電動通風(fēng)干濕表溫度、濕度示值誤差測量結(jié)果的 不確定度評定

劉鑫

【摘要】 電動通風(fēng)干濕表一般常用于氣象、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、生態(tài)、環(huán)境等學(xué)科領(lǐng)域，用于測量空氣中的溫度和濕度指標(biāo)。雖然各種露點儀有逐漸替代電動通風(fēng)干濕表的趨勢，但目前，電動通風(fēng)干濕表仍有價格便宜、便攜，常用于小氣候觀測和野外考察觀測等不可替代的優(yōu)勢。本文通過具體實例，詳盡的對電動通風(fēng)干濕表溫度、濕度的測量示值誤差進(jìn)行不確定度分析。

【關(guān)鍵詞】 電動通風(fēng)干濕表;溫度;濕度;不確定度

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2020.05.012

The Evaluation of Measurement Uncertainty of Temperature and Humidity of the Electric Ventilation Psychrometer

LIU Xin

（Liaoning Institute of Measurement，Shenyang 110004，China）

Abstract： Electric ventilation psychrometer usually be used in meteorology、agriculture、forestry、ecology、environment and etcetera. Its used to survey the temperature and humidity in the air. Though，very different kinds of Dew Point meters come to replace the Electric ventilation psychrometer gradually， Electric ventilation psychrometer still has its own superiority： cheap and portable. Its usually used to observe the microclimate and fieldwork. In this article， it analyses the uncertainty of the temperature and humiditys measurement indication error in detail.

Key words： electric ventilation psychrometer;temperature;humidity;uncertainty

1 概述

1.1 測量依據(jù)

依據(jù)JJG 993-2018《電動通風(fēng)干濕表檢定規(guī)程》

1.2 環(huán)境條件

環(huán)境溫度：（15～30） ℃，相對濕度：≤85%。

1.3 計量標(biāo)準(zhǔn)

主標(biāo)準(zhǔn)器：高精密數(shù)字溫度計，U=0.015 ℃，k=2;便攜冷鏡式露點儀，符合一級;配套設(shè)備：恒溫槽，U=0.008 ℃，k=2;恒溫恒濕箱，濕度均勻性優(yōu)于1.0%RH，濕度波動度小于±0.2%RH。

1.4 被測對象

測量范圍在溫度：（5～50） ℃，相對濕度：（20～95）%的工作級電動通風(fēng)干濕表一臺。

1.5 測量方法

標(biāo)準(zhǔn)恒溫水槽為電動通風(fēng)干濕表的計量提供一個穩(wěn)定的溫場。將其設(shè)定好一個固定的溫度值，標(biāo)準(zhǔn)恒溫水槽會自行恒溫到該設(shè)定值。

數(shù)字測溫儀表，用于連接標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計，用于讀取標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計溫度示數(shù)的專用儀表，在儀表中輸入上一級計量溯源證書中相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的各個參數(shù)值后，可以精密的讀取標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計溫度示值，發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計作為計量標(biāo)準(zhǔn)的作用。

將標(biāo)準(zhǔn)恒溫水槽設(shè)定到一個固定的溫度值，標(biāo)準(zhǔn)恒溫水槽會自行恒溫到該設(shè)定值。將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計和被檢的電動通風(fēng)干濕表都放置于其中，待各自讀數(shù)穩(wěn)定后，讀取數(shù)值，從而進(jìn)行通風(fēng)干濕表的溫度指標(biāo)的計量檢定工作。需要注意的是使用之前，要有標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的溯源證書，利用證書里的參數(shù)值，設(shè)置數(shù)字測溫儀表，參數(shù)要設(shè)置正確。

待溫度指標(biāo)檢定合格后，將電動通風(fēng)干濕表放入由精密露點儀和恒溫恒濕箱組成的專門用于檢定濕度指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)裝置中，待濕度恒定后，按照檢定規(guī)程規(guī)定的讀數(shù)方式，讀取標(biāo)準(zhǔn)器精密露點儀上的相對濕度值和電動通風(fēng)干濕表的相對濕度值。

