葉依林 胡 超

(中國(guó)工程物理研究院計(jì)量測(cè)試中心，綿陽(yáng) 621900)

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數(shù)字溫濕度表的校準(zhǔn)方法探討及測(cè)量不確定度的評(píng)定

葉依林 胡 超

(中國(guó)工程物理研究院計(jì)量測(cè)試中心，綿陽(yáng) 621900)

數(shù)字溫濕度表廣泛地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)生產(chǎn)、倉(cāng)庫(kù)等環(huán)境溫濕度測(cè)量。目前，數(shù)字溫濕度表尚無(wú)國(guó)家和地方的校準(zhǔn)規(guī)范。基于數(shù)字溫濕度表實(shí)際使用情況，介紹了一種校準(zhǔn)方法，即采用精密露點(diǎn)儀和溫濕度檢定箱組成校準(zhǔn)系統(tǒng)，對(duì)數(shù)字溫濕度表進(jìn)行校準(zhǔn)，并對(duì)該校準(zhǔn)方法的不確定度進(jìn)行了分析。

數(shù)字溫濕度表；校準(zhǔn)方法；不確定度

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，對(duì)溫濕度的檢測(cè)和控制越來(lái)越受到人們的重視。數(shù)字溫濕度表是由溫度部分和濕度部分構(gòu)成的溫濕度測(cè)量?jī)x器，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、氣象、醫(yī)療以及日常生活的環(huán)境溫濕度測(cè)量方面得到了廣泛的應(yīng)用。目前，數(shù)字溫濕度表尚無(wú)國(guó)家和地方的校準(zhǔn)規(guī)程。根據(jù)數(shù)字溫濕度表的實(shí)際使用情況及長(zhǎng)期校準(zhǔn)累積經(jīng)驗(yàn)，對(duì)數(shù)字溫濕度表的校準(zhǔn)方法進(jìn)行研究，并給出了不確定度評(píng)定。

1 數(shù)字溫濕度表的結(jié)構(gòu)和工作原理

數(shù)字溫濕度表的溫度傳感器一般為工業(yè)鉑電阻、熱敏電阻等，濕度傳感器一般為濕敏電容或濕敏電阻等，當(dāng)溫濕度發(fā)生變化時(shí)，感溫元件或濕敏元件的輸出電信號(hào)隨之變化，經(jīng)過(guò)一系列電路處理，以數(shù)字形式指示出被測(cè)量對(duì)象的溫濕度值。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字溫濕度表結(jié)構(gòu)框圖

2 校準(zhǔn)方法

2.1 校準(zhǔn)設(shè)備

1)精密露點(diǎn)儀。

2)溫濕度檢定箱，技術(shù)指標(biāo)如下：

溫度均勻度≤0.3℃；

溫度波動(dòng)度為±0.2℃；

濕度均勻度≤1.0%RH；

濕度波動(dòng)度為±0.8%RH。

2.2 校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法

2.2.1 校準(zhǔn)點(diǎn)的選擇

根據(jù)溫濕度表使用范圍、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備條件及通行做法等，工業(yè)上溫濕度表實(shí)際環(huán)境溫度范圍一般在18～25℃，15℃以下的點(diǎn)使用溫濕度表的較少，因此選取15℃、20℃、30℃作為校準(zhǔn)溫度點(diǎn)，需要時(shí)也可在此基礎(chǔ)上增加校準(zhǔn)點(diǎn)。

選取40%、60%、80%作為校準(zhǔn)相對(duì)濕度點(diǎn)，原因如下：

1)工業(yè)上實(shí)際環(huán)境相對(duì)濕度在40%～70%范圍內(nèi)對(duì)溫濕度要求較高；

2)絕大多數(shù)濕度儀器使用在相對(duì)濕度40%～70%，80%以上很少用到；

3)全國(guó)主要城市的平均相對(duì)濕度大多在40%～80%之間；

4)若有特定濕度點(diǎn)要求，也可按用戶指定點(diǎn)在此基礎(chǔ)上增加校準(zhǔn)點(diǎn)。

2.2.2 溫度示值誤差校準(zhǔn)

