濕度傳感器能力驗(yàn)證活動(dòng)誤差來源分析

王傳博，賀勝

(天津市電子儀表實(shí)驗(yàn)所，天津 300210)

摘要：本文主要闡述了本實(shí)驗(yàn)室在參加由CNAS組織的濕度傳感器能力驗(yàn)證活動(dòng)中，當(dāng)最終結(jié)果報(bào)告中出現(xiàn)臨界值情況時(shí)，應(yīng)采取的措施：包括分析誤差的主要來源，制定相應(yīng)的糾正措施，并驗(yàn)證結(jié)果的過程。

關(guān)鍵詞：濕度傳感器；能力驗(yàn)證；誤差分析；改進(jìn)措施

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.02.18

中圖分類號：TB943

文章編號：1674-5795(2015)02-0070-02

收稿日期：2014-11-09；修回日期：2015-03-10

作者簡介：王傳博(1983-)，男，工程師，主要從事溫濕度計(jì)量以及校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室管理工作。

Analysis of Error Source of Humidity Sensors’Proficiency Testing

WANG Chuanbo，HE Sheng

(Tianjin Electronic & Instrumental Laboratory，Tianjin 300210，China)

Abstract：This paper describes what measures this laboratory should take after attending a verification activity of humidity sensors organized by CNAS and getting critical values in the final results report，including analyzing the main sources of errors，stipulating relevant correction measures，and verifying the results.

Key words：humidity sensor；proficiency testing；error analysis；improvement measure

0引言

能力驗(yàn)證活動(dòng)作為評價(jià)參與實(shí)驗(yàn)室技術(shù)和管理的重要手段，越來越為計(jì)量行業(yè)所重視。我國的各級計(jì)量管理機(jī)構(gòu)對能力驗(yàn)證的范圍、頻次等也都進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定[1-2]。能力驗(yàn)證活動(dòng)主要包括能力驗(yàn)證計(jì)劃、測量審核和實(shí)驗(yàn)室間比對三種形式。其中能力驗(yàn)證活動(dòng)因?yàn)閰⑴c實(shí)驗(yàn)室數(shù)量多、組織與安排縝密而更為實(shí)驗(yàn)室所認(rèn)可。能力驗(yàn)證的重要性、開展方式、組織和實(shí)施等問題在其他論文中都有涉及，本文就本實(shí)驗(yàn)室參加濕度傳感器能力驗(yàn)證活動(dòng)的實(shí)例進(jìn)行相關(guān)分析，著重討論在能力驗(yàn)證活動(dòng)中，當(dāng)最終結(jié)果報(bào)告中出現(xiàn)臨界值情況時(shí)，如何分析問題、解決問題。

1活動(dòng)背景

本實(shí)驗(yàn)室參加了CNAS組織的相對濕度傳感器校準(zhǔn)能力驗(yàn)證活動(dòng)。相關(guān)人員按照實(shí)施機(jī)構(gòu)的作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行了試驗(yàn)，提交了數(shù)據(jù)結(jié)果和相關(guān)資料。經(jīng)過一段時(shí)間我們收到了最終結(jié)果報(bào)告：在20℃條件下，10%RH，30%RH，50%RH，70%RH，90%RH這5個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化誤差En值分別為-0.8，0.2，0.4，0.8和1.0。雖然該報(bào)告顯示我實(shí)驗(yàn)室所提交的結(jié)果為滿意，但同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)在10%RH，70%RH，90%RH這三個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)上，用于判定結(jié)果的En值已接近或達(dá)到臨界值1，這三個(gè)數(shù)據(jù)應(yīng)為可疑數(shù)據(jù)。對此，我實(shí)驗(yàn)室高度重視，組成分析小組，對誤差的來源進(jìn)行分析。

2誤差來源分析

首先對照作業(yè)指導(dǎo)書和規(guī)程規(guī)范[3]對此次活動(dòng)重新進(jìn)行梳理。對原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的處理、不確定度的評定等環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，并進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。在排除了幾個(gè)可能造成誤差的因素之后，重點(diǎn)懷疑下述幾個(gè)因素：

