JJF 1992-2022 长波辐射表校准规范

中华人民共和国国家计量技术规范2长波辐射表校准规范s6发布 6实施国家市场监督管理总局 发布2长波辐射表校准规范rs

2归 口 单 位:全国气象专用计量器具计量技术委员会主要起草单位:中国气象局气象探测中心参加起草单位:江苏省无线电科学研究所有限公司本规范委托全国气象专用计量器具计量技术委员会负责解释本规范主要起草人:崇伟中国气象局气象探测中心)丁蕾中国气象局气象探测中心)边泽强中国气象局气象探测中心)参加起草人:孙立新江苏省无线电科学研究所有限公司)闫加俊江苏省无线电科学研究所有限公司)目 录引言………………………

Ⅱ)1范围……………………2引用文件………………3术语和计量单位………………………4概述……………………5计量特性………………1灵敏度与修正系数…………………2稳定性………………6校准条件………………1环境条件……………2测量标准及其他设备………………7校准项目和校准方法…………………1校准项目……………2校准方法……………8校准结果的表达………………………9复校时间间隔…………

1)1)1)1)2)2)2)2)2)2)3)3)3)6)6)附录A 长波辐射计算方法……………

7)附录B 长波辐射表表体温度和罩体温度计算方法…………………

9)附录C 校准结果的不确定度评定示例………………

)附录D 长波辐射表校准记录参考格式)…………

)附录E 校准证书参考格式)………

)Ⅰ引言0国家计量校准规范编写规则1通用计量术语及定义》和2测量不确定度评定与表示》共同构成支撑本规范制定的基础性系列规范。本规范为首次发布。Ⅱ长波辐射表校准规范范围本规范适用于测量大气辐射和地球辐射的长波辐射表又称为地球辐射表”)的校准。引用文件本规范引用下列文件:1通用计量术语及定义4太阳能资源术语7长波辐射表(O0达沃斯物理观象台世界辐射中心红外辐射测量部长波辐射表校准程序)凡是注日期的引用文件仅注日期的版本适用于本规范凡是不注日期的引用文件,其最新版本包括所有的修改单适用于本规范。术语和计量单位长波辐射n波长介于m的电磁辐射。长波辐射表灵敏度 y长波辐射表输出的电信号与净长波辐照度的比值,·2·W。概述

单位为微伏平方米每瓦长波辐射表是用于测量大气长波辐射和地球长波辐射的仪器,它主要由长波辐射入射窗口罩、感应器件黑色感应面与热电堆、测温元件、防辐射罩、水平泡、表体、信号输出端和水平调节螺钉等部件组成,结构示意图如图1所示。图1长波辐射表结构示意图1—长波辐射入射窗口罩;2—感应器件;3—测温元件;4—防辐射罩;5—水平泡;6—表体;7—信号输出端;8—水平调节螺钉1长波辐射表利用辐射平衡原理进行长波辐射测量,即它在接收外界投射的长波辐射的同时,自身也向外界发射长波辐射。因此,长波辐射表的热电堆输出的感应电动势正比于其接收到的净长波辐射,即正比于外界入射的长波辐射与其自身向外发射的长波辐射之差。通过准确测定感应电压,可计算出净长波辐射;通过自身的热敏电阻或铂电阻等测温元件测量表体温度和罩体温度,可计算出长波辐射表向外界发射的长波辐射,这样就可计算出外界投射到长波辐射表上的长波辐射,计算公式见附录。通常,长波辐射表视场角分为和两种,输出类型包括模拟输出和数字输出。其中模拟输出型的长波辐射表仅进行灵敏度校准;数字输出型的长波辐射表可对修正系数进行校准,也可以对灵敏度进行校准。计量特性灵敏度与修正系数稳定性校准条件环境条件长波辐射表校准在室外进行

