前向散射式能见度仪检测不确定度评定方法

王敏 张世国 方海涛 王毛翠 汪玮

(安徽省大气探测技术保障中心，合肥 230031)

引言

能见度是气象观测常规项目，是雾霾天气判断的主要气象要素，在环境、交通等专业气象服务中极为重要[1-4]。进入21世纪以来，我国雾霾天气发生的频率和严重程度有增加的趋势，对我们生产、生活的影响越来越大。因雾霾等低能见度天气而造成的交通事故成为危害交通运输的主要因素之一[5-6]。为了客观、精细、自动地对区域能见度进行连续监测，大量能见度仪投入业务观测。按探测方法区分，能见度仪主要分为透射式、前向散射式和后向散射式3种[7-8]。其中，前向散射式能见度仪以其体积小、易于维护和价格低廉而广泛应用于气象、高速公路、码头等系统[9-12]。目前，全国2400多个国家级自动气象站基本实现能见度自动观测设备的列装。2010年安徽省建成了高速公路气象条件监测预警服务体系。截至 2020 年 6月，安徽省 5200 km里程的高速公路上，安装740多台能见度仪，平均间距约7 km。在低能见度多发路段，约每3 km安装一台能见度仪。由于能见度仪的型号不同，系统结构、测量精度也不尽相同。同时，能见度仪在使用过程中存在仪器老化引起的系统测量误差漂移。开展前向散射式能见度仪定期检测，是气象技术装备保障系统建设的重要任务之一，也是实现气象现代化建设的一项基础性保障工作。

国外能见度仪检测方面，Tomas等指出透射仪为能见度测量标准器的首选设备[13]。英国诺森比亚大学建立长度5.5 m的室内大气能见度实验室，用于CCD相机和激光二极管测量能见度的精度比较[14]。国内能见度厂商多采用标准校准板或多台比较方法，确保测量结果的一致性。由于缺乏能见度溯源系统和统一的检测方法，不同能见度厂商之间产品的一致性无法保证。2014年，中国气象局在上海和合肥组建能见度计量检测实验室，部分省份气象部门和相关行业也积极筹建能见度检测实验室。2020年1月，中国气象局发布行标QX/T 536-2020《前向散射式能见度仪测试方法》，解决前向散射式能见度仪室内测试方法缺失难题。由于检测环境、检测设备、检测方法等影响，测量结果中不可避免的引入测量不确定度。同时，测量不确定度评定是衡量其测量质量高低的重要参数，也是计量中一项必不可少的工作。文中以能见度计量检测实验室(合肥)为例，根据行标QX/T 536-2020测试方法，分析了室内检测前向散射式能见度仪示值误差的不确定度来源，展示了不确定度评定方法，为今后实验室内示值误差的测量不确定度评定和能见度计量检测实验室间比对提供参考。

1 检测系统

能见度室内检测系统由测量标准器、试验舱、粒谱仪、环境监测仪、照明、空气循环、视频监控系统等组成，其检测系统示意如图1所示。测量标准器可采用透射仪或准确度相当的其他设备，其最大允许误差为：±5%(能见度≤1500 m)，±7%(能见度>1500 m)[15]。试验舱可模拟能见度高低变化过程，一般由相对密闭的舱体构成。能见度模拟介质可以是便于清洁、无毒无害的气体或悬浮颗粒物，并对被测前向散射式能见度仪不造成污染或损坏。粒谱仪用于实时监测粒径尺寸，环境监测仪用于测量环境温度、湿度。照明、视频监控系统便于工作人员查看检测环境。空气循环系统可改善能见度模拟的均匀性，提升扩散速度。

图1 能见度室内检测系统示意

2 建立示值误差模型

测试前向散射式能见度仪时采用直接比较法。测试方法为：将被测前向散射能见度仪固定安装在试验舱工作区域内。启动试验舱能见度模拟系统，使试验舱内能见度降至10 m以下，关闭能见度模拟系统。试验舱内空气样本自然沉降、扩散，能见度示值缓慢上升。在此过程中，计算机自动采集测量标准器和被测设备示值。当试验舱内能见度升至最高能见度检测点(以测量标准器示值为准)时，停止采集，能见度示值误差检测完毕。计算前向散射式能见度仪示值和测量标准器示值差值。行业标准QX/T 536-2020前向散射式能见度仪误差技术要求为：±50 m(能见度≤500 m)，±10%(500 m<能见度≤1500 m)，±20%(能见度>1500 m)。当能见度≤500 m时，示值误差采用绝对误差表示；当能见度>500 m时，示值误差采用相对误差表示[15]。

ΔL=L-L0(能见度≤500 m)

(1)

(2)

式中：ΔL为示值绝对误差(单位：m)；L为被测前向散射式能见度仪示值(单位：m)；L0为测量标准器示值(单位：m)；M为示值相对误差(单位：%)。

根据测量不确定度评定方法，测量结果和测量不确定度的计量单位应统一。因此，能见度>500 m时，测量不确定度以相对不确定度表示。

3 不确定度评定

由前向散射式能见度仪测量模型式(1)、(2)，其示值误差的测量不确定度主要来源有输入量L的标准不确定度和输入量L0的标准不确定度。

3.1 输入量L的标准不确定度u(L)

