溫曉輝 馬修才 鄭樹(shù)芳

(內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測(cè)技術(shù)保障中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

引言

濕度變送器是用于環(huán)境濕度測(cè)量的儀器[1]，在濕度傳感器的基礎(chǔ)上集成了數(shù)顯模塊，可以直觀、便捷地測(cè)量室內(nèi)外的空氣濕度。在氣象系統(tǒng)自動(dòng)氣象站濕度傳感器的現(xiàn)場(chǎng)核查時(shí)，濕度變送器作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器被廣泛使用。隨著濕度變送器的使用，其復(fù)現(xiàn)的測(cè)量值是否準(zhǔn)確，需要定期進(jìn)行計(jì)量來(lái)驗(yàn)證[2-4]。本文通過(guò)對(duì)選取的HMT333型濕度變送器的一次測(cè)量過(guò)程，分析其測(cè)量不確定度來(lái)源，并給出評(píng)定方法，對(duì)分析和了解濕度變送器實(shí)測(cè)值的可靠程度具有一定意義。

1 概述

1.1 測(cè)量依據(jù)

參照J(rèn)JG(氣象)003-2011《自動(dòng)氣象站濕度傳感器》[5]進(jìn)行測(cè)量。

1.2 測(cè)量環(huán)境條件

溫度為15～25℃；相對(duì)濕度≤75%RH。

1.3 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

本次測(cè)量所用的標(biāo)準(zhǔn)器為精密露點(diǎn)儀，露點(diǎn)溫度最大允許誤差為±0.2℃DP，露點(diǎn)儀配套使用的數(shù)字溫度計(jì)最大允許誤差為±0.05℃；本次測(cè)量所用的配套設(shè)備為精密濕度發(fā)生器，濕度均勻度≤0.1%RH，濕度波動(dòng)度不超過(guò)±0.1%RH。

1.4 被測(cè)對(duì)象

選取的被測(cè)對(duì)象為HMT333型濕度變送器。測(cè)量范圍為0～100%RH；顯示分辨力0.01%RH。

1.5 測(cè)量方法

在測(cè)量環(huán)境條件下，將精密露點(diǎn)儀和濕度變送器感應(yīng)部分固定于同一精密濕度發(fā)生器測(cè)試室內(nèi)中心位置，調(diào)節(jié)精密濕度發(fā)生器，設(shè)定溫度值為+20℃，濕度測(cè)量點(diǎn)從低濕到高濕依次設(shè)定為30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH，當(dāng)各濕度測(cè)量點(diǎn)達(dá)到設(shè)定值且穩(wěn)定30min后，分別讀取精密露點(diǎn)儀和濕度變送器的濕度示值，每10s讀取1次，共讀取10組，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)濕度變送器的濕度示值誤差。

1.6 測(cè)量模型

濕度變送器濕度示值誤差測(cè)量模型公式：

δ=H被-H標(biāo)

(1)

式中，δ為濕度變送器的濕度示值誤差；H被為濕度變送器的濕度示值；H標(biāo)為精密露點(diǎn)儀的濕度示值。

對(duì)式(1)各變量求偏導(dǎo)，得到靈敏系數(shù)c(H被)=1，c(H標(biāo))=-1。則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度公式：

(2)

式中，uc為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度；u(H被)為濕度變送器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；u(H標(biāo))為標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

2 誤差來(lái)源及其標(biāo)準(zhǔn)不確定

2.1 由被測(cè)對(duì)象引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

2.1.1 由濕度變送器濕度示值重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

按A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定。在實(shí)測(cè)21.5℃、43.0%RH環(huán)境下，依據(jù)1.5中給出的測(cè)量方法，將精密露點(diǎn)儀和濕度變送器感應(yīng)部分固定于同一精密濕度發(fā)生器測(cè)試室內(nèi)中心位置，調(diào)節(jié)精密濕度發(fā)生器，設(shè)定溫度值為+20℃，濕度測(cè)量點(diǎn)從低濕到高濕依次設(shè)定為30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH，當(dāng)各濕度測(cè)量點(diǎn)達(dá)到設(shè)定值且穩(wěn)定30min后，分別讀取精密露點(diǎn)儀和濕度變送器的溫度和濕度示值，每10s讀取1次，共讀取10組。根據(jù)式(1)求得濕度變送器各測(cè)量點(diǎn)的示值誤差，由式(3)計(jì)算濕度變送器各測(cè)量點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差(s(x))[6]，由于濕度變送器在實(shí)際校準(zhǔn)中是以3次讀數(shù)的平均值作為校準(zhǔn)值，則濕度變送器濕度示值重復(fù)性引入的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度(u11)可由式(4)計(jì)算。

