使用干體爐對HMP155型溫濕度傳感器溫度進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)實驗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

(國家海洋局北海標(biāo)準(zhǔn)計量中心 青島 266033)

使用干體爐對HMP155型溫濕度傳感器溫度進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)實驗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

(國家海洋局北海標(biāo)準(zhǔn)計量中心 青島 266033)

文章結(jié)合海洋環(huán)境監(jiān)測站和海洋資料浮標(biāo)的海洋環(huán)境自動觀測系統(tǒng)現(xiàn)場校準(zhǔn)工作，使用功能先進(jìn)且便于攜帶的干體爐計量設(shè)備，針對HMP155型溫濕度傳感器的溫度項目進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)。通過實驗發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場校準(zhǔn)結(jié)果與實驗室校準(zhǔn)結(jié)果存在較大差異，通過設(shè)計實驗形式，研究總結(jié)存在問題的解決方法，并在實際工作中得到驗證。

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

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，溫度測量范圍為－80℃ ～60℃［1］，目前作為溫濕度觀測設(shè)備被普遍使用在臺站海洋環(huán)境自動觀測系統(tǒng)中。隨著溫濕度傳感器的更新?lián)Q代以及計量標(biāo)準(zhǔn)器的升級更換，之前的實驗方法已經(jīng)不適合現(xiàn)在的實際工作，如《國家海洋計量站青島分站作業(yè)文件》［2］中的《溫濕度傳感器現(xiàn)場檢定作業(yè)指導(dǎo)書》［2］所針對的溫濕度傳感器為YZY5型，使用的標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備為鉑電阻溫度計和制冷恒溫槽;目前海洋臺站溫濕度傳感器普遍更新為HMP155型、部分為HMP45A型，在實際工作中考慮制冷恒溫槽不便攜帶，也使用相對輕便且精度較高的恒溫干體爐作為標(biāo)準(zhǔn)配套設(shè)備。從實驗結(jié)果來看，使用恒溫干體爐在校準(zhǔn)HMP45A型溫濕度傳感器時，測量結(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，測量結(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HMP155型溫濕度傳感器進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)的方法。

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

1 實驗操作

目前北海標(biāo)準(zhǔn)計量中心對HMP155型溫濕度傳感器進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)器是自校式鉑電阻溫度計，測量范圍在－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，測量范圍在－45℃～155℃，波動度為每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插入干體爐感溫槽內(nèi)的感溫套筒中(圖1)。

圖1 干體爐實驗

2 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果及問題

2.1 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果

2016年4月19日和6月6日，分別對2批HMP155型溫濕度傳感器進(jìn)行實驗室校準(zhǔn)和模擬現(xiàn)場校準(zhǔn)2種實驗方案的比對實驗。實驗室校準(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放入制冷恒溫槽充滿酒精或水的槽體內(nèi)［5］，實驗數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 實驗室校準(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，實驗室按標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)結(jié)果得出被測設(shè)備符合準(zhǔn)確度要求。模擬現(xiàn)場校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)與實驗室校準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，當(dāng)在低溫校準(zhǔn)時存在較大誤差。

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

3 實驗分析

3.1 傳感器感溫穩(wěn)定時間實驗

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

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

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

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

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

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

續(xù)表

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

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

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

3.2 外界溫度影響實驗

在模擬現(xiàn)場校準(zhǔn)實驗中控制實驗環(huán)境溫度。由于在低溫溫度點存在示值誤差較大現(xiàn)象，假設(shè)環(huán)境溫度較高會影響被測傳感器感溫。以編號為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)行實驗，數(shù)據(jù)結(jié)果如表7所示。

表7 外界溫度影響實驗數(shù)據(jù)

通過外界溫度影響實驗數(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)定時間會隨著設(shè)置溫度點降低而延長。

3.3 套筒原因造成標(biāo)準(zhǔn)器與被測設(shè)備感溫溫度不一致實驗

由于被測傳感器探頭與標(biāo)準(zhǔn)器感溫探頭在實驗中分別插入干體爐套筒的2個內(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)致測傳感器探頭不能充分感溫，在低溫溫度點與標(biāo)準(zhǔn)器測量的溫度值存在較大偏差。

本實驗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，實驗數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 改進(jìn)后模擬現(xiàn)場校準(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)后實驗所得的數(shù)據(jù)與表1中實驗室校準(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)場校準(zhǔn)實驗

結(jié)合國家海洋局北海標(biāo)準(zhǔn)計量中心臺站海洋環(huán)境自動觀測系統(tǒng)現(xiàn)場校準(zhǔn)工作，針對目前北海區(qū)海洋觀測站海洋環(huán)境自動觀測系統(tǒng)普遍使用的HMP155型溫濕度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)實驗，驗證利用本實驗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)場實驗

對模擬實驗的4個傳感器進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)實驗，實驗數(shù)據(jù)如表9所示。

表9 HMP155型溫濕度傳感器溫度現(xiàn)場校準(zhǔn)實驗數(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)實驗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)場校準(zhǔn)實驗存在誤差較大問題的結(jié)果數(shù)據(jù)來看，本校準(zhǔn)實驗方法能夠復(fù)現(xiàn)被測傳感器在實驗室的校準(zhǔn)結(jié)果，證明本實驗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)場校準(zhǔn)的實際工作。

［1］VAILASA．HMP155溫濕度探頭操作手冊［Z］．2009．

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

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

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

［5］國家海洋局．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

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

蘇繼琨，工程師，碩士，研究方向為計量檢測，電子信箱:sjk8358@126.com