濕度傳感器能力驗證活動誤差來源分析

濕度傳感器能力驗證活動誤差來源分析

王傳博，賀勝

(天津市電子儀表實驗所，天津 300210)

摘要：本文主要闡述了本實驗室在參加由CNAS組織的濕度傳感器能力驗證活動中，當最終結果報告中出現臨界值情況時，應采取的措施：包括分析誤差的主要來源，制定相應的糾正措施，并驗證結果的過程。

關鍵詞：濕度傳感器；能力驗證；誤差分析；改進措施

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.02.18

中圖分類號：TB943

文章編號：1674-5795(2015)02-0070-02

收稿日期：2014-11-09；修回日期：2015-03-10

作者簡介：王傳博(1983-)，男，工程師，主要從事溫濕度計量以及校準實驗室管理工作。

Analysis of Error Source of Humidity Sensors’Proficiency Testing

WANG Chuanbo，HE Sheng

(Tianjin Electronic & Instrumental Laboratory，Tianjin 300210，China)

Abstract：This paper describes what measures this laboratory should take after attending a verification activity of humidity sensors organized by CNAS and getting critical values in the final results report，including analyzing the main sources of errors，stipulating relevant correction measures，and verifying the results.

Key words：humidity sensor；proficiency testing；error analysis；improvement measure

0引言

能力驗證活動作為評價參與實驗室技術和管理的重要手段，越來越為計量行業所重視。我國的各級計量管理機構對能力驗證的范圍、頻次等也都進行了相應的規定[1-2]。能力驗證活動主要包括能力驗證計劃、測量審核和實驗室間比對三種形式。其中能力驗證活動因為參與實驗室數量多、組織與安排縝密而更為實驗室所認可。能力驗證的重要性、開展方式、組織和實施等問題在其他論文中都有涉及，本文就本實驗室參加濕度傳感器能力驗證活動的實例進行相關分析，著重討論在能力驗證活動中，當最終結果報告中出現臨界值情況時，如何分析問題、解決問題。

1活動背景

本實驗室參加了CNAS組織的相對濕度傳感器校準能力驗證活動。相關人員按照實施機構的作業指導書進行了試驗，提交了數據結果和相關資料。經過一段時間我們收到了最終結果報告：在20℃條件下，10%RH，30%RH，50%RH，70%RH，90%RH這5個校準點的標準化誤差En值分別為-0.8，0.2，0.4，0.8和1.0。雖然該報告顯示我實驗室所提交的結果為滿意，但同時我們也發現在10%RH，70%RH，90%RH這三個校準點上，用于判定結果的En值已接近或達到臨界值1，這三個數據應為可疑數據。對此，我實驗室高度重視，組成分析小組，對誤差的來源進行分析。

2誤差來源分析

首先對照作業指導書和規程規范[3]對此次活動重新進行梳理。對原始數據、數據的處理、不確定度的評定等環節進行分析，并進行了模擬實驗。在排除了幾個可能造成誤差的因素之后，重點懷疑下述幾個因素：

2.1露點儀修正值的使用問題

露點儀是該次實驗所使用的主要標準器，本實驗室所用露點儀經上級溯機構溯源后，證書給出露點溫度的修正值為0.2℃(換算成相對濕度最大可達到1.2%RH)。日常使用時，我們直接讀取露點儀上顯示的經換算后的相對濕度值作為標準值，將露點溫度修正值的最大允許誤差作為引入不確定度分量的一個來源。這樣做可以滿足日常工作要求，但同時也會使測量誤差和不確定度加大。露點儀的溫度傳感器也存在一定誤差，雖滿足使用的要求，但也會對結果產生影響。

利用原始記錄對代入修正值后的En進行模擬計算，在10%RH，70%RH，90%RH這三個校準點上，用于判定結果的En值分別為-0.8，0.4和0.7，較之前的數據有了一定的改善。計算結果見表1。

表1　修正前后的 E n值

2.2露點儀漂移產生的影響

本實驗室開展能力驗證試驗的時間為2012年8月，在2012年3月露點儀的溯源證書中其最大露點示值誤差為-0.2℃，而在2013年3月的溯源中，證書體現其最大露點示值誤差為0.3℃，且其中3個溫度點示值誤差為0.3℃，該數值已超出精密露點儀指標要求。故有可能在兩次溯源之間，即能力驗證時數值已經漂移，可能對能力驗證結果造成了影響。

