濕度傳感器能力驗證活動誤差來源分析

濕度傳感器能力驗證活動誤差來源分析

王傳博，賀勝

(天津市電子儀表實驗所，天津 300210)

摘要：本文主要闡述了本實驗室在參加由CNAS組織的濕度傳感器能力驗證活動中，當(dāng)最終結(jié)果報告中出現(xiàn)臨界值情況時，應(yīng)采取的措施：包括分析誤差的主要來源，制定相應(yīng)的糾正措施，并驗證結(jié)果的過程。

關(guān)鍵詞：濕度傳感器；能力驗證；誤差分析；改進措施

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.02.18

中圖分類號：TB943

文章編號：1674-5795(2015)02-0070-02

收稿日期：2014-11-09；修回日期：2015-03-10

作者簡介：王傳博(1983-)，男，工程師，主要從事溫濕度計量以及校準(zhǔn)實驗室管理工作。

Analysis of Error Source of Humidity Sensors’Proficiency Testing

WANG Chuanbo，HE Sheng

(Tianjin Electronic & Instrumental Laboratory，Tianjin 300210，China)

Abstract：This paper describes what measures this laboratory should take after attending a verification activity of humidity sensors organized by CNAS and getting critical values in the final results report，including analyzing the main sources of errors，stipulating relevant correction measures，and verifying the results.

Key words：humidity sensor；proficiency testing；error analysis；improvement measure

0引言

能力驗證活動作為評價參與實驗室技術(shù)和管理的重要手段，越來越為計量行業(yè)所重視。我國的各級計量管理機構(gòu)對能力驗證的范圍、頻次等也都進行了相應(yīng)的規(guī)定[1-2]。能力驗證活動主要包括能力驗證計劃、測量審核和實驗室間比對三種形式。其中能力驗證活動因為參與實驗室數(shù)量多、組織與安排縝密而更為實驗室所認(rèn)可。能力驗證的重要性、開展方式、組織和實施等問題在其他論文中都有涉及，本文就本實驗室參加濕度傳感器能力驗證活動的實例進行相關(guān)分析，著重討論在能力驗證活動中，當(dāng)最終結(jié)果報告中出現(xiàn)臨界值情況時，如何分析問題、解決問題。

1活動背景

本實驗室參加了CNAS組織的相對濕度傳感器校準(zhǔn)能力驗證活動。相關(guān)人員按照實施機構(gòu)的作業(yè)指導(dǎo)書進行了試驗，提交了數(shù)據(jù)結(jié)果和相關(guān)資料。經(jīng)過一段時間我們收到了最終結(jié)果報告：在20℃條件下，10%RH，30%RH，50%RH，70%RH，90%RH這5個校準(zhǔn)點的標(biāo)準(zhǔn)化誤差En值分別為-0.8，0.2，0.4，0.8和1.0。雖然該報告顯示我實驗室所提交的結(jié)果為滿意，但同時我們也發(fā)現(xiàn)在10%RH，70%RH，90%RH這三個校準(zhǔn)點上，用于判定結(jié)果的En值已接近或達到臨界值1，這三個數(shù)據(jù)應(yīng)為可疑數(shù)據(jù)。對此，我實驗室高度重視，組成分析小組，對誤差的來源進行分析。

2誤差來源分析

首先對照作業(yè)指導(dǎo)書和規(guī)程規(guī)范[3]對此次活動重新進行梳理。對原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的處理、不確定度的評定等環(huán)節(jié)進行分析，并進行了模擬實驗。在排除了幾個可能造成誤差的因素之后，重點懷疑下述幾個因素：

2.1露點儀修正值的使用問題

露點儀是該次實驗所使用的主要標(biāo)準(zhǔn)器，本實驗室所用露點儀經(jīng)上級溯機構(gòu)溯源后，證書給出露點溫度的修正值為0.2℃(換算成相對濕度最大可達到1.2%RH)。日常使用時，我們直接讀取露點儀上顯示的經(jīng)換算后的相對濕度值作為標(biāo)準(zhǔn)值，將露點溫度修正值的最大允許誤差作為引入不確定度分量的一個來源。這樣做可以滿足日常工作要求，但同時也會使測量誤差和不確定度加大。露點儀的溫度傳感器也存在一定誤差，雖滿足使用的要求，但也會對結(jié)果產(chǎn)生影響。

利用原始記錄對代入修正值后的En進行模擬計算，在10%RH，70%RH，90%RH這三個校準(zhǔn)點上，用于判定結(jié)果的En值分別為-0.8，0.4和0.7，較之前的數(shù)據(jù)有了一定的改善。計算結(jié)果見表1。

表1　修正前后的 E n值

2.2露點儀漂移產(chǎn)生的影響

本實驗室開展能力驗證試驗的時間為2012年8月，在2012年3月露點儀的溯源證書中其最大露點示值誤差為-0.2℃，而在2013年3月的溯源中，證書體現(xiàn)其最大露點示值誤差為0.3℃，且其中3個溫度點示值誤差為0.3℃，該數(shù)值已超出精密露點儀指標(biāo)要求。故有可能在兩次溯源之間，即能力驗證時數(shù)值已經(jīng)漂移，可能對能力驗證結(jié)果造成了影響。