將精密露點(diǎn)儀的溫度傳感器置于溫濕度檢定箱工作室的幾何中心位置，數(shù)字溫濕度表置于溫濕度檢定箱工作室的有效空間內(nèi)。

按從低溫到高溫依次設(shè)定校準(zhǔn)點(diǎn)，溫度達(dá)到設(shè)定值后，穩(wěn)定30min開(kāi)始讀數(shù)，先讀精密露點(diǎn)儀，后讀數(shù)字溫濕度表，隔2min后再次記錄，取兩次讀數(shù)的算術(shù)平均值分別為精密露點(diǎn)儀和被檢儀器的溫度示值，計(jì)算被測(cè)儀表的溫度示值誤差：

Δt=t-tb-td

(1)

式中：Δt為溫度示值誤差，℃；t為被校準(zhǔn)數(shù)字溫濕度表的溫度示值，℃；tb為精密露點(diǎn)儀的溫度示值，℃；td為精密露點(diǎn)儀的溫度修正值，℃。

2.2.3 相對(duì)濕度示值誤差校準(zhǔn)

把被測(cè)件放入溫濕度檢定箱中，在20℃時(shí)，從低濕到高濕依次設(shè)定濕度校準(zhǔn)點(diǎn)。

當(dāng)校準(zhǔn)箱內(nèi)的濕度達(dá)到設(shè)定值后，穩(wěn)定30min后開(kāi)始讀數(shù)，先讀精密露點(diǎn)儀，后讀數(shù)字溫濕度表，隔2min后再次記錄，取兩次讀數(shù)的算術(shù)平均值分別為精密露點(diǎn)儀和被檢儀器的相對(duì)濕度示值，計(jì)算被測(cè)儀表的相對(duì)濕度示值誤差：

ΔH=H-Hb-Hd

(2)

式中：ΔH為相對(duì)濕度示值誤差，%；H為被校準(zhǔn)數(shù)字溫濕度表相對(duì)濕度示值，%；Hb為精密露點(diǎn)儀的相對(duì)濕度示值，%；Hd為精密露點(diǎn)儀的相對(duì)濕度示值修正值，%。

3 數(shù)字溫濕度表測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定

以型號(hào)為608-H1的數(shù)字溫濕度表為例，進(jìn)行不確定度的分析。

3.1 溫度示值誤差不確定度評(píng)定

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(t)的評(píng)定

輸入量u(t)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度來(lái)源主要由被校溫濕度表示值重復(fù)性引入。

對(duì)數(shù)字溫濕度表在溫度為15℃、20℃、30℃分別進(jìn)行10次測(cè)量，詳見(jiàn)表1。

得到u(t)分別為0.042℃、0.032℃、0.052℃。

3.1.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(tb)的評(píng)定

3.1.2.1 精密露點(diǎn)儀重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1(tb)

得到u1(tb)分別為0.022℃、0.028℃和0.020℃。

3.1.2.2 溫濕度檢定箱溫度場(chǎng)的均勻度帶來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2(tb)

表1 被校數(shù)字溫濕度表在15℃、20℃、30℃的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ℃

3.1.2.3 溫濕度檢定箱溫度場(chǎng)的波動(dòng)度帶來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3(tb)

3.1.2.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(tb)的合成

u1(tb)、u2(tb) 、u3(tb)互不相關(guān)，u(tb)的合成不確定度為：

則數(shù)字溫濕度表在溫度為15℃、20℃、30℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(tb)均為0.15℃。

3.1.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(td)的評(píng)定

精密露點(diǎn)儀溫度修正值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(td)。上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的擴(kuò)展不確定度為U=0.004℃，k=2。其引入的不確定度為：

u(td)=0.004/2=0.002℃

3.1.4 合成測(cè)量不確定度

靈敏系數(shù)分別為：

c1=?Δt/?t=1

c2=?Δt/?tb=-1

c3=?Δt/?td=-1

上述所分析的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量互不相關(guān)，其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

經(jīng)計(jì)算，數(shù)字溫濕度表在溫度為15℃、20℃、30℃時(shí)的合成不確定度分別為0.16℃、0.15℃、0.16℃。

3.1.5 擴(kuò)展不確定度

取k=2。因此擴(kuò)展不確定度為：

U=k×uc=0.3℃

數(shù)字式溫濕度表在15℃、20℃、30℃時(shí)示值誤差的擴(kuò)展不確定度為0.3℃。

3.2 相對(duì)濕度示值誤差不確定度評(píng)定

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(H)的評(píng)定

輸入量u(H)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度來(lái)源主要由被校溫濕度表的重復(fù)性引入。

