DHC2湿度传感器检定结果的不确定度分析.pdf

1、第期气 象 水 文 海 洋 仪 器N o 年月M e t e o r o l o g i c a l,H y d r o l o g i c a l a n dM a r i n e I n s t r u m e n t sS e p 收稿日期:作者简介:何涛(),男,大学,工程师.主要从事气象仪器检定和装备保障工作.DHC 湿度传感器检定结果的不确定度分析何涛,王彦朝(承德市气象局,承德 ;沧州市气象局,沧州 )摘要:为了提高湿度传感器采集数据的准确性,文章对D H C 湿度传感器检定结果的不确定度进行了分析,参照J J G(气象)自动气象站湿度传感器 和J J F 测量不确定度评定与表示

2、,计算并分析检定过程中测得的数值,进行A类和B类不确定度的分析评定,最后计算出合成不确定度和扩展不确定度.所得结果为湿度传感器检定结果的不确定度评定提供参考.关键词:湿度传感器;检定结果;不确定度;均匀分布;正态分布中图分类号:T B 文献标识码:A文章编号:X()U n c e r t a i n t ya n a l y s i s f o rv e r i f i c a t i o nr e s u l t so fD H C h u m i d i t ys e n s o rH eT a o,W a n gY a n z h a o(C h e n g d eM e t e o r

3、 o l o g i c a lB u r e a u,C h e n g d e ;C a n g z h o uM e t e o r o l o g i c a lB u r e a u,C a n g z h o u )A b s t r a c t:I no r d e r t o i m p r o v e t h e a c c u r a c yo f t h e d a t a c o l l e c t e db y t h e h u m i d i t y s e n s o r,t h i s p a p e r a n a l y z e s t h eu n c

4、e r t a i n t yo f t h e v e r i f i c a t i o n r e s u l t s o f t h eD H C h u m i d i t y s e n s o r A c c o r d i n g t o t h e J J G(M e t e o r o l o g y)H u m i d i t yS e n s o ro f A u t o m a t i c M e t e o r o l o g i c a lS t a t i o na n dJ J F E v a l u a t i o na n dE x p r e s s i

5、 o no fU n c e r t a i n t yi nM e a s u r e m e n t,t h ev a l u e sm e a s u r e dd u r i n g t h ev e r i f i c a t i o np r o c e s s a r e c a l c u l a t e da n da n a l y z e d,a n d t h e a n a l y s i s a n de v a l u a t i o no f c l a s sAa n dc l a s sBu n c e r t a i n t i e sa r ec a r

6、 r i e do u t F i n a l l y,t h ec o m b i n e du n c e r t a i n t ya n de x t e n d e du n c e r t a i n t ya r ec a l c u l a t e d T h er e s u l t sp r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h eu n c e r t a i n t ye v a l u a t i o no f t h ev e r i f i c a t i o nr e s u l t so f h u m i d i t ys

7、e n s o r s K e yw o r d s:h u m i d i t ys e n s o r;v e r i f i c a t i o nr e s u l t s;u n c e r t a i n t y;u n i f o r md i s t r i b u t i o n;n o r m a l d i s t r i b u t i o n引言湿度是表示大气干燥程度的物理量,与人类呼吸、企业生产、大气污染等密切相关.空气湿度数据是天气预报和气候预测的重要指标,随着气象观测自动化的实现,湿度数据的真实性尤为重要.目前国内常用的湿度传感器型号有HM P D,HM P A

8、,D H C 和D H C.为确保采集数据的准确性,需要定期对传感器进行计量检定.不确定度表征测量结果的可信赖程度,是计量检定工作的重要内容.文章选取D Z Z 新型自动气象站使用的DHC 湿度传感器为分析对象,建立数学模型、分析不确定度来源,并对测量结果进行不确定度评定分析,为湿度传感器检定结果的不确定度评定提供参考.DHC 型湿度传感器简介D H C 型湿度传感器属于电容式湿度传感器,以有机高分子膜做介质的湿敏电容为感湿原件.传感器放置在空气中,空气中的水汽透过上电极进入介质层,介质层吸收水汽后,介电常数发生变化,导致电容器电容量发生变化,电容量的变化与相对湿度的变化成正比.传感器的转换电

9、路将湿敏电容的变化转换为电压的变化,相对湿度(R H气 象 水 文 海 洋 仪 器S e p R H)与输出电压(V)一一对应.测量方法和数学模型湿度计量标准装置由湿度检定箱、精密露点仪和多通道湿度传感器数据采集器组成(表).选取支分度值为 R H的D H C 型湿度传感器作为被测对象,与精密露点仪共同放置在湿度检定箱中,调节至 R H,R H和 R H湿度点,待示值稳定后,采用比较法进行测量,分别读取露点仪和被检湿度传感器的示值并进行不确定度的分析 .表计量标准和配套设备单位:R H设备名称测量范围技术指标湿度检定箱 均匀度:波动性:精密露点仪 相对湿度最大允许误差:多通道湿度传感器数据采集

10、器 最大允许误差:标准不确定度分类及合成 测量不确定度来源分析不确定度来源包括个方面:)重复测量引入的不确定度;)被测湿度传感器读数分辨力(估读)引入的不确定度;)湿度检定箱不均匀引入的不确定度;)湿度检定箱波动引入的不确定度;)精密露点仪引入的不确定度;)多通道湿度传感器数据采集器引入的不确定度(表).表不确定度来源不确定度来源类别分布包含因子重复测量引入的不确定度uA湿度传感器读数分辨力(估读)引入的不确定度u B均匀分布k 湿度检定箱不均匀引入的不确定度u B均匀分布k 湿度检定箱波动引入的不确定度u B反正弦分布k 精密露点仪引入的不确定度u B均匀分布k 多通道湿度传感器数据采集器引