2.1露點(diǎn)儀修正值的使用問題

露點(diǎn)儀是該次實(shí)驗(yàn)所使用的主要標(biāo)準(zhǔn)器，本實(shí)驗(yàn)室所用露點(diǎn)儀經(jīng)上級溯機(jī)構(gòu)溯源后，證書給出露點(diǎn)溫度的修正值為0.2℃(換算成相對濕度最大可達(dá)到1.2%RH)。日常使用時(shí)，我們直接讀取露點(diǎn)儀上顯示的經(jīng)換算后的相對濕度值作為標(biāo)準(zhǔn)值，將露點(diǎn)溫度修正值的最大允許誤差作為引入不確定度分量的一個(gè)來源。這樣做可以滿足日常工作要求，但同時(shí)也會(huì)使測量誤差和不確定度加大。露點(diǎn)儀的溫度傳感器也存在一定誤差，雖滿足使用的要求，但也會(huì)對結(jié)果產(chǎn)生影響。

利用原始記錄對代入修正值后的En進(jìn)行模擬計(jì)算，在10%RH，70%RH，90%RH這三個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)上，用于判定結(jié)果的En值分別為-0.8，0.4和0.7，較之前的數(shù)據(jù)有了一定的改善。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　修正前后的 E n值

2.2露點(diǎn)儀漂移產(chǎn)生的影響

本實(shí)驗(yàn)室開展能力驗(yàn)證試驗(yàn)的時(shí)間為2012年8月，在2012年3月露點(diǎn)儀的溯源證書中其最大露點(diǎn)示值誤差為-0.2℃，而在2013年3月的溯源中，證書體現(xiàn)其最大露點(diǎn)示值誤差為0.3℃，且其中3個(gè)溫度點(diǎn)示值誤差為0.3℃，該數(shù)值已超出精密露點(diǎn)儀指標(biāo)要求。故有可能在兩次溯源之間，即能力驗(yàn)證時(shí)數(shù)值已經(jīng)漂移，可能對能力驗(yàn)證結(jié)果造成了影響。

2.3露點(diǎn)探頭自熱產(chǎn)生的影響

最終結(jié)果報(bào)告[4]在技術(shù)建議中提出主標(biāo)準(zhǔn)器最好選用抽氣式的精密露點(diǎn)儀，以避免露點(diǎn)探頭在工作過程中產(chǎn)生熱量對濕度發(fā)生器測量室的溫度場產(chǎn)生影響。而我室使用的為投入式精密露點(diǎn)儀，需將整個(gè)探頭投入濕度發(fā)生器內(nèi)，其測量濕度的原理為通過露點(diǎn)探頭上的半導(dǎo)體冷阱將空氣中水分凝結(jié)成露，利用感光元件監(jiān)視結(jié)露情況。達(dá)到平衡點(diǎn)后，再通過測溫元件測量露點(diǎn)，配合鉑電阻傳感器測得的溫度，換算出相對濕度。一般情況下，校準(zhǔn)點(diǎn)的選擇應(yīng)接近環(huán)境溫，而本實(shí)驗(yàn)室收到濕度傳感器樣品的時(shí)間為8月21日，地理位置又處于沿海地帶，環(huán)境溫濕度較高，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境(開空調(diào)的情況下)調(diào)節(jié)為25℃，50%RH左右，而能力驗(yàn)證作業(yè)指導(dǎo)書要求測試溫度為20℃。在能力驗(yàn)證的測量要求下，將20℃樣氣中水分冷凝勢必需要更多的冷量，同時(shí)散發(fā)較大熱量。投入式露點(diǎn)儀可能導(dǎo)致冷鏡頭部局部溫度略高，影響了濕度發(fā)生器測量室的溫度場均衡，也在一定程度上影響了讀取數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

