濕度變送器測量結果不確定度評定

溫曉輝 馬修才 鄭樹芳

(內蒙古自治區大氣探測技術保障中心,內蒙古 呼和浩特 010051)

引言

濕度變送器是用于環境濕度測量的儀器[1]，在濕度傳感器的基礎上集成了數顯模塊，可以直觀、便捷地測量室內外的空氣濕度。在氣象系統自動氣象站濕度傳感器的現場核查時，濕度變送器作為測量標準器被廣泛使用。隨著濕度變送器的使用，其復現的測量值是否準確，需要定期進行計量來驗證[2-4]。本文通過對選取的HMT333型濕度變送器的一次測量過程，分析其測量不確定度來源，并給出評定方法，對分析和了解濕度變送器實測值的可靠程度具有一定意義。

1 概述

1.1 測量依據

參照JJG(氣象)003-2011《自動氣象站濕度傳感器》[5]進行測量。

1.2 測量環境條件

溫度為15～25℃；相對濕度≤75%RH。

1.3 測量標準

本次測量所用的標準器為精密露點儀，露點溫度最大允許誤差為±0.2℃DP，露點儀配套使用的數字溫度計最大允許誤差為±0.05℃；本次測量所用的配套設備為精密濕度發生器，濕度均勻度≤0.1%RH，濕度波動度不超過±0.1%RH。

1.4 被測對象

選取的被測對象為HMT333型濕度變送器。測量范圍為0～100%RH；顯示分辨力0.01%RH。

1.5 測量方法

在測量環境條件下，將精密露點儀和濕度變送器感應部分固定于同一精密濕度發生器測試室內中心位置，調節精密濕度發生器，設定溫度值為+20℃，濕度測量點從低濕到高濕依次設定為30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH，當各濕度測量點達到設定值且穩定30min后，分別讀取精密露點儀和濕度變送器的濕度示值，每10s讀取1次，共讀取10組，計算各測點濕度變送器的濕度示值誤差。

1.6 測量模型

濕度變送器濕度示值誤差測量模型公式：

δ=H被-H標

(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標為精密露點儀的濕度示值。

對式(1)各變量求偏導，得到靈敏系數c(H被)=1，c(H標)=-1。則合成標準不確定度公式：

(2)

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

2 誤差來源及其標準不確定

2.1 由被測對象引入的標準不確定度

2.1.1 由濕度變送器濕度示值重復性引入的標準不確定度

按A類標準不確定度評定。在實測21.5℃、43.0%RH環境下，依據1.5中給出的測量方法，將精密露點儀和濕度變送器感應部分固定于同一精密濕度發生器測試室內中心位置，調節精密濕度發生器，設定溫度值為+20℃，濕度測量點從低濕到高濕依次設定為30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH，當各濕度測量點達到設定值且穩定30min后，分別讀取精密露點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。根據式(1)求得濕度變送器各測量點的示值誤差，由式(3)計算濕度變送器各測量點的實驗標準偏差(s(x))[6]，由于濕度變送器在實際校準中是以3次讀數的平均值作為校準值，則濕度變送器濕度示值重復性引入的A類標準不確定度(u11)可由式(4)計算。

(3)

(4)

濕度變送器示值重復性測量數據見表1。

表1 濕度變送器示值重復性測量數據

2.1.2 由濕度變送器分辨力引入的標準不確定度

(5)

式中，uB為各分量進行B類評定時引入的標準不確定度；a為各分量的區間半寬度；k為根據各分量的分布類型確定的包含因子。

2.1.3 被測對象引入的標準不確定度

由于被測對象示值重復性引入的A類標準不確定度和分辨力引入的B類標準不確定度之間存在相關性，取各測量點的不確定度分量較大者作為濕度變送器引入的標準不確定度。則30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH由被測對象引入的標準不確定度u(H被)分別為0.011%RH、0.009%RH、0.005%RH、0.009%RH、0.010%RH。

2.2 由精密露點儀標準裝置引入的標準不確定度

2.2.1 由精密露點儀引入的標準不確定度

精密露點儀溫度和露點示值誤差均會對露點儀提供的標準濕度值造成影響，需按B類評定方法分別評定后進行合成，作為由露點儀引入的標準不確定度。

精密露點儀露點最大允許誤差為±0.2℃DP，換算成濕度單位，30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH點對應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點由精密露點儀露點示值誤差引入的標準不確定度u22分別為0.25%RH、0.32%RH、0.43%RH、0.56%RH、0.69%RH。

2.2.2 由精密濕度發生器引入的標準不確定度

由精密濕度發生器引入的標準不確定度包括精密濕度發生器測試室內空氣濕度的波動度和不均勻性引入、以及測試室內空氣溫度波動度和不均勻性的引入。由于本次測量將露點儀的數字溫度計探頭、濕度吸氣管口和被測的濕度變送器探頭盡量靠近，并固定于測試室中心位置，有效減少由空氣溫度波動度、不均勻性和空氣濕度波動度、不均勻性引入的標準不確定度，故對該項標準不確定度可忽略不計。

2.2.3 由數據處理的修約誤差引入的標準不確定度

2.2.4 由精密露點儀標準裝置引入的標準不確定度

由于以上各分量的標準不確定度互不相關，按式(6)對u21、u22、u23進行合成，得到30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH點由標準裝置引入的標準不確定度u(T標)分別為0.25%RH、0.33%RH、0.44%RH、0.57%RH、0.71%RH。

(6)

式中，u(T標)為標準裝置引入的標準不確定度；ui為標準裝置各分量引入的標準不確定度；n為分量個數。

3 合成標準不確定度

對濕度變送器引入的標準不確定度u(T被)和精密露點儀標準裝置引入的標準不確定度u(T標)進行合成，由式(2)求得本次測量的合成標準不確定度uc。由于濕度變送器引入的標準不確定度遠遠小于精密露點儀標準裝置引入的標準不確定度，故可忽略不計。則本次測量30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH點的合成標準不確定度uc分別為0.25%RH、0.33%RH、0.44%RH、0.57%RH、0.71%RH。

4 擴展不確定度

取覆蓋因子k=2，由擴展不確定度計算公式[6]式(7)，最終得出濕度變送器30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH測量點濕度示值誤差的擴展不確定度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為各測量點擴展不確定度；k為覆蓋因子；uc為合成標準不確定度。

5 結論

本文通過對分辨力為0.01%RH的濕度變送器的示值誤差測量，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測量點濕度示值誤差的擴展不確定度分別為0.5%RH、0.7%RH、0.9%RH、1.2%RH、1.5%RH。評定結果滿足其特定使用要求。通過對測量過程產生的不確定度分析與評定，發現由精密露點儀引入的標準不確定度分量最大，對測量結果產生了直接影響。本文僅做了各測量點的升濕過程，在實際計量工作中，應分別進行升濕和降濕測量，以減小濕滯誤差對測量結果的影響。