多通道濕度信號采集器示值誤差的修正及業(yè)務(wù)應(yīng)用

孫文博　麻鍇　孔詩媛　吳非　魯長海

摘要：多通道濕度信號采集器將濕度傳感器的輸出電壓轉(zhuǎn)換為相對濕度數(shù)值，這一模數(shù)轉(zhuǎn)換過程的準(zhǔn)確性決定了檢定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。目前，自動(dòng)氣象站檢定規(guī)程中沒有給出多通道采集器的溯源方法。為了保證濕度傳感器檢定的準(zhǔn)確性，對采集器進(jìn)行比對試驗(yàn)，通過示值誤差計(jì)算出修正值。在數(shù)據(jù)處理過程中，采用該修正值消除多通道采集器的誤差。為了進(jìn)一步增質(zhì)提效，設(shè)計(jì)了濕度傳感器誤差計(jì)算軟件代替人工計(jì)算，徹底消除人為計(jì)算誤差。

關(guān)鍵詞：濕度信號采集器;標(biāo)準(zhǔn)偏差;修正值

中圖分類號： P412.13;TB9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：? A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI編號：? ?10.14025/j.cnki.jlny.2019.12.068

目前，自動(dòng)氣象站檢定規(guī)程中沒有指出多通道采集器的溯源方法，但該設(shè)備已經(jīng)使用多年，作為計(jì)量器具其應(yīng)該接受定期檢定或校準(zhǔn)[1]。濕度信號采集器本身就是濕度觀測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，更應(yīng)該對其輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，給出示值誤差的修正值，在檢定時(shí)對示值進(jìn)行修正，以確保相對濕度量值溯源準(zhǔn)確有效。

1 多通道濕度信號采集器的誤差

1.1 多通道濕度信號采集器工作原理

多通道濕度信號采集器正面為數(shù)據(jù)顯示界面，背面有10組DB9型傳感器接口，DB9接口的第二針腳接濕度傳感器輸出高電平、第三針腳接濕度地，第二針腳對第三針腳的電壓差即為濕度電壓信號，濕度采集器分別測量各組DB9接口的電壓，將電壓值存儲在寄存器中，每分鐘讀取寄存器數(shù)據(jù)一次，并顯示數(shù)據(jù)。

1.2多通道濕度信號采集器的誤差成因

濕度采集器測量傳感器的電壓信號，依照0V～1V電壓對應(yīng)相對濕度0%～100%的測濕原理將電壓換算成濕度。濕度采集器的誤差產(chǎn)生于0V～1V電壓的測量過程中[2]。

1.3采集器系統(tǒng)誤差比對試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)備組成 比對試驗(yàn)使用直流數(shù)字恒壓源作為信號源，生成穩(wěn)定的0V～1V電壓信號，模擬濕度傳感器所有可能的輸出信號。使檢定過的6位半萬用表和濕度采集器同時(shí)測量恒壓源的電壓輸出端子，其中6位半萬用表的示指當(dāng)做比對試驗(yàn)的真值。實(shí)驗(yàn)如圖1所示。

2.3.2 系統(tǒng)誤差計(jì)算方法 根據(jù)系統(tǒng)誤差的定義：在重復(fù)性條件下，對同一被測量進(jìn)行無限次測量所得結(jié)果的平均值與被測量的真值之差[5]，濕度信號采集器的系統(tǒng)誤差e為：

其中：x是濕度信號采集器進(jìn)行n次重復(fù)測量的算術(shù)平均，T為真值。

1.3.3 確定合理的重復(fù)測量次數(shù) 重復(fù)測量次數(shù)決定了測量是否能反映被測設(shè)備的真實(shí)狀態(tài)。重復(fù)測量次數(shù)越多，測量結(jié)果的平均值 越能逼近期望值，期望值是最能反映采集器固有特性的數(shù)值。但過多的測量次數(shù)也是不科學(xué)的，統(tǒng)計(jì)學(xué)使用計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差來表征被測量的分散程度，標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，這些測量結(jié)果偏離平均值的程度就越小。標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式如下[3]：

其中：xi是第i次測量結(jié)果;

x是n次測量的平均值。

當(dāng)測量次數(shù)n增加，如果標(biāo)準(zhǔn)偏差趨于穩(wěn)定，說明此時(shí)的n值能夠反映傳采集器的固有狀態(tài)，可以確定為計(jì)算修正值實(shí)驗(yàn)次數(shù)[4]。

1.3.4 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差試驗(yàn) 以30%RH和95%RH濕度檢定點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)為例，分析8次測量（采集器每30秒刷新一次顯示界面的過程，視為一次測量）下標(biāo)準(zhǔn)偏差的趨勢，如表1所示。