溫濕度表在溫度為20℃，相對(duì)濕度為40%、60%、80%時(shí)進(jìn)行10次測(cè)量，得到u(H)分別為0.19%、0.20% 和0.21%，詳見(jiàn)表2。

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Hb)的評(píng)定

標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度值的計(jì)算公式：

(3)

式中：Hb為氣體的相對(duì)濕度，%；td為露點(diǎn)溫度，℃；e(td)為露點(diǎn)溫度td下的飽和水汽壓力，Pa；t為環(huán)境氣體溫度，℃；e(t)為環(huán)境氣體溫度t下的飽和水汽壓力，Pa。

表2 被校數(shù)字溫濕度表分別在相對(duì)濕度40% 、60%、80%的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(20℃時(shí)) %

進(jìn)行不確定度分析時(shí)，靈敏系數(shù)的推導(dǎo)計(jì)算可采用飽和水氣壓的簡(jiǎn)化公式：

logew=(10.286T-2148.4909)/(T-35.85)

=(10.286t-661.13)/(t+273.3)

其中，T=t+273.15，單位：K；

整理得：

logHb=loge(td)-loge(t)

靈敏系數(shù)分別為：

td、t互相獨(dú)立無(wú)關(guān)，則：

3.2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)儀引入的不確定度u(td)

上一級(jí)精密露點(diǎn)儀的露點(diǎn)測(cè)量不確定度為U=0.15℃，k=2，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.2.2.2 上一級(jí)精密鉑電阻溫度計(jì)引入的不確定度u(t)

溫度計(jì)量值不準(zhǔn)引入的不確定度u1(t)，上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的擴(kuò)展不確定度為0.004℃，k=2，正態(tài)分布，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

溫濕度檢定箱溫場(chǎng)均勻度引入的不確定度分量u2(t)為：

溫濕度檢定箱溫場(chǎng)波動(dòng)度引入的不確定度分量u3(t)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

上述各分量互不相關(guān)，則：

經(jīng)計(jì)算，相對(duì)濕度為40%、60%、80%時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Hb)分別為0.45%、0.65%、0.86%。

3.2.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(ΔH1)的評(píng)定

3.2.3.1 溫濕度檢定箱濕度的均勻度帶來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1(ΔH1)

溫濕度檢定箱濕度的最大濕度均勻度為1.0%，其引入的不確定度為：

3.2.3.2 溫濕度檢定箱濕度的波動(dòng)度帶來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2(ΔH1)

溫濕度檢定箱濕度的最大濕度波動(dòng)度為±0.8%，其引入的不確定度為：

3.2.3.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(ΔH1)的合成

由于u1(ΔH1)、u2(ΔH1)互不相關(guān)，u(ΔH1)的合成不確定度為：

相對(duì)濕度為40%、60%、80%時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(ΔH1)均為0.55%。

3.2.4 合成測(cè)量不確定度

靈敏系數(shù)分別為：

c1=?ΔH/?H=1

c2=?ΔH/?Hb=-1

c3=?ΔH/?ΔH1=1

上述所分析的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量均互不相關(guān)，其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

則數(shù)字溫濕度表在相對(duì)濕度為40%、60%、80%(20℃時(shí))的合成不確定度分別為0.7%、0.9%、1.0%。

3.2.5 擴(kuò)展不確定度

取k=2，擴(kuò)展不確定度為：

U=k×uc

則溫濕度表在相對(duì)濕度為40%、60%、80%(20℃時(shí))的擴(kuò)展不確定度分別為1.4%、1.8%、2.0%。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)數(shù)字溫濕度表的使用情況，對(duì)溫濕度表進(jìn)行校準(zhǔn)，并對(duì)其溫度示值誤差、相對(duì)濕度示值誤差進(jìn)行了不確定度分析，經(jīng)驗(yàn)證，校準(zhǔn)方法合理可行，其結(jié)果真實(shí)可靠。

[1] JJG 1076—2001濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2002

[2] JJG 205—2005機(jī)械式溫濕度定規(guī)程[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社,2006

[3] JJF 1059—1999測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社,1999

[4] 廖理.熱學(xué)計(jì)量[M].北京：原子能出版社，2002

[5] 王維峰.數(shù)字式溫濕度計(jì)的校準(zhǔn)及測(cè)量不確定度評(píng)定[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2007(9)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.19