Excel在湿敏电容传感器检定结果数据处理中的应用

2014-03-22杨朝辉成银春

计量技术 2014年8期

杨朝辉　成银春

(南京军区空气象中心，南京 210018)

0　引言

湿度是气象观测的一项重要参数，目前气象台站自动观测中使用的湿度测量器件主要是湿敏电容传感器。湿敏电容传感器具有测湿范围宽、测湿准确度高、稳定性好、能远距离测量、便于实现湿度自动显示和传输等优点。在日常计量检定工作中，对其检定结果进行数据处理是件繁琐的事情，不但数据量大，利用计算器计算还容易出错，同时在计算过程中对数据有效数字的控制也会对检定结果产生一定的影响。为了更好地解决计算中遇到的实际问题，提高数据处理准确度和工作效率，利用Excel编写了计算方法，使检定数据处理准确、高效和实用。

1　湿敏电容传感器结构原理

湿敏电容传感器采用有机膜湿敏电容，其电容值随相对湿度变化，通过转换电路使对应湿度0～100％RH的变化输出0～1V的电压信号，再经采集器的A/D转换电路将数字信号送给单片机进行处理，然后传输给预处理器。湿敏电容的结构如图1所示。

图1　湿敏电容结构示意图

2　检定数据处理方法

根据GJB 1758.1A—2013《总则部分》规定，检定结果的数据处理方法主要包括被检仪器对于标准器的差值计算、示值误差计算和各检定点修正值计算。

2.1　差值计算

被检仪器对于标准器的差值，按式(1)计算：

x=A-(A0+ΔA0)

(1)

式中，x为被检仪器对于标准器的差值；A为被检仪器的示值或测量结果；A0为标准器的示值或测量结果；ΔA0为标准器对应检定点的修正值。

2.2　示值误差计算

若在检定点上只测量了一次，用式(1)计算的差值即为该检定点的示值误差；若在检定点上测量了n次，则用n次差值的平均值作为该检定点示值误差的测量结果，n次差值的平均值按式(2)计算：

(2)

xi为各次测量的差值；

n为测量的次数，i=1～n。

2.3　检定点修正值计算

检定的最终结果是要得出各检定点的修正值，规程中规定，检定各点修正值是各点系统误差的相反量；由各检定点修正值按式(3)计算：

(3)

3　Excel的应用

由GJB 1758.25A—2013《军用气象仪器检定规程第25部分：地面气象自动观测仪》可知，判断一支湿敏电容传感器合格与否，在检查外观、结构及绝缘电阻合格后，主要是考察被检湿敏电容传感器分别在-10℃和20℃环境条件下的策略范围和最大允许误差是否满足规程要求。

3.1　检定方法和要求

被检湿敏电容传感器应置于SYSD-3型双压法标准湿度发生器测试室工作区域的中间位置，其敏感部分至少应深入测试室200mm，但距测试室底部的距离应大于80mm。检定时，应以预处理器或配套计算机终端显示的瞬时湿度值作为被检传感器的湿度示值。-10℃时的检定点通常为20％、45％、65％、75％、88％RH；20℃时的检定点通常为15％、30％、50％、70％、85％、95％RH。采用循环检定法，应从最低湿度检定点开始逐点升湿，到最高湿度检定点后再逐点降湿，共进行两个循环。每个检定点应有两对不同湿度变化趋势的数据。

3.2　Excel检定数据自动处理

从上可看出，示值检定时，被检湿敏电容传感器和湿度发生器需要记录40组原始数据，数据量较大，采用手工计算器计算处理，即耗时，又容易出错，同时各数据有效数字位数不能自动形成。这样利用Excel编写程序时就方便许多，可以直接将公式直接写入相应的单元格，避免了中间的一些导入过程。

具体设计如下：

1)首先设计好版面，为了直观，先将被检传感器信息、检定装置信息及检定环境等信息输入至3～6行相应单元格内；接着将第一循环湿度发生器的读数记录在B10-B29单元格内，将被检传感器示值记录在C10～C29单元格内，将第一循环湿度发生器的读数和被检传感器示值分别记录在E10～E29和F10～F29单元格内，此时，原始数据记录完毕。

2)按照式(1)将被检湿敏电容传感器对于标准器(湿度发生器示值)的差值放在D10～D29和G10～G29单元格内，D10、D11单元格公式如下：D10 =C10-B10；D11 =C11-B11。后面单元依次类推，利用填充或扩展序列的方法将其它单元各公式写好，这样各检定点差值会自动计算显示在相应单元格内。

3)按照式(2)和式(3)，通过计算将各检定点示值修正值分别放在I10～I14和I20～I24单元格内，其中I10、I11内写入公式如下：I10=(D10+G10+D19+G19)*(-1)/4；I11 =(D11+G11+D18+G18)*(-1)/4。后面单元依次类推，利用填充或扩展序列的方法将其它单元各公式写好，这样各检定点示值修正值就会自动计算显示在相应单元格内。

4)按照规程规定，湿敏电容传感器合格要求为：测量范围：0～100％RH；最大允许误差：0℃以上，±4％RH；0℃及以下，±6％RH。在单元格J10～J14及J20～J24内分别写入判断结论程序如下：

J10 =IF(I10^2<=36,"合格","不合格")；J20=IF(I20^2<=16,"合格","不合格")；

J11 =IF(I11^2<=36,"合格","不合格")；J21=IF(I21^2<=16,"合格","不合格")；

J12 =IF(I12^2<=36,"合格","不合格")；J22=IF(I22^2<=16,"合格","不合格")；

J13 =IF(I13^2<=36,"合格","不合格")；J23=IF(I23^2<=16,"合格","不合格")；

J14 =IF(I14^2<=36,"合格","不合格")；J24=IF(I24^2<=16,"合格","不合格")；

图2　Excel检定数据处理程序版面图

由上述程序可以看出，湿敏电容传感器和湿度发生器各检定点读数输入完毕，被检仪器对于标准器的差值、示值误差及各检定点修正值就会自动计算出来，同时能根据修正值自动判断被检传感器合格与否。Excel检定数据处理程序版面如图2所示。

4　结果验证

我们采用计算器和Excel计算程序分别对湿敏电容传感器检定结果数据进行处理，结果用计算器按照规程的计算公式，分布进行计算并判断结果所用时间为3min，而采用Excel检定数据自动处理程序所用的时间仅为0.5min；更重要的是手工计算会带来较大的误差，对于修正值处于最大允许误差边缘时，手工计算会对检定结果的判定做出错误判断；同时在数据修约方面，Excel程序的优势也远远大于手工计算器计算，能提高检定数据计算的准确度。