2 電動通風(fēng)干濕表溫度示值誤差測量結(jié)果的不確定度評定

2.1 建立數(shù)學(xué)模型，列出不確定度傳播系數(shù)

2.1.1 數(shù)學(xué)模型

[ΔT=T-TB]

式中：[ΔT]——被檢通風(fēng)干濕表的溫度示值誤差，℃;

[T]——被檢通風(fēng)干濕表的溫度示值，℃;

[TB]——標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的溫度示值，℃。

2.1.2 傳播系數(shù)

[ uc2（ΔT）=（ΔTT）2u2（T）+（ΔTTB）2u2（TB）]

傳播系數(shù)：[c1=ΔTT=1]，[c2=ΔTTB=-1]

2.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻連同數(shù)字測溫儀表一起引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度[uT1]

標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻連同數(shù)字測溫儀表一起組成一個溫度標(biāo)準(zhǔn)器系統(tǒng)，經(jīng)校準(zhǔn)，其不確定度為0.015 ℃，則：

[uT1=0.015/2]=0.0075 ℃

2.2.2 恒溫槽溫度波動引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度[uT2]

恒溫槽經(jīng)校準(zhǔn)，溫度波動最大不超過0.006 ℃，按均勻分布，則：

[uT2=0.006/3]=0.0035 ℃

2.2.3 恒溫槽溫度均勻性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度[uT3]

恒溫槽溫度均勻性不超過0.007 ℃，按均勻分布，則：

[uT3=0.007/23=0.0021] ℃

2.2.4 被檢通風(fēng)干濕表重復(fù)性測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度[uT4]

被檢通風(fēng)干濕表中以溫度分辯力為0.1 ℃的通風(fēng)干濕表為例，以測量30 ℃點為例，重復(fù)測量10次，結(jié)果如下：

[次數(shù) 1 2 3 4 5 x 30.1 30.0 30.0 30.1 30.0 次數(shù) 6 7 8 9 10 x 30.0 30.1 30.0 30.0 30.0 ]

其示值的平均值：[x]=30.03 ℃

單次測量的實驗標(biāo)準(zhǔn)差為：

[s（xi）=i=110xi-x210-1=0.05] ℃

具體測量時，重復(fù)測量6次，[m=6]，則平均值的實驗標(biāo)準(zhǔn)差也即重復(fù)性測量帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定度[uT4]為：

[uT4]=[s（xi）/6]=0.021 ℃

2.2.5 被檢通風(fēng)干濕表分辨力帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定度[uT5]

被檢通風(fēng)干濕表的溫度示值分辨力為0.1 ℃，按均勻分布，則：

[uT5=0.1/23=0.029] ℃

2.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表

2.3.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計算

以上各量互不相關(guān)， 故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為：

[uc（T）=u2（T1）+u2（T2）+u2（T3）+u2（T4）+u2（T5）=0.04] ℃

在測量范圍（5～50） ℃內(nèi)，測量點為15 ℃、20 ℃（或23 ℃）、30 ℃三個點，不同測量點的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度如表2。

2.4 擴(kuò)展不確定度的計算

以上各量互不相關(guān)， 且大小比較接近，故合成后被測量Y屬于正態(tài)分布，取[k]=2，則擴(kuò)展不確定度為：

[U=2×uc（T）=2×0.04=0.08] ℃

2.5 電動通風(fēng)干濕表檢定裝置檢定通風(fēng)干濕表溫度測量不確定度評定

在（0～50） ℃范圍內(nèi)，對于分辨力為0.1 ℃的通風(fēng)干濕表的溫度示值誤差擴(kuò)展不確定度為：[U]=0.08 ℃，[k]=2。

當(dāng)被檢定通風(fēng)干濕表分度值不同時，不確定度分量中的[u（T4）]、[uT5]項將發(fā)生改變，其中測量點為15 ℃、20 ℃、30 ℃三個點，列出數(shù)據(jù)如表3。

3 電動通風(fēng)干濕表濕度示值誤差測量結(jié)果的不確定度評定

3.1 建立數(shù)學(xué)模型，列出不確定度傳播系數(shù)

3.1.1 數(shù)學(xué)模型

[ΔH=H-HB]

