移动校准系统风向量值比对结果分析

雷晓妹，宋 媛，汪 鑫，第五朋朋，陈小怡

(甘肃省气象信息与技术装备保障中心，兰州 730020)

0 引言

比对能考察各实验室测量量值的一致程度、计量标准的可靠程度，检查计量机构检定准确度是否保持在规定的范围内，考察校准人员技术水平和数据处理的能力。气象行业组织开展比对项目逐渐增多，党选发[1]、肖建辉[2]分别探讨了2011年、2014年西北区域实验室综合比对结果，均为比对结果的评定提供参考依据；李建英[3]、刘宇[4]针对全国大气压力、温度量值比对，进行比对结果评定；尹跃[5]分析山东省各部门测温仪表量值比对；苗洁[6]评定了江西省气象部门湿度比对结果，均客观地反映了各参比实验室的检定/校准能力，但目前并没有关于气象6要素的现场校准系统比对案例。由于校准系统中部分设备无法实现量值溯源，不能确保量值传递的准确、可靠、一致，2020年由甘肃省气象计量检定站主导开展市(州)级移动校准系统计量比对工作，14个移动校准系统参比。文章针对此次风向量值比对，对校准方法的确定、校准点的选择、稳定性的分析、不确定度的评定、异常值的判定以及比对结果的评定进行详细了分析。

1 比对

1.1 比对方式

此次比对采用圆环型线路和固定地点比对方式，在甘肃省计量检定站完成，如图1所示。因场地限制将参比单位分2组，每组7个单位，首先由主导单位对比对样品进行稳定性实验，确保比对样品的稳定可靠，并对样品进行首次实验室检定，比对完成后，返回主导单位完成复检。

图1 圆环型线路

1.2 风向比对试验

1.2.1 参比样品及设备

比对采用中环天仪气象仪器股份有限公司生产的编号为17070273331和17070273238的EL15-2C型风向传感器作为参比样品。其计量性能如表1所示。

表1 风向传感器计量性能指标

风向传感器校准装置由标准度盘和风向校验仪组成，采用JJE10型风向校验仪，其性能如表2所示。

表2 风向校验仪性能指标

1.2.2 校准方法

根据JJG(气象)004-2011《自动气象站风向风速传感器》检定规程和参考文献[7-9]，选择0°、28°、90°、180°、239°、267°作为比对校准点。校准前首先将风向传感器样品安装在标准度盘上，固定在平坦的工作台面上，并保持水平，然后将传感器插座、度盘插座与采集器相连，然后安装风向标、调节定位叉使风向标保持水平，打开电源预热5 min后开始校准。

校准时，先调整风向标、指北线与标准度盘的0°点对齐，在采集器上读取标准度盘的值作为标准值，风向传感器示值作为测量值，由于采集器显示为格雷码，需要查表找到对应的风向值，记录数据，0°校准完成。以同样的方法按照校准点依次校准，直至完成所有校准点。

1.2.3 示值误差

各校准点示值误差计算公式：

ΔE=e-E

(1)

式中，e为校准点测量值；E为校准点标准值。

2 比对结果分析

2.1 比对样品稳定性分析

样品的稳定性是比对能够正常进行的关键，主导实验室通过多次试验确保样品的稳定。按照要求，样品比对前进行实验室初检，比对完成后返回实验室复检，若初检误差和复检误差相差不超过最大允许误差，则稳定性较好，满足比对要求，测量结果准确、可靠。样品17070273331和17070273238的初检、复检结果分别如表3、表4所示。可以看出，复检与初检示值误差差值的最大值|ΔEf1-ΔEc1|max=|ΔEf2-ΔEc2|max=3°，均小于最大允许误差5°。按照比对稳定性的要求，可以判定两个样品在此时间段内稳定性满足要求。

表3 样品17070273331稳定性 °

表4 样品17070273238稳定性 °

2.2 比对数据

选择稳定性更好的样品17070273331进行数据分析，采用格拉布斯准则[10，11]判别数据异常情况。

在所有比对数据中，若残差绝对值满足公式(2)，则可以判定可疑值xd为异常值，应予以剔除。

(2)

(3)

统计参比单位测量结果，α=0.05时，14个参比单位在对应校准点的残差绝对值的临界值为G(0.05，14)=2.37 s。各校准点通过计算残差绝对值的最大值均小于对应的临界值，测量数据均无异常值。

2.3 测量结果不确定度

汲取已有的不确定度评定方案[12-15]，结合比对装置主要考虑风向校验仪引入的不确定度，依据GUM法评定流程分析。

连续测量仪器10次，得到数据如表5所示。测量重复性引入的标准不确定度uA=0°。

表5 10次测量示值误差 °

2.4 比对结果评价

根据量值比对通用能力验证评价原则中归一化偏差值进行评价，归一化偏差公式：

(4)

式中，Eni为第i个参比单位在某个测量点上En值；yi为第i个参比单位在某个测量点上的示值误差；y为在某个测量点上的参考值，取检定站首末2次检定数据平均值；Ui为第i个参比单位在某个测量点上的扩展不确定度；U为参考值的扩展不确定度。若|En|≤1，则校准结果满意；若|En|>1，则结果不满意。统计各参比校准点不确定度，Ui均为2，代入式(4)，计算得出对应的|En|。

经计算可以得出，平凉、兰州在239°校准点，天水在90°校准点，白银、甘南、嘉峪关在267°校准点，归一化偏差绝对值均为2，比对结果不满意；其余归一化偏差绝对值均不大于1，比对结果满意。

结合比对实施过程，深入分析造成比对结果不满意的可能原因，并提出以下建议：

1)参比单位风向校准装置未经溯源，因此不能保证校准数据准确，建议定期送检校准，有条件的情况下，更新校准装置；

2)校准员手动进行度盘和风向标对齐时存在偏离，导致随机误差偏大，因此一定要垂直对齐；

3)格雷码显示不稳定，导致读数存在偏差，且偏差较大为3°，需要多次读数确定测量结果；

4)参比单位校准不确定度评定不合理，未考虑现场校准的环境因素，以及随机误差引入的不确定度分量，建议参比单位进行不确定度分析和评定培训，提升校准能力。

3 结束语

此次比对客观、真实地反映了各市(州)级移动校准系统的测量能力，加强了参比单位校准人员技术水平和数据处理的能力，确保了计量标准及配套设备量值传递的可靠性，对统一量值传递起到了重要作用。

文章通过对风向比对结果的分析也发现诸多问题，如部分校准人员报告书写不规范、示值误差计算错误、测量不确定度评定考虑不全等。在以后的现场校准工作中还需加强校准人员的技术培训，规范校准设备的维护和管理，提升校准人员不确定度分析能力。