蘇繼琨，秦平，張濤，李明君，辛阿阿，林雪麗，高昆

(國(guó)家海洋局北海標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心 青島 266033)

使用干體爐對(duì)HMP155型溫濕度傳感器溫度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)存在問題的解決方法研究

蘇繼琨，秦平，張濤，李明君，辛阿阿，林雪麗，高昆

(國(guó)家海洋局北海標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心 青島 266033)

文章結(jié)合海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站和海洋資料浮標(biāo)的海洋環(huán)境自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作，使用功能先進(jìn)且便于攜帶的干體爐計(jì)量設(shè)備，針對(duì)HMP155型溫濕度傳感器的溫度項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)結(jié)果存在較大差異，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)形式，研究總結(jié)存在問題的解決方法，并在實(shí)際工作中得到驗(yàn)證。

干體爐;溫濕度傳感器;現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn);海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)

HMP155型溫濕度傳感器是芬蘭維薩拉公司生產(chǎn)的具有較高穩(wěn)定性并適用于惡劣環(huán)境的溫濕度傳感器，溫度測(cè)量范圍為－80℃ ～60℃［1］，目前作為溫濕度觀測(cè)設(shè)備被普遍使用在臺(tái)站海洋環(huán)境自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)中。隨著溫濕度傳感器的更新?lián)Q代以及計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的升級(jí)更換，之前的實(shí)驗(yàn)方法已經(jīng)不適合現(xiàn)在的實(shí)際工作，如《國(guó)家海洋計(jì)量站青島分站作業(yè)文件》［2］中的《溫濕度傳感器現(xiàn)場(chǎng)檢定作業(yè)指導(dǎo)書》［2］所針對(duì)的溫濕度傳感器為YZY5型，使用的標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備為鉑電阻溫度計(jì)和制冷恒溫槽;目前海洋臺(tái)站溫濕度傳感器普遍更新為HMP155型、部分為HMP45A型，在實(shí)際工作中考慮制冷恒溫槽不便攜帶，也使用相對(duì)輕便且精度較高的恒溫干體爐作為標(biāo)準(zhǔn)配套設(shè)備。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，使用恒溫干體爐在校準(zhǔn)HMP45A型溫濕度傳感器時(shí)，測(cè)量結(jié)果與使用制冷恒溫槽較一致;而在校準(zhǔn)HMP155型溫濕度傳感器時(shí)，測(cè)量結(jié)果與使用制冷恒溫槽存在較大誤差。這就需要在原有作業(yè)指導(dǎo)書的基礎(chǔ)上研究使用恒溫干體爐對(duì)HMP155型溫濕度傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的方法。

研究使用便攜式恒溫干體爐測(cè)量HMP155型溫濕度傳感器溫度項(xiàng)目時(shí)產(chǎn)生誤差的因素以及消除誤差的方法，是本項(xiàng)目擬解決的關(guān)鍵問題之一。

1 實(shí)驗(yàn)操作

目前北海標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心對(duì)HMP155型溫濕度傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)器是自校式鉑電阻溫度計(jì)，測(cè)量范圍在－60℃ ～100℃，最大允許誤差±0.10℃［3］;主要配套設(shè)備是阿美特克(AMETEK)RTC－157B型干體爐，測(cè)量范圍在－45℃～155℃，波動(dòng)度為每15 min內(nèi)不超過0.005℃［4］。校準(zhǔn)過程中，把標(biāo)準(zhǔn)器和被檢傳感器同時(shí)插入干體爐感溫槽內(nèi)的感溫套筒中(圖1)。

圖1 干體爐實(shí)驗(yàn)

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果及問題

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

2016年4月19日和6月6日，分別對(duì)2批HMP155型溫濕度傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)和模擬現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)2種實(shí)驗(yàn)方案的比對(duì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)使用的標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)和制冷恒溫槽，把標(biāo)準(zhǔn)器和經(jīng)過防水處理的被檢傳感器同時(shí)放入制冷恒溫槽充滿酒精或水的槽體內(nèi)［5］，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(環(huán)境條件:20.0℃～22.0℃，51%～59%RH) ℃

