誤差分析不確定度分析報告-徑流泥沙自動監(jiān)測儀校準(zhǔn)規(guī)范

徑流泥沙自動監(jiān)測儀校準(zhǔn)規(guī)范誤差分析規(guī)范起草組2022年09月《徑流泥沙自動監(jiān)測儀校準(zhǔn)規(guī)范》不確定度分析報告一、徑流泥沙自動監(jiān)測儀校準(zhǔn)過程徑流泥沙自動監(jiān)測儀包括徑流泥沙測量裝置、數(shù)據(jù)存儲及傳輸裝置、供電裝置等（含太陽能），其基本功能是測量徑流過程所產(chǎn)生的徑流量、含沙量。主要由稱重傳感器、體積測量單元、數(shù)據(jù)采集單元等組成。徑流量指的是某一產(chǎn)流時段通過某一過水?dāng)嗝娴膹搅黧w積，徑流量為標(biāo)稱容積的累計值。通過標(biāo)準(zhǔn)金屬量器作為標(biāo)準(zhǔn)器提供標(biāo)準(zhǔn)體積，采用比對的方式與被校監(jiān)測儀的集流桶標(biāo)稱容積顯示值比較，計算被校標(biāo)稱容積的誤差。含沙量校準(zhǔn)過程中需配備標(biāo)準(zhǔn)土樣，提供標(biāo)準(zhǔn)含沙量。首先需要通過排液法得到監(jiān)測儀使用環(huán)境中土樣的平均密度，由量筒和電子天平作為標(biāo)準(zhǔn)器。再通過電子秤和標(biāo)準(zhǔn)金屬量器制備標(biāo)準(zhǔn)土樣作為校準(zhǔn)雨水介質(zhì)，倒入監(jiān)測儀集流桶。讀取監(jiān)測儀含沙量示值，用比較的方法確定被校監(jiān)測儀的計量性能。本規(guī)范適用于質(zhì)量體積法測量原理的徑流泥沙自動監(jiān)測儀（包含便攜式）的校準(zhǔn)，其他原理的徑流泥沙自動監(jiān)測儀也可參考本規(guī)范執(zhí)行。二、土壤密度的試驗不確定度評定1、校準(zhǔn)依據(jù)本次校準(zhǔn)的測量依據(jù)：《徑流泥沙自動監(jiān)測儀校準(zhǔn)規(guī)范》報審稿。2、校準(zhǔn)對象監(jiān)測儀使用環(huán)境中土壤的平均密度。3、校準(zhǔn)介質(zhì)校準(zhǔn)介質(zhì)：潔凈水。4、校準(zhǔn)設(shè)備4.1排液法主標(biāo)準(zhǔn)器量筒：標(biāo)稱容量：500mLMPE：:5ML電子天平：測量范圍：（0.5~3000）g準(zhǔn)確度等級：eq\o\ac(○,Ⅱ)級最小質(zhì)量變量：0.001kg4.2主要配套設(shè)備1）烘干機(jī)最高溫度：105℃2）篩網(wǎng)孔徑大小：2mm、3mm、5mm5、分析測量不確定度來源（1）混合物的質(zhì)量m混引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(m混)（2）水的質(zhì)量m水引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(m水)（3）混合物的體積V混引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(V混)（4）水的體積V水引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(V水)6、測量模型6.1測量模型的建立（1）式中：ρ土——土的密度，g/ml；m混——混合物的質(zhì)量，g；m水——水的質(zhì)量，g；V混——混合物的體積，ml；V水——水的體積，ml。6.2方差和靈敏度系數(shù)（2）其中:QUOTEc1=?ΔP?Pc=1；QUOTEc1=?ΔP?Pc=1；QUOTEc1=?ΔP?Pc=1；QUOTEc1=?ΔP?Pc=1；雖然6.3標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的確定i)由混合物的質(zhì)量的稱量m混引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(m混)混合物的質(zhì)量的稱量過程中，嚴(yán)格按照秤的操作規(guī)范執(zhí)行，其不確定度主要是由秤的最大允許誤差引入的。秤的準(zhǔn)確度等級為eq\o\ac(○,Ⅱ)級，測量范圍（0.5～3000）g。秤的最大允許誤差MPE：±0.05g，區(qū)間半寬為0.025g，假設(shè)服從均勻分布，由混合物的質(zhì)量的稱量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為ii)由水的質(zhì)量的稱量m水引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(m水)水的質(zhì)量的稱量過程與混合物的質(zhì)量的稱量過程一致，其不確定度主要也是由秤的最大允許誤差引入的，即u(m水)=u(m混)=0.0144g。iii)由混合物的體積的測量V混引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(V混)混合物的體積的測量過程中，嚴(yán)格按照二等金屬標(biāo)準(zhǔn)量器的操作規(guī)范執(zhí)行，其不確定度主要是由量器的最大允許誤差引入的。量器最大允許誤差MPE：±5%，區(qū)間半寬為5ml，假設(shè)服從三角分布，由混合物的體積的測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為iv)由水的體積的測量V水引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(V水)水的體積的測量過程與混合物的體積的測量過程一致，其不確定度主要也是由量筒的最大允許誤差引入的，即u(V水)=u(V混)=2.04ml。