多通道濕度信號采集器示值誤差的修正及業務應用

孫文博　麻鍇　孔詩媛　吳非　魯長海

摘要：多通道濕度信號采集器將濕度傳感器的輸出電壓轉換為相對濕度數值，這一模數轉換過程的準確性決定了檢定數據的準確性。目前，自動氣象站檢定規程中沒有給出多通道采集器的溯源方法。為了保證濕度傳感器檢定的準確性，對采集器進行比對試驗，通過示值誤差計算出修正值。在數據處理過程中，采用該修正值消除多通道采集器的誤差。為了進一步增質提效，設計了濕度傳感器誤差計算軟件代替人工計算，徹底消除人為計算誤差。

關鍵詞：濕度信號采集器;標準偏差;修正值

中圖分類號： P412.13;TB9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：? A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI編號：? ?10.14025/j.cnki.jlny.2019.12.068

目前，自動氣象站檢定規程中沒有指出多通道采集器的溯源方法，但該設備已經使用多年，作為計量器具其應該接受定期檢定或校準[1]。濕度信號采集器本身就是濕度觀測系統中的數據轉換環節，更應該對其輸出數據進行校準，給出示值誤差的修正值，在檢定時對示值進行修正，以確保相對濕度量值溯源準確有效。

1 多通道濕度信號采集器的誤差

1.1 多通道濕度信號采集器工作原理

多通道濕度信號采集器正面為數據顯示界面，背面有10組DB9型傳感器接口，DB9接口的第二針腳接濕度傳感器輸出高電平、第三針腳接濕度地，第二針腳對第三針腳的電壓差即為濕度電壓信號，濕度采集器分別測量各組DB9接口的電壓，將電壓值存儲在寄存器中，每分鐘讀取寄存器數據一次，并顯示數據。

1.2多通道濕度信號采集器的誤差成因

濕度采集器測量傳感器的電壓信號，依照0V～1V電壓對應相對濕度0%～100%的測濕原理將電壓換算成濕度。濕度采集器的誤差產生于0V～1V電壓的測量過程中[2]。

1.3采集器系統誤差比對試驗

1.3.1 試驗設備組成 比對試驗使用直流數字恒壓源作為信號源，生成穩定的0V～1V電壓信號，模擬濕度傳感器所有可能的輸出信號。使檢定過的6位半萬用表和濕度采集器同時測量恒壓源的電壓輸出端子，其中6位半萬用表的示指當做比對試驗的真值。實驗如圖1所示。

2.3.2 系統誤差計算方法 根據系統誤差的定義：在重復性條件下，對同一被測量進行無限次測量所得結果的平均值與被測量的真值之差[5]，濕度信號采集器的系統誤差e為：

其中：x是濕度信號采集器進行n次重復測量的算術平均，T為真值。

1.3.3 確定合理的重復測量次數 重復測量次數決定了測量是否能反映被測設備的真實狀態。重復測量次數越多，測量結果的平均值 越能逼近期望值，期望值是最能反映采集器固有特性的數值。但過多的測量次數也是不科學的，統計學使用計算標準偏差來表征被測量的分散程度，標準偏差越小，這些測量結果偏離平均值的程度就越小。標準差的計算公式如下[3]：

其中：xi是第i次測量結果;

x是n次測量的平均值。

當測量次數n增加，如果標準偏差趨于穩定，說明此時的n值能夠反映傳采集器的固有狀態，可以確定為計算修正值實驗次數[4]。

1.3.4 計算標準差試驗 以30%RH和95%RH濕度檢定點的測量數據為例，分析8次測量（采集器每30秒刷新一次顯示界面的過程，視為一次測量）下標準偏差的趨勢，如表1所示。

表1? 30%RH和95%RH下不同測量次數的標準差趨勢

單位%RH

兩組實驗數據表明，恒壓源的輸出對于濕度采集器來講是極穩定的，設定好恒壓源輸出電壓值，采集器就有穩定不變的示指。所以在下一步試驗中，每一組實驗的重復次數選定為2次。

2.3.5 測量采集器誤差的實驗及分析 根據檢定規程推斷，檢定時傳感器輸出的直流電壓信號范圍必定在0.2v～1v之間。所以需要測量采集器誤差的范圍是20%RH～100%RH中的所有點。每個點測量2次，測量結果是2次示值的平均值。誤差如表2所示。

表2中采集器測量為結果58%RH、74%RH、90%RH分別對應著兩組真值，這種情況說明采集器對0.59V到0.6V的電壓差，0.76V到0.77V的電壓差，0.93V到0.94V的電壓差沒有分辨力。

當濕度信號采集器的測量結果是58%RH時，說明傳感器的真實值可能是59%RH或60%RH，所以只能取二者的平均數59.5%RH作為采集器的測量結果為58%RH時的對應濕度真值，同理74%RH對應的濕度真值為76.5%RH，90%RH對應的濕度真值為93.5%RH。所以，測量結果58%RH的誤差為-1.5%RH，測量結果74%RH的誤差為-2.5%RH，測量結果90%RH的誤差為-3.5%RH。在表3的最后一行中，采集器測量結果為96%RH 時，萬用表的示值已經達到100%RH，所以，采集器97%RH、98%RH、99%RH的示值已經沒有意義，因為萬用表的示值是101mV、102 mV、103 mV，這組真值已經超過了實際相對濕度的物理意義。

2 多通道濕度信號采集器的誤差修正

修正值是指用代數方法與未修正測量結果相加，以補償其系統誤差的值，修正值等于誤差的相反數，根據表3中采集器的示指誤差，采集器的示值修正值如表3：

3 多通道采集器示值修正值的業務化

引入修正值后，多通道采集器的誤差表示為：

誤差=（采集器示值+示值修正）-標準器讀數

為了徹底消除人為計算錯誤并提升計算速度，利用Matlab的GUI（圖形用戶界面）功能制作了濕度傳感器誤差計算器，如圖2所示。它以檢定規程和采集器修正值為核心算法，通過matlab語言編譯算法，以C語言生成可執行文件[5]。當傳感器的誤差超過檢定規程的要求時，誤差的數字和結論標紅處理，如圖3所示。

4 結語

多通道采集器檢定效率高，但是通過比對試驗發現其存在較大系統誤差。試驗也發現這些誤差的平均偏差為0，說明在恒定的條件下，采集器的誤差是不變的。所以取誤差的相反數作為修正值，將多通道采集器的讀數與修正值相加，抵消誤差。根據這個基本原理，設計了濕度傳感器誤差計算器軟件，只需把標準器讀數和多通道采集器讀數輸入進軟件就可以得到修正后的采集器讀數和傳感器誤差，并得出檢定結論。使用誤差計算軟件可以消除人為計算誤差，這兩種方法結合大大提高了濕度傳感器檢定業務的質量，保證了自動站安裝的每一只濕度傳感器都得到準確可靠的量值溯源。

參考文獻

[1]韓廣魯，孫嫣，邊文超，等.CAWS600型自動氣象站采集器通道誤差修正[J].氣象科技，2012，40（05）：755-758.

[2]JJG（氣象）003-2011，自動氣象站濕度傳感器檢定規程[S].

[3]吳麗娜，韓玉婷，汪鑫.濕度傳感器檢定方法探討[J].氣象水文海洋儀器，2017，34（03）：10-12.

[4]李慎安.修正值和修正因子的不確定度[J].中國計量， 2010（07）：94-95.

[5]李婭麗，忻尚芝，鄭春雷.基于Matlab/GUI的數據分析界面設計[J].電子科技，2016，29（04）：88-91.