中华人民共和国国家计量技术规范
JJF2312—2025
FDR 自动土壤水分观测仪校准规范
CalibrationSpecificationfor
FrequencyDomainReflectionAutomaticSoilMoistureMeters
2025-09-08发布2026-03-08实施
国家市场监督管理总局 发布
归口单位:全国气象专用计量器具计量技术委员会
起草单位:甘肃省气象信息与技术装备保障中心
中国气象局上海气象装备保障中心
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
JJF2312—2025
本规范主要起草人:
党选发(甘肃省气象信息与技术装备保障中心)
董克非(中国气象局上海气象装备保障中心)
韩玉婷(甘肃省气象信息与技术装备保障中心)
参加起草人:
吴丽娜(甘肃省气象信息与技术装备保障中心)
褚进华(中国气象局上海气象装备保障中心)
矫 健(中国气象局上海气象装备保障中心)
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目 录
引言……………………………………………………………………………………… (Ⅱ)
1 范围…………………………………………………………………………………… (1)
2 引用文件……………………………………………………………………………… (1)
3 术语…………………………………………………………………………………… (1)
4 概述…………………………………………………………………………………… (1)
5 计量特性……………………………………………………………………………… (1)
6 校准条件……………………………………………………………………………… (2)
7 校准项目和方法……………………………………………………………………… (2)
8 校准结果表达………………………………………………………………………… (6)
9 复校时间间隔………………………………………………………………………… (7)
附录A 玻璃砂容重测量记录表格式………………………………………………… (8)
附录B 土壤水分仪校准记录表格式………………………………………………… (9)
附录C 土壤体积含水量标准值测量记录表格式…………………………………… (11)
附录D 土壤水分仪校准证书内页格式……………………………………………… (12)
附录E 土壤水分仪测量误差的不确定度评定示例………………………………… (14)
Ⅰ
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引 言
JJF1001—2011 《通用计量术语及定义》、JJF1059.1—2012 《测量不确定度评定与
表示》、JJF1071—2010 《国家计量校准规范编写规则》共同构成支撑本规范制定工作
的基础性系列规范。
本规范为首次发布。
Ⅱ
JJF2312—2025
FDR 自动土壤水分观测仪校准规范
1 范围
本规范适用于以玻璃砂为校准介质的FDR 自动土壤水分观测仪(以下简称土壤水
分仪)的实验室校准。
2 引用文件
本规范引用了下列文件:
GB/T28418—2012 土壤水分(墒情)监测仪器基本技术条件
GB/T33705—2017 土壤水分观测 频域反射法
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)适用本规范。
3 术语
3.1 土壤体积含水量 volumetricmoisturecontentofsoil
单位土壤总体积中水分所占的体积分数,通常以百分数(%)形式表示。
[来源:GB/T33705—2017,3.3]
3.2 稳定性 stability
测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力。
注:稳定性可用几种方式量化。
例:
1 用计量特性变化到某个规定的量所经过的时间间隔表示;
2 用特性在规定时间间隔内发生的变化表示。
[来源:JJF1001—2011,7.19]
4 概述
土壤水分仪基于频域反射法原理来测定土壤体积含水量,它由传感器发出高频信
号,传感器电容(电压)量与被测层次土壤的介电常数成函数关系。当土壤中的水分变
化时,其介电常数相应变化,这种变化量经采集及处理,得出土壤体积含水量。土壤水
分仪由传感器、采集器、通信模块等部分组成。根据安装方式不同,可分为探针式和插
管式两类。测量时根据当地土壤情况对测量数据进行订正。
5 计量特性
5.1 土壤体积含水量
5.2 稳定性
1
