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探空仪温度、湿度静态测量不确定度分析

概述

不确定度是指由于测量误差的存在,对被测量值的不能肯定的程度。反过来，也表明该结果的可信赖程度，它是测量结果质量的指标。不确定度愈小，所述结果与被测量的真值愈接近，质量越高，水平越高，其使用价值越高；不确定度越大，测量结果的质量越低，水平越低，其使用价值也越低。在报告物理量测量的结果时，必须给出相应的不确定度，一方面便于使用它的人评定其可靠性，另一方面也增强了测量结果之间的可比性。

湿度是基本的环境参量之一，其准确测量关系到气象观测预报、 气候研究、 水文学、 农业、 航空等各领域。 常见的湿度测量方法有动态法（双压法、 双温法、 分流法）、 静态法（饱和盐法、 硫酸法）、 干湿球法、 露点法和电子式传感器法等。电子式湿度传感器于20世纪90年代兴起，由于具有测量准 确、 显示明确、 重复性好的特点，近年来得到广泛应用。目前我国有数十个海洋台站配置了芬兰 VAISALA 公司生产的HMP45D 温湿一体化传感器，用于自动气象观测站进行湿度的测量。本文依据JJF 1076- 2001 《湿度传感器校准规范》，开展温湿度传感器相对湿度示值误差的校准试验研究，并根据JJF1059- 1999 《测量不确定度评定与表示》的要求，给出其测量结果的不确定度评定方法和步骤。

测量不确定度和标准不确定度

表征合理的赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数，称为测量不确定度。这是 JJF1001 -1998《通用计量术语及定义》中,对其作出的最新定义。测量不确定度是独立而又密切与测量结果相联系的、表明测量结果分散性的一个参数。在测量的完整的表示中，应该包括测量不确定度。

测量不确定度用标准偏差表示时称为标准不确定度，如用说明了置信水准的区间的半宽度的表示方法则成为扩展不确定度。

不确定度的 A类 、B类评定及合成

由于测量结果的不确定度往往由多种原因引起的，对每个不确定度来源评定的标准偏差，称为标 准不确定度分量 。用对观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度，称为不确定度 A类评定；所得到的相应标准不确定度称为 A类不确定度分量，用符号si表示。它是用实验标准偏差来表征。

用不同于对观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度，称为不确定度B类评定；所得到的相应标准不确定度称为B类不确定度分量，用符号ui表示。它是用实验或其他信息来估计，含有主观鉴别的成分。对于某一项不确定度分量究竟用A类方法评定，还是用B类方法评定，应由测量人员根据具体情况选择。B类评定方法应用相当广泛。当测量结果是由若干个其他量的值求得时，按其他各量的方差和协方差算得的标准不确定度，称为合成标准不确定度。它是测量结果标准偏差的估计值，用符号 UC(y) 表示。方差是标准偏差的平方，协方差是相关性导致的方差。计入协方差会扩大合成标准不确定度。合成标准不确定度仍然是标准偏差，它表征了测量结果的分散性。所用的合成方法，常称为不确定传播率，而传播系数又被称为灵敏系数，用c表示。合成标准不确定度的自由度称为有效自由度，用ν

eff

表示 ,它表明所评定的UC

1 测量方法

1.1 测量依据

JJF 1076- 2001 《湿度传感器校准规范》。

1.2 测量环境条件

温度（ 23±5）℃；湿度小于 85%RH。 1.3 主要标准

标准器具为二级精密露点仪，配套设备为分流式湿度发生器、 精密露点仪温度传感器，其主要技术指标见表 1。

1.5 测量过程

直接比较法。依据 JJF 1076- 2001《湿度传感器校准规范》 ，在 20 ℃时从低湿（ 10%RH）到高湿（ 90%RH），每间隔10%RH 做一个校准点。在每个校准点读数 3 次，取其平均值。

将精密露点仪和被检湿度传感器同时置于分流式湿度发生器测试仓中（中心附近，并尽量彼此靠近）。检定或校准时，由分流式湿度发生器提供稳定均匀的温湿度场，当温度、湿度示值稳定后，分别读取露点仪和被检温湿度传感器的示值，计算示值误差。

2 数学模型

ΔH=HB- H（1）

式中：HB 为精密露点仪的相对湿度标准值（%RH）；H 为被检温湿度传感器的相对湿度示值（%RH）； ΔH 被检温湿度传感器的相对湿度修正值（%RH）。

3 不确定度传播率

4 标准不确定度评定

测量不确定度来源主要有：（1）精密露点仪引入的标准不确定度 u（HB ） 1；（2）分流式湿度发生器测试仓湿度不均匀和波动度引入的标准不确定度 u（HB）2；（3）被检湿度传感器湿度示值测量重复性或其分辨力引入的标准不确定度u（H）。

4.1 精密露点仪引入的标准不确定度 u（HB ）1

根据 GB11605- 2005 湿度测量方法[4]，相对湿度的计算公式为:

式中：U 为相对湿度（ %RH）；e(Td)为在露点温度 Td 下的饱和水蒸气压（ Pa）；e(T)为在气样温度 T 下的饱和水蒸气压（Pa）。

饱和水蒸气压采用简化公式计算[5]：

式中：TK 为露点温度 Td 或气样温度 T，（ K ）。 由精密露点仪引入的标准不确定度 u（HB ）1 为[3]

4.1.1 精密露点仪露点温度引入的标准不确定度 u（Td ）

根据上级检定机构出具的证书，精密露点仪合格，为二级精密露点仪，在 - 20~40 ℃DP 时，最大允许误差±0.3℃DP。按均匀分布，则其标准不确定度分量为：

4.1.2 精密露点仪铂电阻温度计引入的标准不确定度 u（T） （1）铂电阻温度计示值误差引入的标准不确定度分量u（T）1

根据上级检定机构出具的校准证书，铂电阻温度计示值误差的不确定度 U=0.01 ℃（ k=2），则标准不确定度分量为：

（ 2）湿度发生器测试仓温度不均匀引入的标准不确定度分量 u（T）2

根据使用高精度的 Fluke 1502A 测温仪测试，均匀度为0.004 ℃，按均匀分布，则其标准不确定度分量为：

上述两个分量互不相关，则有：

4.1.3 精密露点仪引入的标准不确定度 u（HB ）1 的计算

根据式（ 5）可知，精密露点仪引入的标准不确定度 u （ HB ） 1与相对湿度值相关。现以 20.0 ℃，40%RH 为例，计算 u （ HB ） 1。

在气样温度 20.0 ℃下，露点温度 6.01 ℃，湿度 40%RH。u （ Td ）为 0.174 ℃，则露点温度范围 5.838~6.186 ℃，饱和水蒸气压范围924.996~947.549 Pa，u （ T）为 0.006 ℃，气样温度范围 19.994~20.006 ℃，饱和水蒸气压范围2338.390~2339.983 Pa。

由式（ 5）计算得，u(HB)1=0.278%RH。

采用同样方法，计算 10%RH~90%RH 下标准不确定度u(HB)1，见表 2。