(3)

(4)

濕度變送器示值重復(fù)性測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 濕度變送器示值重復(fù)性測(cè)量數(shù)據(jù)

2.1.2 由濕度變送器分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

(5)

式中，uB為各分量進(jìn)行B類評(píng)定時(shí)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；a為各分量的區(qū)間半寬度；k為根據(jù)各分量的分布類型確定的包含因子。

2.1.3 被測(cè)對(duì)象引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由于被測(cè)對(duì)象示值重復(fù)性引入的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度和分辨力引入的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度之間存在相關(guān)性，取各測(cè)量點(diǎn)的不確定度分量較大者作為濕度變送器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。則30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH由被測(cè)對(duì)象引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(H被)分別為0.011%RH、0.009%RH、0.005%RH、0.009%RH、0.010%RH。

2.2 由精密露點(diǎn)儀標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

2.2.1 由精密露點(diǎn)儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

精密露點(diǎn)儀溫度和露點(diǎn)示值誤差均會(huì)對(duì)露點(diǎn)儀提供的標(biāo)準(zhǔn)濕度值造成影響，需按B類評(píng)定方法分別評(píng)定后進(jìn)行合成，作為由露點(diǎn)儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

精密露點(diǎn)儀露點(diǎn)最大允許誤差為±0.2℃DP，換算成濕度單位，30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH點(diǎn)對(duì)應(yīng)的濕度最大允許誤差為±0.43%RH、±0.56%RH、±0.74%RH、±0.97%RH、±1.19%RH；服從均勻分布，則30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH點(diǎn)由精密露點(diǎn)儀露點(diǎn)示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u22分別為0.25%RH、0.32%RH、0.43%RH、0.56%RH、0.69%RH。

2.2.2 由精密濕度發(fā)生器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由精密濕度發(fā)生器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度包括精密濕度發(fā)生器測(cè)試室內(nèi)空氣濕度的波動(dòng)度和不均勻性引入、以及測(cè)試室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)度和不均勻性的引入。由于本次測(cè)量將露點(diǎn)儀的數(shù)字溫度計(jì)探頭、濕度吸氣管口和被測(cè)的濕度變送器探頭盡量靠近，并固定于測(cè)試室中心位置，有效減少由空氣溫度波動(dòng)度、不均勻性和空氣濕度波動(dòng)度、不均勻性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，故對(duì)該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度可忽略不計(jì)。

2.2.3 由數(shù)據(jù)處理的修約誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

2.2.4 由精密露點(diǎn)儀標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由于以上各分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度互不相關(guān)，按式(6)對(duì)u21、u22、u23進(jìn)行合成，得到30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH點(diǎn)由標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(T標(biāo))分別為0.25%RH、0.33%RH、0.44%RH、0.57%RH、0.71%RH。

(6)

式中，u(T標(biāo))為標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ui為標(biāo)準(zhǔn)裝置各分量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；n為分量個(gè)數(shù)。

3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

對(duì)濕度變送器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(T被)和精密露點(diǎn)儀標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(T標(biāo))進(jìn)行合成，由式(2)求得本次測(cè)量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc。由于濕度變送器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于精密露點(diǎn)儀標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，故可忽略不計(jì)。則本次測(cè)量30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH點(diǎn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc分別為0.25%RH、0.33%RH、0.44%RH、0.57%RH、0.71%RH。

4 擴(kuò)展不確定度

取覆蓋因子k=2，由擴(kuò)展不確定度計(jì)算公式[6]式(7)，最終得出濕度變送器30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH測(cè)量點(diǎn)濕度示值誤差的擴(kuò)展不確定度U分別為0.5%RH、0.7%RH、0.9%RH、1.2%RH、1.5%RH。

U=k×uc

(7)

式中，U為各測(cè)量點(diǎn)擴(kuò)展不確定度；k為覆蓋因子；uc為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)分辨力為0.01%RH的濕度變送器的示值誤差測(cè)量，得到在包含概率為95%情況下，濕度變送器30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH測(cè)量點(diǎn)濕度示值誤差的擴(kuò)展不確定度分別為0.5%RH、0.7%RH、0.9%RH、1.2%RH、1.5%RH。評(píng)定結(jié)果滿足其特定使用要求。通過(guò)對(duì)測(cè)量過(guò)程產(chǎn)生的不確定度分析與評(píng)定，發(fā)現(xiàn)由精密露點(diǎn)儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量最大，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生了直接影響。本文僅做了各測(cè)量點(diǎn)的升濕過(guò)程，在實(shí)際計(jì)量工作中，應(yīng)分別進(jìn)行升濕和降濕測(cè)量，以減小濕滯誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。