湿度传感器测量结果的不确定度评定

宋 媛，吴丽娜

(甘肃省气象信息与技术装备保障中心，兰州 730020)

0 引言

湿度是环境观测要素中很重要的一项内容，它涉及气象、农业、水文等多个领域。在测量中，由于受各种因素和环境的影响，误差的产生不可避免[1]。通常将测量误差的存在引起对被测值无法肯定的程度称为测量不确定度[2]。不确定度的评定作为计量工作中的必要内容，对实现科学可靠的量值表示，使计量工作准确规范具有重要意义[3，4]。

随着DHC1型湿度传感器在台站的广泛使用，为确保测量数据的准确可靠，定期对DHC1型湿度传感器进行检定十分必要。基于此，文章根据JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》，以DHC1型湿度传感器作为检定对象，通过实例，给出了DHC1型传感器在LF-300X温湿度检定箱的测量不确定度分析和计算过程，可为同类以及相关湿度传感器检定可信度的评估提供参考[5]。

1 不确定度评定方法

1.1 不确定度的评定方法概述

测量不确定度的评定以JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》作为依据，参考JJG (气象)003-2011《自动站湿度传感器检定规程》。以精密露点仪、LF-300X温湿度检定箱、数字多用表数据采集器等共同组成精密露点仪标准装置。通过与精密露点仪标准装置比较确定被检仪器的误差。

1.2 不确定度评定

1.2.1 不确定度的A类评定

(1)

S为单次测量的实验标准差

(2)

式(3)为贝塞尔公式，自由度v为n-1。

(3)

因此，A类标准不确定度为：

(4)

当检定多个湿度点时，每个湿度检定点均进行n次检定，此时，A类标准不确定度为：

(5)

此时的自由度v为m(n-1)。

1.2.2 不确定度的B类评定

不确定度的B类评定，是根据之前的测量数据、生产厂家的技术指标、上一级的校准证书与检定证书、假设的概率分布及其数字特征、测量仪器的特性和其他相关资料等特征逐项进行分析计算。

在对DHC1型湿度传感器进行不确定度的B类评定时，首先要分析出DHC1型湿度传感器测量不确定度的因素，然后确定每个因素不确定度分量值，要确定各不确定度分量彼此独立，最后进行B类标准不确定度的合成。

(6)

在进行不确定度的B类评定时，自由度可按公式(7)近似计算。

(7)

1.3 合成标准不确定度评定

(8)

式中，ui为A类标准不确定度，或者B类标准不确定度，或者两者都有。

在对DHC1湿度传感器值进行合成标准不确定度评定时，式(8)可以简化为：

(9)

1.4 扩展不确定度评定

根据湿度测量过程中各个因素不确定度分量的有效自由度，计算出合成标准不确定度，最后计算出扩展不确定度：

U=k×uc

(10)

式中，k为包含因子。

2 评定实例

2.1 A类不确定度分量的分析计算

选取4个检定点分别为：30%RH、55%RH、75%RH、95%RH。稳定后读取被检湿度传感器的示值。在重复性条件下，连续读取10组数据，计算出各检定点测量误差的算数平均值的标准偏差。在重复性条件下，每个检定点连续读取10组数据，然后由式(1)、(2)和(3)计算出各检定点单次实验标准差如表1所示。

表1 测量结果记录 %RH

标准偏差计算公式为：

(11)

合并样本标准差为：

(12)

在实际检定中，对被检湿度传感器每个检定点进行3次读数，以3次读数的算术平均值作为检定结果，则该结果的不确定度为：

2.2 B类不确定度分量的分析计算

2.2.1 精密露点仪传递误差引入的标准不确定度u(HB1)

S-1M/S-1S精密露点仪的允许误差限，采用生产单位给出的露点系统准确度为±0.2 ℃，利用露点仪进行湿度检定时一般把箱内温度控制在20 ℃，故可根据公式(13)、(14)算出箱内温度(t)和露点(td)的绝对温度T和Td，再根据式(15)、(16)可分别计算出实际水汽压e和饱和水汽压es，然后将e和es代入式(17)得湿度误差限为±1.1%RH。

Td=273.16+td

(13)

T=273.16+t

(14)

(15)

(16)

(17)

式中，a=17.2693882；b=35.86。

取正态分布，包含因子k=2，则由其引起的标准不确定度为：

2.2.2 温湿度检定箱湿度波动引入的标准不确定度u(HB2)

2.2.3 温湿度检定箱湿度场不均匀引入的标准不确定度u(HB3)

(说明：在测定A类不确定度时，精密露点仪的传感器是固定在一个位置上进行连续测量的，已包含了温湿度检定箱湿度场的不稳定性所产生的不确定度分量，故在评定检定装置的B类不确定度分量时不再考虑。)

因为u(HB1)，u(HB2)和u(HB3)是相互独立的，所以由公式(7)可得，B类标准不确定度为：

2.3 合成标准不确定度的计算

上述所分析的各项标准不确定度分量均为不相关量，因此由式(9)式求得合成标准不确定度为：

2.4 扩展不确定度计算

取k=2，则扩展不确定度为：

U=k×uc=2×0.85=1.7%RH

3 结束语

通过以上分析可知，湿度传感器测量结果的不确定度U=1.7%RH，包含因子k=2。以上只对单个个例进行了分析，但文章给出的评定方法，可为DHC1型湿度传感器的不确定度评定提供参考。