能见度试验舱波动度、被测能见度仪示值的重复性等各种随机影响因素导致的不确定度，采用A类评定方法。选取1台前向散射式能见度仪进行检测，测试曲线如图2所示。

图2 2016年9月8日前向散射式能见度仪分钟值测试曲线

在50 m、200 m、500 m、750 m、1000 m、1250 m、5000 m和10000 m检测点，分别读取6组数据。利用贝塞尔公式计算得到单次测量值的试验标准偏差[16]。

(3)

表1 被测能见度仪检测结果、算术平均值及其标准不确定度、标准器平均值和示值误差

(4)

根据式(1)、(2)可分别计算被测能见度仪示值误差。在500 m检测点，测量标准器示值为568.5 m，被测能见度仪示值误差以相对误差表示。前向散射式能见度仪在50 m、200 m检测点示值误差分别为+0.5 m和+6.7 m，500～10000 m，示值误差在-2.9%～+5.9%之间，满足QX/T 536-2020中误差技术要求。

3.1.2 能见度仪分辨力引入的标准不确定度u2(L)

由上述可得，输入量L的标准不确定度u(L)可由式(5)计算得到，计算结果见表2。

表2 输入量L的标准不确定度u(L) m

(5)

3.2 输入量L0的标准不确定度u(L0)

3.2.1 测量标准器示值不准确性引入的u1(L0)

表3 标准器示值不准确性引入标准不确定度u1(L0) m

(6)

3.2.2 能见度试验舱不均匀性引入的u2(L0)

由于前向散射式能见度仪的采样区域较小，能见度的不均匀性将对测量结果引入不确定度。试验舱不均匀性测试方法是：选取两台型号相同、一致性较好的前向散射式能见度仪，分别安装在试验舱工作区域左右两端。在试验舱内模拟能见度高低变化趋势，实时采集两台前向散射式能见度仪的输出值。计算两台仪器间示值的相对误差，并作为舱内空气样本不均匀性参考数据，计算结果如图3所示。

图3 试验舱内不均匀性测试曲线

从图3可以看出，在2000～10000 m范围，两台仪器的相对误差在-9.49%～-5.28%之间。为获得仪器间的固有误差，两台前向散射式能见度仪送北京交通部气象环境实验室测试。测试结果表明：在不同能见度点，两台前向散射式能见度仪示值误差最大相差4.61%，以此作为两台仪器的固有偏差。也可将两台前向散射式能见度仪在外场进行长期的对比观测实验，将示值误差的最大值作为仪器固有偏差。除去两台仪器的固有偏差，能见度舱的不均匀性在-4.88%～-0.67%以间。均匀分布的标准偏差按式(7)[17]计算。

(7)

式中：σ(x)为均匀分布的标准偏差，a+和a-分别为均匀分布包含区间的上限和下限。

表4 试验舱不均匀性引入标准不确定度u2(L0) m

由上述可得，输入量L0的标准不确定度u(L0)可由式(8)计算得到，计算结果见表5。

表5 输入量L0的标准不确定度u(L0) m

(8)

3.3 合成标准不确定度uc(ΔL)

式(1)中，L、L0互不相关，对式(1)各分量求偏导，当能见度≤500 m时，前向散射式能见度仪示值误差的合成标准不确定度uc(ΔL)为

(9)

(10)

由式(10)计算前向散射式能见度仪的合成标准不确定度uc(ΔL)，计算结果见表6。

当能见度>500 m时，根据式(11)计算相对合成标准不确定度ucrel(ΔL)。

(11)

表6 被测前向散射式能见度仪示值误差不确定度分量 m

3.4 扩展不确定度评定U

取包含因子k=2，由式(12)计算前向散射式能见度仪示值误差的扩展不确定度U，计算结果如表7所示。在50 m、200 m测试点，被测能见度仪示值误差的扩展不确定度分别为4.9 m和14.3 m；500～10000 m测试点，相对扩展不确定度在8.5%～11.0%之间。

表7 被测前向散射式能见度仪示值误差及扩展不确定度

U=kuc(ΔL)

(12)

4 结论

前向散射式能见度仪室内检测系统主要由测量标准器、试验舱、粒谱仪、环境监测仪、照明、空气循环、视频监控系统等组成。为了确保检测质量，测量标准器、试验舱的技术指标应满足行标QX/T 536-2020中要求。检测结果的测量不确定度主要来源有被测能见度仪和测量标准器引入的标准不确定度。被测能见度仪的标准不确定度包括示值重复性引入的标准不确定度和被测能见度仪分辨力引入的标准不确定度。测量标准器引入的标准不确定度包括测量标准器示值不准确性和能见度试验舱引入的标准不确定度。各不确定度分量中，测量标准器示值不准确性引入的标准不确定度相对较大。从评定结果可以看出，实际检测中可提高测量标准器精度减小对测量结果造成的影响。