表1? 30%RH和95%RH下不同測量次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差趨勢

單位%RH

兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，恒壓源的輸出對于濕度采集器來講是極穩(wěn)定的，設(shè)定好恒壓源輸出電壓值，采集器就有穩(wěn)定不變的示指。所以在下一步試驗(yàn)中，每一組實(shí)驗(yàn)的重復(fù)次數(shù)選定為2次。

2.3.5 測量采集器誤差的實(shí)驗(yàn)及分析 根據(jù)檢定規(guī)程推斷，檢定時(shí)傳感器輸出的直流電壓信號范圍必定在0.2v～1v之間。所以需要測量采集器誤差的范圍是20%RH～100%RH中的所有點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)測量2次，測量結(jié)果是2次示值的平均值。誤差如表2所示。

表2中采集器測量為結(jié)果58%RH、74%RH、90%RH分別對應(yīng)著兩組真值，這種情況說明采集器對0.59V到0.6V的電壓差，0.76V到0.77V的電壓差，0.93V到0.94V的電壓差沒有分辨力。

當(dāng)濕度信號采集器的測量結(jié)果是58%RH時(shí)，說明傳感器的真實(shí)值可能是59%RH或60%RH，所以只能取二者的平均數(shù)59.5%RH作為采集器的測量結(jié)果為58%RH時(shí)的對應(yīng)濕度真值，同理74%RH對應(yīng)的濕度真值為76.5%RH，90%RH對應(yīng)的濕度真值為93.5%RH。所以，測量結(jié)果58%RH的誤差為-1.5%RH，測量結(jié)果74%RH的誤差為-2.5%RH，測量結(jié)果90%RH的誤差為-3.5%RH。在表3的最后一行中，采集器測量結(jié)果為96%RH 時(shí)，萬用表的示值已經(jīng)達(dá)到100%RH，所以，采集器97%RH、98%RH、99%RH的示值已經(jīng)沒有意義，因?yàn)槿f用表的示值是101mV、102 mV、103 mV，這組真值已經(jīng)超過了實(shí)際相對濕度的物理意義。

2 多通道濕度信號采集器的誤差修正

修正值是指用代數(shù)方法與未修正測量結(jié)果相加，以補(bǔ)償其系統(tǒng)誤差的值，修正值等于誤差的相反數(shù)，根據(jù)表3中采集器的示指誤差，采集器的示值修正值如表3：

3 多通道采集器示值修正值的業(yè)務(wù)化

引入修正值后，多通道采集器的誤差表示為：

誤差=（采集器示值+示值修正）-標(biāo)準(zhǔn)器讀數(shù)

為了徹底消除人為計(jì)算錯(cuò)誤并提升計(jì)算速度，利用Matlab的GUI（圖形用戶界面）功能制作了濕度傳感器誤差計(jì)算器，如圖2所示。它以檢定規(guī)程和采集器修正值為核心算法，通過matlab語言編譯算法，以C語言生成可執(zhí)行文件[5]。當(dāng)傳感器的誤差超過檢定規(guī)程的要求時(shí)，誤差的數(shù)字和結(jié)論標(biāo)紅處理，如圖3所示。

4 結(jié)語

多通道采集器檢定效率高，但是通過比對試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其存在較大系統(tǒng)誤差。試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)這些誤差的平均偏差為0，說明在恒定的條件下，采集器的誤差是不變的。所以取誤差的相反數(shù)作為修正值，將多通道采集器的讀數(shù)與修正值相加，抵消誤差。根據(jù)這個(gè)基本原理，設(shè)計(jì)了濕度傳感器誤差計(jì)算器軟件，只需把標(biāo)準(zhǔn)器讀數(shù)和多通道采集器讀數(shù)輸入進(jìn)軟件就可以得到修正后的采集器讀數(shù)和傳感器誤差，并得出檢定結(jié)論。使用誤差計(jì)算軟件可以消除人為計(jì)算誤差，這兩種方法結(jié)合大大提高了濕度傳感器檢定業(yè)務(wù)的質(zhì)量，保證了自動(dòng)站安裝的每一只濕度傳感器都得到準(zhǔn)確可靠的量值溯源。

參考文獻(xiàn)

[1]韓廣魯，孫嫣，邊文超，等.CAWS600型自動(dòng)氣象站采集器通道誤差修正[J].氣象科技，2012，40（05）：755-758.

[2]JJG（氣象）003-2011，自動(dòng)氣象站濕度傳感器檢定規(guī)程[S].

[3]吳麗娜，韓玉婷，汪鑫.濕度傳感器檢定方法探討[J].氣象水文海洋儀器，2017，34（03）：10-12.

[4]李慎安.修正值和修正因子的不確定度[J].中國計(jì)量， 2010（07）：94-95.

[5]李婭麗，忻尚芝，鄭春雷.基于Matlab/GUI的數(shù)據(jù)分析界面設(shè)計(jì)[J].電子科技，2016，29（04）：88-91.