地市級移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)計(jì)量比對實(shí)踐與研究

韓玉婷，宋 媛，汪 鑫，吳麗娜，黃 蕊，雷曉妹，第五朋朋

(甘肅省氣象信息與技術(shù)裝備保障中心，蘭州730020)

0 引言

實(shí)驗(yàn)室比對能考察測量量值和出具測量結(jié)果準(zhǔn)確一致的程度；比對的結(jié)果可作為各種認(rèn)證、認(rèn)可和考核的評審證據(jù)及實(shí)驗(yàn)室能力的有效證明[1]。近年全國各級計(jì)量單位都在進(jìn)行國內(nèi)或國外的計(jì)量比對工作，確保了量值傳遞的準(zhǔn)確、可靠、一致。黨選發(fā)[2，3]等對氣象計(jì)量檢定實(shí)驗(yàn)室量值比對工作進(jìn)行了探討，2011年組織了西北區(qū)域氣象計(jì)量檢定實(shí)驗(yàn)室量值比對工作，比對成果得到各方專家的認(rèn)可。2014年寧夏氣象計(jì)量檢定所作為主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室組織西北區(qū)域開展了自動(dòng)氣象站溫度、濕度、氣壓3個(gè)要素的量值比對工作[4]。實(shí)驗(yàn)室計(jì)量比對已日趨成熟。

地市級移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)是地市級氣象部門對自動(dòng)氣象站開展校準(zhǔn)、核查等業(yè)務(wù)活動(dòng)的裝備保障系統(tǒng)，包括用于計(jì)量自動(dòng)氣象站溫度、濕度、氣壓、雨量、風(fēng)向、風(fēng)速共6個(gè)要素傳感器的標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備。目前全國340個(gè)地市級氣象部門均已配備移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)并在業(yè)務(wù)中使用。由于移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)中的風(fēng)速、風(fēng)向和雨量3要素的標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備目前無法實(shí)現(xiàn)量值溯源，無法確認(rèn)其性能是否符合校準(zhǔn)要求，同時(shí)無法識別現(xiàn)場校準(zhǔn)時(shí)人員、設(shè)備、技術(shù)等方面存在的問題，故無法確?，F(xiàn)場校準(zhǔn)工作的準(zhǔn)確、可靠和一致。

為解決上述問題，陳城[5]等針對區(qū)域自動(dòng)氣象站校準(zhǔn)提出對移動(dòng)氣象標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行計(jì)量比對，并對比對方式和比對結(jié)果的評價(jià)方法進(jìn)行了初步探討；部分研究[6-8]在自動(dòng)氣象站風(fēng)速、風(fēng)向、雨量傳感器示值誤差的不確定度分析評定方面進(jìn)行了論述，有利于比對結(jié)果的分析。在此基礎(chǔ)上，2020年甘肅省氣象計(jì)量檢定站作為主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室組織開展了甘肅省14個(gè)地市級移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)計(jì)量比對工作，此次比對采用歸一化偏差算法對結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，并提出了改進(jìn)建議。文章通過介紹比對試驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理方法及深入分析比對結(jié)果，為進(jìn)一步提高地市級移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的計(jì)量研究水平提供參考。

1 比對試驗(yàn)

1.1 比對成員

按照J(rèn)JF 1117《計(jì)量比對》技術(shù)規(guī)范要求確定主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室和參比單位。

主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室：甘肅省氣象計(jì)量檢定站。

參比單位：甘南、臨夏、隴南、慶陽、定西、平?jīng)?、天水、武威、張掖、嘉峪關(guān)、酒泉、蘭州、白銀市州局保障中心及甘肅省氣象信息與技術(shù)裝備保障中心探測保障室共14個(gè)移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。為方便分析，文章以編號(1#～14#)表示各參比單位。

1.2 比對路線

文章采用圓環(huán)形線路和固定地點(diǎn)比對方式進(jìn)行比對。比對樣品傳遞路線如圖1所示。比對樣品首先經(jīng)主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室檢定后，按各參比單位代碼順序進(jìn)行循環(huán)比對實(shí)驗(yàn)，然后將比對樣品返回主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行復(fù)檢。