2.4環(huán)境對濕度發(fā)生器內(nèi)濕度場的影響

本實(shí)驗(yàn)室使用的濕度發(fā)生器的端蓋上有直徑φ7.5~25不同孔徑的測試孔若干。但此次能力驗(yàn)證活動(dòng)中所傳遞的濕度傳感器樣品，其前端部分并不十分規(guī)則，外徑略小于本實(shí)驗(yàn)室發(fā)生器與其尺寸接近的孔徑，因?yàn)橄嗖詈苄?，?dāng)時(shí)并未進(jìn)行進(jìn)一步的密封處理。同時(shí)，為了使傳感器盡可能的靠近露點(diǎn)儀，插入發(fā)生器的深度較淺，樣氣泄露后，濕度場發(fā)生變化，使得傳感器周圍部分的濕度與場內(nèi)濕度有些差別。在校準(zhǔn)低濕時(shí)，傳感器周圍濕度較高；校準(zhǔn)高濕時(shí)，傳感器周圍濕度較低。從數(shù)據(jù)上來看，10%RH校準(zhǔn)點(diǎn)En值為-0.8，根據(jù)En值計(jì)算公式說明本實(shí)驗(yàn)室提供的傳感器濕度修正值小于參考實(shí)驗(yàn)室修正值，倒推出被校傳感器的讀數(shù)可能偏大。同樣70%RH，90%RH校準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，En值分別為0.8和1.0，倒推出被校傳感器的讀數(shù)可能偏小。而在30%RH，50%RH校準(zhǔn)點(diǎn)上，由于和環(huán)境濕度接近，漏氣的干擾并不明顯。

3改進(jìn)措施

針對上述可能產(chǎn)生誤差的原因，本小組提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施：

對于高準(zhǔn)確度的濕度傳感器測量，采用代入修正值的做法，修改相應(yīng)的作業(yè)文件。在提高測量準(zhǔn)確度的同時(shí)，減小測量不確定度的結(jié)果表達(dá)。通過合理有效的手段，利用現(xiàn)有儀器設(shè)備，提高校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

加強(qiáng)對精密露點(diǎn)儀的日常監(jiān)測，關(guān)注其期間核查、質(zhì)控圖的數(shù)據(jù)。對于發(fā)生漂移等問題要盡早發(fā)現(xiàn)，及時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)整，避免校準(zhǔn)結(jié)果偏離。

在規(guī)程允許的范圍內(nèi)根據(jù)環(huán)境溫度的不同調(diào)整校準(zhǔn)點(diǎn)。盡可能保證校準(zhǔn)的溫濕度點(diǎn)接近實(shí)際環(huán)境條件，避免由于濕度發(fā)生器內(nèi)外環(huán)境差異過大帶來的影響。

使用密封塞等工具將傳感器探頭與測試腔端蓋密封好，減少漏氣所帶來的對測量結(jié)果的影響。

在今后的能力驗(yàn)證活動(dòng)中，積極研究測量結(jié)果的驗(yàn)證方法。使用合理有效的方法對校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以佐能力驗(yàn)證結(jié)果，降低離群的可能性。

4結(jié)束語

本文以一個(gè)實(shí)例介紹了能力驗(yàn)證中得到不良結(jié)果應(yīng)該如何分析解決問題。而最終的驗(yàn)證工作還需通過能力驗(yàn)證活動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)室隨后將該項(xiàng)目與其他實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測量審核，得到了滿意的結(jié)果。說明改進(jìn)措施取得了預(yù)期的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國合格評定國家認(rèn)可委員會(huì).CNAS-RL02：2010 能力驗(yàn)證規(guī)則[S].北京：CNAS，2010.

[2] 中國合格評定國家認(rèn)可委員會(huì).CNAS-AL07：2011能力驗(yàn)證領(lǐng)域和頻次表[S].北京：CNAS，2011.

[3] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF 1076-2001濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)量出版社，2001.

[4] 中國合格評定國家認(rèn)可委員會(huì).CNAS M0054相對濕度傳感器校準(zhǔn)能力驗(yàn)證計(jì)劃最終結(jié)果報(bào)告[R].北京：CNAS，2013.