湿度变送器测量结果不确定度评定

温晓辉 马修才 郑树芳

(内蒙古自治区大气探测技术保障中心,内蒙古 呼和浩特 010051)

引言

湿度变送器是用于环境湿度测量的仪器[1]，在湿度传感器的基础上集成了数显模块，可以直观、便捷地测量室内外的空气湿度。在气象系统自动气象站湿度传感器的现场核查时，湿度变送器作为测量标准器被广泛使用。随着湿度变送器的使用，其复现的测量值是否准确，需要定期进行计量来验证[2-4]。本文通过对选取的HMT333型湿度变送器的一次测量过程，分析其测量不确定度来源，并给出评定方法，对分析和了解湿度变送器实测值的可靠程度具有一定意义。

1 概述

1.1 测量依据

参照JJG(气象)003-2011《自动气象站湿度传感器》[5]进行测量。

1.2 测量环境条件

温度为15～25℃；相对湿度≤75%RH。

1.3 测量标准

本次测量所用的标准器为精密露点仪，露点温度最大允许误差为±0.2℃DP，露点仪配套使用的数字温度计最大允许误差为±0.05℃；本次测量所用的配套设备为精密湿度发生器，湿度均匀度≤0.1%RH，湿度波动度不超过±0.1%RH。

1.4 被测对象

选取的被测对象为HMT333型湿度变送器。测量范围为0～100%RH；显示分辨力0.01%RH。

1.5 测量方法

在测量环境条件下，将精密露点仪和湿度变送器感应部分固定于同一精密湿度发生器测试室内中心位置，调节精密湿度发生器，设定温度值为+20℃，湿度测量点从低湿到高湿依次设定为30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH，当各湿度测量点达到设定值且稳定30min后，分别读取精密露点仪和湿度变送器的湿度示值，每10s读取1次，共读取10组，计算各测点湿度变送器的湿度示值误差。

1.6 测量模型

湿度变送器湿度示值误差测量模型公式：

δ=H被-H标

(1)

式中，δ为湿度变送器的湿度示值误差；H被为湿度变送器的湿度示值；H标为精密露点仪的湿度示值。

对式(1)各变量求偏导，得到灵敏系数c(H被)=1，c(H标)=-1。则合成标准不确定度公式：

(2)

式中，uc为合成标准不确定度；u(H被)为湿度变送器引入的标准不确定度；u(H标)为标准装置引入的标准不确定度。

2 误差来源及其标准不确定

2.1 由被测对象引入的标准不确定度

2.1.1 由湿度变送器湿度示值重复性引入的标准不确定度

按A类标准不确定度评定。在实测21.5℃、43.0%RH环境下，依据1.5中给出的测量方法，将精密露点仪和湿度变送器感应部分固定于同一精密湿度发生器测试室内中心位置，调节精密湿度发生器，设定温度值为+20℃，湿度测量点从低湿到高湿依次设定为30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH，当各湿度测量点达到设定值且稳定30min后，分别读取精密露点仪和湿度变送器的温度和湿度示值，每10s读取1次，共读取10组。根据式(1)求得湿度变送器各测量点的示值误差，由式(3)计算湿度变送器各测量点的实验标准偏差(s(x))[6]，由于湿度变送器在实际校准中是以3次读数的平均值作为校准值，则湿度变送器湿度示值重复性引入的A类标准不确定度(u11)可由式(4)计算。

(3)

(4)

湿度变送器示值重复性测量数据见表1。

表1 湿度变送器示值重复性测量数据

2.1.2 由湿度变送器分辨力引入的标准不确定度

(5)

式中，uB为各分量进行B类评定时引入的标准不确定度；a为各分量的区间半宽度；k为根据各分量的分布类型确定的包含因子。

2.1.3 被测对象引入的标准不确定度

由于被测对象示值重复性引入的A类标准不确定度和分辨力引入的B类标准不确定度之间存在相关性，取各测量点的不确定度分量较大者作为湿度变送器引入的标准不确定度。则30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH由被测对象引入的标准不确定度u(H被)分别为0.011%RH、0.009%RH、0.005%RH、0.009%RH、0.010%RH。

2.2 由精密露点仪标准装置引入的标准不确定度

2.2.1 由精密露点仪引入的标准不确定度

精密露点仪温度和露点示值误差均会对露点仪提供的标准湿度值造成影响，需按B类评定方法分别评定后进行合成，作为由露点仪引入的标准不确定度。

精密露点仪露点最大允许误差为±0.2℃DP，换算成湿度单位，30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH点对应的湿度最大允许误差为±0.43%RH、±0.56%RH、±0.74%RH、±0.97%RH、±1.19%RH；服从均匀分布，则30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH点由精密露点仪露点示值误差引入的标准不确定度u22分别为0.25%RH、0.32%RH、0.43%RH、0.56%RH、0.69%RH。

2.2.2 由精密湿度发生器引入的标准不确定度

由精密湿度发生器引入的标准不确定度包括精密湿度发生器测试室内空气湿度的波动度和不均匀性引入、以及测试室内空气温度波动度和不均匀性的引入。由于本次测量将露点仪的数字温度计探头、湿度吸气管口和被测的湿度变送器探头尽量靠近，并固定于测试室中心位置，有效减少由空气温度波动度、不均匀性和空气湿度波动度、不均匀性引入的标准不确定度，故对该项标准不确定度可忽略不计。

2.2.3 由数据处理的修约误差引入的标准不确定度

2.2.4 由精密露点仪标准装置引入的标准不确定度

由于以上各分量的标准不确定度互不相关，按式(6)对u21、u22、u23进行合成，得到30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH点由标准装置引入的标准不确定度u(T标)分别为0.25%RH、0.33%RH、0.44%RH、0.57%RH、0.71%RH。

(6)

式中，u(T标)为标准装置引入的标准不确定度；ui为标准装置各分量引入的标准不确定度；n为分量个数。

3 合成标准不确定度

对湿度变送器引入的标准不确定度u(T被)和精密露点仪标准装置引入的标准不确定度u(T标)进行合成，由式(2)求得本次测量的合成标准不确定度uc。由于湿度变送器引入的标准不确定度远远小于精密露点仪标准装置引入的标准不确定度，故可忽略不计。则本次测量30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH点的合成标准不确定度uc分别为0.25%RH、0.33%RH、0.44%RH、0.57%RH、0.71%RH。

4 扩展不确定度

取覆盖因子k=2，由扩展不确定度计算公式[6]式(7)，最终得出湿度变送器30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH测量点湿度示值误差的扩展不确定度U分别为0.5%RH、0.7%RH、0.9%RH、1.2%RH、1.5%RH。

U=k×uc

(7)

式中，U为各测量点扩展不确定度；k为覆盖因子；uc为合成标准不确定度。

5 结论

本文通过对分辨力为0.01%RH的湿度变送器的示值误差测量，得到在包含概率为95%情况下，湿度变送器30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH测量点湿度示值误差的扩展不确定度分别为0.5%RH、0.7%RH、0.9%RH、1.2%RH、1.5%RH。评定结果满足其特定使用要求。通过对测量过程产生的不确定度分析与评定，发现由精密露点仪引入的标准不确定度分量最大，对测量结果产生了直接影响。本文仅做了各测量点的升湿过程，在实际计量工作中，应分别进行升湿和降湿测量，以减小湿滞误差对测量结果的影响。