雨量传感器检定结果的不确定度分析

余世同 左湘文 胡斌 刘晓磊

摘 要：为保证气象仪器检定结果的可信程度，提高全区气象自动站探测设备数据的准确可靠，依据JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》中的不确定度评定思路及相应的检定规程，对使用新一代气象检定系统进行检定的自动气象站雨量传感器的检定结果进行了不确定度分析。确定了雨量气象要素传感器的检定流程、数据处理方法，并对检定过程中影响检定结果不确定度的因素进行了详细分析。该方法同样适用于其他气象要素传感器检定结果的不确定度分析。

关键词：雨量 传感器 检定 不确定度

中图分类号：P413 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（a）-0242-01

为提高天气监测服务水平，截至到2013年底宁夏回族自治区气象局完成了730多套自动气象站的建设，水利水文完成雨量组成了全区地面自动气象探测网。气象探测是气候预测、地面综合观测系统的重要组成部分，因此，自动气象探测网观测数据的准确与否直接关系到气候预测的准确性。

自动气象站各传感器及数据采集器均为电子产品，测量性能会随时间变化而产生漂移，为保证观测数据的准确性，必须对自动气象站进行周期性检定。不确定度是表征检定结果的可信程度的参数，也是计量器具使用部门进行建标考核时的重要技术参数。国家认可委CNAS中要求需对有数据的测量结果进行不确定度评估。对承担量值传递的标准和仪器设备，要求应在其校准证书上报告测量结果的不确定度。

1 A类标准不确定度评定

1.1 灵敏阈测量

用加液器控制水的流速和流量，用50 ml/min的抽水速度抽取储水器中的水，每次抽取0.1 mm（3.14 ml）的水倒入雨量量筒测量雨量，总共测量10次。

1.2 示值误差测量

用加液器控制水的流量和流速，取抽水速度分别为50 ml/min和150 ml/min抽取储水器中的水，雨量测试点分别为5 mm（157.08 ml）、10 mm（314.16ml）和30 mm（942.48 ml），每次抽满后将水放至雨量量筒，测量雨量。每种抽水速度测量10次。用式（1）分别计算各测试点的实验标准差：

（1）

式中：为同一测试点，用雨量量筒量取的雨量数值，mm；

为同一测试点，雨量平均值，mm；

为各测试点的数据录取次数；

为测试点数。

用各测试点的标准差除以该点雨量实际值，得出用相对误差表示的标准差。用灵敏域和2种抽水速度的测试点实验标准差的平均值表示标准装置复现量值的实验标准差：

（2）

则A类标准不确定度为：

（3）

（4）

2 B类标准不确定度评定

2.1 雨量标准器的分辨力误差引入的不确定度

根据雨量标准器的技术指标，其分辨力为0.005 ml，对应的不确定度分量为： 0.29×0.005=0.00145 ml，将其换算成降雨量对于200 mm直径的承水口的雨量传感器为0.000046 mm，对于159.6 mm直径的承水口的雨量计为0.000072 mm。在评定标准雨量计时显然可以忽略。

2.2 雨量标准器的最大允许误差

2.2.1 检定雨量传感器的灵敏阈时

被检雨量传感器的灵敏阈通常为 0.1 mm，对于承水口直径为200 mm的雨量传感器，相当于水的体积为3.14 ml，由实验得知标准装置在该测量段的最大允许误差为0.3%，属于正态分布，取由此产生的不确定度分量为：

（5）

2.2.2 检定雨量传感器的示值误差时

对于雨量计的示值检定，GJB规定的检定点最小为2 mm，对于承水口直径为200 mm的雨量传感器，相当于水的体积大于50 ml。由表1查得，标准装置在该测量段的最大允许误差为0.1%。设为正态分布，取，其不确定度分量为：

（6）

2.2.3 合成标准不确定度和扩展不确定度

本次测量结果的合成标准不确定度用A类标准不确定度和B类标准不确定度计算：

（1）检定雨量传感器的灵敏阈时：

（7）

（2）检定雨量传感器的示值误差时：

（8）

（3）求取扩展不确定度。

取，計算检定雨量传感器灵敏阈时的扩展不确定度为：

（9）

取，计算检定雨量传感器灵敏阈时的扩展不确定度为：

（10）

2.2.4 雨量标准装置的重复性、稳定性分析

（1）雨量标准装置的重复性测试。

用加液器控制水的流苏和流量，取抽水速度100 ml/min抽取储水器中的水，雨量测试点分别为2 mm（62.83 ml）、15 mm （471.24 ml），每次抽满后将水放出，用雨量量筒测量，每种抽水速度测量10次。用两个测试点的重复性误差的平均值作为重复性表达：

（11）

结论：测量重复性满足小于合成标准不确定度的2/3的要求。

（2）雨量标准装置的稳定性测试。

采用天平称重法对雨量标准装置进行校准，测试点为10 mm雨量，每个月测量1次，以系统误差的变量作为统计稳定性的数据。用半年内6次测量每相邻2次间的系统误差的差值作为基本统计量，以其中最大值作为统计结果，为0.007 mm，变为相对误差为0.07%，设为均匀分布，取，其稳定性的标准偏差为0.04%。

基本结论：测量标准的稳定性满足小于合成标准不确定度的要求。

2.2.5 测量标准的不确定度的验证

用加液器控制水的流量和流速，对15 mm（471.24 ml）测试点进行测试，与雨量量筒的测量结果进行比较。共录取10组数据，均小于。经验证本标准装置的不确定度符合要求。