湿度传感器示值误差测量结果不确定度的评定

lshvictor

湿度传感器示值误差测量结果不确定度的评定

: A% G4 f1 B& c; C& @  m[ 本帖最后由 zyxwq 于 2007-8-8 11:02 编辑 ]

mad513

请问路面湿度能够用此类传感器测出吗？

yanf

湿度传感器示值误差测量结果不确定度的评定
4 B7 M/ X7 G2 d朱岳辉
; j  j1 D1 }3 d- H7 C（南京市计量测试所）


【摘要】本文作者介绍了湿度传感器的测量原理，对露点温度和相对湿度进行了换算，并对测量结果进行了不确定度评定。
3 y: A# i1 F8 y% F' I+ W【关键词】示值误差  不确定度  评定

1　测量原理
湿度传感器是由湿敏电容、湿敏电阻或湿敏谐振器等湿敏元件及其变换电路组成得，能直接显示相对湿度的湿度计，或者能输出电压、电流频率等数字量可测信号得传感器，其输出信号是被测环境中相对湿度（或绝对湿度）得单值线性函数。
湿度传感器检定装置满足各种输出电压、电流的温湿度传感器，配置SAW技术的芬兰VAISALA公司生产的标准精密露点仪和湿度发生器。通过电脑的自动动态检测，从而自动采集被检测相对湿度、温度传感器的测量数据，同时将测得的数据与标准仪器采集的数据进行比较处理，从而算出被检湿度或温度传感器的偏差值或示值误差。
6 s) Z9 B6 i4 x( x$ n( v# X9 B0 B: E
; a# F; Z& l% `5 s3 ~. c+ D2　依据文件：JJF1076－2001《湿度传感器校准规范》、JJF1059-1999《测量不确定度评定与表示》。
( [5 [7 E* v7 \9 T! l* B
+ x- `  g) w. u: O5 M2 i4 X3　测量方法
将被校准的湿度传感器放入标准湿度发生器的测试室内，将被校准湿度传感器的的信号线和电源线连接到检定装置。
. h* v9 [7 A0 @( u, u# h- o校准时，设定湿度发生器的湿度值，当温度平衡后，设定湿度发生器的湿度值，一般由低湿（10％RH）到高湿（90％RH），每间隔10％RH做一个校准点。
每个校准点的温湿度达到设定值后稳定10min，然后每隔2min左右记录精密露点仪的相对湿度值和湿度传感器的测量值，以湿度传感器测量值减去精密露点仪显示值，得出被检传感器的示值误差，每个点测量3次，取平均值作为被检传感器该点的示值误差。然后做下一个校准点，至所有的校准点测试完毕。

4　数学模型
ΔY=Y示－Y标
$ `9 g0 B; i& `! K式中：ΔY——湿度传感器在每个校准点下的示值误差；
Y标——精密露点仪显示的相对湿度值；
Y示——被检湿度传感器的显示值。

