前向散射式能見度儀檢測不確定度評定方法

王敏 張世國 方海濤 王毛翠 汪瑋

(安徽省大氣探測技術保障中心，合肥 230031)

引言

能見度是氣象觀測常規項目，是霧霾天氣判斷的主要氣象要素，在環境、交通等專業氣象服務中極為重要[1-4]。進入21世紀以來，我國霧霾天氣發生的頻率和嚴重程度有增加的趨勢，對我們生產、生活的影響越來越大。因霧霾等低能見度天氣而造成的交通事故成為危害交通運輸的主要因素之一[5-6]。為了客觀、精細、自動地對區域能見度進行連續監測，大量能見度儀投入業務觀測。按探測方法區分，能見度儀主要分為透射式、前向散射式和后向散射式3種[7-8]。其中，前向散射式能見度儀以其體積小、易于維護和價格低廉而廣泛應用于氣象、高速公路、碼頭等系統[9-12]。目前，全國2400多個國家級自動氣象站基本實現能見度自動觀測設備的列裝。2010年安徽省建成了高速公路氣象條件監測預警服務體系。截至 2020 年 6月，安徽省 5200 km里程的高速公路上，安裝740多臺能見度儀，平均間距約7 km。在低能見度多發路段，約每3 km安裝一臺能見度儀。由于能見度儀的型號不同，系統結構、測量精度也不盡相同。同時，能見度儀在使用過程中存在儀器老化引起的系統測量誤差漂移。開展前向散射式能見度儀定期檢測，是氣象技術裝備保障系統建設的重要任務之一，也是實現氣象現代化建設的一項基礎性保障工作。

國外能見度儀檢測方面，Tomas等指出透射儀為能見度測量標準器的首選設備[13]。英國諾森比亞大學建立長度5.5 m的室內大氣能見度實驗室，用于CCD相機和激光二極管測量能見度的精度比較[14]。國內能見度廠商多采用標準校準板或多臺比較方法，確保測量結果的一致性。由于缺乏能見度溯源系統和統一的檢測方法，不同能見度廠商之間產品的一致性無法保證。2014年，中國氣象局在上海和合肥組建能見度計量檢測實驗室，部分省份氣象部門和相關行業也積極籌建能見度檢測實驗室。2020年1月，中國氣象局發布行標QX/T 536-2020《前向散射式能見度儀測試方法》，解決前向散射式能見度儀室內測試方法缺失難題。由于檢測環境、檢測設備、檢測方法等影響，測量結果中不可避免的引入測量不確定度。同時，測量不確定度評定是衡量其測量質量高低的重要參數，也是計量中一項必不可少的工作。文中以能見度計量檢測實驗室(合肥)為例，根據行標QX/T 536-2020測試方法，分析了室內檢測前向散射式能見度儀示值誤差的不確定度來源，展示了不確定度評定方法，為今后實驗室內示值誤差的測量不確定度評定和能見度計量檢測實驗室間比對提供參考。

1 檢測系統

能見度室內檢測系統由測量標準器、試驗艙、粒譜儀、環境監測儀、照明、空氣循環、視頻監控系統等組成，其檢測系統示意如圖1所示。測量標準器可采用透射儀或準確度相當的其他設備，其最大允許誤差為：±5%(能見度≤1500 m)，±7%(能見度>1500 m)[15]。試驗艙可模擬能見度高低變化過程，一般由相對密閉的艙體構成。能見度模擬介質可以是便于清潔、無毒無害的氣體或懸浮顆粒物，并對被測前向散射式能見度儀不造成污染或損壞。粒譜儀用于實時監測粒徑尺寸，環境監測儀用于測量環境溫度、濕度。照明、視頻監控系統便于工作人員查看檢測環境。空氣循環系統可改善能見度模擬的均勻性，提升擴散速度。

圖1 能見度室內檢測系統示意

2 建立示值誤差模型

測試前向散射式能見度儀時采用直接比較法。測試方法為：將被測前向散射能見度儀固定安裝在試驗艙工作區域內。啟動試驗艙能見度模擬系統，使試驗艙內能見度降至10 m以下，關閉能見度模擬系統。試驗艙內空氣樣本自然沉降、擴散，能見度示值緩慢上升。在此過程中，計算機自動采集測量標準器和被測設備示值。當試驗艙內能見度升至最高能見度檢測點(以測量標準器示值為準)時，停止采集，能見度示值誤差檢測完畢。計算前向散射式能見度儀示值和測量標準器示值差值。行業標準QX/T 536-2020前向散射式能見度儀誤差技術要求為：±50 m(能見度≤500 m)，±10%(500 m<能見度≤1500 m)，±20%(能見度>1500 m)。當能見度≤500 m時，示值誤差采用絕對誤差表示；當能見度>500 m時，示值誤差采用相對誤差表示[15]。

ΔL=L-L0(能見度≤500 m)

(1)

(2)

式中：ΔL為示值絕對誤差(單位：m)；L為被測前向散射式能見度儀示值(單位：m)；L0為測量標準器示值(單位：m)；M為示值相對誤差(單位：%)。

根據測量不確定度評定方法，測量結果和測量不確定度的計量單位應統一。因此，能見度>500 m時，測量不確定度以相對不確定度表示。

3 不確定度評定

由前向散射式能見度儀測量模型式(1)、(2)，其示值誤差的測量不確定度主要來源有輸入量L的標準不確定度和輸入量L0的標準不確定度。

3.1 輸入量L的標準不確定度u(L)

