雷曉妹，宋 媛，汪 鑫，第五朋朋，陳小怡

(甘肅省氣象信息與技術(shù)裝備保障中心，蘭州 730020)

0 引言

比對能考察各實(shí)驗(yàn)室測量量值的一致程度、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的可靠程度，檢查計(jì)量機(jī)構(gòu)檢定準(zhǔn)確度是否保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，考察校準(zhǔn)人員技術(shù)水平和數(shù)據(jù)處理的能力。氣象行業(yè)組織開展比對項(xiàng)目逐漸增多，黨選發(fā)[1]、肖建輝[2]分別探討了2011年、2014年西北區(qū)域?qū)嶒?yàn)室綜合比對結(jié)果，均為比對結(jié)果的評定提供參考依據(jù)；李建英[3]、劉宇[4]針對全國大氣壓力、溫度量值比對，進(jìn)行比對結(jié)果評定；尹躍[5]分析山東省各部門測溫儀表量值比對；苗潔[6]評定了江西省氣象部門濕度比對結(jié)果，均客觀地反映了各參比實(shí)驗(yàn)室的檢定/校準(zhǔn)能力，但目前并沒有關(guān)于氣象6要素的現(xiàn)場校準(zhǔn)系統(tǒng)比對案例。由于校準(zhǔn)系統(tǒng)中部分設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)量值溯源，不能確保量值傳遞的準(zhǔn)確、可靠、一致，2020年由甘肅省氣象計(jì)量檢定站主導(dǎo)開展市(州)級移動校準(zhǔn)系統(tǒng)計(jì)量比對工作，14個移動校準(zhǔn)系統(tǒng)參比。文章針對此次風(fēng)向量值比對，對校準(zhǔn)方法的確定、校準(zhǔn)點(diǎn)的選擇、穩(wěn)定性的分析、不確定度的評定、異常值的判定以及比對結(jié)果的評定進(jìn)行詳細(xì)了分析。

1 比對

1.1 比對方式

此次比對采用圓環(huán)型線路和固定地點(diǎn)比對方式，在甘肅省計(jì)量檢定站完成，如圖1所示。因場地限制將參比單位分2組，每組7個單位，首先由主導(dǎo)單位對比對樣品進(jìn)行穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，確保比對樣品的穩(wěn)定可靠，并對樣品進(jìn)行首次實(shí)驗(yàn)室檢定，比對完成后，返回主導(dǎo)單位完成復(fù)檢。

圖1 圓環(huán)型線路

1.2 風(fēng)向比對試驗(yàn)

1.2.1 參比樣品及設(shè)備

比對采用中環(huán)天儀氣象儀器股份有限公司生產(chǎn)的編號為17070273331和17070273238的EL15-2C型風(fēng)向傳感器作為參比樣品。其計(jì)量性能如表1所示。

表1 風(fēng)向傳感器計(jì)量性能指標(biāo)

風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)裝置由標(biāo)準(zhǔn)度盤和風(fēng)向校驗(yàn)儀組成，采用JJE10型風(fēng)向校驗(yàn)儀，其性能如表2所示。

表2 風(fēng)向校驗(yàn)儀性能指標(biāo)

1.2.2 校準(zhǔn)方法

根據(jù)JJG(氣象)004-2011《自動氣象站風(fēng)向風(fēng)速傳感器》檢定規(guī)程和參考文獻(xiàn)[7-9]，選擇0°、28°、90°、180°、239°、267°作為比對校準(zhǔn)點(diǎn)。校準(zhǔn)前首先將風(fēng)向傳感器樣品安裝在標(biāo)準(zhǔn)度盤上，固定在平坦的工作臺面上，并保持水平，然后將傳感器插座、度盤插座與采集器相連，然后安裝風(fēng)向標(biāo)、調(diào)節(jié)定位叉使風(fēng)向標(biāo)保持水平，打開電源預(yù)熱5 min后開始校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)時，先調(diào)整風(fēng)向標(biāo)、指北線與標(biāo)準(zhǔn)度盤的0°點(diǎn)對齊，在采集器上讀取標(biāo)準(zhǔn)度盤的值作為標(biāo)準(zhǔn)值，風(fēng)向傳感器示值作為測量值，由于采集器顯示為格雷碼，需要查表找到對應(yīng)的風(fēng)向值，記錄數(shù)據(jù)，0°校準(zhǔn)完成。以同樣的方法按照校準(zhǔn)點(diǎn)依次校準(zhǔn)，直至完成所有校準(zhǔn)點(diǎn)。

1.2.3 示值誤差

各校準(zhǔn)點(diǎn)示值誤差計(jì)算公式：

ΔE=e-E

(1)

式中，e為校準(zhǔn)點(diǎn)測量值；E為校準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值。