2.3露點探頭自熱產(chǎn)生的影響

最終結(jié)果報告[4]在技術(shù)建議中提出主標(biāo)準(zhǔn)器最好選用抽氣式的精密露點儀，以避免露點探頭在工作過程中產(chǎn)生熱量對濕度發(fā)生器測量室的溫度場產(chǎn)生影響。而我室使用的為投入式精密露點儀，需將整個探頭投入濕度發(fā)生器內(nèi)，其測量濕度的原理為通過露點探頭上的半導(dǎo)體冷阱將空氣中水分凝結(jié)成露，利用感光元件監(jiān)視結(jié)露情況。達到平衡點后，再通過測溫元件測量露點，配合鉑電阻傳感器測得的溫度，換算出相對濕度。一般情況下，校準(zhǔn)點的選擇應(yīng)接近環(huán)境溫，而本實驗室收到濕度傳感器樣品的時間為8月21日，地理位置又處于沿海地帶，環(huán)境溫濕度較高，實驗室環(huán)境(開空調(diào)的情況下)調(diào)節(jié)為25℃，50%RH左右，而能力驗證作業(yè)指導(dǎo)書要求測試溫度為20℃。在能力驗證的測量要求下，將20℃樣氣中水分冷凝勢必需要更多的冷量，同時散發(fā)較大熱量。投入式露點儀可能導(dǎo)致冷鏡頭部局部溫度略高，影響了濕度發(fā)生器測量室的溫度場均衡，也在一定程度上影響了讀取數(shù)據(jù)的真實性。

2.4環(huán)境對濕度發(fā)生器內(nèi)濕度場的影響

本實驗室使用的濕度發(fā)生器的端蓋上有直徑φ7.5~25不同孔徑的測試孔若干。但此次能力驗證活動中所傳遞的濕度傳感器樣品，其前端部分并不十分規(guī)則，外徑略小于本實驗室發(fā)生器與其尺寸接近的孔徑，因為相差很小，當(dāng)時并未進行進一步的密封處理。同時，為了使傳感器盡可能的靠近露點儀，插入發(fā)生器的深度較淺，樣氣泄露后，濕度場發(fā)生變化，使得傳感器周圍部分的濕度與場內(nèi)濕度有些差別。在校準(zhǔn)低濕時，傳感器周圍濕度較高；校準(zhǔn)高濕時，傳感器周圍濕度較低。從數(shù)據(jù)上來看，10%RH校準(zhǔn)點En值為-0.8，根據(jù)En值計算公式說明本實驗室提供的傳感器濕度修正值小于參考實驗室修正值，倒推出被校傳感器的讀數(shù)可能偏大。同樣70%RH，90%RH校準(zhǔn)點時，En值分別為0.8和1.0，倒推出被校傳感器的讀數(shù)可能偏小。而在30%RH，50%RH校準(zhǔn)點上，由于和環(huán)境濕度接近，漏氣的干擾并不明顯。

3改進措施

針對上述可能產(chǎn)生誤差的原因，本小組提出了相應(yīng)的改進措施：

對于高準(zhǔn)確度的濕度傳感器測量，采用代入修正值的做法，修改相應(yīng)的作業(yè)文件。在提高測量準(zhǔn)確度的同時，減小測量不確定度的結(jié)果表達。通過合理有效的手段，利用現(xiàn)有儀器設(shè)備，提高校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

加強對精密露點儀的日常監(jiān)測，關(guān)注其期間核查、質(zhì)控圖的數(shù)據(jù)。對于發(fā)生漂移等問題要盡早發(fā)現(xiàn)，及時進行校準(zhǔn)調(diào)整，避免校準(zhǔn)結(jié)果偏離。

在規(guī)程允許的范圍內(nèi)根據(jù)環(huán)境溫度的不同調(diào)整校準(zhǔn)點。盡可能保證校準(zhǔn)的溫濕度點接近實際環(huán)境條件，避免由于濕度發(fā)生器內(nèi)外環(huán)境差異過大帶來的影響。

使用密封塞等工具將傳感器探頭與測試腔端蓋密封好，減少漏氣所帶來的對測量結(jié)果的影響。

在今后的能力驗證活動中，積極研究測量結(jié)果的驗證方法。使用合理有效的方法對校準(zhǔn)結(jié)果進行驗證，以佐能力驗證結(jié)果，降低離群的可能性。

4結(jié)束語

本文以一個實例介紹了能力驗證中得到不良結(jié)果應(yīng)該如何分析解決問題。而最終的驗證工作還需通過能力驗證活動來實現(xiàn)。本實驗室隨后將該項目與其他實驗室進行了測量審核，得到了滿意的結(jié)果。說明改進措施取得了預(yù)期的效果。

參考文獻

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[2] 中國合格評定國家認(rèn)可委員會.CNAS-AL07：2011能力驗證領(lǐng)域和頻次表[S].北京：CNAS，2011.

[3] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJF 1076-2001濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京：中國計量出版社，2001.

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