气象湿度传感器测量结果不确定度评定

张艺萌,沙 莉,刘海龙,韩 莹

(辽宁省气象装备保障中心，辽宁 沈阳 110166)

0 引言

湿度是基本的环境参量之一。因易受温度、大气压强、风速等其他环境因素影响，湿度很难准确测量[1]。在气象领域，空气湿度是一个重要的气象观测要素。它的测量准确性极大地影响着气象观测、天气预报、气候研究等各类气象数据的可靠性。当前气象观测用自动气象站普遍使用VAISALA生产的HMP155A型温湿度传感器测量空气湿度。HMP155A作为一种湿敏电容式传感器，以有机高分子薄膜作介质，能够将感应到的空气湿度变化量转换为相对应的电信号，从而开展对湿度的测量[2]。

根据JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》中的定义[3]，测量不确定度是根据所用到的信息，表征赋予被测量值分散性的非负参数，且测量结果通常表示为单个测得的量值和1个测量不确定度。因此，对测量不确定度的评定方法和应用展开研究十分必要。

目前，已有不少学者针对湿度不确定度的评定进行了研究[4-8]。这些研究评定的数学模型均为被测量与标准量相减的形式，其标准量采用湿度标准器显示的相对湿度值。然而，以精密露点仪作为湿度标准器进行检定时，可将精密露点仪量值溯源的技术指标作为温度值，而相对湿度值则根据温度计算得出。因此，本文采用气象用相对湿度的计算方法，即露点温度和控制点温度饱和水气压的比值，将相对湿度作为计算量值参与不确定度的评定，以减小间接因素影响，提高不确定度评定的准确性，为后续着重此方面的气象计量工作人员提供一定的参考。该研究也可对水文、农业、航空等其他领域的湿度不确定度评定提供借鉴，对其他项目(如温度、气压、风速等)的不确定度评定也有一定启发意义。

1 测量方法

1.1 测量依据

测量依据为JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》、JJG(气象)003—2011《自动气象站湿度传感器检定规程》[9]。

1.2 测量环境条件

测量环境条件为温度15～25 ℃、湿度≤75%RH。

1.3 测量标准

测量所使用的主要标准器为精密露点仪，型号为S-1M/S-1S；配套设施为湿度发生器，型号为L-PRH1。两者测量范围均为(10～100)%RH、-30～+40 ℃ (露点温度)。两者最大允许误差为±1.0%RH、±0.2 ℃ (露点温度)。

1.4 被测对象

被测对象是型号为HMP155A的湿度传感器，编号为N4850651，分辨力为0.01%RH。

1.5 测量过程

测量以分流式湿度发生器作为湿度源、精密露点仪作为湿度标准器，将精密露点仪的露点传感器、铂电阻温度计和被测湿度传感器同时放入湿度发生器腔体内，并设定湿度发生器温度为20 ℃。温度平衡后，根据JJG(气象)003—2011《自动气象站湿度传感器检定规程》，遵循从低湿到高湿的顺序，设定30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH 5个检定点。在每个检定点，当数值稳定后读取精密露点仪的相对湿度值、露点温度和被测传感器的相对湿度值。根据式(1)计算被测湿度传感器的湿度示值误差，并计算示值误差的不确定度。

2 数学模型

根据GB/T 11605—2005《湿度测量方法》[10]，被测湿度传感器湿度示值误差ΔU的计算式为：

(1)

式中：ΔU为被测湿度传感器湿度示值误差，%RH；U示为被测湿度传感器湿度示值，%RH；U标为标准器湿度示值，%RH；eTd为露点温度饱和水蒸气压力，Pa；eTs为控制点温度饱和水蒸气压力，Pa。

3 湿度修正值的不确定度评定

3.1 不确定度计算式

对式(1)各分量求偏导，各分量灵敏系数分别为：

(2)

(3)

(4)

各分量互不相关，所以湿度示值误差的不确定度可由式(5)计算得出：

(5)

式中：uΔU为湿度示值误差的标准不确定度，%RH；uU示为仪器湿度示值的不确定度，%RH；veTd为露点温度饱和水蒸气压力的标准不确定度，Pa；veTs为环境温度饱和水蒸气压力的标准不确定度，Pa。

3.2 不确定度分量的评定

3.2.1 仪器湿度示值引入的uU示

①被测湿度传感器分辨力引入的标准不确定度uU示1。

被测湿度传感器分辨力为0.01%RH，按均匀分布计算，则：

(6)

②被测湿度传感器测量重复性引入的标准不确定度uU示2。

用A类评定方法计算uU示2，在相同条件下对被测湿度传感器在20 ℃时，30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH点分别进行10次独立重复测量，以算术平均值作为被测量的最佳估计值。根据贝塞尔式计算单次测量的试验标准偏差，则：

(7)

③U示的标准不确定度分量合成。

因重复性不确定度大于分辨力不确定度，故舍去分辨力不确定度分量，uU示=uU示2。

被测传感器各检定点的测量重复性数据如表1所示。

表1 被测传感器各检定点的测量重复性数据

3.2.2 露点标准值eTd引入的ueTd

已知饱和水气压计算式为[11]：

(8)

则饱和水气压引入的标准不确定度分量表示为：

(9)

将u1=0.115 ℃代入式(9)，可得露点标准值引入的标准不确定度分量ueTd=0.051 Pa。

3.2.3 环境温度测量引入的ueTs

将u2=0.064 5℃代入式(9),可得环境温度测量引入的标准不确定度ueTs=0.029 Pa。

3.3 湿度示值误差的合成标准不确定度uΔU

标准不确定度汇总如表2所示。

表2 标准不确定度汇总

根据式(5)，计算得到30%RH、40%RH、55%RH、75%RH、95%RH这5个检定点的合成标准不确定度均为0.96。

3.4 湿度示值误差的扩展不确定度UΔU

取包含因子k=2 ，则各检定点的扩展不确定度UΔU=k×uΔU=1.92%RH。

4 结论

本文以分流式湿度发生器为湿度源、精密露点仪为湿度标准器，在20 ℃、30～95%RH条件下对HMP155A型湿度传感器进行测量。该测量采用饱和水蒸气计算相对湿度的方法，将相对湿度作为计算量值，对测量结果进行评定。评定结果表明，湿度示值误差的扩展不确定度为1.92%RH(k=2)。气象湿度二级计量实验室技术要求的最大允许误差为±2%RH，因此本文评定的测量结果符合气象业务技术要求。于建清等以湿度发生器和精密露点仪为标准器对温湿度传感器进行试验时，其测量结果的不确定度最大值为1.7%RH(k=2)[4]。这说明采用本文的方法对湿度传感器进行评定的结果与直接采用相对湿度值进行评定的结果较为一致。而采用饱和水蒸气计算方法对测量结果的不确定度进行评定，可以直接引用露点仪的量值溯源温度量值参与评定，其结果更接近标准器的计量真值。