圖1 比對傳遞路線

1.3 比對項(xiàng)目

包括風(fēng)速、風(fēng)向、雨量3個(gè)項(xiàng)目。

1.4 比對樣品

因地市級移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)只適用于自動(dòng)氣象站傳感器的現(xiàn)場校準(zhǔn)、核查，故比對樣品選用自動(dòng)氣象站的傳感器，由主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室提供。在選擇比對樣品時(shí)，由主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室開展前期實(shí)驗(yàn)，用各計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置對比對樣品連續(xù)4個(gè)月每月進(jìn)行1次示值誤差的穩(wěn)定性試驗(yàn)，每次試驗(yàn)測量值與上一次測量值的最大差值均不可超過比對樣品最大允許誤差的1/2，最終確定的比對樣品信息如表1所示。

表1 比對樣品信息

1.5 比對設(shè)備

風(fēng)速比對設(shè)備采用中環(huán)天儀(天津)氣象儀器有限公司生產(chǎn)的啟動(dòng)風(fēng)速校驗(yàn)儀和風(fēng)速校驗(yàn)儀，風(fēng)向比對設(shè)備采用中環(huán)天儀(天津)氣象儀器有限公司生產(chǎn)的風(fēng)向校驗(yàn)儀，雨量比對設(shè)備采用福建省風(fēng)光物資技術(shù)開發(fā)公司生產(chǎn)的雨量校準(zhǔn)儀。因地市級移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)配備批次不同，比對設(shè)備型號略有差別。

1.6 比對方法

依據(jù)中國氣象局監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)司制定的《自動(dòng)氣象站現(xiàn)場校準(zhǔn)方法(試行)》進(jìn)行。

風(fēng)速比對點(diǎn)的選擇為：2 m/s、5 m/s、10 m/s、20 m/s、30 m/s；連續(xù)測量6次啟動(dòng)風(fēng)速，風(fēng)速示值在每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)上連續(xù)測量4次。

風(fēng)向比對點(diǎn)的選擇為：0°、28°、90°、180°、239°、267°。

雨量比對點(diǎn)的選擇為：雨量：10 mm；降水強(qiáng)度：1 mm/min、4 mm/min。每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)上，均連續(xù)測量3次。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

2.1 參考值的確定

以主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室首末2次檢定數(shù)據(jù)平均值作為參考值。

2.2 比對結(jié)果的評價(jià)原則

根據(jù)量值比對通用能力驗(yàn)證評價(jià)原則中歸一化偏差值En進(jìn)行評價(jià)，歸一化偏差公式：

(1)

比對結(jié)果的判據(jù)：|En|≤1，則表示該參比移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)在該校準(zhǔn)點(diǎn)的校準(zhǔn)結(jié)果滿意；|En|>1，則表示該參比移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)在該校準(zhǔn)點(diǎn)的校準(zhǔn)結(jié)果不滿意。

3 比對結(jié)果分析

受校準(zhǔn)環(huán)境、設(shè)備及人員等因素影響，比對時(shí)比對點(diǎn)不能完全控制在某個(gè)固定數(shù)值，為保證比對結(jié)果的可靠性，文章僅依據(jù)每個(gè)比對點(diǎn)的示值誤差進(jìn)行分析和判定。

3.1 比對樣品穩(wěn)定性分析

按照比對樣品傳遞路線要求，比對樣品由主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行初檢和復(fù)檢。為確保比對結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，主導(dǎo)單位對比對樣品的初檢與復(fù)檢結(jié)果進(jìn)行了分析，6支傳感器的復(fù)檢示值誤差與初檢示值誤差之差的絕對值均小于傳感器的最大允許誤差，證明比對樣品在比對期間均穩(wěn)定可靠。

3.2 風(fēng)速比對數(shù)據(jù)分析

利用各參比單位試驗(yàn)數(shù)據(jù)、參考值及擴(kuò)展不確定度，通過式(1)計(jì)算得出各參比單位風(fēng)速校準(zhǔn)裝置的歸一化偏差值En。

各參比單位的風(fēng)速示值誤差均在傳感器最大允許誤差范圍內(nèi)，且各比對數(shù)據(jù)接近，參比單位的示值誤差與參考值的示值誤差最大差值的絕對值≤0.2 m/s。因主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)速檢定裝置準(zhǔn)確度遠(yuǎn)優(yōu)于各參比單位的現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置，且現(xiàn)場校準(zhǔn)時(shí)環(huán)境條件惡劣，對校準(zhǔn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的影響，理論上實(shí)驗(yàn)室檢定結(jié)果(即參考值)的不確定度應(yīng)小于現(xiàn)場校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度，以此進(jìn)行不確定度驗(yàn)證，各參比單位給出的不確定度均合理。

