雨量傳感器檢定結果的不確定度分析

余世同 左湘文 胡斌 劉曉磊

摘 要：為保證氣象儀器檢定結果的可信程度，提高全區氣象自動站探測設備數據的準確可靠，依據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的檢定規程，對使用新一代氣象檢定系統進行檢定的自動氣象站雨量傳感器的檢定結果進行了不確定度分析。確定了雨量氣象要素傳感器的檢定流程、數據處理方法，并對檢定過程中影響檢定結果不確定度的因素進行了詳細分析。該方法同樣適用于其他氣象要素傳感器檢定結果的不確定度分析。

關鍵詞：雨量 傳感器 檢定 不確定度

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

為提高天氣監測服務水平，截至到2013年底寧夏回族自治區氣象局完成了730多套自動氣象站的建設，水利水文完成雨量組成了全區地面自動氣象探測網。氣象探測是氣候預測、地面綜合觀測系統的重要組成部分，因此，自動氣象探測網觀測數據的準確與否直接關系到氣候預測的準確性。

自動氣象站各傳感器及數據采集器均為電子產品，測量性能會隨時間變化而產生漂移，為保證觀測數據的準確性，必須對自動氣象站進行周期性檢定。不確定度是表征檢定結果的可信程度的參數，也是計量器具使用部門進行建標考核時的重要技術參數。國家認可委CNAS中要求需對有數據的測量結果進行不確定度評估。對承擔量值傳遞的標準和儀器設備，要求應在其校準證書上報告測量結果的不確定度。

1 A類標準不確定度評定

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）分別計算各測試點的實驗標準差：

（1）

式中：為同一測試點，用雨量量筒量取的雨量數值，mm；

為同一測試點，雨量平均值，mm；

為各測試點的數據錄取次數；

為測試點數。

用各測試點的標準差除以該點雨量實際值，得出用相對誤差表示的標準差。用靈敏域和2種抽水速度的測試點實驗標準差的平均值表示標準裝置復現量值的實驗標準差：

（2）

則A類標準不確定度為：

（3）

（4）

2 B類標準不確定度評定

2.1 雨量標準器的分辨力誤差引入的不確定度

根據雨量標準器的技術指標，其分辨力為0.005 ml，對應的不確定度分量為： 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為0.000072 mm。在評定標準雨量計時顯然可以忽略。

2.2 雨量標準器的最大允許誤差

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，相當于水的體積為3.14 ml，由實驗得知標準裝置在該測量段的最大允許誤差為0.3%，屬于正態分布，取由此產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

對于雨量計的示值檢定，GJB規定的檢定點最小為2 mm，對于承水口直徑為200 mm的雨量傳感器，相當于水的體積大于50 ml。由表1查得，標準裝置在該測量段的最大允許誤差為0.1%。設為正態分布，取，其不確定度分量為：

（6）

2.2.3 合成標準不確定度和擴展不確定度

本次測量結果的合成標準不確定度用A類標準不確定度和B類標準不確定度計算：

（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）求取擴展不確定度。

取，計算檢定雨量傳感器靈敏閾時的擴展不確定度為：

（9）

取，計算檢定雨量傳感器靈敏閾時的擴展不確定度為：

（10）

2.2.4 雨量標準裝置的重復性、穩定性分析

（1）雨量標準裝置的重復性測試。

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。用兩個測試點的重復性誤差的平均值作為重復性表達：

（11）

結論：測量重復性滿足小于合成標準不確定度的2/3的要求。

（2）雨量標準裝置的穩定性測試。

采用天平稱重法對雨量標準裝置進行校準，測試點為10 mm雨量，每個月測量1次，以系統誤差的變量作為統計穩定性的數據。用半年內6次測量每相鄰2次間的系統誤差的差值作為基本統計量，以其中最大值作為統計結果，為0.007 mm，變為相對誤差為0.07%，設為均勻分布，取，其穩定性的標準偏差為0.04%。

基本結論：測量標準的穩定性滿足小于合成標準不確定度的要求。

2.2.5 測量標準的不確定度的驗證

用加液器控制水的流量和流速，對15 mm（471.24 ml）測試點進行測試，與雨量量筒的測量結果進行比較。共錄取10組數據，均小于。經驗證本標準裝置的不確定度符合要求。