气象计量标准装置测量不确定度评定过程研究

刘海珍，郑树芳，有 思

(1.内蒙古自治区大气探测技术保障中心,内蒙古 呼和浩特 010000；2.内蒙古自治区呼伦贝尔市气象局，内蒙古 呼伦贝尔 021000)

为了确保气象计量标准装置可以正常开展检定或校准工作，并且其检定或校准所取得的测量数据准确可靠，则气象计量标准装置的计量特性必须符合相关规程规范的规定。笔者针对气象计量标准装置不确定度评定过程进行研究与分析，提出一套科学合理的评定方案，供气象计量工作者参考。

1 气象计量标准装置测量模型

明确气象计量标准装置的检定或校准方法、检定或校准环境条件、测量设备(标准器和配套设备)及被测量对象的技术指标，然后根据气象计量标准装置的测量原理及测量过程建立其数学测量模型，如式(1)所示。

ΔT=T被-T标

(1)

式中：ΔT为被测量对象的测量误差，T被为被测量对象的测得值，T标为标准器的测得值。

对式(1)求偏导可得出被测量对象测量值的灵敏系数为1，标准器测得值的灵敏系数为-1。

2 气象计量标准装置不确定度来源

通过对气象计量标准装置检定或校准仪器时所采用的测量方法、测量设备和测量环境及被测量对象等方面的全面分析，可得出气象计量标准装置在检定或校准时其测量不确定度来源主要可分两大类：①由被测量对象引入的不确定度;②由标准装置引入的不确定度。被测量对象引入的不确定度主要是由被测量对象示值重复性和被测量对象分辨力引入的不确定度，标准装置引入的不确定度主要是由标准器、配套设备、测量环境条件及数据处理的修约误差引入的不确定度。

由JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示规范可知，由被测量对象示值重复性引入的标准不确定度分量采用A类标准不确定度评定，由被测量仪器分辨力引入的标准不确定度分量采用B类标准不确定度评定，由标准装置引入的标准不确定度分量都采用B类标准不确定度评定。

3 气象计量标准装置不确定度的评定方法

由GUM法评定规则可知，气象计量标准装置测量不确定度的评定方法为：①根据测量原理和测量过程建立数学测量模型；②根据测量方法、测量设备特性、测量环境条件及被测量对象特性分析不确定度来源；③对各不确定度来源进行标准不确定度评定；④计算合成标准不确定度并确定扩展不确定度；⑤提出测量结果报告。其中，各标准不确定度分量评定又分为A类标准不确定度评定和B类标准不确定度评定。气象计量标准装置测量不确定度评定流程图如图1(a)所示。

(a)测量不确定度总流程 (b)A类不确定度评定流程 (c)B类不确定度评定流程

3.1 A类标准不确定度评定方法

(2)

(3)

(4)

气象计量标准装置在检定或校准仪器时，其示值重复性引入的不确定度评定，根据检定或校准方法的要求，设定检定或校准点，当达到设定值时，稳定一段时间后(一般为30 min)，读取标准器和被测量对象的示值，每10 s读取1次，共读取m次(一般情况下m为10次)。由测量模型式(1)可计算出被测量对象各检定或校准点的测量误差，由式(3)可计算出被测量对象各检定或校准点测量误差的实验标准偏差，再由式(4)可计算出被测量对象各检定或校准点重复测量导致测量结果的A类标准不确定度。

3.2 B类标准不确定度评定方法

B类标准不确定度评定方法为：通过相关信息或者经验，确定被测量对象测量可能值的区间为(-a，a)，假设被测量对象测量可能值落在区间内的概率分布，通过概率分布确定其置信因子k，则被测量对象测量值的B类标准不确定度可通过式(5)计算得到。B类标准不确定度评定流程如图1(c)所示。

(5)

气象计量标准装置在检定或校准仪器时，其B类标准不确定度评定中被测量对象测量可能值的区间半宽度一般可根据以下信息来确定：①被测量对象的厂家提供的技术文件，比如厂家所给出被测量数字显示仪器的分辨力为δ，则其区间半宽为a=δ/2；②标准装置中标准器和配套设备的厂家提供的技术文件，比如厂家所给出测量设备的最大允许为±△，则其区间半宽为a=△；③标准装置中标准器和配套设备的检定或校准证书提供的数据，比如测量设备校准证书上所给出校准值的扩展不确定度为U，则其区间半宽为a=U；④标准装置在检定或校准实验时依据的检定或校准规程给出的数据，比如规程中所给出测量设备某参数的最小值为a-，最大值为a+，则其区间半宽为a=1/2(a+-a-)；⑤过去的测量数据，可根据这些数据判断被测量对象测量可能值不会超出的范围来估计其区间半宽度。

气象计量标准装置在检定或校准仪器时，其B类标准不确定度评定中被测量对象测量可能值落在区间内的概率分布的假设可根据以下信息确定：①对于测量设备校准证书给出校准值的扩展不确定度是U95或U99，其概率分布可认为是正态分布；②其余情况下，被测量对象测量可能值落在其区间内的概率分布一般都可认为是均匀分布。常用的概率分布和置信因子的关系可见表1。

表1 概率分布和包含因子的关系

3.3 合成标准不确定度的计算

气象计量标准装置在做检定或校准仪器时，其合成标准不确定度的计算，需先分析A类标准不确定度分量和B类标准不确定度分量两者的相关性，若两者具有相关性，则舍去较小的分量，其合成标准不确定度为较大分量者，若两者不具有相关性，则其合成标准不确定度可由公式(6)计算得到。

(6)

3.4 扩展不确定度的计算

气象计量标准装置在检定或校准仪器时，一般认为被测量对象测量可能值落在区间内的概率分布为95%，置信因子为2，则其扩展不确定度可由公式(7)计算得到。

U=k×uc

(7)

由JJF1094-2002测量仪器特性评定的相关规定可知，当测量仪器的示值误差的测量不确定度(U,k=2)与其最大允许误差的绝对值(MPEV)之比小于或等于1∶3时，可不考虑测量仪器的示值误差的测量不确定度对测量仪器特性符合性评定的影响，否则必须考虑其影响。