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Pt100型铂电阻温度传感器测量结果不确定度评定

范文

袁帅韩啸李建宇

摘要：铂电阻温度传感器的不确定度直接影响温度量值传递的检定结果。依据规范JJF1059.1-2012，参照气象部门检定规程，从引起不确定度的因素和测量不确定度分量入手，对Pt100型铂电阻温度传感器进行较为科学的不确定度评定。

关键词：温度传感器；测量不确定度

我国气象现代化水平不断发展，利用传感器进行气象实时观测已被业内认可。为了确保观测数据的准确、可靠，必须按照规程进行检定或校准。测量不确定度是对误差理论的继承和发展，利用科学方法分析评估测量不确定度，检定结果才具可信度。

Pt100型铂电阻温度传感器，在温度变化时自身的电阻值也随之改变，具有温度灵敏度高、极佳的可换性和长期的稳定性，因此广泛应用于气象和环保等部门。

1 不确定度的相关定义

测量不确定度是对测量结果的不可信程度，也可以理解为对测量结果有效性的怀疑程度。测量不确定度可用标准偏差的倍数或置信区间的半宽度表征。不确定度一般为两个分量即A类不确定度和B类不确定度。A 类不确定度用对观测列进行统计分析的方法来评定，B类不确定度是用实验或者有关信息进行估计。

2 技术依据

技术依据包括JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示[1]和JJG（气象）002-2015自动气象站温度传感器检定规程。[2]

在检定过程中，将标准温度计和被检温度传感器插入恒温槽中同一深度，槽温稳定后每30秒读取一次标准值和被检值，重复读数4次，修约至0.01℃。

3 引起不确定度因素的来源分析

实验中的影响因素：测量重复性引入的不确定度分量；数据修约引入的不确定度分量；由标准器误差引入的不确定度分量；恒温槽波动性和不均匀性引入的不确定度分量。

4 数据模型

标准器读数为数字显示，被检传感器读数由仪器记录并经过电脑读出，根据检定规程，建立数学模型：

5 不确定度的评定

5.1 不确定度u（T—）的评定

5.1.1重复性引入的标准不确定度u（T—A）评定

按A类方法评定，对同一支相对稳定的传感器分别选取-10℃、0℃、20℃和50℃四个测试点，在每个温度测试点上分别进行n次独立重复测量（n=4）。

5.1.2 由数据修约引入的不确定度分量u（T—修约）

按B类方法评定，在实际应用中，铂电阻温度传感器修约精度为0.01℃，按均匀分布处理，修约误差是区间半宽为0005℃，包含因子k=3，则其标准不确定度分量为：

5.2.1 标准器引入的不确定度分量（B类）

根据标准器的技术指标，标准器在被检量程内的最大允许误差为±0.03℃，按均匀分布处理，区间半宽为0.03℃，包含因子k=3，不确定度分量为：

u（T—s1）=0.03/3=0.017℃

5.2.2 恒温槽温场不均匀性引入的不确定度分量（B类）

根据WLR-30D恒温槽的校准证书，恒温槽工作区域的最大温差为0.015℃，则区间半宽约为0.008℃，按均匀分布处理，不确定度分量为：

5.2.3 恒温槽温场波动性引入的不确定度分量（B类）

根据WLR-30D恒温槽的校准证书，恒温槽温场稳定性为±0.003℃/10min，则不确定度区间半宽为0.003℃，按均匀分布处理，不确定度分量为：

由于三个分量互不相关，参照数据模型中公式（3），输入量T—s的标准不确定度可合成为：

5.3 由修正值Δt引入的标准不确定度uΔt的评定（B类）

由RCY-1A自校式铂电阻数字测温仪的校准证书可知，其检定结果的扩展不确定度U95=0.02℃（k=2）。所以，uΔt=0.02/2=0.01℃

6 合成标准不确定度和扩展不确定度

6.1 合成标准不确定度uc（ΔT）

以上三个不确定度分量u（T—）、u（T—s）、uΔt互不相关，将灵敏系数带入公式（3）中，可得合成标准不确定度如表2所示。

6.2 扩展不确定度U

扩展不确定度由合成标准不确定度的倍数表示。包括因子k=2时，置信区间具有的包含概率为95%。铂电阻温度传感器的扩展不确定度为U=2uc，代入计算得各个检定点的扩展不确定度如表2所示。

6.3 不确定度验证

被测温度传感器的最大允许误差绝对值MPEV=0.3℃，由表2可以看出，在各检定点的示值误差不确定度均小于0.1℃，即U95 MPEV/3，因此可不考虑不确定度对测量结果的影响。

7 结语

本文依据JJF1059.1-2012和自动气象站检定规程的要求，经过一次实地的检定过程，利用极差法计算A类标准不确定度，分析影响来源并进行B类不确定度评定，得出了各个检定点的合成和扩展不确定度，该结果经过验证符合要求。本文仅对Pt100型温度传感器进行不确定度分析，其评定方法同样可用于其它类型温度传感器。

参考文献：

[1]JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示[S].

[2]JJG（气象）002-2015自动气象站温度传感器检定规程[S].

[3]朱乐坤，郑丽春.自动气象站各要素传感器检定结果的不确定度分析[J].应用气象学报，2006，17（5）：635-642.

[4]劉宇，张佳佳，刘文忠，等.铂电阻地温传感器检定不确定度评定[J].气象科技，2016，44（5）：728-732.

作者简介：袁帅（1980-），男，气象电子工程师，主要从事工作：气象仪器计量检定，计算机网络。

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