+ i0 q9 B/ g9 J+ r$ J+ r5　测量装置的不确定度分析
1 C. }0 j5 {" U4 ^# b4 W" z- o5.1　被检湿度传感器标准不确定度分量u(Y示1)
* H' E# p* Q2 S% z# N5.1.1　被检传感器得量化误差
由于仪器分辨力为0.1％RH，均匀分布
$ `' ?! f3 c/ c! o0 W) D, k* W# au(Y示2) ％RH
( c' X* R3 \. e* K: M/ D  b5.1.2　由示值重复性误差引起的标准不确定度分量
9 ]7 M1 N+ U; q* r1 B相同条件下，重复测量10次，结果如下：
次数        1        2        3        4        5        6        7        8        9        10                S
, }- s% Y7 o/ z: L; \5 C%RH        0.40        0.40        0.30        0.30        0.20        0.10        0.10        0.10        0.10        0.10        0.21        0.13
实际测量3次，得
示值重复性误差，包含了被检仪器的量化误差、标准仪器的量化误差、被检仪器和标准仪器的示值稳定性，因此，如果示值重复性误差引起的不确定度分量比其它误差引起的分量大时，其它误差引起的不确定度分量可不计。
5.2　标准精密露点仪的不确定度分量u(Y标)
5.2.1　分辨力不确定度分量u(Y标1)
6 J: E* R3 d" H) F+ V+ N仪器分辨力为0.01％RH，均匀分布
$ p3 o# C1 y9 j' _7 g+ Mu(Y标1) ％RH
: m  y% G2 i% \- R) S1 A数据很小可忽略不计
5.2.2　标准露点仪的不确定度分量
0 ~) Q) A. j: e. F! V5 Q$ K经国家标物中心检定，标准露点仪露点温度在±20℃范围内，误差不超过±0.1℃，露点温度超过±20℃时，误差不超过±0.2℃。由GB11605－89得出露点和相对湿度换算表：
露点℃        相对湿度
(﹪RH)        湿度差
- d1 G7 M6 z7 R" W& ~2 I(﹪RH)        露点差0.1℃时的湿度差
(﹪RH)        露点误差0.2℃时的湿度差(﹪RH)
' Q$ G) T+ y6 a- Y, o7 T2 k  ^0        26.14                       
( x" I' O- }8 A% R! k. m0 z' X: }1        28.1        1.96        0.196        0.392
2        30.19        2.09        0.209        0.418
4 G! g" b$ Q5 L, w5 U6 o& d+ ~3        32.41        2.22        0.222        0.444
4        34.79        2.38        0.238        0.476
4 Y8 K  }8 P% h5        37.31        2.52        0.252        0.504
1 [2 \- A: L% N0 ?/ L6        39.99        2.68        0.268        0.536
7        42.84        2.85        0.285        0.57
8        45.87        3.03        0.303        0.606
9        49.09        3.22        0.322        0.644
6 ?8 M+ X: S4 m$ G6 H9 y  q4 D10        52.51        3.42        0.342        0.684
11        56.13        3.62        0.362        0.724
  Z& C! q* E& G! O12        59.97        3.84        0.384        0.768
13        64.05        4.08        0.408        0.816
. J4 e5 E0 y- `; y6 `! o1 K$ O+ C14        68.36        4.31        0.431        0.862
15        72.92        4.56        0.456        0.912
- _6 r8 V- ^3 c% l9 e16        77.75        4.83        0.483        0.966
/ P+ h% U; J# D. Q; W& r17        82.86        5.11        0.511        1.022
& e9 S( x& j9 k( ^18        88.26        5.4        0.54        1.08