6.4標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表表A.1標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表不確定度來源標(biāo)準(zhǔn)不確定度/（g/ml）u(m混)由混合物的質(zhì)量m混引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度0.0144g0.0023/ml0.00667u(m水)由水的質(zhì)量m水引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度0.0144g-0.0023/ml-0.00667u(V混)混合物的體積V混引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度2.04ml-0.0051g/ml2-0.0156u(V水)水的體積V水引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度2.04ml0.0051g/ml20.01566.5合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(ρ土)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(ρ土)按公式（2）計算，6.6擴(kuò)展不確定度U取包含因子k=2,則擴(kuò)展不確定U=kuc(ρ土)=2×0.024g/ml=0.048g/ml三、標(biāo)稱容積測量結(jié)果示值誤差的不確定度評定示例1、校準(zhǔn)依據(jù)本次校準(zhǔn)的測量依據(jù)：《徑流泥沙自動監(jiān)測儀校準(zhǔn)規(guī)范》報審稿。2、校準(zhǔn)對象名稱：集流桶標(biāo)稱容積標(biāo)稱容積：30L3、校準(zhǔn)介質(zhì)潔凈水4、校準(zhǔn)設(shè)備4.1主標(biāo)準(zhǔn)器標(biāo)準(zhǔn)金屬量器組：標(biāo)稱容量：30L準(zhǔn)確度等級：二等4.2主要配套設(shè)備溫度計量程：（0~50）℃分度值：0.1℃5、校準(zhǔn)結(jié)果對標(biāo)稱容積進(jìn)行6次測量，示值誤差見表2。表2重復(fù)性實驗數(shù)據(jù)日期樣品測量次序介質(zhì)溫度標(biāo)稱容積儀器示值誤差平均誤差重復(fù)性單位℃LL%%%2022.5.271號樣品第一集流桶123.230.0030.120.390.190.24223.230.0030.060.19323.230.0030.00-0.012022.6.41號樣品第一集流桶123.830.0030.060.190.300.24223.830.0030.050.15323.830.0030.170.556、測量模型6.1數(shù)學(xué)公式考慮溫度的影響，則有：（1）式中：V——標(biāo)稱容積，L；——標(biāo)準(zhǔn)金屬量器20℃時的容積值，L；——標(biāo)準(zhǔn)金屬量器的體脹系數(shù)，℃-1；——量器中的介質(zhì)溫度，℃；——液位高度測量對標(biāo)稱容積的影響，L；6.2方差和靈敏度系數(shù)（2）其中:QUOTEc1=?ΔP?PcQUOTEc1=?ΔP?Pc；QUOTEc1=?ΔP?PcQUOTEc1=?ΔP?Pc=16.3標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的確定6.3.1標(biāo)準(zhǔn)量器的不確定度標(biāo)準(zhǔn)量器的檢測證書給出示值誤差限是±0.025%，因此標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：6.3.2標(biāo)準(zhǔn)量器體脹系數(shù)的不確定度標(biāo)準(zhǔn)量器體脹系數(shù)℃-1，用界限℃-1，考慮其均勻分布，故：6.3.3標(biāo)準(zhǔn)量器的水溫的不確定度水溫的變化界限為℃，考慮其分布為均勻分布則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：℃6.3.4由V的測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(V)重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量與含沙量測定儀顯示值的分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量屬于同一種效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度，應(yīng)取二者的較大者。I）測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1(V)對1號樣品第一集流桶取不同時間，分別進(jìn)行2次測量，示值誤差和重復(fù)性見表2。II）集流桶液位高度測量對標(biāo)稱容積的影響u2(V)被校集流桶液位的讀數(shù)誤差限±0.1mm，該值對容積的影響量： 取重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度與顯示值的分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的較大者作為標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(V)。由于u2(V)＜u1(V)，因此取重復(fù)性測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量作為被校準(zhǔn)集流桶標(biāo)稱容積重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(V)=u1(V)=7210-3(L)。6.4標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表表3標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表不確定度來源標(biāo)準(zhǔn)不確定度/（L）由量器標(biāo)稱容量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度4.3310-3L14.3310-3膨脹系數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度3.4610-6℃-1120（℃L）0.41510-3由介質(zhì)溫度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度0.058℃1.510-3（℃-1L）0.08710-3u(V)測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度7210-3L17210-36.5合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(V)為6.6擴(kuò)展不確定度U取包含因子k=2,則擴(kuò)展不確定U=kuc(Δ)=2×72.13×10-3L=0.144 LUrel=U/V=0.144/30×100%=0.48%三、含沙量示值誤差測量結(jié)果的不確定度評定示例1、校準(zhǔn)依據(jù)本次校準(zhǔn)的測量依據(jù)：《徑流泥沙自動監(jiān)測儀校準(zhǔn)規(guī)范》報審稿。