溫濕度傳感器濕度測量結(jié)果的不確定度評定

黃行舟，王芳，黃曉麗，朱海英，孫佳琪

摘 要：溫濕度傳感器是應(yīng)用廣泛的計(jì)量器具，文章根據(jù)JJF1076-2001《濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》，對溫濕度傳感器濕度測量結(jié)果的不確定度進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并給出了各校準(zhǔn)點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度。

關(guān)鍵詞：溫濕度傳感器；濕度測量結(jié)果；不確定度

中圖分類號：TH837 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）06-0166-02

Abstract： The temperature and humidity sensor is a widely used measuring instrument. This paper is based on JJF1076-2001 "Humidity Sensor Calibration Specification". The uncertainty of humidity measurement result of temperature and humidity sensor is analyzed systematically， and the extended uncertainty of each calibration point is given.

Keywords： temperature and humidity sensor； humidity measurement results； uncertainty

1 概述

溫濕度傳感器是一種重要的計(jì)量器具，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥化工、電子通訊、氣象、食品、倉儲(chǔ)、農(nóng)業(yè)以及文物保護(hù)等領(lǐng)域。在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是比較難以準(zhǔn)確測量的。因此，開展溫濕度傳感器濕度測量結(jié)果的不確定度評定，具有十分重要的意義。本文依據(jù)JJF1076-2001《濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》，對溫濕度傳感器濕度測量結(jié)果的不確定度進(jìn)行了詳細(xì)分析，確定了不確定度的來源，給出了方法的合成不確定度，并進(jìn)一步求得了擴(kuò)展不確定度。

2 測量方法和依據(jù)

2.1 測量方法

將精密度露點(diǎn)儀的露點(diǎn)、溫度探頭及溫濕度傳感器一起置于濕度發(fā)生器的測試室內(nèi)，采用直接比較法進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)，設(shè)定濕度發(fā)生器的溫度值為20℃，待溫度平衡后，分別取10%RH、20%RH、30%RH、40%RH、50%RH、60%RH、70%RH、80%RH和90%RH作為濕度校準(zhǔn)點(diǎn)。每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)在溫濕度達(dá)到設(shè)定值后穩(wěn)定10min，然后每隔2min左右記錄精密露點(diǎn)儀的相對濕度值H標(biāo)（%RH）和溫濕度傳感器濕度的輸出值H示（%RH），共記錄3個(gè)數(shù)據(jù)，從而得到各校準(zhǔn)點(diǎn)示值修正值，并對其進(jìn)行不確定評定。

2.2 校準(zhǔn)依據(jù)

校準(zhǔn)依據(jù)：JJF1076-2001《濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》。

計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器：美國Edge Tech公司生產(chǎn)的Dew Master精密露點(diǎn)儀，露點(diǎn)最大允許誤差 ：0.2℃DP，溫度最大允許誤差：±0.1℃。

配套設(shè)備：雙壓濕度發(fā)生器。

2.3 校準(zhǔn)對象

校準(zhǔn)對象：溫濕度傳感器

3 數(shù)學(xué)模型

（1）數(shù)學(xué)模型：

濕度：ΔH=H示-H標(biāo)

式中：ΔH為被校儀表的濕度示值誤差，%RH；

H示為被校儀表的相對濕度示值，%RH；

H標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)器的的濕度示值，%RH。

（2）方差和靈敏系數(shù)

根據(jù)數(shù)學(xué)模型求導(dǎo)后得到方差：

U■■=C■U■■+C■U■■其中靈敏系數(shù)分別為c1=■=1以及c2=■=-1。

4 不確定度來源及評定

溫濕度傳感器濕度校準(zhǔn)過程中，不確定度來源為被校儀表測量引入的不確定度分量UH示和標(biāo)準(zhǔn)器相對濕度測量引入的不確定分量UH標(biāo)。

4.1 被校儀表測量引入的不確定分量UH示

被校儀表測量引入的被校儀表不確定分量UH示主要由被校儀表測量重復(fù)性引入的不確定分量UH示1和被校儀表分辨力引入的不確定分量UH示2組成。

4.1.1 被校儀表測量重復(fù)性引入的不確定分量UH示1

在溫度為20℃，濕度為50%RH的環(huán)境下，被校儀表做10次獨(dú)立的重復(fù)性測試，測試結(jié)果（%RH）分別為50.4、49.8、49.9、50.5、50.2、49.9、50.2、49.7、50.1和49.8，平均值為50.05%RH，其分布規(guī)律服從正態(tài)分布，包含因子K=1，屬于A類不確定度。

