宋 媛，吳麗娜

(甘肅省氣象信息與技術(shù)裝備保障中心，蘭州 730020)

0 引言

濕度是環(huán)境觀測要素中很重要的一項(xiàng)內(nèi)容，它涉及氣象、農(nóng)業(yè)、水文等多個(gè)領(lǐng)域。在測量中，由于受各種因素和環(huán)境的影響，誤差的產(chǎn)生不可避免[1]。通常將測量誤差的存在引起對(duì)被測值無法肯定的程度稱為測量不確定度[2]。不確定度的評(píng)定作為計(jì)量工作中的必要內(nèi)容，對(duì)實(shí)現(xiàn)科學(xué)可靠的量值表示，使計(jì)量工作準(zhǔn)確規(guī)范具有重要意義[3，4]。

隨著DHC1型濕度傳感器在臺(tái)站的廣泛使用，為確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，定期對(duì)DHC1型濕度傳感器進(jìn)行檢定十分必要。基于此，文章根據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評(píng)定與表示》，以DHC1型濕度傳感器作為檢定對(duì)象，通過實(shí)例，給出了DHC1型傳感器在LF-300X溫濕度檢定箱的測量不確定度分析和計(jì)算過程，可為同類以及相關(guān)濕度傳感器檢定可信度的評(píng)估提供參考[5]。

1 不確定度評(píng)定方法

1.1 不確定度的評(píng)定方法概述

測量不確定度的評(píng)定以JJF 1059.1-2012《測量不確定度評(píng)定與表示》作為依據(jù)，參考JJG (氣象)003-2011《自動(dòng)站濕度傳感器檢定規(guī)程》。以精密露點(diǎn)儀、LF-300X溫濕度檢定箱、數(shù)字多用表數(shù)據(jù)采集器等共同組成精密露點(diǎn)儀標(biāo)準(zhǔn)裝置。通過與精密露點(diǎn)儀標(biāo)準(zhǔn)裝置比較確定被檢儀器的誤差。

1.2 不確定度評(píng)定

1.2.1 不確定度的A類評(píng)定

(1)

S為單次測量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差

(2)

式(3)為貝塞爾公式，自由度v為n-1。

(3)

因此，A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(4)

當(dāng)檢定多個(gè)濕度點(diǎn)時(shí)，每個(gè)濕度檢定點(diǎn)均進(jìn)行n次檢定，此時(shí)，A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(5)

此時(shí)的自由度v為m(n-1)。

1.2.2 不確定度的B類評(píng)定

不確定度的B類評(píng)定，是根據(jù)之前的測量數(shù)據(jù)、生產(chǎn)廠家的技術(shù)指標(biāo)、上一級(jí)的校準(zhǔn)證書與檢定證書、假設(shè)的概率分布及其數(shù)字特征、測量儀器的特性和其他相關(guān)資料等特征逐項(xiàng)進(jìn)行分析計(jì)算。

在對(duì)DHC1型濕度傳感器進(jìn)行不確定度的B類評(píng)定時(shí)，首先要分析出DHC1型濕度傳感器測量不確定度的因素，然后確定每個(gè)因素不確定度分量值，要確定各不確定度分量彼此獨(dú)立，最后進(jìn)行B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成。

(6)

在進(jìn)行不確定度的B類評(píng)定時(shí)，自由度可按公式(7)近似計(jì)算。

(7)

1.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

(8)

式中，ui為A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度，或者B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度，或者兩者都有。

在對(duì)DHC1濕度傳感器值進(jìn)行合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定時(shí)，式(8)可以簡化為：

(9)

1.4 擴(kuò)展不確定度評(píng)定

根據(jù)濕度測量過程中各個(gè)因素不確定度分量的有效自由度，計(jì)算出合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，最后計(jì)算出擴(kuò)展不確定度：

U=k×uc

(10)

式中，k為包含因子。

2 評(píng)定實(shí)例

2.1 A類不確定度分量的分析計(jì)算

選取4個(gè)檢定點(diǎn)分別為：30%RH、55%RH、75%RH、95%RH。穩(wěn)定后讀取被檢濕度傳感器的示值。在重復(fù)性條件下，連續(xù)讀取10組數(shù)據(jù)，計(jì)算出各檢定點(diǎn)測量誤差的算數(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。在重復(fù)性條件下，每個(gè)檢定點(diǎn)連續(xù)讀取10組數(shù)據(jù)，然后由式(1)、(2)和(3)計(jì)算出各檢定點(diǎn)單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示。

表1 測量結(jié)果記錄 %RH

標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算公式為：

(11)

合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差為：

(12)

在實(shí)際檢定中，對(duì)被檢濕度傳感器每個(gè)檢定點(diǎn)進(jìn)行3次讀數(shù)，以3次讀數(shù)的算術(shù)平均值作為檢定結(jié)果，則該結(jié)果的不確定度為：

2.2 B類不確定度分量的分析計(jì)算

2.2.1 精密露點(diǎn)儀傳遞誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(HB1)

S-1M/S-1S精密露點(diǎn)儀的允許誤差限，采用生產(chǎn)單位給出的露點(diǎn)系統(tǒng)準(zhǔn)確度為±0.2 ℃，利用露點(diǎn)儀進(jìn)行濕度檢定時(shí)一般把箱內(nèi)溫度控制在20 ℃，故可根據(jù)公式(13)、(14)算出箱內(nèi)溫度(t)和露點(diǎn)(td)的絕對(duì)溫度T和Td，再根據(jù)式(15)、(16)可分別計(jì)算出實(shí)際水汽壓e和飽和水汽壓es，然后將e和es代入式(17)得濕度誤差限為±1.1%RH。

Td=273.16+td

(13)

T=273.16+t

(14)

(15)

(16)

(17)

式中，a=17.2693882；b=35.86。

取正態(tài)分布，包含因子k=2，則由其引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.2.2 溫濕度檢定箱濕度波動(dòng)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(HB2)

2.2.3 溫濕度檢定箱濕度場不均勻引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(HB3)

(說明：在測定A類不確定度時(shí)，精密露點(diǎn)儀的傳感器是固定在一個(gè)位置上進(jìn)行連續(xù)測量的，已包含了溫濕度檢定箱濕度場的不穩(wěn)定性所產(chǎn)生的不確定度分量，故在評(píng)定檢定裝置的B類不確定度分量時(shí)不再考慮。)

因?yàn)閡(HB1)，u(HB2)和u(HB3)是相互獨(dú)立的，所以由公式(7)可得，B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

上述所分析的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量均為不相關(guān)量，因此由式(9)式求得合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.4 擴(kuò)展不確定度計(jì)算

取k=2，則擴(kuò)展不確定度為：

U=k×uc=2×0.85=1.7%RH

3 結(jié)束語

通過以上分析可知，濕度傳感器測量結(jié)果的不確定度U=1.7%RH，包含因子k=2。以上只對(duì)單個(gè)個(gè)例進(jìn)行了分析，但文章給出的評(píng)定方法，可為DHC1型濕度傳感器的不確定度評(píng)定提供參考。