魏運(yùn)芳 王旭 劉宗堯 劉軍
摘 要:土壤水分觀測在氣象部門逐漸開展,對觀測資料的嚴(yán)格質(zhì)量控制尤其重要。本文介紹了土壤水分測量原理、不確定度影響因素及評定方法。
關(guān)鍵詞:土壤水分;測量原理;不確定度評定
1 緒論
土壤水分含量是土壤檢測項(xiàng)目中大部分參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),是否準(zhǔn)確判斷所使用土壤水分觀測設(shè)備的可靠性,直接關(guān)系到其它參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性,對土壤水分的測定是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要手段。吉林省氣象部門建立自動土壤水分觀測站上百個,為準(zhǔn)確把握傳感器的計(jì)量特性,必須對傳感器進(jìn)行周期性校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過程中標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)的制備流程、讀數(shù)裝置、配套設(shè)備等都對校準(zhǔn)結(jié)果影響較大,本文著重對校準(zhǔn)結(jié)果的不確定因素進(jìn)行分析。
2 測量原理
DZN1型和DZN2型土壤水分觀測儀均是利用FDR原理(Frequancy Domain Reflectometry),土壤水分變化導(dǎo)致介電常數(shù)變化,而頻率的變化受到電容的影響,根據(jù)探測器發(fā)出的電磁波在不同介電常數(shù)物質(zhì)中的頻率不同,傳感器讀出的頻率與測量的體積含水量之間建立特定的校準(zhǔn)等式,轉(zhuǎn)化為體積含水量,計(jì)算被測物含水量。
3 校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分析
3.1 實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方法
自動土壤水分觀測儀器校準(zhǔn)流程包括檢前準(zhǔn)備、砂樣制備、調(diào)試讀數(shù)、環(huán)刀取樣、取樣烘干、稱重計(jì)量和檢后整理7環(huán)節(jié)。根據(jù)吉林省土壤類型和容重范圍,多數(shù)土壤屬于I、II類,容重集中在(1.5~1.8)g/cm3,適合選擇240目石英砂作為模擬介質(zhì),選取5%、10%、15%、20%、25%作為校準(zhǔn)點(diǎn)。校準(zhǔn)結(jié)果的評定參照J(rèn)JF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》。
3.2 數(shù)學(xué)模型
按照校準(zhǔn)方法,建立下式數(shù)學(xué)模型:
4 校準(zhǔn)結(jié)果不確定度的分析與計(jì)算
JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》規(guī)定,根據(jù)數(shù)值評定方法的不同,可將測量結(jié)果的不確定度分為兩類:A類評定和B類評定。
A類評定主要由一系列測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布獲得的不確定度,用標(biāo)準(zhǔn)偏差來表征。一般影響A類不確定度的因素主要是被檢土壤傳感器測量重復(fù)性引入的不確定度。
B類評定根據(jù)有關(guān)信息或經(jīng)驗(yàn),判斷被測量可能值區(qū)間。一般影響B(tài)類不確定度的因素主要有:采集器讀數(shù)分辨力引入的不確定度、標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)不均勻引入的不確定度、傳感器入土深度引入的不確定度。
4.1 A類標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度的評定
通過對5%、10%、15%、20%和25%共5個校準(zhǔn)點(diǎn)的20次測量,結(jié)果如表1所示。
因?yàn)閱吸c(diǎn)測量次數(shù)n=4,采用極差法求得標(biāo)準(zhǔn)差:
查表得極差法系數(shù)d(4)=2.06,則各點(diǎn)測量結(jié)果的A類評定的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為
其中,自由度v=2.7。
4.2 B類標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度的評定
A.顯示裝置的分辨力引入的不確定度u1。顯示裝置的分辨力為0.1%,則不確定度區(qū)間半寬度為0.05%,可假設(shè)為均勻分布,查表得k=3,則由分辨力引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1為:
B.介質(zhì)場不均勻引入的不確定度u2。石英砂和水配比后,存在介質(zhì)不均勻性,依據(jù)經(jīng)驗(yàn),介質(zhì)場體積含水量最大差值為0.2%,則不確定度的半寬度為0.05%,按照均勻分布計(jì)算,取k=3,則有:
C.插針入土深度引入的不確定度u3。探針入土深度對傳感器影響很大,被檢土壤傳感器的插入深度差異將引起測量結(jié)果的誤差,探針趨于全沒過時,數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。假設(shè)為均勻分布,區(qū)間半寬度取0.1%,k=3,則有:
則有B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:
4.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度
由于各不確定度分量之間相互獨(dú)立,所以他們之間的相關(guān)系數(shù)為0。
根據(jù)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算公式可得:
4.4 擴(kuò)展不確定度的計(jì)算
取包含因子k=2,則擴(kuò)展不確定度為:
作者簡介:魏運(yùn)芳(1981-),女,漢族,吉林長春人,高級工程師,主要研究方向:儀器計(jì)量檢定。