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6 校准条件
6.1 环境条件
温度:(20±5)℃。
相对湿度:不大于75%。
6.2 测量标准及其他设备
测量标准及其他设备见表1。
表1 测量标准及其他设备
序号设备名称主要技术指标用途
1 电子天平
(1)准确度等级:Ⅱ级;
(2)测量范围:0.5g~500g;
(3)分度值:0.01g
标准器,用于称量环刀和铝盒
取样值
2 游标卡尺(1)测量范围:0mm~150mm;
(2)分度值:0.05mm 用于测量环刀内径和高度
3 电子台秤分度值不大于1.0g;最小称量为10kg 称量玻璃砂和纯净水
4 干燥箱工作温度不低于110℃ 用于玻璃砂的烘干
5 专用取土设备
包括环刀(容积100cm3)和铝盒(容积
≥150cm3) 用于校准介质的取样
6 固结仪
建议尺寸:
(1)压板上下行程:240mm~300mm;
(2)压板直径:238mm;
(3)压板厚度16mm
用于校准介质的夯实
7 校准容器材质为PVC,建议尺寸如图1所示盛放校准介质
8 搅拌机
建议为不锈钢材质,搅拌容积≥6L,转
速147r/min~852r/min 用于校准介质的搅拌
注:用(180目~240目)的玻璃砂和纯净水按比例配制成校准用校准介质。
(a)插管式传感器校准容器(b)探针式传感器校准容器
图1 土壤水分仪校准容器示意图
7 校准项目和方法
7.1 校准项目
2
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7.1.1 土壤体积含水量
7.1.2 稳定性
7.2 校准方法
7.2.1 校准点的选择
校准点为:5%、15%、25%、40%。
7.2.2 校准前的准备
7.2.2.1 校准前检查工作场所无震动和磁场,无阳光直射或其他冷、热源,以避免对
校准工作的影响。
7.2.2.2 校准前应将待用的玻璃砂(180目~240目)放至干燥箱中,在105℃条件下
烘干不少于8h。
7.2.3 玻璃砂容重的计算
7.2.3.1 用游标卡尺测量取样环刀的内径和高,计算环刀的容积,记入玻璃砂容重测
量记录表(附录A)中。
7.2.3.2 用电子天平对环刀进行称量,精确到0.01g。
7.2.3.3 在环刀中装满烘干待用的玻璃砂,玻璃砂表面应与环刀边缘齐平,将其放置
到电子天平上进行称量,精确到0.01g。
7.2.3.4 根据容重计算公式(1)计算玻璃砂容重。
ρ=Md-Mh
Vh (1)
式中:
ρ ———玻璃砂容重,g/cm3,保留两位小数;
Md———环刀与干砂共重,g;
Mh———环刀质量,g;
Vh ———环刀容积,cm3。
7.2.3.5 按7.2.3.2至7.2.3.4步骤重复操作3次,计算3次玻璃砂容重的算术平均
值作为此次校准的玻璃砂容重值,保留两位小数。
7.2.4 校准介质的计算和制备
7.2.4.1 校准介质的计算
a)校准介质体积计算方法如公式(2)所示。
V =πR2h (2)
式中:
V ———校准容器中校准介质的体积,cm3,保留一位小数;
R ———校准容器有效半径,cm;
h ———校准容器中校准介质高度,cm,受土壤水分传感器电场分布影响,h 需大
于10cm;
π ———常数,取值为3.14。
b)校准介质中玻璃砂质量计算方法如公式(3)所示。
M =Vρ (3)
3
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式中:
M ———校准介质中玻璃砂质量,g,保留一位小数。
c)校准介质中水质量计算方法如公式(4)所示。
M w=V.ρw.θvs (4)
式中:
M w ———校准介质中水质量,g,保留一位小数;
ρw ———纯净水密度,g/cm3;
θvs ———校准介质体积含水量,%。
d)以240目容重为1.5g/cm3 的玻璃砂为例,在实验环境条件为20℃时纯净水密
度为0.998203g/cm3,校准介质所需玻璃砂和水质量见表2。
表2 校准介质所需玻璃砂和水质量表
校准点
插管式传感器探针式传感器
体积/cm3 水质量/g 玻璃砂质量/g 体积/cm3 水质量/g 玻璃砂质量/g
5% 5130.5 256.1 7695.8 5425.9 270.8 8138.9
15% 5130.5 768.2 7695.8 5425.9 812.4 8138.9
25% 5130.5 1280.3 7695.8 5425.9 1354.0 8138.9
40% 5130.5 2048.5 7695.8 5425.9 2166.5 8138.9
注:校准容器为内径24cm 的圆柱形,玻璃砂夯实压装至(从容器底部算起)12cm 处。插管
