海洋儀器勘驗測定準確數字處置體系
1系統結構整個數據處理系統由計量標準信息、證書封面、溫度、電導率、鹽度、壓力、水位計共七個子系統組成。
計量標準信息子系統是指檢定/校準實驗中所采用的計量標準的有關信息,包括溫度、電導率(鹽度)、壓力、水位計五個部分。這些信息將應用于國家海洋計量站的檢定/校準證書之中。由于社會公用計量標準考核周期為五年,為了滿足重新考核后計量標準信息的變更,特設該子系統。計量標準信息修改后將自行保存,并在系統啟動后自動調用,只有在所采用的計量標準信息變更之后才有必要對它進行修改。
海洋儀器大多非單一要素測量的儀器,他們是多種要素的組合測量系統。為了滿足各種不同要素組合儀器的檢定/校準數據的處理,各個子系統之間相互獨立,可單獨使用也可組合使用。各子系統均包括了目前海洋調查中常用的儀器。
2系統功能21基本信息和數據輸入模塊進入主界面后,選擇所需要素的某種儀器,系統將自動進入基本信息和實驗數據輸入界面。
該模塊主要用于輸入被檢儀器的基本信息、實驗環境條件、證書相關信息和實驗數據。在證書的相關信息中,為了較少信息輸入工作量,系統已經根據國家海洋計量站證書的格式自動設置了默認數據,沒有特殊要求,無需進行修改。實驗數據錄入全部采用電子表格的形式,目前,大多數海洋儀器都由計算機控制,實驗數據也以計算機文檔形式存在,為了減少實驗數據錄入的工作量和人工錄入造成的錯誤,該模塊能方便的從MicrosoftWord和Excel等辦公軟件中復制和粘貼數據。在國家海洋計量站的檢定/校準實驗中,多臺儀器常常能夠同時進行,這些儀器的檢定/校準實驗也就具有相同的標準測量值和實驗環境條件,模塊也提供了相應功能,在處理完第一臺儀器的數據后,能自動保存相應數據為第二臺儀器使用。
22數據處理模塊在輸入數據完成后,點擊計算按鈕,系統將根據設定的計算公式自動完成所有的計算程序,并顯示最終的計算結果。在計算前,系統將檢查輸入的數據,如果輸入數據少于四組,系統將提示無法進行計算,需要重新輸入數據。計算完成后,用戶可根據需求自行調整計算結果保留的有效位數。
本系統最重要的功能就是為被檢儀器提供校準系數,因此該模塊是整個系統的核心,模塊中各計算公式的回歸計算算法將決定校準系數的準確性。由于不同品牌、不同型號同種參數的測量儀器計算公式也不相同,對計算結果的精度要求也有很大的差異。模塊根據不同計算公式量身定做了各自的算法,確保了處理數據的高精度要求。
回歸計算算法的基本原理是根據最小二乘法的估計理論,用多元線性回歸分析處理實驗數據。
多元線性的基本理論是:設有m個自變量,x1,x2,,xm,則其模型為:yi=0+1xi,1+2xi,2+mxi,m+i(1)式中:0,1,m是回歸參數;xi,1,xi,2,xi,m是通過實驗得到的觀測數據;i是n個相互獨立且服從同一正態分布N(0,)的隨機變量,i=1,2,,n.
下面用矩陣形式來表示模型(1)。令:Y=y1y2ynX1X11X12X1m1X21X22X2m1Xn1Xn2Xnm=01m=01n則:Y=X+利用最小二乘法估計參數。設b0,b1,bm分別是參數0,1,m的最小二乘估計,則回歸方程為:y^i=b0+b1x1++bmxm(2)由最小二乘法可知,b0,b1,,bm應使全部觀測值yt和回歸值y^i的殘差平方和達到最小,因此可以得到正規方程組的矩陣形式為:(XTX)b=XTY(3)正規方程組的矩陣解為:b=(XTX)-1XTY以目前最常用的SBE25CTD的溫度為例,其計算公式為:t=1g+hln(f/f0)+iln2(f/f0)+jln3(f/f0)-27315(4)式中:f0=1000;g、h、i、j為四個校準系數;t為溫度測量值;f為儀器溫度頻率測量值。
為了應用多元線性回歸方法,令:y=1/(t+27315),x=ln(f/f0)將計算公式(4)簡化成公式(5)。
y=g+hx+ix2+jx3(5)公式(5)將可以很好的利用多元線性回歸的理論進行實驗數據的計算處理,求出g、h、i、j為四個校準系數的準確數值。
在利用軟件程序實現以上算法的過程中,系統采用了多種方法確保了計算結果的高精度要求,避免由于計算過程中的累積誤差影響最后結果的準確性。該軟件系統計算出的回歸系數與利用專業數學軟件Matlab和mathcad編寫的程序計算出的回歸系數進行比較驗證,完全達到了精度的要求。
23證書和圖形自動打印模塊在回歸計算完成后,點擊打印預覽按鈕,將進入打印預覽界面;點擊打印按鈕,系統將自動完成證書的打印。國家海洋計量站的證書除了封面外還有兩部分組成:一是檢定/校準所采用計量標準的信息和實驗時的環境條件,二是檢定/校準結果。
根據所選的不同測量要素,打印時系統將從計量標準信息子系統中自動調用相應信息,無需進行設置。實驗時的環境條件也將從基本信息和數據輸入模塊中自動提取。系統能根據實驗數據處理結果自動打印或預覽國家海洋計量站的中英文對照證書。
證書中的檢定/校準結果大多數都以表格形式體現,由于不同檢定/校準中實驗點數不盡相同,系統能根據實驗點數的多少自動調整表格的寬度和高度,以滿足證書的美觀效果。
為了能夠直觀反映被檢儀器示值誤差的大小,系統還能進行示值誤差的圖形顯示和打印,示值誤差圖形顯示格式。
3結論海洋儀器計量檢定校準數據處理系統經過了一年多的應用,處理了國家海洋計量站多種海洋儀器的計量檢定/校準數據。應用結果表明:系統運行穩定,處理數據準確可靠,提高了海洋儀器的計量檢定/校準工作的技術水平和工作效率。
【中國糧油儀器在線】部分信息來自互聯網,力求安全及時、準確無誤,目的在于傳遞更多信息,并不代表本網對其觀點贊同或對其真實性負責。