SL3-1翻斗式雨量傳感器測量不確定度的評(píng)定

陳龍福 鄭道淮 蔣文欣 陳璐艷

(福建省大氣探測技術(shù)保障中心，福建 福州 350001)

0 引言

福建地處東南沿海，山地多，地形復(fù)雜，春夏季節(jié)強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)，局地暴雨造成洪災(zāi)泥石流、滑坡、城市內(nèi)澇等自然災(zāi)害；而且每年夏季都有臺(tái)風(fēng)正面襲擊，造成狂風(fēng)暴雨，給國家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成不少損失。因此，雨量的測量顯得尤為重要，特別是精準(zhǔn)的雨量測量數(shù)據(jù)對(duì)于福建開展防災(zāi)減災(zāi)工作能夠提供科學(xué)的決策依據(jù)。目前福建省有國家級(jí)氣象觀測站70個(gè)，區(qū)域自動(dòng)氣象站2000多個(gè)，均采用SL3-1翻斗式雨量傳感器進(jìn)行測量，為福建開展精準(zhǔn)雨量測量提供基礎(chǔ)保障。氣象站點(diǎn)雨量傳感器需要定期對(duì)傳感器進(jìn)行維護(hù)和校準(zhǔn)。目前，福建采取臺(tái)站送到計(jì)量檢定所進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢定、計(jì)量檢定人員到現(xiàn)場進(jìn)行校準(zhǔn)兩種方式，檢定周期為1年。在測量中，由于受到各種因素和環(huán)境的影響，雨量傳感器測量誤差[1]客觀存在，因此測量結(jié)果應(yīng)該表示為一個(gè)被測量值和說明分散性的測量不確定度。不確定度的來源有A類不確定度分量、B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量[2-5]。

1 雨量測量不確定度評(píng)定依據(jù)和方法

依據(jù)JJF1059.1-2012《測量不確定度評(píng)定與表示》[6]、JJG(氣象)005-2015 《自動(dòng)氣象站翻斗式雨量傳感器檢定規(guī)程》[7]和雨量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的量值溯源和傳遞，在檢定時(shí)采用直接比較法，測量對(duì)象為SL3-1翻斗式雨量傳感器；雨量傳感器檢定裝置是JJS2型雨量校準(zhǔn)儀，由標(biāo)準(zhǔn)玻璃量器(314.16mL)、計(jì)數(shù)器、流量控制器等組成。調(diào)節(jié)雨量校準(zhǔn)儀出水開關(guān)，以不同降水雨強(qiáng)的流量對(duì)雨量傳感器進(jìn)行注水，測量得到雨量傳感器測量的示值；根據(jù)測量值建立不確定度測量模型和靈敏系數(shù)，具體如下。

測量模型為：

靈敏系數(shù)通過對(duì)各個(gè)影響量求偏導(dǎo)方式得出，公式如下：

2 不確定度評(píng)定

2.1 A類不確定度評(píng)定

同一檢定員在相同環(huán)境條件與相同檢定條件下重復(fù)檢定SL3-1雨量傳感器，選用貝塞爾公式法計(jì)算得出引入的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度。在相同降雨量(標(biāo)準(zhǔn)玻璃量器314.16mL容量的水相當(dāng)于口徑200mm的承水器承接10.0mm的降雨)、不同降雨強(qiáng)度條件下，用雨量檢定裝置對(duì)被檢雨量傳感器等間隔重復(fù)測量10次，用各次被檢雨量傳感器的測量值減去標(biāo)準(zhǔn)值得出各次測量誤差，共進(jìn)行4組，用(1)式計(jì)算各檢定點(diǎn)測量誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差，列入表1。

表1 降雨量10.0mm、兩種降雨強(qiáng)度(小雨、大雨)測量誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差

(1)

在實(shí)際檢定中，根據(jù)規(guī)程規(guī)定，對(duì)被檢傳感器每個(gè)檢定點(diǎn)進(jìn)行3次讀數(shù)，以3次檢定讀數(shù)的算術(shù)平均值作為檢定結(jié)果，則該結(jié)果的不確定度為

2.2 B類不確定度評(píng)定

B類不確定度評(píng)定是根據(jù)以往測量數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)器標(biāo)準(zhǔn)裝置技術(shù)說明書、檢定證書、校準(zhǔn)證書、假設(shè)的概率分布及其數(shù)字特征等逐項(xiàng)分析和計(jì)算。查閱標(biāo)準(zhǔn)玻璃量器證書，引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1及JJS2校準(zhǔn)儀不確定度引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2；被檢雨量傳感器上翻斗、計(jì)量翻斗殘留量引入的不確定度u3；雨量傳感器測量值誤差值計(jì)算修約引入的不確定度u4。

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)玻璃量器誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定分量

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)裝置雨量校準(zhǔn)儀引入的不確定度分量

2.2.3 翻斗未能達(dá)到翻動(dòng)殘留量引入的不確定度

2.2.4 被檢傳感器測量誤差值計(jì)算修約引入的不確定度

2.2.5 B類不確定度

2.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

以上各分量相互獨(dú)立，則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

2.4 擴(kuò)展不確定度u的評(píng)定

u=k×uC=0.16mm

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過分別對(duì)10臺(tái)SL3-1翻斗式雨量傳感器的不確定度評(píng)定統(tǒng)計(jì)，得出擴(kuò)展不確定度均小于本文評(píng)定的擴(kuò)展不確定度(0.16mm)，SL3-1翻斗式雨量傳感器測量不確定度評(píng)定方法獲得實(shí)際驗(yàn)證。不確定度值計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 10臺(tái)雨量傳感器測量誤差不確定度評(píng)定統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

通過對(duì)SL3-1翻斗式雨量傳感器檢定及檢定數(shù)據(jù)分析、實(shí)例不確定度評(píng)定結(jié)果驗(yàn)證,考慮了標(biāo)準(zhǔn)器，標(biāo)準(zhǔn)裝置，被檢SL3-1傳感器上翻斗、計(jì)量翻斗殘留水，被檢傳感器測量誤差值計(jì)算修約等引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類分量，評(píng)定SL3-1翻斗式雨量傳感器的擴(kuò)展不確定度為0.16mm。

影響標(biāo)準(zhǔn)不確定度的主要因子是被檢傳感器上翻斗、計(jì)量翻斗殘留水，其次是傳感器重復(fù)性測量，兩者合成占比約95%，最小因子是高一等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器誤差和標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度。每次檢定結(jié)束后，被檢傳感器上翻斗、計(jì)量翻斗壁掛水是不可避免的，誤差就不可能完全消除，可通過在同一雨強(qiáng)連續(xù)多次測量提高測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。本文給出SL3-1翻斗式雨量傳感器不確定度評(píng)定方法，對(duì)翻斗式雨量傳感器檢定結(jié)果的不確定度評(píng)定提供參考。