式传感器所用校准容器在盒的正中央有一个内径5.1cm 的圆柱形孔。
7.2.4.2 校准介质的制备
a)称量玻璃砂及水
根据被校准传感器类型,使用电子台秤称量计算出的校准点对应的水和玻璃砂
质量。
b)40%校准点校准介质制作过程
1)将称量水的1/4倒入搅拌容器中,倒入称量玻璃砂的1/4,使用工具搅拌,使
其尽量均匀分布在搅拌容器内。
2)重复以上步骤,直至倒入全部玻砂璃及纯净水。
3)将搅拌均匀后的校准介质取出置入校准容器内,确保容器内的玻璃砂表面无水
渗出,若有多余的纯净水渗出,应使用吸管吸出。
4)将校准容器加盖密封,至少静置1h后,使用吸管吸出校准介质表面多余的纯
净水方可使用。
c)其他校准点校准介质的制作
1)将称量好的玻璃砂倒入搅拌机的容器内并加入称量好的水,充分搅拌均匀。尽
量使用不锈钢器具进行搅拌,避免水分损耗。
2)将搅拌均匀后的校准介质取出总质量的1/4,置入校准容器内。
3)将校准容器内的校准介质均匀铺平,使用固结仪逐步夯实,可采用先轻压后重
压的方法。
4
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4)重复操作1)至3),直至将所有校准介质全部装入校准容器内。最后校准介质
的上表面应达到校准容器的应有高度处,即公式(2)中h 的位置。
注:
1 校准介质制作完成后放置和使用时间不宜超过12h。
2 对于探针式传感器,如果需要重复利用校准介质,则在取出传感器后重新夯实校准介质,才
能进行下一批传感器的校准。
7.2.5 校准步骤
7.2.5.1 开始校准前将土壤水分仪通电预热5min。
7.2.5.2 对插管式传感器的土壤水分仪,应将传感器垂直置入校准容器的套管中,被
校准的传感单元应置于校准介质垂直方向的中间位置,依次校准每个传感单元;对探针
式传感器的土壤水分仪,应均匀地布设在校准介质中,同时校准多支传感器时应避免相
互干扰。
7.2.5.3 按照7.2.1中规定的校准点分别校准土壤水分仪,待土壤水分仪示值稳定后,
每隔1min读取1次示值,共读取4次,记入校准记录表(附录B),计算4次示值的算
术平均值,即为该土壤水分仪的土壤体积含水量。
7.2.5.4 土壤体积含水量标准值的测量:
a)对编号的空铝盒用电子天平分别进行称量,精确到0.01g,记入土壤水分体积
含水量标准值测量记录表(附录C)中。
b)土壤水分仪校准完成后,用环刀对每个校准点对应的校准容器中的校准介质进
行4次取样。
注:取样以校准容器中校准介质高度的中间位置为宜,4次取样以校准介质平面呈90°排列为
宜。一个校准容器中取样完成后,将环刀擦拭干净,进行下一个校准容器的取样。
c)把取样后的环刀内湿样分别放入编号的4个铝盒中,随即盖好盒盖。用电子天
平进行称量,精确到0.01g。
d)对湿样称量完成后,打开盒盖并套在盒底,放入烘箱中,设置烘箱温度为
105℃,烘箱温度达到设定值时计时,连续烘烤不少于8h。
e)烘烤完成后,断开烘箱电源,待烘箱自然冷却后,迅速取出铝盒并盖好盒盖,
用电子天平进行称量,精确到0.01g。
7.2.6 数据处理
7.2.6.1 土壤体积含水量
土壤体积含水量计算方法如公式(5)所示。
θvc=1 nΣn
i=1
θvci (5)
式中:
θvc ———土壤体积含水量,为n 次示值的平均值,%,保留两位小数;
θvci ———第i 次土壤水分仪示值,%;
n ———测量次数。
7.2.6.2 土壤体积含水量标准值
a)校准介质重量含水率计算方法如公式(6)所示。
5
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θgi=g2i-g3i
g3i-g1i ×100% (6)
式中:
θgi———第i 次校准介质重量含水率,%,保留两位小数;
g1i———第i 次使用的空铝盒质量,g;
g2i———第i 次铝盒与湿样共重,g;
g3i———第i 次铝盒与干样共重,g。
b)校准介质体积含水量计算方法如公式(7)所示。
θvsi=θgi×ρ
ρw (7)
式中:
θvsi———第i 次校准介质体积含水量,%,保留两位小数。
c)土壤体积含水量标准值计算方法如公式(8)所示。
θvs=1 nΣn
i=1
θvsi (8)
式中:
θvs———测量标准值,为n 次校准介质体积含水量的平均值,%,保留两位小数;
n ———测量次数。
7.2.6.3 土壤体积含水量测量误差
土壤体积含水量测量误差计算方法如公式(9)所示。
Δθv=θvc-θvs (9)
式中:
Δθv———土壤体积含水量测量误差,%,保留两位小数。
7.2.6.4 稳定性
稳定性用以玻璃砂为校准介质测得的测量误差的变化量来衡量,计算方法如公式