11、入的不确定度u B均匀分布k 相对湿度检定结果的不确定度评定模型:HHHa()式中,H为被检湿度传感器相对湿度示值误差;H为被检湿传感器相对湿度示值;Ha为精密露点仪实际相对湿度示值.灵敏系数:测量函数f对输入量Xi的偏导数f/Xi在Xixi处的值称为灵敏系数,一般用ci表示.cifXiXixi()对式()中各分量求偏导:c H/Hc H/Ha A类标准不确定度评定A类不确定度主要是由测量重复性引入的标准不确定度u.对于被测量x,在同一条件下进行n次独立重复性测试,测量值为xi(i,n)的算术平均值为:xnixin()根据贝塞尔公式,单个检定点测得值实验标准偏差为:s(x)ni(xix)n()

12、在此次测量过程中,该检测点A类评定的标准不确定度为:us(x)n()式()()中,xi为单个湿度检定点测量值;n为单个检定点的读数频次;x为单个检定点n次读数平均值;s(x)为单次测量的实验标准偏差.时 对 被 检 湿 度 传 感 器 在 R H,R H,R H个校准点重复测量 次,通过计算得出各校准点的标准不确定度u如表所示.表各校准点的标准不确定度 单位:R H检定点 u B类标准不确定度评定 由示值分辨力引入的标准不确定度u 被检湿度传感器分辨力为 R H,则不确定度区间半宽 R H,服从均匀分布,包含因子k,其标准不确定度u /R H.由湿度检定箱不均匀性引入的标准不确定度u 由湿度检

13、定箱的技术指标可知,湿度检定箱不均匀性不大于 R H,服从均匀分布,包含因子k,其标准不确定度u /R H.由湿度检定箱波动性引入的标准不确定度u 湿度检定箱在读数过程中湿度波动变化不超第期何涛,等:DHC 湿度传感器检定结果的不确定度分析过 RH,服从反正弦分布,包含因子k,其标准不确定度u /RH.精密露点仪引入的标准不确定度u 湿度检定标准器为精密露点仪,由其校准证书可知,相对湿度最大允许误差为 R H,区间半宽度为 R H,服从均匀分布,包含因子k,其标准不确定度u /R H.多通道湿度传感器数据采集器引入的标准不确定度u 由多通道湿度传感器数据采集器技术指标可知,数据采集器引起的最大

14、允许误差为 R H,区间半宽度为 R H,服从均匀分布,包含因子k,其标准不确定度u /R H.因为u,u,u,u,u 互不相关,所以计算可得各校准点的标准不确定度分量u(表).uu u u u u()表 各校准点标准不确定度分量 单位:R H检定点 u 合成标准不确定度和扩展不确定度u与u彼此独立,互不相关,按公式()合成标准不确定度uc:ucniuuu()式中,u为各类不确定度分量;n为各类不确定度的数量.各校准点的合成不确定度如表所示.表 各校准点的合成不确定度单位:R H检定点 uc 合成标准不确定度uc与包含因子k的乘积即为扩展不确定度U,即Uk uc.取置信因子p 服从正态分布时,

15、包含因子k,则各检定点扩展不确定度如表所示.表各检定点扩展不确定度单位:R H检定点 U 取个数值中的最大值作为该湿度传感器扩展不确定度,即U RH.结束语文章针对DHC 型湿度传感器检定结果的不确定 度 进 行 分 析,得 出 其 扩 展 不 确 定 度 为 RH.在DHC 型湿度传感器检定过程中,其测得值的不确定度由重复性测量、示值分辨力、湿度检定箱均匀性和波动性、精密露点仪、多通道湿度传感器数据采集器等影响量引起.文章使用的评定方法为DHC 型湿度传感器的不确定度评定提供了参考,对提高湿度检定结果的可靠性具有一定的应用价值.参考文献:施昌彦测量不确定度评定与表示指南M北京:中国计量出版社

16、,崔学林,梁宝龙,黄斌,等湿度传感器测量不确定度评定J电子测量与仪器学报,():吴非洋,胡春泉,郑亮湿度传感器示值修正值的不确定度分析与评定J气象水文海洋仪器,():邓卫勤湿度仪示值误差测量结果的不确定度评定J气象水文海洋仪器,():杨波 A类评定的几种方法在不确定度评定中的对比分析J计量与测试技术,():朱乐坤,郑丽春自动气象站各要素传感器检定结果的不确定度分析J应用气象学报,():刘宇,张佳佳,刘文忠,等铂电阻地温传感器检定不确定度评定J气象科技,():曾涛,龚熙,边泽强自动气象站风速传感器测量不确定度评定J电子测量技术,():晏敏,柳鸣,刘希林,等铂电阻温度传感器检定结果的不确定度评定J气象研究与应用,():,于建清,程绍华,贾伟广,等温湿度传感器相对湿度示值误差测量结果的不确定度评定J海洋技术,():陈平自动气象站温度观测数据不确定度分析方法研究J气象水文海洋仪器,():宋媛,吴丽娜湿度传感器测量结果的不确定度评定J气象水文海洋仪器,():汪玮,张世国,王敏,等降水现象仪测量结果的不确定度评定方法J气象水文海洋仪器,():杨卫洁,王欣,胡梅湿度表的示值误差不确定度分析与评定J气象水文海洋仪器,():