使用干體爐對HMP155型溫濕度傳感器溫度進行現(xiàn)場校準實驗存在問題的解決方法研究

蘇繼琨，秦平，張濤，李明君，辛阿阿，林雪麗，高昆

(國家海洋局北海標準計量中心 青島 266033)

使用干體爐對HMP155型溫濕度傳感器溫度進行現(xiàn)場校準實驗存在問題的解決方法研究

蘇繼琨，秦平，張濤，李明君，辛阿阿，林雪麗，高昆

(國家海洋局北海標準計量中心 青島 266033)

文章結合海洋環(huán)境監(jiān)測站和海洋資料浮標的海洋環(huán)境自動觀測系統(tǒng)現(xiàn)場校準工作，使用功能先進且便于攜帶的干體爐計量設備，針對HMP155型溫濕度傳感器的溫度項目進行現(xiàn)場校準。通過實驗發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場校準結果與實驗室校準結果存在較大差異，通過設計實驗形式，研究總結存在問題的解決方法，并在實際工作中得到驗證。

干體爐;溫濕度傳感器;現(xiàn)場校準;海洋環(huán)境監(jiān)測

HMP155型溫濕度傳感器是芬蘭維薩拉公司生產(chǎn)的具有較高穩(wěn)定性并適用于惡劣環(huán)境的溫濕度傳感器，溫度測量范圍為－80℃ ～60℃［1］，目前作為溫濕度觀測設備被普遍使用在臺站海洋環(huán)境自動觀測系統(tǒng)中。隨著溫濕度傳感器的更新?lián)Q代以及計量標準器的升級更換，之前的實驗方法已經(jīng)不適合現(xiàn)在的實際工作，如《國家海洋計量站青島分站作業(yè)文件》［2］中的《溫濕度傳感器現(xiàn)場檢定作業(yè)指導書》［2］所針對的溫濕度傳感器為YZY5型，使用的標準器和配套設備為鉑電阻溫度計和制冷恒溫槽;目前海洋臺站溫濕度傳感器普遍更新為HMP155型、部分為HMP45A型，在實際工作中考慮制冷恒溫槽不便攜帶，也使用相對輕便且精度較高的恒溫干體爐作為標準配套設備。從實驗結果來看，使用恒溫干體爐在校準HMP45A型溫濕度傳感器時，測量結果與使用制冷恒溫槽較一致;而在校準HMP155型溫濕度傳感器時，測量結果與使用制冷恒溫槽存在較大誤差。這就需要在原有作業(yè)指導書的基礎上研究使用恒溫干體爐對HMP155型溫濕度傳感器進行現(xiàn)場校準的方法。

研究使用便攜式恒溫干體爐測量HMP155型溫濕度傳感器溫度項目時產(chǎn)生誤差的因素以及消除誤差的方法，是本項目擬解決的關鍵問題之一。

1 實驗操作

目前北海標準計量中心對HMP155型溫濕度傳感器進行現(xiàn)場校準所使用的標準器是自校式鉑電阻溫度計，測量范圍在－60℃ ～100℃，最大允許誤差±0.10℃［3］;主要配套設備是阿美特克(AMETEK)RTC－157B型干體爐，測量范圍在－45℃～155℃，波動度為每15 min內(nèi)不超過0.005℃［4］。校準過程中，把標準器和被檢傳感器同時插入干體爐感溫槽內(nèi)的感溫套筒中(圖1)。

圖1 干體爐實驗

2 實驗數(shù)據(jù)結果及問題

2.1 實驗數(shù)據(jù)結果

2016年4月19日和6月6日，分別對2批HMP155型溫濕度傳感器進行實驗室校準和模擬現(xiàn)場校準2種實驗方案的比對實驗。實驗室校準使用的標準器和配套設備為標準水銀溫度計和制冷恒溫槽，把標準器和經(jīng)過防水處理的被檢傳感器同時放入制冷恒溫槽充滿酒精或水的槽體內(nèi)［5］，實驗數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 實驗室校準數(shù)據(jù)(環(huán)境條件:20.0℃～22.0℃，51%～59%RH) ℃

表2 模擬現(xiàn)場校準數(shù)據(jù)(環(huán)境條件:20.0℃～25.0℃，60%～70%RH) ℃

2.2 誤差問題

由表1和表2可見，實驗室按標準校準結果得出被測設備符合準確度要求。模擬現(xiàn)場校準的數(shù)據(jù)與實驗室校準數(shù)據(jù)比較，當在低溫校準時存在較大誤差。

分析存在較大誤差的可能原因主要包括:傳感器感溫穩(wěn)定時間不充分、外界溫度對感溫槽造成影響、由于套筒原因造成標準器與被測設備感溫溫度不一致等。

3 實驗分析

3.1 傳感器感溫穩(wěn)定時間實驗

記錄傳感器感溫時間。以編號為M0320334的傳感器、設置0℃溫度點為例，降溫初期傳感器每變化0.1℃用時3 s，接近穩(wěn)定點時每變化0.1℃用時56 s。當標準溫度在1.0℃ ～0.0℃時，傳感器溫度變化如表3所示。

表3 傳感器溫度變化用時(標準溫度1.0℃～0.0℃)

設置－10℃溫度點時，降溫初期傳感器每變化0.1℃用時4 s，接近穩(wěn)定點時每變化0.1℃用時60 s。當標準溫度在－9.0℃ ～－10.0℃時，傳感器溫度變化如表4所示。

表4 傳感器溫度變化用時(標準溫度－9.0℃～－10.0℃)

設置－20℃溫度點時，降溫初期傳感器每變化0.1℃用時10 s，接近穩(wěn)定點時每變化0.1℃用時100 s。當標準溫度在－19.0℃ ～－20.0℃時，傳感器溫度變化如表5所示。