表2 模擬現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(環(huán)境條件:20.0℃～25.0℃，60%～70%RH) ℃

2.2 誤差問題

由表1和表2可見，實(shí)驗(yàn)室按標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)結(jié)果得出被測(cè)設(shè)備符合準(zhǔn)確度要求。模擬現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，當(dāng)在低溫校準(zhǔn)時(shí)存在較大誤差。

分析存在較大誤差的可能原因主要包括:傳感器感溫穩(wěn)定時(shí)間不充分、外界溫度對(duì)感溫槽造成影響、由于套筒原因造成標(biāo)準(zhǔn)器與被測(cè)設(shè)備感溫溫度不一致等。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 傳感器感溫穩(wěn)定時(shí)間實(shí)驗(yàn)

記錄傳感器感溫時(shí)間。以編號(hào)為M0320334的傳感器、設(shè)置0℃溫度點(diǎn)為例，降溫初期傳感器每變化0.1℃用時(shí)3 s，接近穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)每變化0.1℃用時(shí)56 s。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)溫度在1.0℃ ～0.0℃時(shí)，傳感器溫度變化如表3所示。

表3 傳感器溫度變化用時(shí)(標(biāo)準(zhǔn)溫度1.0℃～0.0℃)

設(shè)置－10℃溫度點(diǎn)時(shí)，降溫初期傳感器每變化0.1℃用時(shí)4 s，接近穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)每變化0.1℃用時(shí)60 s。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)溫度在－9.0℃ ～－10.0℃時(shí)，傳感器溫度變化如表4所示。

表4 傳感器溫度變化用時(shí)(標(biāo)準(zhǔn)溫度－9.0℃～－10.0℃)

設(shè)置－20℃溫度點(diǎn)時(shí)，降溫初期傳感器每變化0.1℃用時(shí)10 s，接近穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)每變化0.1℃用時(shí)100 s。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)溫度在－19.0℃ ～－20.0℃時(shí)，傳感器溫度變化如表5所示。

表5 傳感器溫度變化用時(shí)(標(biāo)準(zhǔn)溫度－19.0℃～－20.0℃)

續(xù)表

設(shè)置－30℃溫度點(diǎn)時(shí)，降溫初期傳感器每變化0.1℃用時(shí)10 s，接近穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)每變化0.1℃用時(shí)100 s。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)溫度在－29.0℃ ～－30.0℃時(shí)，傳感器溫度變化如表6所示。

表6 傳感器溫度變化用時(shí)(標(biāo)準(zhǔn)溫度－29.0℃～－30.0℃)

通過得到的感溫變化時(shí)間數(shù)據(jù)分析來看，傳感器存在示值誤差的原因與感溫時(shí)間的長(zhǎng)短沒有直接聯(lián)系。

3.2 外界溫度影響實(shí)驗(yàn)

在模擬現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度。由于在低溫溫度點(diǎn)存在示值誤差較大現(xiàn)象，假設(shè)環(huán)境溫度較高會(huì)影響被測(cè)傳感器感溫。以編號(hào)為M0320334的傳感器、設(shè)置環(huán)境溫度為(30±2)℃和(20±2)℃2種環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)結(jié)果如表7所示。

表7 外界溫度影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過外界溫度影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析來看，傳感器存在示值誤差的原因與外界溫度影響沒有直接聯(lián)系。只是在高溫環(huán)境中感溫穩(wěn)定時(shí)間會(huì)隨著設(shè)置溫度點(diǎn)降低而延長(zhǎng)。

3.3 套筒原因造成標(biāo)準(zhǔn)器與被測(cè)設(shè)備感溫溫度不一致實(shí)驗(yàn)