,校准条件包括:温度℃;相对湿度:小于0;风速:小于5。距离仪器感应面没有大于的遮挡物。校准时间为日落2h之后。标准净长波辐照度小于0W·2。标准长波辐照度值的标准偏差小于3。测量标准及其他设备 。测量标准及其他设备主要技术指标见表1表1测量标准及其他设备分类名 称测量范围主要技术指标测量标准标准长波辐射表长波辐照度:)W·2净长波辐照度:)W·2灵敏度年稳定性:1;辐照度扩展不确定度02)数字多用表或数据采集器电压:;电阻:Ω分辨力不低于六位半。最大允许误差:电压:不高于±6×读数×6×量程电阻Ω量程,不高于±6×读数6×量程Ω量程:不高于±6×读数6×量程)2表1续)分类名 称测量范围主要技术指标其他设备环境监测设备温度℃;相对湿度00;风速)s温度:2℃;相对湿度:2;风速:±5v为实际风速)通风器—风量:不小于031;风速:不小于21校准项目和校准方法校准项目 。校准项目及对应的校准方法条款见表2表2校准项目表校准项目校准方法对应条款灵敏度与修正系数校准方法见2稳定性校准方法见3注:可根据实际应用需要,选择要校准的计量特性项目。校准方法外观检查对长波辐射表的外观和结构进行检查。

长波辐射表外观应完好,

入射窗口罩无磨损,表体无明显变形和机械损伤;水平泡清晰可见;铭牌和标记应完整、清晰、醒目。灵敏度与修正系数校准程序校准期间,应避免人员靠近或遮挡,以减少对校准结果造成影响。校准程序如下:将标准长波辐射表和被校长波辐射表安装到通风器中,稳定放置在室外校准平台上,标准长波辐射表和被校长波辐射表之间的距离不大于0,清洁标准长波辐射表和被校长波辐射表的入射窗口罩,调节水平。对模拟输出型长波辐射表,将标准长波辐射表和被校长波辐射表的电压和电阻输出端与数字多用表或数据采集器连接,测量电压和电阻信号,为避免干扰,电压与电阻通道之间空出一个通道;对数字输出型长波辐射表,标准长波辐射表和被校长波辐射表直接与计算机串口相连,直接测量长波辐照度。测量过程中应保持标准长波辐射表和被校长波辐射表供电正常。正式校准测量之前,打开数字多用表或数据采集器电源,同步采集标准长波辐射表和被校长波辐射表输出值,检查并确认输出值的正负极性、大小和稳定性正常。所有仪器仪表预热测量h以上。校准时,采样时间间隔介于),测量时间为。校准一般在3日落2h之后进行。记录校准期间的环境温度、湿度和风速等参数。数据处理计算标准净长波辐照度值和标准长波辐照度值。标准长波辐射表为模拟输出型长波辐射表时,分别根据附录A公式)和公式)所示的计算方法,代入标准长波辐射表电压输出值、灵敏度值、表体温度、罩体温度,计算出标准净长波辐照度值和标准长波辐照度值,其中表体温度和罩体温度计算方法见附录。标准长波辐射表为数字输出型长波辐射表时,标准净长波辐照度值计算方法与模拟输出型长波辐射表一样,标准长波辐照度值则用标准长波辐射表输出的长波辐照度乘以其修正系数获得。对测量数据进行质量控制。主要包括以下步骤:剔除罩体温度绝对值大于5、表体温度绝对值大于5K等对应的长波辐射数据;剔除标准净长波辐照度大于0W·2对应的长波辐射数据;剔除标准长波辐照度标准偏差大于3对应的长波辐射数据;剔除被校长波辐射表输出长波辐照度值或电压信号的相对标准偏差大于3 应的长波辐射数据;校准时间段内0数据可用,此段数据才可用于校准。计算被校长波辐射表灵敏度。利用标准长波辐照度数据和被校长波辐射表同步采集的电压与电阻信号,按公式)计算被校长波辐射表灵敏度值修约到小数点后 t t 1 K式中:

Uk-

) 被校长波辐射表第i个灵敏度值·2·W1; 被校长波辐射表测得的第i个净长波辐射电压值;s) 标准长波辐射表测得的第i个标准长波辐照度值,W·2;B) 被校长波辐射表测得的第i个表体温度;TD) 被校长波辐射表测得的第i个罩体温度;123被校长波辐射表的仪器修正因子1的单位为·2·W12和无量纲;σ 玻尔兹曼常数8W·24。按公式)计算灵敏度的平均值K修约到小数点后2位K=1n )式中:n同步测量次数。

ni=1n11n11n-2s=4

)与K的差值的绝对值大于剔除最大的差值绝对值对应的,重新计算K与K的差值的绝对值小于或等于取最终的K作为校准结果。计算被校长波辐射表修正系数。根据标准长波辐照度数据和被校长波辐射表同步采集的长波辐照度值,按公式)计算被校长波辐射表修正系数修约到小数点后5位Ci