式中：[ΔH]——被檢通風(fēng)干濕表的濕度示值誤差，%RH;

[H]——被檢通風(fēng)干濕表的濕度示值，%RH;

[HB]——精密露點儀的濕度示值，%RH。

3.1.2 傳播系數(shù)

[uc2（ΔH）=（ΔHH）2u2（H）+（ΔHHB）2u2（HB）]

傳播系數(shù)[c1=ΔHH=1]，[c2=ΔHHB=-1]

3.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

3.2.1 精密露點儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度[uH1]

精密露點儀經(jīng)檢定符合一級精密露點儀。所引入的誤差換算為濕度為≤±0.4%RH，取0.4%RH，服從均勻分布，則：

[uH1=0.4/3]=0.231%RH

3.2.2 溫濕度箱濕度波動引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度[uH2]

溫濕度箱經(jīng)校準(zhǔn)，其濕度波動最大不超過±0.2% RH，按均勻分布，則：

[uH2=0.2/3]=0.116% RH

3.2.3 溫濕度箱濕度均勻性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度[uH3]

溫濕度箱濕度均勻性不超過1.0% RH，按均勻分布，則：

[uH3=1.0/23]=0.29% RH

3.2.4 被檢通風(fēng)干濕表重復(fù)性測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度[uH4]

被檢通風(fēng)干濕表中以濕度分辯力為0.01% RH的通風(fēng)干濕表為例，以測量60.0% RH點為例，重復(fù)測量10次，結(jié)果如下：

[次數(shù) 1 2 3 4 5 x 59.98 59.98 60.00 59.99 60.01 次數(shù) 6 7 8 9 10 x 59.99 60.01 60.00 59.99 60.01 ]

其示值的平均值：[x]=59.996% RH。

單次測量的實驗標(biāo)準(zhǔn)差為：

[s（xi）=i=110xi-x210-1=0.012%] RH

具體測量時，重復(fù)測量6次，[m=6]，則平均值的實驗標(biāo)準(zhǔn)差也即重復(fù)性測量帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定度[uH4]為：

[uH4]=[s（xi）/6]=0.005% RH

3.2.5 被檢通風(fēng)干濕表分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度[uH5]

被檢通風(fēng)干濕表的濕度示值分辨力為0.01% RH，按均勻分布，則：

[uH5=0.01/23=0.0029% RH≈0.003% RH]

3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表

3.3.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計算

以上各量互不相關(guān)，故合成后被測量Y屬于正態(tài)分布，因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

[uc（H）=u2（H1）+u2（H2）+u2（H3）+u2（H4）+u2（H5）=0.389% RH]

在測量范圍（20～95）% RH內(nèi)，測量點為30% RH、40% RH、60% RH、80% RH、90% RH五個點，不同測量點的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度如表5。

3.4 擴(kuò)展不確定度的計算

綜合上表所列數(shù)據(jù)，取[k]=2，擴(kuò)展不確定度為：

[U=2×uc（H）]=2×0.389≈0.78% RH

3.5 電動通風(fēng)干濕表檢定裝置檢定電動通風(fēng)干濕表濕度測量不確定度評定

在（20～95）% RH范圍內(nèi)，對于分辨力為0.01% RH的通風(fēng)干濕表的濕度示值誤差擴(kuò)展不確定度為：[U]=0.78% RH，[k]=2。當(dāng)被檢通風(fēng)干濕表分度值不同時，不確定度分量中的[uH4]、[uH5]將發(fā)生改變，按照測量點為30% RH、40% RH、60% RH、80% RH、90% RH五個點，列出數(shù)據(jù)如表6。

4 結(jié)論

通過上述分析，可以看出，該標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定工作級電動通風(fēng)干濕表時，電動通風(fēng)干濕表的溫度、濕度指標(biāo)在不同分辨力下的不確定度評定結(jié)果，其最佳不確定度分別為：溫度：[U]=0.02 ℃，[k]=2，濕度：[U]=0.78% RH，[k]=2。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 電動通風(fēng)干濕表檢定規(guī)程：JJG 993-2018[S].

[2] 測量不確定度評定與表示：JJF 1059.1-2012[S].

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