2、校準(zhǔn)對象名稱：徑流泥沙自動監(jiān)測儀標(biāo)稱容積：30L含沙量測量范圍：（30~300）kg/m33、校準(zhǔn)介質(zhì)制備標(biāo)準(zhǔn)土樣，其含沙量作為標(biāo)準(zhǔn)值。4、校準(zhǔn)設(shè)備電子稱：最大稱量：150kg準(zhǔn)確度等級：eq\o\ac(○,Ⅲ)級標(biāo)準(zhǔn)金屬量器組：標(biāo)稱容量：10L、30L準(zhǔn)確度等級：二等5、校準(zhǔn)結(jié)果監(jiān)測儀對含沙量為3g/ml的標(biāo)準(zhǔn)土樣進(jìn)行6次測量，示值見表1。表6重復(fù)性實驗數(shù)據(jù)測量點/kg/m31234563028.629.429.929.229.028.66、測量模型6.1數(shù)學(xué)公式標(biāo)準(zhǔn)裝置流量示值誤差計算公式：（1）式中：WC——儀器顯示值，kg/m3；m土——土的質(zhì)量，kg；ρ土——土的密度，kg/m3；V水——水的體積，m3。6.2方差和靈敏度系數(shù)（2）其中:QUOTEc1=?ΔP?PQUOTEc1=?ΔP?PQUOTEc1=?ΔP?PQUOTEc1=?ΔP?Pc=1QUOTEc1=?ΔP?Pc=16.3標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的確定6.3.1由土的質(zhì)量的稱量m土引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(m土)土的質(zhì)量的稱量過程中，嚴(yán)格按照秤的操作規(guī)范執(zhí)行，其不確定度主要是由秤的最大允許誤差引入的。秤的準(zhǔn)確度等級為eq\o\ac(○,Ⅲ)級，測量范圍（0～15）kg。秤的最大允許誤差MPE：±5g，區(qū)間半寬為5g，假設(shè)服從均勻分布，由土的質(zhì)量的稱量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為6.3.2由水的體積的測量V水引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(V水)混合物的體積的測量過程中，嚴(yán)格按照二等金屬標(biāo)準(zhǔn)量器的操作規(guī)范執(zhí)行，其不確定度主要是由量器的最大允許誤差引入的。量器最大允許誤差MPE：±0.025%，區(qū)間半寬為3010-30.025%=7.510-6m3，假設(shè)服從三角分布，由混合物的體積的測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為6.3.3由土的密度的測量ρ土引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(ρ土)經(jīng)過對土的測量過程的分析，評定得到土的密度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(ρ土)=24kg/m3。6.3.4由Wc的測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Wc)重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量與含沙量測定儀顯示值的分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量屬于同一種效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度，應(yīng)取二者的較大者。I）測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1(Wc)對濃度為2g/ml的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行6次測量，示值見表1。表D.1重復(fù)性實驗數(shù)據(jù)測量點/kg/m31234563028.629.429.929.229.028.6由于測量次數(shù)小于10次，因此采用極差法計算重復(fù)性。n=6，查表得到C=2.53，依據(jù)。由于實際測量結(jié)果以單次測量作為測量結(jié)果，所以，重復(fù)性測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為單次測量的實驗標(biāo)準(zhǔn)差：7II）含沙量測定儀的分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2(Wc)含沙量測定儀的分度值為0.1kg/m3，則分辨力的區(qū)間半寬a=0.05kg/m3，服從均勻分布，則由顯示值的分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量： 取重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度與顯示值的分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的較大者作為標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Wc)。由于u2(Wc)＜u1(Wc)，因此取重復(fù)性測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量作為被校準(zhǔn)含沙量測定儀重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Wc)=u1(Wc)=0.51kg/m3。6.4標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表表1標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表不確定度來源標(biāo)準(zhǔn)不確定度/（kg/m3）u(m土)由土的質(zhì)量m土引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度2.88710-3kg32.39/m30.096u(V水)水的體積V水引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度3.0610-6m31029.52kg/m30.0032u(ρ土)由土