3.3 風(fēng)向比對數(shù)據(jù)分析

利用各參比單位試驗(yàn)數(shù)據(jù)、參考值及擴(kuò)展不確定度，通過式(1)計(jì)算得出各參比單位風(fēng)向校準(zhǔn)裝置的歸一化偏差值En。

各參比單位的風(fēng)向示值誤差均在傳感器最大允許誤差范圍內(nèi)，但參比單位6#在180°點(diǎn)的示值誤差為-4°，接近最大允許誤差臨界值，且各比對數(shù)據(jù)相差較大，參比單位4#在90°點(diǎn)和1#、7#在239°點(diǎn)與參考值的示值誤差相差較大(即4°)。因主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室使用的風(fēng)向檢定設(shè)備(自動(dòng))與各參比單位使用的校準(zhǔn)設(shè)備(手動(dòng))相接近，準(zhǔn)確度等級一致，故在不考慮環(huán)境條件影響時(shí)實(shí)驗(yàn)室檢定結(jié)果(即參考值)的不確定度應(yīng)與現(xiàn)場校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度相近或一致，且鄭亮[9]等對風(fēng)向現(xiàn)場校準(zhǔn)3點(diǎn)測量不確定度評定的結(jié)果為1.9°，由此說明各參比單位給出的不確定度均合理。

風(fēng)向現(xiàn)場校準(zhǔn)使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器為風(fēng)向校驗(yàn)儀，以其刻度值作為標(biāo)準(zhǔn)值，校準(zhǔn)時(shí)風(fēng)向傳感器的風(fēng)向桿固定在定位叉內(nèi)，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)向桿，風(fēng)向標(biāo)通過同步機(jī)構(gòu)與風(fēng)向校驗(yàn)儀的指針保持同步，風(fēng)向校驗(yàn)儀經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路輸出相應(yīng)的電信號，在顯示器上顯示風(fēng)向傳感器格雷碼。因在手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)向桿，通過肉眼使風(fēng)向校驗(yàn)儀的指針對準(zhǔn)刻度盤上校準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)有偏離，導(dǎo)致隨機(jī)誤差偏大，嚴(yán)重影響校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性[10]。

3.4 雨量比對數(shù)據(jù)分析

利用各參比單位試驗(yàn)數(shù)據(jù)、參考值及擴(kuò)展不確定度，通過式(1)計(jì)算得出各參比單位雨量校準(zhǔn)裝置的歸一化偏差值En。

參比單位14#在雨強(qiáng)1 mm/min時(shí)示值誤差超出傳感器最大允許誤差，其余參比單位的雨量示值誤差均在傳感器最大允許誤差范圍內(nèi)，但參比單位1#在雨強(qiáng)1 mm/min時(shí)示值誤差為0.3 mm，到達(dá)最大允許誤差臨界值。對所有比對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，參比單位1#和14#在雨強(qiáng)1 mm/min時(shí)偏離較大，2#和10#在雨強(qiáng)4 mm/min時(shí)偏離較大。因主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室的雨量檢定裝置準(zhǔn)確度優(yōu)于各參比單位的現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置，且實(shí)際操作中人為影響因素較少，理論上實(shí)驗(yàn)室檢定結(jié)果(即參考值)的不確定度應(yīng)小于現(xiàn)場校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度，而各參比單位給出的不確定度與參考值的不確定度一致，表明各參比單位評定的不確定度偏小。

4 結(jié)束語

此次比對是針對現(xiàn)場校準(zhǔn)工作開展的，因現(xiàn)場校準(zhǔn)時(shí)環(huán)境條件惡劣，不易控制，故在開展此項(xiàng)比對工作前甘肅省氣象計(jì)量檢定站進(jìn)行了詳細(xì)的策劃和安排，使比對過程規(guī)范，比對方法較合理，比對數(shù)據(jù)真實(shí)、可信，較為客觀地反映了14個(gè)移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的測量能力、校準(zhǔn)人員的技術(shù)水平以及標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的現(xiàn)狀，有效識別出了各參比單位存在的不足和改進(jìn)方向，為今后進(jìn)一步加強(qiáng)地市級移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)能力建設(shè)，加快氣象現(xiàn)代化建設(shè)步伐，改進(jìn)質(zhì)量管理體系，加強(qiáng)人員技術(shù)培訓(xùn)等提供了依據(jù)。