2.3露點探頭自熱產生的影響

最終結果報告[4]在技術建議中提出主標準器最好選用抽氣式的精密露點儀，以避免露點探頭在工作過程中產生熱量對濕度發生器測量室的溫度場產生影響。而我室使用的為投入式精密露點儀，需將整個探頭投入濕度發生器內，其測量濕度的原理為通過露點探頭上的半導體冷阱將空氣中水分凝結成露，利用感光元件監視結露情況。達到平衡點后，再通過測溫元件測量露點，配合鉑電阻傳感器測得的溫度，換算出相對濕度。一般情況下，校準點的選擇應接近環境溫，而本實驗室收到濕度傳感器樣品的時間為8月21日，地理位置又處于沿海地帶，環境溫濕度較高，實驗室環境(開空調的情況下)調節為25℃，50%RH左右，而能力驗證作業指導書要求測試溫度為20℃。在能力驗證的測量要求下，將20℃樣氣中水分冷凝勢必需要更多的冷量，同時散發較大熱量。投入式露點儀可能導致冷鏡頭部局部溫度略高，影響了濕度發生器測量室的溫度場均衡，也在一定程度上影響了讀取數據的真實性。

2.4環境對濕度發生器內濕度場的影響

本實驗室使用的濕度發生器的端蓋上有直徑φ7.5~25不同孔徑的測試孔若干。但此次能力驗證活動中所傳遞的濕度傳感器樣品，其前端部分并不十分規則，外徑略小于本實驗室發生器與其尺寸接近的孔徑，因為相差很小，當時并未進行進一步的密封處理。同時，為了使傳感器盡可能的靠近露點儀，插入發生器的深度較淺，樣氣泄露后，濕度場發生變化，使得傳感器周圍部分的濕度與場內濕度有些差別。在校準低濕時，傳感器周圍濕度較高；校準高濕時，傳感器周圍濕度較低。從數據上來看，10%RH校準點En值為-0.8，根據En值計算公式說明本實驗室提供的傳感器濕度修正值小于參考實驗室修正值，倒推出被校傳感器的讀數可能偏大。同樣70%RH，90%RH校準點時，En值分別為0.8和1.0，倒推出被校傳感器的讀數可能偏小。而在30%RH，50%RH校準點上，由于和環境濕度接近，漏氣的干擾并不明顯。

3改進措施

針對上述可能產生誤差的原因，本小組提出了相應的改進措施：

對于高準確度的濕度傳感器測量，采用代入修正值的做法，修改相應的作業文件。在提高測量準確度的同時，減小測量不確定度的結果表達。通過合理有效的手段，利用現有儀器設備，提高校準數據的準確性。

加強對精密露點儀的日常監測，關注其期間核查、質控圖的數據。對于發生漂移等問題要盡早發現，及時進行校準調整，避免校準結果偏離。

在規程允許的范圍內根據環境溫度的不同調整校準點。盡可能保證校準的溫濕度點接近實際環境條件，避免由于濕度發生器內外環境差異過大帶來的影響。

使用密封塞等工具將傳感器探頭與測試腔端蓋密封好，減少漏氣所帶來的對測量結果的影響。

在今后的能力驗證活動中，積極研究測量結果的驗證方法。使用合理有效的方法對校準結果進行驗證，以佐能力驗證結果，降低離群的可能性。

4結束語

本文以一個實例介紹了能力驗證中得到不良結果應該如何分析解決問題。而最終的驗證工作還需通過能力驗證活動來實現。本實驗室隨后將該項目與其他實驗室進行了測量審核，得到了滿意的結果。說明改進措施取得了預期的效果。

參考文獻

[1] 中國合格評定國家認可委員會.CNAS-RL02：2010 能力驗證規則[S].北京：CNAS，2010.

[2] 中國合格評定國家認可委員會.CNAS-AL07：2011能力驗證領域和頻次表[S].北京：CNAS，2011.

[3] 國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF 1076-2001濕度傳感器校準規范[S].北京：中國計量出版社，2001.

[4] 中國合格評定國家認可委員會.CNAS M0054相對濕度傳感器校準能力驗證計劃最終結果報告[R].北京：CNAS，2013.