19        93.97        5.71        0.571        1.142
20        100        6.03        0.603        1.206
查相对湿度计算表，在Td≤16℃时，ΔTd=±0.1℃时，对应相对湿度允许误差小于0.5％；在16℃[td]16℃时，对应相对湿度允许误差小于1％，取1％。
8 N$ x5 V! a2 D$ x& y! t如果不按检定值使用，而按允许极限误差使用，即标准露点仪露点温度允许极限误差±0.2℃，在Td＞4℃时，ΔTd=0.2℃时，对应相对湿度允许误差大于0.5％RH，实际计算不确定度时查表得到实际允许误差，在此只计算在Td≤4℃时（-40℃～4℃），ΔTd=0.2℃时，对应相对湿度允许误差，按0.5％RH计算，在±0.5％范围内均匀分布，标准不确定度分量u(Y标2)：
' R* [! R  {. H+ p: v- @7 i- Yu(Y标2)＝ ＝0.29%RH
如果Td＞4℃时，如查得允许极限误差为1％，则：
1 H: w* o* Z' ]& g  A7 uu(Y标2)＝ ＝0.58%RH
5.2.3　湿度发生器的标准不确定度分量u(Y标3)
8 H# k7 U" o4 y  S  Z湿度发生器均匀性经检测不超过0.5％RH，均匀分布，湿度发生器均匀性的不确定度为：
u(Y标3)＝ ＝0.29%RH
6　不确定度分量一览表
6 K; F* r# A+ ]6 Z0 A! z6 n不确定度来源        分布        灵敏系数        ui
示值重复性误差        正态        1        0.07％
标准仪器量化误差        均匀        －1        0.003％
1 y, n) @* o5 i5 d- H: I! K5 P标准仪器湿度均匀性        均匀        －1        0.29％
3 z' G) J% c- C2 a1 o9 E标准仪器允许极限误差        均匀        －1        0.29％
0 J6 B" ]+ P3 i被检仪器量化误差        均匀        1        0.03％
7　合成标准不确定度
2 _4 q+ d( M7 L( I) R5 `2 I' _' w以上各量互不相关，故合成标准不确定度分别为：
9 c. _0 a: I1 t! v(1) 精密露点仪露点温度允许极限误差按±0.2℃计算：
+ B. X: V9 u" P当Td≤4℃时，精密露点仪相对湿度允许极限误差为0.5％得：
uc＝ ＝0.44%RH
当16℃≥Td＞4℃时，查得精密露点仪相对湿度允许极限误差为1％，则：
当20℃≥Td>16℃时，标准露点仪的相对湿度允许极限误差按1.2％计算得：
uc＝0.77%RH
6 m% K" z. _" K4 d1 q: q6 P(2) 精密露点仪露点温度按检定证书实际值使用，精密露点仪示值误差测量结果不确定度U=0.08℃，k=2，计算时按U=0.1℃，k=2计算。
9 n( p0 W: L8 s, R  w7 ?1 c! I% {当Td≤16℃时：
uc＝ ＝0.44%RH
当Td＞16℃时：
uc=0.66%RH
- x% d: \  j2 C" Q1 X- \
$ F  V8 g8 r" T% J8　扩展不确定度
3 A! E1 E8 u( U- I( ^9 U7 a# _（1）精密露点仪露点温度允许极限误差按±0.2℃计算：
0 |% x3 }5 [0 S9 C取k=2，扩展不确定度分别为：
/ x5 r' E/ E8 ?- f当Td≤4℃时:
U＝k ＝0.84％RH≈0.9％RH
当16℃≥Td＞4℃时:
; R- M# z  O; ~* |+ OU=k uc=0.66×2=1.32≈1.4%RH
2 z5 p) M3 x' ?! p2 H* U当20℃≥Td＞16℃时：
U=1.6%RH
7 d5 p$ I) T& F( ^$ W; G（2）精密露点仪露点温度按检定证书实际值使用，精密露点仪示值误差测量结果不确定度U=0.08℃，k=2，计算时按U=0.1℃，k=2计算。
$ N! [1 e- Z& g$ S% k取k=2，扩展不确定度分别为：
4 y7 b$ J& n) `当Td≤16℃时:
U＝k ＝0.84％RH≈0.9％RH
当Td＞16℃时:
U=k uc=0.66×2=1.32≈1.4%RH
9 z' O% ?! }9 Y) Y! A: H
9　不确定度表示
& I  X# i3 E0 j& w; ~& F, Q（1）精密露点仪露点温度允许极限误差按±0.2℃计算：
当Td≤4℃时:
; L! ^- Q. {# F1 e0 F/ pU＝0.9％RH   k=2
2 z/ ~* Y+ d  A- i0 O8 W. g6 s0 e9 [当16℃≥Td＞4℃时：
U=1.4%RH   k=2
当20℃≥Td＞16℃时：
( R2 n4 z* ~- y1 n: rU=1.6%RH   k=2
  d% c8 S* d7 u（2）精密露点仪露点温度按检定证书实际值使用，精密露点仪示值误差测量结果不确定度U=0.08℃，k=2，计算时按U=0.1℃，k=2计算。
当Td≤16℃时：
U＝0.9％RH  k=2
7 W: y9 S$ E# G5 I当Td＞16℃时:
' k: \* C4 C1 `$ QU=1.4%RH  k=2