數(shù)字溫濕度表的校準方法探討及測量不確定度的評定

葉依林 胡 超

(中國工程物理研究院計量測試中心，綿陽 621900)

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數(shù)字溫濕度表的校準方法探討及測量不確定度的評定

葉依林 胡 超

(中國工程物理研究院計量測試中心，綿陽 621900)

數(shù)字溫濕度表廣泛地應(yīng)用于實驗室、工業(yè)生產(chǎn)、倉庫等環(huán)境溫濕度測量。目前，數(shù)字溫濕度表尚無國家和地方的校準規(guī)范?；跀?shù)字溫濕度表實際使用情況，介紹了一種校準方法，即采用精密露點儀和溫濕度檢定箱組成校準系統(tǒng)，對數(shù)字溫濕度表進行校準，并對該校準方法的不確定度進行了分析。

數(shù)字溫濕度表；校準方法；不確定度

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，對溫濕度的檢測和控制越來越受到人們的重視。數(shù)字溫濕度表是由溫度部分和濕度部分構(gòu)成的溫濕度測量儀器，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、氣象、醫(yī)療以及日常生活的環(huán)境溫濕度測量方面得到了廣泛的應(yīng)用。目前，數(shù)字溫濕度表尚無國家和地方的校準規(guī)程。根據(jù)數(shù)字溫濕度表的實際使用情況及長期校準累積經(jīng)驗，對數(shù)字溫濕度表的校準方法進行研究，并給出了不確定度評定。

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，當溫濕度發(fā)生變化時，感溫元件或濕敏元件的輸出電信號隨之變化，經(jīng)過一系列電路處理，以數(shù)字形式指示出被測量對象的溫濕度值。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 校準方法

2.1 校準設(shè)備

1)精密露點儀。

2)溫濕度檢定箱，技術(shù)指標如下：

溫度均勻度≤0.3℃；

溫度波動度為±0.2℃；

濕度均勻度≤1.0%RH；

濕度波動度為±0.8%RH。

2.2 校準項目和校準方法

2.2.1 校準點的選擇

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

選取40%、60%、80%作為校準相對濕度點，原因如下：

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

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

3)全國主要城市的平均相對濕度大多在40%～80%之間；

4)若有特定濕度點要求，也可按用戶指定點在此基礎(chǔ)上增加校準點。

2.2.2 溫度示值誤差校準

將精密露點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)定校準點，溫度達到設(shè)定值后，穩(wěn)定30min開始讀數(shù)，先讀精密露點儀，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儀和被檢儀器的溫度示值，計算被測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為被校準數(shù)字溫濕度表的溫度示值，℃；tb為精密露點儀的溫度示值，℃；td為精密露點儀的溫度修正值，℃。

2.2.3 相對濕度示值誤差校準

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

當校準箱內(nèi)的濕度達到設(shè)定值后，穩(wěn)定30min后開始讀數(shù)，先讀精密露點儀，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儀和被檢儀器的相對濕度示值，計算被測儀表的相對濕度示值誤差：

ΔH=H-Hb-Hd

(2)

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

3 數(shù)字溫濕度表測量結(jié)果的不確定度評定

以型號為608-H1的數(shù)字溫濕度表為例，進行不確定度的分析。

3.1 溫度示值誤差不確定度評定

3.1.1 標準不確定度u(t)的評定

輸入量u(t)的標準不確定度來源主要由被校溫濕度表示值重復(fù)性引入。

對數(shù)字溫濕度表在溫度為15℃、20℃、30℃分別進行10次測量，詳見表1。

得到u(t)分別為0.042℃、0.032℃、0.052℃。

3.1.2 標準不確定度u(tb)的評定

3.1.2.1 精密露點儀重復(fù)性引入的標準不確定度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的均勻度帶來的標準不確定度u2(tb)