由貝塞爾公式：S（X）=■

計(jì)算得到10次測量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.27%RH。由于JJF1076-200濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定對同一校準(zhǔn)點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行3次讀數(shù)，取其平均值作為測量結(jié)果，所以測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：UH示1=S/■=0.16%RH。

4.1.2 被校儀表分辨力引入的不確定分量UH示2

根據(jù)被校儀表的產(chǎn)品說明書，其示值分辨力為0.1%RH，由其引入誤差的半寬區(qū)間為0.05%RH，呈均勻分布，取包含因子k=■，所以UH示2=0.05/■=0.029%RH。由于測量重復(fù)性分量包含了分辨力引入的不確定度分量，且UH示1> UH示2，故被校儀表分辨力引入的不確定度分量UH示2可忽略不計(jì)。

4.1.3 被校儀表合成不確定度UH示

由于被校儀表分辨力引入的不確定分量UH示2可忽略不計(jì)，因此UH示1即為被校儀表合成不確定UH示。根據(jù)校準(zhǔn)規(guī)程，得到10%RH、20%RH、30%RH、40%RH、50%RH、60%RH、70%RH、80%RH和90%RH各校準(zhǔn)點(diǎn)的合成不確定度UH示，結(jié)果見表1。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)器相對濕度測量引入的不確定分量UH標(biāo)

標(biāo)準(zhǔn)器相對濕度測量引入的不確定分量UH標(biāo)主要由標(biāo)準(zhǔn)器的分辨力UH標(biāo)1、露點(diǎn)測量準(zhǔn)確性UH標(biāo)2、濕度發(fā)生器濕場均勻性UH標(biāo)3和濕度發(fā)生器濕場波動(dòng)度UH標(biāo)4組成。

4.2.1 標(biāo)準(zhǔn)器分辨力引入的不確定度UH標(biāo)1

精密露點(diǎn)儀的分辨力為0.1%RH，呈均勻分布，為B類不確定度，取包含因子k=■，故UH標(biāo)1=0.05/■=0.029%RH。

4.2.2 露點(diǎn)測量準(zhǔn)確性引入的不確定度UH標(biāo)2

對于精密露點(diǎn)儀的露點(diǎn)溫度測量準(zhǔn)確度為±0.2℃DP，查表可以得到在20℃時(shí)其測量準(zhǔn)確度引入的相對濕度不確定度為0.8%RH，按均勻分布考慮，屬于B類不確定度。故標(biāo)準(zhǔn)不確定度UH標(biāo)2=0.8/■=0.46%RH。

4.2.3 濕度發(fā)生器濕場均勻性UH標(biāo)3

根據(jù)雙壓濕度發(fā)生器的性能指標(biāo)，濕度均勻度為1.0%RH，呈均勻分布，取包含因子k=■，所以其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度UH標(biāo)3=1.0/■=0.58%RH。

4.2.4 濕度發(fā)生器濕場波動(dòng)度UH標(biāo)4

根據(jù)雙壓濕度發(fā)生器的性能指標(biāo)，濕度波動(dòng)度為±0.8%RH，呈反正弦分布，取包含因子k=■，所以其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度UH標(biāo)4=0.8/■=0.56%RH。

4.2.5 標(biāo)準(zhǔn)器相對濕度測量引入的不確定度分量UH標(biāo)

UH標(biāo)=■

=■=0.93%RH

4.3 濕度測量不確定度分量一覽表（見表2）

5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度UC

濕度合成不確定公式：UC=■，因此被校儀表在各校準(zhǔn)點(diǎn)的合成不確定結(jié)果見表2所示。

6 擴(kuò)展不確定度的表示U

擴(kuò)展不確定度公式：U=k×Uc，取k=2，因此被校儀表在各校準(zhǔn)點(diǎn)的擴(kuò)展不確定結(jié)果見表3所示。

參考文獻(xiàn)：

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