2 比對結(jié)果分析

2.1 比對樣品穩(wěn)定性分析

樣品的穩(wěn)定性是比對能夠正常進(jìn)行的關(guān)鍵，主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室通過多次試驗(yàn)確保樣品的穩(wěn)定。按照要求，樣品比對前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室初檢，比對完成后返回實(shí)驗(yàn)室復(fù)檢，若初檢誤差和復(fù)檢誤差相差不超過最大允許誤差，則穩(wěn)定性較好，滿足比對要求，測量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。樣品17070273331和17070273238的初檢、復(fù)檢結(jié)果分別如表3、表4所示?？梢钥闯?，復(fù)檢與初檢示值誤差差值的最大值|ΔEf1-ΔEc1|max=|ΔEf2-ΔEc2|max=3°，均小于最大允許誤差5°。按照比對穩(wěn)定性的要求，可以判定兩個樣品在此時間段內(nèi)穩(wěn)定性滿足要求。

表3 樣品17070273331穩(wěn)定性 °

表4 樣品17070273238穩(wěn)定性 °

2.2 比對數(shù)據(jù)

選擇穩(wěn)定性更好的樣品17070273331進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用格拉布斯準(zhǔn)則[10，11]判別數(shù)據(jù)異常情況。

在所有比對數(shù)據(jù)中，若殘差絕對值滿足公式(2)，則可以判定可疑值xd為異常值，應(yīng)予以剔除。

(2)

(3)

統(tǒng)計(jì)參比單位測量結(jié)果，α=0.05時，14個參比單位在對應(yīng)校準(zhǔn)點(diǎn)的殘差絕對值的臨界值為G(0.05，14)=2.37 s。各校準(zhǔn)點(diǎn)通過計(jì)算殘差絕對值的最大值均小于對應(yīng)的臨界值，測量數(shù)據(jù)均無異常值。

2.3 測量結(jié)果不確定度

汲取已有的不確定度評定方案[12-15]，結(jié)合比對裝置主要考慮風(fēng)向校驗(yàn)儀引入的不確定度，依據(jù)GUM法評定流程分析。

連續(xù)測量儀器10次，得到數(shù)據(jù)如表5所示。測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA=0°。

表5 10次測量示值誤差 °

2.4 比對結(jié)果評價

根據(jù)量值比對通用能力驗(yàn)證評價原則中歸一化偏差值進(jìn)行評價，歸一化偏差公式：

(4)

式中，Eni為第i個參比單位在某個測量點(diǎn)上En值；yi為第i個參比單位在某個測量點(diǎn)上的示值誤差；y為在某個測量點(diǎn)上的參考值，取檢定站首末2次檢定數(shù)據(jù)平均值；Ui為第i個參比單位在某個測量點(diǎn)上的擴(kuò)展不確定度；U為參考值的擴(kuò)展不確定度。若|En|≤1，則校準(zhǔn)結(jié)果滿意；若|En|>1，則結(jié)果不滿意。統(tǒng)計(jì)各參比校準(zhǔn)點(diǎn)不確定度，Ui均為2，代入式(4)，計(jì)算得出對應(yīng)的|En|。

經(jīng)計(jì)算可以得出，平?jīng)?、蘭州在239°校準(zhǔn)點(diǎn)，天水在90°校準(zhǔn)點(diǎn)，白銀、甘南、嘉峪關(guān)在267°校準(zhǔn)點(diǎn)，歸一化偏差絕對值均為2，比對結(jié)果不滿意；其余歸一化偏差絕對值均不大于1，比對結(jié)果滿意。

結(jié)合比對實(shí)施過程，深入分析造成比對結(jié)果不滿意的可能原因，并提出以下建議：

1)參比單位風(fēng)向校準(zhǔn)裝置未經(jīng)溯源，因此不能保證校準(zhǔn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，建議定期送檢校準(zhǔn)，有條件的情況下，更新校準(zhǔn)裝置；

2)校準(zhǔn)員手動進(jìn)行度盤和風(fēng)向標(biāo)對齊時存在偏離，導(dǎo)致隨機(jī)誤差偏大，因此一定要垂直對齊；

3)格雷碼顯示不穩(wěn)定，導(dǎo)致讀數(shù)存在偏差，且偏差較大為3°，需要多次讀數(shù)確定測量結(jié)果；

4)參比單位校準(zhǔn)不確定度評定不合理，未考慮現(xiàn)場校準(zhǔn)的環(huán)境因素，以及隨機(jī)誤差引入的不確定度分量，建議參比單位進(jìn)行不確定度分析和評定培訓(xùn)，提升校準(zhǔn)能力。

3 結(jié)束語

此次比對客觀、真實(shí)地反映了各市(州)級移動校準(zhǔn)系統(tǒng)的測量能力，加強(qiáng)了參比單位校準(zhǔn)人員技術(shù)水平和數(shù)據(jù)處理的能力，確保了計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)及配套設(shè)備量值傳遞的可靠性，對統(tǒng)一量值傳遞起到了重要作用。

文章通過對風(fēng)向比對結(jié)果的分析也發(fā)現(xiàn)諸多問題，如部分校準(zhǔn)人員報(bào)告書寫不規(guī)范、示值誤差計(jì)算錯誤、測量不確定度評定考慮不全等。在以后的現(xiàn)場校準(zhǔn)工作中還需加強(qiáng)校準(zhǔn)人員的技術(shù)培訓(xùn)，規(guī)范校準(zhǔn)設(shè)備的維護(hù)和管理，提升校準(zhǔn)人員不確定度分析能力。