)式中:

=Eti被校长波辐射表第i个修正系数;标准长波辐射表测得的第i个标准长波辐照度值,W·2;被校长波辐射表输出的第i个长波辐照度值,W·2。按公式)计算修正系数的平均值C修约到小数点后4位niC=1nni式中:n同步测量次数。n11n11n2s=

)如果与C的差值的绝对值大于剔除最大差值绝对值对应的重新计算C直至所有与C的差值绝对值小于或等于取最终的C作为校准结果。稳定性稳定性用灵敏度与修正系数的年变化率来衡量修正系数的稳定性按公式)计算:

。灵敏度的稳定性按公式

)

计算,式中:

=

2-K1

0 )K模拟输出型长波辐射表灵敏度的年稳定性;1长波辐射表上一年的灵敏度·2·W1;2长波辐射表新校准出的灵敏度·2·W1。式中:

=

C1

0 )C数字输出型长波辐射表修正系数的年稳定性;1长波辐射表上一年的修正系数;2长波辐射表新校准出的修正系数。5校准结果的表达校准结果应在校准证书上反映校准证书格式参考附录、附录校准证书至少应包括以下信息:标题校准证书;实验室名称和地址;进行校准的地点如果与实验室的地址不同证书的唯一性标识如编号每页及总页数的标识;客户的名称和地址;被校对象的描述和明确标识;进行校准的日期,如果与校准结果的有效性和应用有关,应说明被校对象的接收日期;如果与校准结果的有效性应用有关,应对被校样品的抽样程序进行说明;校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;校准环境的描述;校准结果及其测量不确定度的说明;对校准规范的偏离的说明;校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识;校准结果仅对被校对象有效的声明;未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。复校时间间隔建议长波辐射表的复校时间间隔为2年,当发现长波辐射测量值出现异常时,建议提前送校。由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的,因此,送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。6附录A长波辐射计算方法K长波辐射表在接收外界投射长波辐射的同时,自身也在向外界发射长波辐射,根据热电响应特性,长波辐射表热电堆输出电动势正比于冷热端的温度差,因此,长波辐射表输出的电压信号正比于其接收到的净长波辐射,即正比于外界入射的长波辐射与长波辐射表自身向外发射的长波辐射之差,如公式)所示:KKU1 t= 3nt+E) )TB TB式中:

tUB) )KtB )KED- )U 长波辐射表电压输出值;K 长波辐射表灵敏度·2·W1;t 长波辐射表接收到的净长波辐射,W·2;n 外界入射的长波辐射,W·2;t —长波辐射表向外发射的长波辐射,W·2;E —长波辐射表体与罩体热交换,W·2;B 长波辐射表体温度;TD 长波辐射表罩体温度;12长波辐射表的仪器修正因子1的单位为·2·W12和3无量纲;σ 玻尔兹曼常数8W·24。由公式)~)可知,测量出长波辐射表的电压输出值和电阻输出值,依据校准所得灵敏度K,可以由公式)计算出外界入射的长波辐射:KnBD- )K注:长波辐射表的表体温度和罩体温度由测温元件测得。通常测温元件为热敏电阻或铂电阻,通过测量测温元件的电阻值,根据长波辐射表生产商提供的公式和系数计算得出温度值。仪器常数i)通常在实验室用黑体精确测得。一般而言,只有用作标准器的长波辐射表i才通过黑体校准获得,而用于野外业务测量的长波辐射表,由于对测量准确度要求并不特别高,通常采用仪器生产商提供的默认数值。但是,由于仪器结构不同,不同生产商、不同型号的长波辐射表i的默认取值并不相同,具体需要根据生产商的产品说明书确定。公式)是N世界辐射基准站网)认可的长波辐射表测量原理的完整公式,本规7范所有计算都基于该完整形式,但要声明的是,在具体的校准过程中,应根据不同型号长波辐射表i取值的不同,以及对长波辐射测量准确度要求的不同,确定公式)的具体形式并进行计算。对于数字输出型的长波辐射表,其测量原理与模拟输出型长波辐射表一样,只是由采集软件直接显示长波辐照度值。8附录B长波辐射表表体温度和罩体温度计算方法长波辐射表测温元件为热敏电阻时,长波辐射表的表体温度和罩体温度可以按公式TaTaR3 式中:T 长波辐射表的表体温度或罩体温度;R 长波辐射表测温元件热敏电阻在温度T时的电阻值;c电阻生产厂商提供的常数适用于温度范围0℃0℃a=777。长波辐射表测温元件为0铂电阻时,长波辐射表的表体温度和罩体温度可以α+2·β-α+2·β-R+β0T=式中:

5 )T 长波辐射表的表体温度或罩体温度;R 长波辐射表测温元件0铂电阻在温度T时的电阻值;β电阻生产厂商提供的常数适用于0℃0℃温度范围337。9附录C校准结果的不确定度评定示例灵敏度不确定度评定测量模型以某模拟输出型长波辐射表作为被校仪器为例,该型长波辐射表只测量长波辐射表表体温度B,不测量辐射表罩体温度TD13取2取,校准测量模型如下:K= 4

)式中:

sTBK被校长波辐射表灵敏度·2·W1;t被校长波辐射表电压输出值;标准长波辐照度值,W·2;σ玻尔兹曼常数8W·24;被校长波辐射表体温度。不确定度来源由公式)可知,被校长波辐射表灵敏度的不确定度主要来源于以下4个方面:被校长波辐射表灵敏度测量重复性引入的标准不确定度K被校长波辐射表表体温度引入的标准不确定度B数字多用表测量被校长波辐射表电压输出信号引入的标准不确定度标准长波辐照度测量引入的标准不确定度。不确定度评定被校长波辐射表灵敏度测量重复性引入的标准不确定度K)的评定按A类标准不确定度评定方法,对被校长波辐射表灵敏度K测量重复性引入的标准不确定度K)进行评定。计算被校长波辐射表灵敏度的平均值和标准偏差,以其平均值作为测量结果,平均值对应标准偏差作为A类不确定度得到被校长波辐射表的测量重复性,。采样间隔1;测量次数;测量环境条件:平均温度7℃,平均相对湿度8,平均风速小于1。0表1被校长波辐射表灵敏度及测量重复性表号类型K·2·W1)K)·2·W1)9模拟输出92被校长波辐射表表体温度引入的标准不确定度B的评定按照B类标准不确定度评定方法对被校长波辐射表表体温度引入的不确定度B进行评定。被校长波辐射表测温元件为热敏电阻根据被校长波辐射表说明书,该热敏电阻最大允许误差为2按均匀分布将被校长波辐射表表体温度引入的不确定度B确定为2=得出标准不确定度为B/3。()数字多用表测量被校长波辐射表电压输出信号引入的标准不确定度u的评定按照B类标准不确定度评定方法对数字多用表测量被校长波辐射表电压输出信号引入的不确定度u进行评定。考虑到长波辐射表输出电压信号通常为1V~0因此按照数字多用表校准证书中0V测量点不确定度进行评定。由数字多用表校准证书可知0V测量点不确定度为UV则标准不确定度为。 ()标准长波辐照度测量引入的标准不确定度u的评定按照B类标准不确定度评定方法对标准长波辐照度测量引入的标准不确定度进行评定。在对工作级长波辐射表进行校准时标准长波辐射表提供的是标准长波辐照度为此需利用标准长波辐射表的灵敏度及其校准不确定度稳定性温度响应、测温电阻最大允许误差和数字多用表电压测量不确定度等评定出标准长波辐射表的辐照度测量不确定度。规范编制过程中所用的标准长波辐射表校准证书给出的灵敏度为·2·W1扩展不确定度为·2·W经计算该标准长波辐射表的辐照度扩展不确定度为2W·2满足作为标准长波辐射表的要求。在实际校准过程中将标准长波辐射表的辐照度测量不确定度扩大并引入校准结果的不确定度评定如表1所示标准长波辐射表的辐照度扩展不确定度为5W·2则其标准测量不确定度为5W·2。合成标准不确定度评定 。长波辐射表灵敏度测量结果的标准不确定度分量见表2表2长波辐射表灵敏度测量结果的标准不确定度分量序号不确定度来源评定方法分布符号标准不确定度分量单位1测量重复性A正态分布K)2·2·W12温度测量B均匀分布B)/3K3电压测量B正态分布)5μV4标准长波辐照度测量B正态分布)5W·m-2按下式计算合成标准不确定度uc:1c=1K234 )11 )2=B