由于被測(cè)傳感器探頭與標(biāo)準(zhǔn)器感溫探頭在實(shí)驗(yàn)中分別插入干體爐套筒的2個(gè)內(nèi)孔中且孔內(nèi)緊密貼合，假設(shè)由于套筒內(nèi)孔尺寸與傳感器探頭尺寸不一致，導(dǎo)致測(cè)傳感器探頭不能充分感溫，在低溫溫度點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)量的溫度值存在較大偏差。

本實(shí)驗(yàn)方法是把套筒從干體爐中取出，利用鋁箔紙良好的導(dǎo)熱性，使用鋁箔紙把被測(cè)傳感器探頭與標(biāo)準(zhǔn)器感溫探頭緊密地纏繞包裹在一起，放入干體爐中，從而使傳感器與標(biāo)準(zhǔn)器處在相同的感溫環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 改進(jìn)后模擬現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(環(huán)境條件:20.0℃～22.0℃，51%～59%RH) ℃

續(xù)表

從表8可以看出，由于使用的標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備不同，改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)與表1中實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)基本一致，且設(shè)備符合準(zhǔn)確度要求。

4 HMP155型溫濕度傳感器溫度現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

結(jié)合國(guó)家海洋局北海標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心臺(tái)站海洋環(huán)境自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作，針對(duì)目前北海區(qū)海洋觀測(cè)站海洋環(huán)境自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)普遍使用的HMP155型溫濕度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證利用本實(shí)驗(yàn)方法解決使用干體爐設(shè)備校準(zhǔn)存在誤差較大問題的可靠性(圖2)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)的4個(gè)傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表9所示。

表9 HMP155型溫濕度傳感器溫度現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(環(huán)境條件:27.0℃～30.0℃，46%～49%RH) ℃

5 結(jié)論

通過利用本校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法解決使用干體爐設(shè)備校準(zhǔn)HMP155型溫濕度傳感器溫度現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)存在誤差較大問題的結(jié)果數(shù)據(jù)來看，本校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法能夠復(fù)現(xiàn)被測(cè)傳感器在實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)結(jié)果，證明本實(shí)驗(yàn)方法可以用于干體爐設(shè)備校準(zhǔn)HMP155型溫濕度傳感器溫度現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的實(shí)際工作。

［1］VAILASA．HMP155溫濕度探頭操作手冊(cè)［Z］．2009．

［2］國(guó)家海洋計(jì)量站青島分站．國(guó)家海洋計(jì)量站青島分站管理標(biāo)準(zhǔn)［S］．2016．

［3］中國(guó)氣象局．JJG(氣象)002－2011自動(dòng)氣象站溫度傳感器檢定規(guī)程［S］．2011．

［4］AMETEK．JOFRA RTC－156超級(jí)標(biāo)準(zhǔn)干體爐用戶手冊(cè)［Z］．2009．

［5］國(guó)家海洋局．JJG(海洋)01－1994海洋資料浮標(biāo)傳感器［S］．1994．

Some Problems of Temperature Measurement on-Site Calibration Experiment of the HMP155 Humicap Sensor by Using Dry-block Temperature Calibrators

SU Jikun，QIN Ping，ZHANG Tao，LI Mingjun，XIN Aa，LIN Xueli，GAO Kun

(North China Sea Standardization and Metrology Center，SOA，Qingdao 266033，China)

Based on the on-site calibration experiment of the automatic observation system of marine environmental monitoring station and marine data buoy，using Dry-block Temperature Calibrators with advanced functions and easy to carry，on-site calibration experiment for temperature measurement of the HMP155 Humicap Sensor was implemented．The results revealed that the on-site calibration results and laboratory calibration results were quite different．The solution to the problems was summarized through the design of experimental forms，and verified in practical work．

Dry-block Temperature Calibrators，Humicap Sensor，On-site Calibration Experiment，Marine environmental monitoring

P7

A

1005－9857(2017)02－0080－05

2016-10-07;

2016-12-13

國(guó)家海洋局北海分局海洋科技項(xiàng)目“HMP155型溫濕度傳感器溫度現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法及不確定度研究”(2016B12)．

蘇繼琨，工程師，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)量檢測(cè)，電子信箱:sjk8358@126.com