表1 被校數(shù)字溫濕度表在15℃、20℃、30℃的重復(fù)性實驗數(shù)據(jù) ℃

3.1.2.3 溫濕度檢定箱溫度場的波動度帶來的標準不確定度u3(tb)

3.1.2.4 標準不確定度分量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℃時的標準不確定度分量u(tb)均為0.15℃。

3.1.3 標準不確定度u(td)的評定

精密露點儀溫度修正值引入的標準不確定度u(td)。上一級標準鉑電阻溫度計的擴展不確定度為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

上述所分析的各項標準不確定度分量互不相關(guān)，其合成標準不確定度為：

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

3.1.5 擴展不確定度

取k=2。因此擴展不確定度為：

U=k×uc=0.3℃

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

3.2 相對濕度示值誤差不確定度評定

3.2.1 標準不確定度u(H)的評定

輸入量u(H)的標準不確定度來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℃，相對濕度為40%、60%、80%時進行10次測量，得到u(H)分別為0.19%、0.20% 和0.21%，詳見表2。

3.2.2 標準不確定度u(Hb)的評定

標準相對濕度值的計算公式：

(3)

式中：Hb為氣體的相對濕度，%；td為露點溫度，℃；e(td)為露點溫度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濕度40% 、60%、80%的重復(fù)性實驗數(shù)據(jù)(20℃時) %

進行不確定度分析時，靈敏系數(shù)的推導(dǎo)計算可采用飽和水氣壓的簡化公式：

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互相獨立無關(guān)，則：

3.2.2.1 標準露點儀引入的不確定度u(td)

上一級精密露點儀的露點測量不確定度為U=0.15℃，k=2，其標準不確定度為：

3.2.2.2 上一級精密鉑電阻溫度計引入的不確定度u(t)

溫度計量值不準引入的不確定度u1(t)，上一級標準鉑電阻溫度計的擴展不確定度為0.004℃，k=2，正態(tài)分布，其標準不確定度為：

溫濕度檢定箱溫場均勻度引入的不確定度分量u2(t)為：

溫濕度檢定箱溫場波動度引入的不確定度分量u3(t)引入的標準不確定度：

上述各分量互不相關(guān)，則：

經(jīng)計算，相對濕度為40%、60%、80%時，標準不確定度u(Hb)分別為0.45%、0.65%、0.86%。

3.2.3 標準不確定度u(ΔH1)的評定

3.2.3.1 溫濕度檢定箱濕度的均勻度帶來的標準不確定度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度帶來的標準不確定度u2(ΔH1)

溫濕度檢定箱濕度的最大濕度波動度為±0.8%，其引入的不確定度為：

3.2.3.3 標準不確定度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：

相對濕度為40%、60%、80%時，標準不確定度u(ΔH1)均為0.55%。

3.2.4 合成測量不確定度

靈敏系數(shù)分別為：

c1=?ΔH/?H=1

c2=?ΔH/?Hb=-1

c3=?ΔH/?ΔH1=1

上述所分析的各項標準不確定度分量均互不相關(guān)，其合成標準不確定度為：

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

3.2.5 擴展不確定度

取k=2，擴展不確定度為：

U=k×uc

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

4 結(jié)束語

根據(jù)數(shù)字溫濕度表的使用情況，對溫濕度表進行校準，并對其溫度示值誤差、相對濕度示值誤差進行了不確定度分析，經(jīng)驗證，校準方法合理可行，其結(jié)果真實可靠。

[1] JJG 1076—2001濕度傳感器校準規(guī)范[S].北京：中國計量出版社，2002

[2] JJG 205—2005機械式溫濕度定規(guī)程[S].北京：中國計量出版社,2006

[3] JJF 1059—1999測量不確定度評定與表示[S].北京：中國計量出版社,1999

[4] 廖理.熱學(xué)計量[M].北京：原子能出版社，2002

[5] 王維峰.數(shù)字式溫濕度計的校準及測量不確定度評定[J].計量學(xué)報，2007(9)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.19