能見度試驗艙波動度、被測能見度儀示值的重復性等各種隨機影響因素導致的不確定度，采用A類評定方法。選取1臺前向散射式能見度儀進行檢測，測試曲線如圖2所示。

圖2 2016年9月8日前向散射式能見度儀分鐘值測試曲線

在50 m、200 m、500 m、750 m、1000 m、1250 m、5000 m和10000 m檢測點，分別讀取6組數據。利用貝塞爾公式計算得到單次測量值的試驗標準偏差[16]。

(3)

表1 被測能見度儀檢測結果、算術平均值及其標準不確定度、標準器平均值和示值誤差

(4)

根據式(1)、(2)可分別計算被測能見度儀示值誤差。在500 m檢測點，測量標準器示值為568.5 m，被測能見度儀示值誤差以相對誤差表示。前向散射式能見度儀在50 m、200 m檢測點示值誤差分別為+0.5 m和+6.7 m，500～10000 m，示值誤差在-2.9%～+5.9%之間，滿足QX/T 536-2020中誤差技術要求。

3.1.2 能見度儀分辨力引入的標準不確定度u2(L)

由上述可得，輸入量L的標準不確定度u(L)可由式(5)計算得到，計算結果見表2。

表2 輸入量L的標準不確定度u(L) m

(5)

3.2 輸入量L0的標準不確定度u(L0)

3.2.1 測量標準器示值不準確性引入的u1(L0)

表3 標準器示值不準確性引入標準不確定度u1(L0) m

(6)

3.2.2 能見度試驗艙不均勻性引入的u2(L0)

由于前向散射式能見度儀的采樣區域較小，能見度的不均勻性將對測量結果引入不確定度。試驗艙不均勻性測試方法是：選取兩臺型號相同、一致性較好的前向散射式能見度儀，分別安裝在試驗艙工作區域左右兩端。在試驗艙內模擬能見度高低變化趨勢，實時采集兩臺前向散射式能見度儀的輸出值。計算兩臺儀器間示值的相對誤差，并作為艙內空氣樣本不均勻性參考數據，計算結果如圖3所示。

圖3 試驗艙內不均勻性測試曲線

從圖3可以看出，在2000～10000 m范圍，兩臺儀器的相對誤差在-9.49%～-5.28%之間。為獲得儀器間的固有誤差，兩臺前向散射式能見度儀送北京交通部氣象環境實驗室測試。測試結果表明：在不同能見度點，兩臺前向散射式能見度儀示值誤差最大相差4.61%，以此作為兩臺儀器的固有偏差。也可將兩臺前向散射式能見度儀在外場進行長期的對比觀測實驗，將示值誤差的最大值作為儀器固有偏差。除去兩臺儀器的固有偏差，能見度艙的不均勻性在-4.88%～-0.67%以間。均勻分布的標準偏差按式(7)[17]計算。

(7)

式中：σ(x)為均勻分布的標準偏差，a+和a-分別為均勻分布包含區間的上限和下限。

表4 試驗艙不均勻性引入標準不確定度u2(L0) m

由上述可得，輸入量L0的標準不確定度u(L0)可由式(8)計算得到，計算結果見表5。

表5 輸入量L0的標準不確定度u(L0) m

(8)

3.3 合成標準不確定度uc(ΔL)

式(1)中，L、L0互不相關，對式(1)各分量求偏導，當能見度≤500 m時，前向散射式能見度儀示值誤差的合成標準不確定度uc(ΔL)為

(9)

(10)

由式(10)計算前向散射式能見度儀的合成標準不確定度uc(ΔL)，計算結果見表6。

當能見度>500 m時，根據式(11)計算相對合成標準不確定度ucrel(ΔL)。

(11)

表6 被測前向散射式能見度儀示值誤差不確定度分量 m

3.4 擴展不確定度評定U

取包含因子k=2，由式(12)計算前向散射式能見度儀示值誤差的擴展不確定度U，計算結果如表7所示。在50 m、200 m測試點，被測能見度儀示值誤差的擴展不確定度分別為4.9 m和14.3 m；500～10000 m測試點，相對擴展不確定度在8.5%～11.0%之間。

表7 被測前向散射式能見度儀示值誤差及擴展不確定度

U=kuc(ΔL)

(12)

4 結論

前向散射式能見度儀室內檢測系統主要由測量標準器、試驗艙、粒譜儀、環境監測儀、照明、空氣循環、視頻監控系統等組成。為了確保檢測質量，測量標準器、試驗艙的技術指標應滿足行標QX/T 536-2020中要求。檢測結果的測量不確定度主要來源有被測能見度儀和測量標準器引入的標準不確定度。被測能見度儀的標準不確定度包括示值重復性引入的標準不確定度和被測能見度儀分辨力引入的標準不確定度。測量標準器引入的標準不確定度包括測量標準器示值不準確性和能見度試驗艙引入的標準不確定度。各不確定度分量中，測量標準器示值不準確性引入的標準不確定度相對較大。從評定結果可以看出，實際檢測中可提高測量標準器精度減小對測量結果造成的影響。