氣象計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置測量不確定度評定過程研究

劉海珍，鄭樹芳，有 思

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測技術(shù)保障中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市氣象局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000)

為了確保氣象計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置可以正常開展檢定或校準(zhǔn)工作，并且其檢定或校準(zhǔn)所取得的測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，則氣象計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的計(jì)量特性必須符合相關(guān)規(guī)程規(guī)范的規(guī)定。筆者針對氣象計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度評定過程進(jìn)行研究與分析，提出一套科學(xué)合理的評定方案，供氣象計(jì)量工作者參考。

1 氣象計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置測量模型

明確氣象計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的檢定或校準(zhǔn)方法、檢定或校準(zhǔn)環(huán)境條件、測量設(shè)備(標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備)及被測量對象的技術(shù)指標(biāo)，然后根據(jù)氣象計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的測量原理及測量過程建立其數(shù)學(xué)測量模型，如式(1)所示。

ΔT=T被-T標(biāo)

(1)

式中：ΔT為被測量對象的測量誤差，T被為被測量對象的測得值，T標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)器的測得值。

對式(1)求偏導(dǎo)可得出被測量對象測量值的靈敏系數(shù)為1，標(biāo)準(zhǔn)器測得值的靈敏系數(shù)為-1。

2 氣象計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度來源

通過對氣象計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定或校準(zhǔn)儀器時(shí)所采用的測量方法、測量設(shè)備和測量環(huán)境及被測量對象等方面的全面分析，可得出氣象計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置在檢定或校準(zhǔn)時(shí)其測量不確定度來源主要可分兩大類：①由被測量對象引入的不確定度;②由標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的不確定度。被測量對象引入的不確定度主要是由被測量對象示值重復(fù)性和被測量對象分辨力引入的不確定度，標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的不確定度主要是由標(biāo)準(zhǔn)器、配套設(shè)備、測量環(huán)境條件及數(shù)據(jù)處理的修約誤差引入的不確定度。

由JJF1059.1-2012測量不確定度評定與表示規(guī)范可知，由被測量對象示值重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量采用A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定，由被測量儀器分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量采用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定，由標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量都采用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。

3 氣象計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度的評定方法

由GUM法評定規(guī)則可知，氣象計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置測量不確定度的評定方法為：①根據(jù)測量原理和測量過程建立數(shù)學(xué)測量模型；②根據(jù)測量方法、測量設(shè)備特性、測量環(huán)境條件及被測量對象特性分析不確定度來源；③對各不確定度來源進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定；④計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度并確定擴(kuò)展不確定度；⑤提出測量結(jié)果報(bào)告。其中，各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評定又分為A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定和B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。氣象計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置測量不確定度評定流程圖如圖1(a)所示。

(a)測量不確定度總流程 (b)A類不確定度評定流程 (c)B類不確定度評定流程

3.1 A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定方法

(2)

(3)

(4)

氣象計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置在檢定或校準(zhǔn)儀器時(shí)，其示值重復(fù)性引入的不確定度評定，根據(jù)檢定或校準(zhǔn)方法的要求，設(shè)定檢定或校準(zhǔn)點(diǎn)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，穩(wěn)定一段時(shí)間后(一般為30 min)，讀取標(biāo)準(zhǔn)器和被測量對象的示值，每10 s讀取1次，共讀取m次(一般情況下m為10次)。由測量模型式(1)可計(jì)算出被測量對象各檢定或校準(zhǔn)點(diǎn)的測量誤差，由式(3)可計(jì)算出被測量對象各檢定或校準(zhǔn)點(diǎn)測量誤差的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，再由式(4)可計(jì)算出被測量對象各檢定或校準(zhǔn)點(diǎn)重復(fù)測量導(dǎo)致測量結(jié)果的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

3.2 B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定方法

B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定方法為：通過相關(guān)信息或者經(jīng)驗(yàn)，確定被測量對象測量可能值的區(qū)間為(-a，a)，假設(shè)被測量對象測量可能值落在區(qū)間內(nèi)的概率分布，通過概率分布確定其置信因子k，則被測量對象測量值的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度可通過式(5)計(jì)算得到。B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定流程如圖1(c)所示。

(5)

氣象計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置在檢定或校準(zhǔn)儀器時(shí)，其B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定中被測量對象測量可能值的區(qū)間半寬度一般可根據(jù)以下信息來確定：①被測量對象的廠家提供的技術(shù)文件，比如廠家所給出被測量數(shù)字顯示儀器的分辨力為δ，則其區(qū)間半寬為a=δ/2；②標(biāo)準(zhǔn)裝置中標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備的廠家提供的技術(shù)文件，比如廠家所給出測量設(shè)備的最大允許為±△，則其區(qū)間半寬為a=△；③標(biāo)準(zhǔn)裝置中標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備的檢定或校準(zhǔn)證書提供的數(shù)據(jù)，比如測量設(shè)備校準(zhǔn)證書上所給出校準(zhǔn)值的擴(kuò)展不確定度為U，則其區(qū)間半寬為a=U；④標(biāo)準(zhǔn)裝置在檢定或校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)時(shí)依據(jù)的檢定或校準(zhǔn)規(guī)程給出的數(shù)據(jù)，比如規(guī)程中所給出測量設(shè)備某參數(shù)的最小值為a-，最大值為a+，則其區(qū)間半寬為a=1/2(a+-a-)；⑤過去的測量數(shù)據(jù)，可根據(jù)這些數(shù)據(jù)判斷被測量對象測量可能值不會超出的范圍來估計(jì)其區(qū)間半寬度。

氣象計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置在檢定或校準(zhǔn)儀器時(shí)，其B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定中被測量對象測量可能值落在區(qū)間內(nèi)的概率分布的假設(shè)可根據(jù)以下信息確定：①對于測量設(shè)備校準(zhǔn)證書給出校準(zhǔn)值的擴(kuò)展不確定度是U95或U99，其概率分布可認(rèn)為是正態(tài)分布；②其余情況下，被測量對象測量可能值落在其區(qū)間內(nèi)的概率分布一般都可認(rèn)為是均勻分布。常用的概率分布和置信因子的關(guān)系可見表1。

表1 概率分布和包含因子的關(guān)系

3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

氣象計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置在做檢定或校準(zhǔn)儀器時(shí)，其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算，需先分析A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量和B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量兩者的相關(guān)性，若兩者具有相關(guān)性，則舍去較小的分量，其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為較大分量者，若兩者不具有相關(guān)性，則其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可由公式(6)計(jì)算得到。

(6)

3.4 擴(kuò)展不確定度的計(jì)算

氣象計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置在檢定或校準(zhǔn)儀器時(shí)，一般認(rèn)為被測量對象測量可能值落在區(qū)間內(nèi)的概率分布為95%，置信因子為2，則其擴(kuò)展不確定度可由公式(7)計(jì)算得到。

U=k×uc

(7)

由JJF1094-2002測量儀器特性評定的相關(guān)規(guī)定可知，當(dāng)測量儀器的示值誤差的測量不確定度(U,k=2)與其最大允許誤差的絕對值(MPEV)之比小于或等于1∶3時(shí)，可不考慮測量儀器的示值誤差的測量不確定度對測量儀器特性符合性評定的影響，否則必須考慮其影響。