=Bs

)3=K= 1

)t sTB4=K= K

)式中:

s sTBc长波辐射表校准结果的合成标准不确定度·2·W1;1灵敏系数,取;2灵敏系数,为式)对输入量B的偏导数·2·W11;3灵敏系数,为式)对输入量t的偏导数,W1·2;4灵敏系数,为式)对输入量s的偏导数·4·W2。将合成标准不确定度的最大值作为最终结果:c≈·2·1 )扩展不确定度Uc·2·1·2·1 )其相对扩展不确定度:lU=6≈1 )K校准结果长波辐射表灵敏度校准结果为:

9其相对扩展不确定度为:

K·2·W1 )1 ) )修正系数校准不确定度评定测量模型sE以某数字输出型长波辐射表作为被校仪器为例显示长波辐照度,修正系数的测量模型如下:sE

,该型长波辐射表通过测量软件直接式中:

C

)C被校长波辐射表修正系数;s标准长波辐照度值,W·2;t被校长波辐射输出长波辐照度,W·2。不确定度来源由公式)可知,被校长波辐射表修正系数的不确定度主要来源于以下4个2方面:被校长波辐射表修正系数测量重复性引入的标准不确定度C被校长波辐射表分辨力引入的标准不确定度被校长波辐射表零点偏移引入的标准不确定度标准长波辐照度测量引入的标准不确定度。不确定度评定 ()被校长波辐射表修正系数测量重复性引入的标准不确定度uC的评定按照A类标准不确定度评定方法评定被校长波辐射表修正系数C的测量重复性引入的标准不确定度C计算被校长波辐射表修正系数的平均值和标准偏差以其平均值作为测量结果以平均值对应的标准偏差作为A类不确定度得到被校长波辐射表的测量重复性。采样间隔1;测量次数;测量环境条件:平均温度4℃,平均相对湿度4,平均风速小于4。表3被校长波辐射表修正系数及测量重复性表号类型CC)8数字输出35被校长波辐射表分辨力引入的标准不确定度的评定B类标准不确定度评定方法参照被校长波辐射表技术说明其分辨力为21W·2按均匀分布则引入的标准不确定度为=2

W·m-2。被校长波辐射表零点偏移引入的标准不确定度的评定按照B类标准不确定度评定方法参照被校长波辐射表技术说明被校长波辐射表热偏移为5W·2按均匀分布则引入的标准不确定度为=5

W·m-2。标准长波辐照度测量引入的标准不确定度的评定 3按照B类标准不确定度评定方法对标准长波辐照度测量引入的标准不确定度进行评定。在对工作级长波辐射表进行校准时,标准长波辐射表提供的是标准长波辐照度,为此,需利用标准长波辐射表的灵敏度及其校准不确定度、稳定性、温度响应、测温电阻最大允许误差和数字多用表电压测量不确定度等,评定出标准长波辐射表的辐照度测量不确定度。规范编制过程中所用的标准长波辐射表校准证书给出的灵敏度为·2·W1,扩展不确定度为·2·W1经计算该标准长波辐射表的辐照度扩展不确定度为2W·2满足作为标准长波辐射表的要求。在实际校准过程中将标准长波辐射表的辐照度扩展不确定度扩大并引入校准结果的不确证度评定如表1所示标准长波辐射表的辐照度扩展不确定度为5W·2则其标准测量不确定度为5W·2。3合成标准不确定度评定 。长波辐射表修正系数测量结果的标准不确定度分量见表4表4长波辐射表修正系数测量结果的标准不确定度分量序号不确定度来源类型分布符号标准不确定度分量单位1测量重复性A正态分布C)5无量纲2分辨力B均匀分布1)12W·m-23零点偏移B均匀分布2)53W·m-24标准长波辐照度测量B正态分布)5W·m-2按下式计算合成标准不确定度uc:c=1C23 )11 )2=C=

)t 3=C=1

)式中:

s tc长波辐射表修正系数测量结果的合成标准不确定度;1灵敏系数,取;2灵敏系数,为式)对输入量t