(10)所示。
δθ=|Δθv2-Δθv1| (10)
式中:
δθ ———土壤水分仪的稳定性,%,保留两位小数;
Δθv1———上一次校准的土壤体积含水量测量误差;
Δθv2———本次校准的土壤体积含水量测量误差。
8 校准结果表达
经校准的自动土壤水分观测仪出具校准证书。校准证书应符合JJF1071—2010中
5.12的要求。校准证书中应至少包含下列信息:
a)证书的唯一性标识;
b)送校单位的名称和地址;
c)土壤水分仪的描述和明确标识;
6
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d)校准依据的技术规范的标识;
e)校准日期;
f)校准所用测量标准溯源性和有效性说明;
g)校准环境的描述;
h)校准项目名称和校准结果;
i)测量结果的不确定度;
j)校准、核验、批准人员签名。
校准证书内页格式参考附录D。
9 复校时间间隔
建议一般不超过2年。
7
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附录A
玻璃砂容重测量记录表格式
玻璃砂容重测量记录表
记录号:
测量次数环刀重量/g
环刀和干砂
共重/g
环刀内干
砂质量/g
环刀容积/
cm3
玻璃砂容重/
(g/cm3)
容重平均值/
(g/cm3)
1
2
3
测量环境温度℃ 相对湿度 %
校准员: 核验员: 日期:
8
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附录B
土壤水分仪校准记录表格式
土壤水分仪校准记录表
校准证书编号: 校准记录编号:
环境条件
校准开始时校准结束时平均值
空气温度: 空气温度: 空气温度:
相对湿度: 相对湿度: 相对湿度:
标准器被校观测仪
名称: 名 称
型号/规格: 生产厂商
编号: 型号/规格
准确度等级/最大允差: 出厂编号
溯源证书有效期至: 送校单位
校准介质土壤水分仪体积含水量读数/%
玻璃砂
校准点标准值
被校1 被校2 被校3 被校4 被校5 被校6 被校7 被校8
5%
平均值/%
测量误差/%
稳定性/%
15%
平均值/%
测量误差/%
稳定性/%
9
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25%
平均值/%
测量误差/%
稳定性/%
40%
平均值/%
测量误差/%
稳定性/%
校准依据
校准员: 核验员: 校准日期:
10
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附录C
土壤体积含水量标准值测量记录表格式
土壤体积含水量标准值测量记录表
记录号:
校准点
铝盒
编号
盒重
(g1)/g
盒与湿
砂共重
(g2)/g
盒与干
砂共重
(g3)/g
(g3-
g1)/g
(g2-
g3)/g
重量含
水率/%
体积含
水量/%
标准值/
%
5%
15%
25%
40%
测量
环境
温度℃ 相对
湿度%
校准员: 核验员: 日期:
11
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附录D
土壤水分仪校准证书内页格式
D.1 校准证书第2页
证书编号:××××××-××××
校准机构说明
校准所依据/参照的技术文件(代号、名称)
校准环境条件及地点:
温 度: ℃ 地 点:
相对湿度: % 其 他:
校准使用的计量基(标)准装置(含标准物质)/主要仪器
名称测量范围
不确定度/
准确度等级
证书编号有效期至
第2页 共×页
12
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D.2 校准证书第3页
校准结果
层深/cm
校准点
5% 15% 25% 40%
标准值
10
体积含水量
扩展不确定度(k=2)
稳定性
20
体积含水量
扩展不确定度(k=2)
稳定性
30
体积含水量
扩展不确定度(k=2)
稳定性
40
体积含水量
扩展不确定度(k=2)
稳定性
50
体积含水量
扩展不确定度(k=2)
稳定性
60
体积含水量
扩展不确定度(k=2)
稳定性
80
体积含水量
扩展不确定度(k=2)
稳定性
100
体积含水量
扩展不确定度(k=2)
稳定性
注:下次校准请带此校准证书完整复印件。
第3页 共×页
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附录E
土壤水分仪测量误差的不确定度评定示例
E.1 评定方法
E.1.1 评定依据
本规范的测量不确定度评定依据是JJF1059.1—2012 《测量不确定度评定与表示》。
