续读取其示值和时间，每隔1 min记录一次，总共记录11次；将第11次的气压值减去第1次的气压值，得出的差值的绝对值为10 min内的漏气率，不大于0.03 hPa[4]。

1.3.3 测量示值误差

进行4次压力循环试验。在测量范围内，每隔100 hPa为一个压力测量点，从低压到高压(500～1 100 hPa)共7个测量点。从高压到低压共进行4次测试，待压力稳定后，分别记录测量标准和测量对象的示值，再建立数学模型并计算出测量对象各压力点的示值误差。

2 数学模型

(1)

3 测量数据处理

3.1 测量示值

按规程中的测量方法，进行4次(n=1,2,3,4)压力循环，分别记录每次循环不同测量点的正负行程测得值。测量标准、测量对象的测量示值如表2所示。

表2 测量标准、测量对象的测量示值

3.2 示值误差计算

3.2.1 求ei和δpHi的值

ei由上级计量检定机构出具的证书可得，δpHi由规程中计算方法可得[5]。标准修正值和高度差引起的示值误差修正值如表3所示。

表3 标准修正值和高度差引起的示值误差修正值

测量标准与测量对象压力参考面高度差引入的示值误差修正值δpHi由式(2)计算：

δpHi=ρigΔh，i=1,2,…,7

(2)

式中：ρ为气体介质密度；g为当地重力加速度，取9.783 m/s2；Δh为测量标准与测量对象高度差，取5 mm。

其中，气体介质密度ρ由式(3)计算：

(3)

式中：M为空气的相对分子质量29；R为气体常数8.314 J·mol-1·K-1；T为气体热力学温度，取20 ℃时的值293.15 K；pi为测量点的设定压力值，Pa。

分别计算出各测量点空气密度ρi和示值误差修正值δpHi。

3.2.2 计算示值误差

测量结果的示值误差如表4所示。

表4 测量结果的示值误差

3.2.3 评判被测气压计是否合格

①示值误差。被测对象数字气压计的准确度等级为0.03级，其最大允许误差值为±0.3 hPa，如表4所示。各测量点的示值误差皆小于±0.3 hPa，故示值误差满足规程要求。

②稳定性。查询上一周期测量记录，可知相邻两个检定周期之间在同一检定点上示值变化量的绝对值皆不大于最大允许误差的绝对值LMPEV，故各点的稳定性也满足规程要求。

③回程误差。计算气压计各测量点的回程误差，皆不大于LMPEV/2[6]。

综上，此数字气压计的测量结果合格，可进行不确定度评定。

4 不确定度来源分析

根据测量过程的分析，可确定不确定度的来源与评定方法[7]。重复性测量为A类不确定度评定方法，是由测量数据的统计分析所得；其余皆为B类，一般是根据过去的测量数据、生产厂家的技术说明、校准证书、检定证书，假设的概率分布、测量仪器特性和相关资料等进行科学合理的分析和计算所得[8]。不确定度来源与评定方法如表5所示。

表5 不确定度来源与评定方法

5 不确定度评定

5.1 不确定度分量评定

5.1.1 重复性测量引入的不确定度分量u1i(A类)

(4)

由测量次数n=4查C值表得C=2.06,再由式(5)计算得到试验标准偏差：

(5)

则算术平均值的试验标准偏差即为重复性测量引入的不确定度分量u1i[9]。由式(6)计算所得的A类不确定度分量如表6所示。

(6)

表6 A类不确定度分量

5.1.2 测量对象分辨力引入的不确定度分量u2i(B类)

(7)

因u1i>u2i，则可以不考虑分辨力所引入的不确定度分量[10]。

5.1.3 传递误差不确定度分量u3i(B类)

B类不确定度分量如表7所示。

表7 B类不确定度分量

(8)

5.1.4 不确定度分量u4i(B类)

(9)

5.1.5 不确定度分量u5i(B类)

(10)

5.2 不确定度合成及扩展

根据测量不确定度的传播律公式，当各输入分量间不相关时，不确定度计算如式(11)所示：

(11)

将各输入分量代入式(11)可得:

(12)

其灵敏度系数为：

将各输入分量的计算值代入式(12)可得各测量点的合成标准不确定度，而扩展不确定度U由合成标准不确定度uc乘以包含因子k得到。取k=2，即置信概率p=95%，则U95的计算公式如式(13)所示：

(13)

合成标准不确定度及其扩展不确定度如表8所示。

表8 合成标准不确定度及其扩展不确定度

5.3 结果表示

通过上述分析可知，MSB780(X)型数字气压计的示值误差结果如表9所示。

表9 数字气压计的示值误差结果

6 结论

MSB780(X)型数字气压计示值误差的测量是航空等领域气象站气压要素测量准确性的重要溯源措施，示值误差测量结果的不确定度评定具有十分重要的意义。分析和评定结果表明，其主要不确定度分量来源于测量重复性、被测气压计分辨力、测量标准修正、测量标准发生器的控制稳定性和测量标准与被测气压计压力参考面的高度差5个方面。测量标准经上级计量检定机构修正引入的传递误差不确定度分量贡献最大，测量时要注意修正；而被测气压计分辨力引入的不确定度分量贡献特别小，故可忽略不计。发生器控制稳定性引入的不确定度分量也很大，表明提高标准控制设备的稳定性有利于减少不确定度。在实际应用中，本文研究不仅对计量试验室出具计量报告起到了一定的指导意义，也对空管气象部门实际应用具有一定的参考价值。