表5 傳感器溫度變化用時(標準溫度－19.0℃～－20.0℃)

續(xù)表

設置－30℃溫度點時，降溫初期傳感器每變化0.1℃用時10 s，接近穩(wěn)定點時每變化0.1℃用時100 s。當標準溫度在－29.0℃ ～－30.0℃時，傳感器溫度變化如表6所示。

表6 傳感器溫度變化用時(標準溫度－29.0℃～－30.0℃)

通過得到的感溫變化時間數(shù)據(jù)分析來看，傳感器存在示值誤差的原因與感溫時間的長短沒有直接聯(lián)系。

3.2 外界溫度影響實驗

在模擬現(xiàn)場校準實驗中控制實驗環(huán)境溫度。由于在低溫溫度點存在示值誤差較大現(xiàn)象，假設環(huán)境溫度較高會影響被測傳感器感溫。以編號為M0320334的傳感器、設置環(huán)境溫度為(30±2)℃和(20±2)℃2種環(huán)境溫度進行實驗，數(shù)據(jù)結果如表7所示。

表7 外界溫度影響實驗數(shù)據(jù)

通過外界溫度影響實驗數(shù)據(jù)分析來看，傳感器存在示值誤差的原因與外界溫度影響沒有直接聯(lián)系。只是在高溫環(huán)境中感溫穩(wěn)定時間會隨著設置溫度點降低而延長。

3.3 套筒原因造成標準器與被測設備感溫溫度不一致實驗

由于被測傳感器探頭與標準器感溫探頭在實驗中分別插入干體爐套筒的2個內(nèi)孔中且孔內(nèi)緊密貼合，假設由于套筒內(nèi)孔尺寸與傳感器探頭尺寸不一致，導致測傳感器探頭不能充分感溫，在低溫溫度點與標準器測量的溫度值存在較大偏差。

本實驗方法是把套筒從干體爐中取出，利用鋁箔紙良好的導熱性，使用鋁箔紙把被測傳感器探頭與標準器感溫探頭緊密地纏繞包裹在一起，放入干體爐中，從而使傳感器與標準器處在相同的感溫環(huán)境中，實驗數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 改進后模擬現(xiàn)場校準數(shù)據(jù)(環(huán)境條件:20.0℃～22.0℃，51%～59%RH) ℃

續(xù)表

從表8可以看出，由于使用的標準器和配套設備不同，改進后實驗所得的數(shù)據(jù)與表1中實驗室校準的數(shù)據(jù)基本一致，且設備符合準確度要求。

4 HMP155型溫濕度傳感器溫度現(xiàn)場校準實驗

結合國家海洋局北海標準計量中心臺站海洋環(huán)境自動觀測系統(tǒng)現(xiàn)場校準工作，針對目前北海區(qū)海洋觀測站海洋環(huán)境自動觀測系統(tǒng)普遍使用的HMP155型溫濕度傳感器進行校準實驗，驗證利用本實驗方法解決使用干體爐設備校準存在誤差較大問題的可靠性(圖2)。

圖2 現(xiàn)場實驗

對模擬實驗的4個傳感器進行現(xiàn)場校準實驗，實驗數(shù)據(jù)如表9所示。

表9 HMP155型溫濕度傳感器溫度現(xiàn)場校準實驗數(shù)據(jù)(環(huán)境條件:27.0℃～30.0℃，46%～49%RH) ℃

5 結論

通過利用本校準實驗方法解決使用干體爐設備校準HMP155型溫濕度傳感器溫度現(xiàn)場校準實驗存在誤差較大問題的結果數(shù)據(jù)來看，本校準實驗方法能夠復現(xiàn)被測傳感器在實驗室的校準結果，證明本實驗方法可以用于干體爐設備校準HMP155型溫濕度傳感器溫度現(xiàn)場校準的實際工作。

［1］VAILASA．HMP155溫濕度探頭操作手冊［Z］．2009．

［2］國家海洋計量站青島分站．國家海洋計量站青島分站管理標準［S］．2016．

［3］中國氣象局．JJG(氣象)002－2011自動氣象站溫度傳感器檢定規(guī)程［S］．2011．

［4］AMETEK．JOFRA RTC－156超級標準干體爐用戶手冊［Z］．2009．

［5］國家海洋局．JJG(海洋)01－1994海洋資料浮標傳感器［S］．1994．

Some Problems of Temperature Measurement on-Site Calibration Experiment of the HMP155 Humicap Sensor by Using Dry-block Temperature Calibrators

SU Jikun，QIN Ping，ZHANG Tao，LI Mingjun，XIN Aa，LIN Xueli，GAO Kun

(North China Sea Standardization and Metrology Center，SOA，Qingdao 266033，China)

Based on the on-site calibration experiment of the automatic observation system of marine environmental monitoring station and marine data buoy，using Dry-block Temperature Calibrators with advanced functions and easy to carry，on-site calibration experiment for temperature measurement of the HMP155 Humicap Sensor was implemented．The results revealed that the on-site calibration results and laboratory calibration results were quite different．The solution to the problems was summarized through the design of experimental forms，and verified in practical work．

Dry-block Temperature Calibrators，Humicap Sensor，On-site Calibration Experiment，Marine environmental monitoring

P7

A

1005－9857(2017)02－0080－05

2016-10-07;

2016-12-13

國家海洋局北海分局海洋科技項目“HMP155型溫濕度傳感器溫度現(xiàn)場校準方法及不確定度研究”(2016B12)．

蘇繼琨，工程師，碩士，研究方向為計量檢測，電子信箱:sjk8358@126.com