E.1.2 测量方法
选取一支基于频域反射原理的土壤水分仪作为被校表,制作4个不同体积含水量的
校准介质,将土壤水分仪插入校准介质中心内管,在采集器端选择输出量为体积含水
量,读取该传感器的体积含水量,通过升降校准介质分别对被校表8层传感器进行测
量。测试结束后通过烘干称量校准介质样本,计算得到标准值,从而计算出土壤水分仪
各层在各校准点的测量误差值。
E.1.3 测量模型
被校土壤水分仪土壤体积含水量由公式(E.1)计算得出:
Δθv=θvc-θvs (E.1)
式中:
Δθv ———测量误差,%;
θvc ———被校土壤水分仪土壤体积含水量,为4次示值的平均值,%;
θvs ———测量标准值,为n 次计算出的校准介质体积含水量的平均值,%。
E.1.4 不确定度的来源
土壤水分仪校准过程引入的不确定度的主要来源有:土壤水分仪测量重复性引入的
标准不确定度u1;土壤水分仪分辨力引入的标准不确定度u2;介质场不均匀引入的标
准不确定度u3;标准器测量准确性引入的标准不确定度u4。
E.2 输入量的标准不确定度评定
E.2.1 土壤水分仪测量重复性引入的标准不确定度u1
按照测量方法,在符合校准条件的情况下,对土壤水分仪在4 个校准点5%,
15%,25%和40%上进行校准。每个校准点读取4组测量值,被测量值接近正态分布,
单次测量结果的实验标准差采用极差法按公式(E.2)计算。
s(xi)=Ri
C (i=1,2,3,4) (E.2)
式中:
s(xi)———单次测量结果的实验标准差,%;
Ri ———4次测量结果中最大值与最小值之差,%;
C ———极差系数,2.06。
土壤水分仪测量值为4次测量结果的平均值,测量结果的重复性引入的标准不确定
度,即平均值的标准不确定度按公式(E.3)计算。
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u1=s(xi)
n (i=1,2,3,4) (E.3)
式中:
n———测量次数,4。
各校准点的测量误差、极差、实验标准偏差及重复性引入的标准不确定度计算结果
见表E.1。
表E.1 土壤水分仪测量重复性引入的标准不确定度
项目
校准点/%
5 15 25 40
测量值
4.71 14.60 24.23 38.33
4.92 14.19 24.46 37.69
4.57 14.38 25.30 38.02
4.15 13.74 24.66 37.99
极差Ri 0.77 0.86 1.07 0.64
实验标准偏差s(xi) 0.374 0.418 0.52 0.31
标准不确定度u1 0.187 0.209 0.260 0.155
重复性引入的标准不确定度取各校准点最大值为0.260%。
E.2.2 土壤水分仪分辨力引入的标准不确定度u2
土壤水分仪的分辨力为0.01%,假设均匀分布,k= 3,则分辨力引入的标准不确
定度:
u2=0.01%
2 3 ≈0.003%
E.2.3 介质场不均匀引入的标准不确定度u3
玻璃砂和水配比后,存在介质不均匀性,依据经验,介质场体积含水量最大差值为
0.2%,假设均匀分布,k= 3,则其引入的标准不确定度:
u3=0.2%
2 3 ≈0.058%
E.2.4 标准器测量准确性引入的标准不确定度u4
土壤水分仪校准溯源至标准器电子天平,电子天平的分度值为0.01g,检定分度值
为0.1g,最大允许误差为±0.05g,测量范围上限500g,假设均匀分布,k= 3,则
其引入的标准不确定度:
u4= 0.05
500× 3×100%≈0.006%
E.2.5 合成标准不确定度
土壤水分仪标准不确定度分量汇总见表E.2。
15
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表E.2 土壤水分仪标准不确定度分量汇总表
不确定度来源
标准不确定度
ui
概率分布灵敏系数ci
不确定度分量
|ci|ui
土壤水分仪测量重复性0.260% 正态1 0.260%
土壤水分仪分辨力0.003% 均匀1 0.003%
介质场不均匀0.058% 均匀1 0.058%
标准器测量准确性0.006% 均匀-1 0.006%
分辨力引入的标准不确定度为0.003%,重复性引入的标准不确定度为0.260%,
分辨力引入的标准不确定度远小于重复性引入的标准不确定度,可忽略不计。合成标准
不确定度为:
uc= (c1u1)2+ (c3u3)2+ (c4u4)2 =0.27%
E.3 扩展不确定度
取包含因子k=2,则扩展不确定度为:
U =k×uc=2×0.27%=0.54%,k=2
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