雨量傳感器檢定結(jié)果的不確定度分析

余世同 左湘文 胡斌 劉曉磊

摘 要：為保證氣象儀器檢定結(jié)果的可信程度，提高全區(qū)氣象自動站探測設(shè)備數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，依據(jù)JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》中的不確定度評定思路及相應(yīng)的檢定規(guī)程，對使用新一代氣象檢定系統(tǒng)進(jìn)行檢定的自動氣象站雨量傳感器的檢定結(jié)果進(jìn)行了不確定度分析。確定了雨量氣象要素傳感器的檢定流程、數(shù)據(jù)處理方法，并對檢定過程中影響檢定結(jié)果不確定度的因素進(jìn)行了詳細(xì)分析。該方法同樣適用于其他氣象要素傳感器檢定結(jié)果的不確定度分析。

關(guān)鍵詞：雨量 傳感器 檢定 不確定度

中圖分類號：P413 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（a）-0242-01

為提高天氣監(jiān)測服務(wù)水平，截至到2013年底寧夏回族自治區(qū)氣象局完成了730多套自動氣象站的建設(shè)，水利水文完成雨量組成了全區(qū)地面自動氣象探測網(wǎng)。氣象探測是氣候預(yù)測、地面綜合觀測系統(tǒng)的重要組成部分，因此，自動氣象探測網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到氣候預(yù)測的準(zhǔn)確性。

自動氣象站各傳感器及數(shù)據(jù)采集器均為電子產(chǎn)品，測量性能會隨時間變化而產(chǎn)生漂移，為保證觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，必須對自動氣象站進(jìn)行周期性檢定。不確定度是表征檢定結(jié)果的可信程度的參數(shù)，也是計(jì)量器具使用部門進(jìn)行建標(biāo)考核時的重要技術(shù)參數(shù)。國家認(rèn)可委CNAS中要求需對有數(shù)據(jù)的測量結(jié)果進(jìn)行不確定度評估。對承擔(dān)量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)和儀器設(shè)備，要求應(yīng)在其校準(zhǔn)證書上報(bào)告測量結(jié)果的不確定度。

1 A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

1.1 靈敏閾測量

用加液器控制水的流速和流量，用50 ml/min的抽水速度抽取儲水器中的水，每次抽取0.1 mm（3.14 ml）的水倒入雨量量筒測量雨量，總共測量10次。

1.2 示值誤差測量

用加液器控制水的流量和流速，取抽水速度分別為50 ml/min和150 ml/min抽取儲水器中的水，雨量測試點(diǎn)分別為5 mm（157.08 ml）、10 mm（314.16ml）和30 mm（942.48 ml），每次抽滿后將水放至雨量量筒，測量雨量。每種抽水速度測量10次。用式（1）分別計(jì)算各測試點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差：

（1）

式中：為同一測試點(diǎn)，用雨量量筒量取的雨量數(shù)值，mm；

為同一測試點(diǎn)，雨量平均值，mm；

為各測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)錄取次數(shù)；

為測試點(diǎn)數(shù)。

用各測試點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差除以該點(diǎn)雨量實(shí)際值，得出用相對誤差表示的標(biāo)準(zhǔn)差。用靈敏域和2種抽水速度的測試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差的平均值表示標(biāo)準(zhǔn)裝置復(fù)現(xiàn)量值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差：

（2）

則A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（3）

（4）

2 B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

2.1 雨量標(biāo)準(zhǔn)器的分辨力誤差引入的不確定度

根據(jù)雨量標(biāo)準(zhǔn)器的技術(shù)指標(biāo)，其分辨力為0.005 ml，對應(yīng)的不確定度分量為： 0.29×0.005=0.00145 ml，將其換算成降雨量對于200 mm直徑的承水口的雨量傳感器為0.000046 mm，對于159.6 mm直徑的承水口的雨量計(jì)為0.000072 mm。在評定標(biāo)準(zhǔn)雨量計(jì)時顯然可以忽略。

2.2 雨量標(biāo)準(zhǔn)器的最大允許誤差

2.2.1 檢定雨量傳感器的靈敏閾時

被檢雨量傳感器的靈敏閾通常為 0.1 mm，對于承水口直徑為200 mm的雨量傳感器，相當(dāng)于水的體積為3.14 ml，由實(shí)驗(yàn)得知標(biāo)準(zhǔn)裝置在該測量段的最大允許誤差為0.3%，屬于正態(tài)分布，取由此產(chǎn)生的不確定度分量為：

（5）

2.2.2 檢定雨量傳感器的示值誤差時

對于雨量計(jì)的示值檢定，GJB規(guī)定的檢定點(diǎn)最小為2 mm，對于承水口直徑為200 mm的雨量傳感器，相當(dāng)于水的體積大于50 ml。由表1查得，標(biāo)準(zhǔn)裝置在該測量段的最大允許誤差為0.1%。設(shè)為正態(tài)分布，取，其不確定度分量為：

（6）

2.2.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度

本次測量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度用A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度和B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算：

（1）檢定雨量傳感器的靈敏閾時：

（7）

（2）檢定雨量傳感器的示值誤差時：

（8）

（3）求取擴(kuò)展不確定度。

取，計(jì)算檢定雨量傳感器靈敏閾時的擴(kuò)展不確定度為：

（9）

取，計(jì)算檢定雨量傳感器靈敏閾時的擴(kuò)展不確定度為：

（10）

2.2.4 雨量標(biāo)準(zhǔn)裝置的重復(fù)性、穩(wěn)定性分析

（1）雨量標(biāo)準(zhǔn)裝置的重復(fù)性測試。

用加液器控制水的流蘇和流量，取抽水速度100 ml/min抽取儲水器中的水，雨量測試點(diǎn)分別為2 mm（62.83 ml）、15 mm （471.24 ml），每次抽滿后將水放出，用雨量量筒測量，每種抽水速度測量10次。用兩個測試點(diǎn)的重復(fù)性誤差的平均值作為重復(fù)性表達(dá)：

（11）

結(jié)論：測量重復(fù)性滿足小于合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的2/3的要求。

（2）雨量標(biāo)準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性測試。

采用天平稱重法對雨量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，測試點(diǎn)為10 mm雨量，每個月測量1次，以系統(tǒng)誤差的變量作為統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)。用半年內(nèi)6次測量每相鄰2次間的系統(tǒng)誤差的差值作為基本統(tǒng)計(jì)量，以其中最大值作為統(tǒng)計(jì)結(jié)果，為0.007 mm，變?yōu)橄鄬φ`差為0.07%，設(shè)為均勻分布，取，其穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.04%。

基本結(jié)論：測量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性滿足小于合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的要求。

2.2.5 測量標(biāo)準(zhǔn)的不確定度的驗(yàn)證

用加液器控制水的流量和流速，對15 mm（471.24 ml）測試點(diǎn)進(jìn)行測試，與雨量量筒的測量結(jié)果進(jìn)行比較。共錄取10組數(shù)據(jù)，均小于。經(jīng)驗(yàn)證本標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度符合要求。