基于不確定度評定的濕度觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評估方法研究

陳 平

(北京工商大學(xué)，北京 100081)

0 引言

濕度是表征大氣干燥程度的物理量?？諝鉂穸仁且粋€(gè)無量綱的量，常用%RH表示，用于衡量空氣中水汽含量的大小。自動氣象站使用的濕度傳感器主要有濕敏電容式傳感器、標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表等。冷鏡式露點(diǎn)儀等儀器偶爾也用于氣象觀測，但由于價(jià)格較高，且鏡面清潔度維護(hù)要求比較復(fù)雜，因此較少在自動氣象站中使用[1，2]。

空氣濕度在大氣學(xué)、氣象學(xué)和氣候?qū)W等許多方面有重要的用途。目前自動氣象站濕度傳感器主要通過定期的計(jì)量檢定來保證其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但是計(jì)量檢定通常是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相對固定的環(huán)境下進(jìn)行的，現(xiàn)實(shí)中的濕度觀測主要是在室外復(fù)雜環(huán)境下開展，可能會受到不同環(huán)境因素的影響。因此，分析不同的環(huán)境因素對濕度觀測數(shù)據(jù)的影響及其引入的不確定度，對準(zhǔn)確評估濕度觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量具有重要意義[3-7]。

1 濕度觀測數(shù)據(jù)的不確定度評定

1.1 不確定度評定與數(shù)學(xué)模型的建立

數(shù)學(xué)建模是開展不確定度評定的前提。為使不確定度評定結(jié)果能夠真實(shí)全面地反映濕度測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，建立的數(shù)學(xué)模型應(yīng)該盡可能包含所有影響濕度觀測數(shù)據(jù)的不確定度分量。

濕度傳感器觀測數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)模型為：

H=Hc+ΔHτ+ΔHo+ΔHp+ΔHy

(1)

式中，H為濕度觀測值(%RH)；Hc為濕度采樣值(%RH)；ΔHτ為標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度值(%RH)；ΔHo為校準(zhǔn)時(shí)濕度檢定箱濕度場的波動度引入的不確定度(%RH)；ΔHp為采集器引入的不確定度值(%RH)；ΔHy為計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理時(shí)的修約引入的不確定度值(%RH)；標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定包含的內(nèi)容以及具體評定流程和方法，可以參見JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》。

1.2 不確定度評定

試驗(yàn)采用兩種地面氣象觀測中常用的濕度傳感器作為測試傳感器，分別為型號1濕度傳感器和型號2濕度傳感器；使用數(shù)字式標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表的測量值作為標(biāo)準(zhǔn)值。數(shù)字式標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表和測試傳感器同步測量，測量間隔為2 min，測量點(diǎn)為30%RH，50%RH，70%RH，90%RH，單點(diǎn)每組測20次。用每個(gè)測量點(diǎn)的測試傳感器的測量值減去標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表的測量值，作為該點(diǎn)的濕度測量誤差值，同時(shí)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差。

1)型號1濕度傳感器測量不確定度評估

根據(jù)濕度傳感器觀測數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)模型，濕度測量結(jié)果的不確定度分量主要有濕度標(biāo)準(zhǔn)器修正引入的變化、濕度發(fā)生器箱中濕度的均勻性和波動性、數(shù)據(jù)采集單元的測量誤差等。

計(jì)算可得型號1濕度傳感器的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA為0.0474%。

由標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式干濕表的技術(shù)指標(biāo)可知，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式干濕表的標(biāo)準(zhǔn)值的測量不確定度為1%。由于測量誤差屬于均勻分布，則包含因子k=1.732。因此，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式干濕表引入的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB1為：

uB1=ΔH1/k=0.577%

(2)

根據(jù)濕度檢定箱的技術(shù)指標(biāo)可知，其產(chǎn)生的濕度環(huán)境的均勻度為1%。由于均勻度引入的測量誤差分布屬于反正弦分布，因此其包含因子k=1.4。濕度檢定箱的均勻性引入的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB2為：

uB2=ΔH2/k=0.714%

(3)

試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)濕度測量的最大允許誤差為±1%，該不確定度分量屬于均勻分布，因此其包含因子k=1.732。由此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)引入的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB3為：

uB3=ΔH3/k=0.577%

(4)

根據(jù)數(shù)據(jù)修約規(guī)則，由數(shù)據(jù)修約引入的最大誤差分量為0.05%，該不確定度分量屬于均勻分布，因此其包含因子k=1.732。由此數(shù)據(jù)修約引入的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB4為：

uB4=ΔH4/k=0.029%

(5)

綜合以上B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評定結(jié)果，合成后的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(6)

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(7)

擴(kuò)展不確定度為：

U=2uC=2.172%

(8)

2)型號2濕度傳感器測量不確定度評估

濕度觀測數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)模型中列出的不確定度分量主要由濕度標(biāo)準(zhǔn)器、濕度箱、數(shù)據(jù)采集單元等引入。計(jì)算可得型號2濕度傳感器A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA為0.0451%。

根據(jù)B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定結(jié)果，B類合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(9)

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(10)

擴(kuò)展不確定度為：

U=2uC=2.172%

(11)

濕度傳感器的不確定度研究表明：型號1濕度傳感器的A類不確定度為0.0474%，B類不確定度為1.085%，合成不確定度為1.086%，擴(kuò)展不確定度為2.172%；型號2濕度傳感器A類不確定度為0.0451%，B類不確定度為1.085%，合成不確定度為1.086%，擴(kuò)展不確定度為2.172%。

2 結(jié)束語

文章通過分析不同環(huán)境因素對濕度觀測數(shù)據(jù)的影響及其引入的不確定度，建立濕度觀測不確定度評估模型，并進(jìn)行定量分析，分析結(jié)果對準(zhǔn)確評估濕度觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量具有重要意義。