孙文博　麻锴　孔诗媛　吴非　鲁长海

摘要：多通道湿度信号采集器将湿度传感器的输出电压转换为相对湿度数值，这一模数转换过程的准确性决定了检定数据的准确性。目前，自动气象站检定规程中没有给出多通道采集器的溯源方法。为了保证湿度传感器检定的准确性，对采集器进行比对试验，通过示值误差计算出修正值。在数据处理过程中，采用该修正值消除多通道采集器的误差。为了进一步增质提效，设计了湿度传感器误差计算软件代替人工计算，彻底消除人为计算误差。

关键词：湿度信号采集器;标准偏差;修正值

中图分类号： P412.13;TB9                                文献标识码：  A                    DOI编号：   10.14025/j.cnki.jlny.2019.12.068

目前，自动气象站檢定规程中没有指出多通道采集器的溯源方法，但该设备已经使用多年，作为计量器具其应该接受定期检定或校准[1]。湿度信号采集器本身就是湿度观测系统中的数据转换环节，更应该对其输出数据进行校准，给出示值误差的修正值，在检定时对示值进行修正，以确保相对湿度量值溯源准确有效。

1 多通道湿度信号采集器的误差

1.1 多通道湿度信号采集器工作原理

多通道湿度信号采集器正面为数据显示界面，背面有10组DB9型传感器接口，DB9接口的第二针脚接湿度传感器输出高电平、第三针脚接湿度地，第二针脚对第三针脚的电压差即为湿度电压信号，湿度采集器分别测量各组DB9接口的电压，将电压值存储在寄存器中，每分钟读取寄存器数据一次，并显示数据。

1.2多通道湿度信号采集器的误差成因

湿度采集器测量传感器的电压信号，依照0V～1V电压对应相对湿度0%～100%的测湿原理将电压换算成湿度。湿度采集器的误差产生于0V～1V电压的测量过程中[2]。

1.3采集器系统误差比对试验

1.3.1 试验设备组成 比对试验使用直流数字恒压源作为信号源，生成稳定的0V～1V电压信号，模拟湿度传感器所有可能的输出信号。使检定过的6位半万用表和湿度采集器同时测量恒压源的电压输出端子，其中6位半万用表的示指当做比对试验的真值。实验如图1所示。

2.3.2 系统误差计算方法 根据系统误差的定义：在重复性条件下，对同一被测量进行无限次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差[5]，湿度信号采集器的系统误差e为：

其中：x是湿度信号采集器进行n次重复测量的算术平均，T为真值。

1.3.3 确定合理的重复测量次数 重复测量次数决定了测量是否能反映被测设备的真实状态。重复测量次数越多，测量结果的平均值 越能逼近期望值，期望值是最能反映采集器固有特性的数值。但过多的测量次数也是不科学的，统计学使用计算标准偏差来表征被测量的分散程度，标准偏差越小，这些测量结果偏离平均值的程度就越小。标准差的计算公式如下[3]：

其中：xi是第i次测量结果;

x是n次测量的平均值。

当测量次数n增加，如果标准偏差趋于稳定，说明此时的n值能够反映传采集器的固有状态，可以确定为计算修正值实验次数[4]。

1.3.4 计算标准差试验 以30%RH和95%RH湿度检定点的测量数据为例，分析8次测量（采集器每30秒刷新一次显示界面的过程，视为一次测量）下标准偏差的趋势，如表1所示。

表1  30%RH和95%RH下不同测量次数的标准差趋势

单位%RH

两组实验数据表明，恒压源的输出对于湿度采集器来讲是极稳定的，设定好恒压源输出电压值，采集器就有稳定不变的示指。所以在下一步试验中，每一组实验的重复次数选定为2次。

2.3.5 测量采集器误差的实验及分析 根据检定规程推断，检定时传感器输出的直流电压信号范围必定在0.2v～1v之间。所以需要测量采集器误差的范围是20%RH～100%RH中的所有点。每个点测量2次，测量结果是2次示值的平均值。误差如表2所示。

表2中采集器测量为结果58%RH、74%RH、90%RH分别对应着两组真值，这种情况说明采集器对0.59V到0.6V的电压差，0.76V到0.77V的电压差，0.93V到0.94V的电压差没有分辨力。

当湿度信号采集器的测量结果是58%RH时，说明传感器的真实值可能是59%RH或60%RH，所以只能取二者的平均数59.5%RH作为采集器的测量结果为58%RH时的对应湿度真值，同理74%RH对应的湿度真值为76.5%RH，90%RH对应的湿度真值为93.5%RH。所以，测量结果58%RH的误差为-1.5%RH，测量结果74%RH的误差为-2.5%RH，测量结果90%RH的误差为-3.5%RH。在表3的最后一行中，采集器测量结果为96%RH 时，万用表的示值已经达到100%RH，所以，采集器97%RH、98%RH、99%RH的示值已经没有意义，因为万用表的示值是101mV、102 mV、103 mV，这组真值已经超过了实际相对湿度的物理意义。

2 多通道湿度信号采集器的误差修正

修正值是指用代数方法与未修正测量结果相加，以补偿其系统误差的值，修正值等于误差的相反数，根据表3中采集器的示指误差，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业务化

引入修正值后，多通道采集器的误差表示为：

误差=（采集器示值+示值修正）-标准器读数

为了彻底消除人为计算错误并提升计算速度，利用Matlab的GUI（图形用户界面）功能制作了湿度传感器误差计算器，如图2所示。它以检定规程和采集器修正值为核心算法，通过matlab语言编译算法，以C语言生成可执行文件[5]。当传感器的误差超过检定规程的要求时，误差的数字和结论标红处理，如图3所示。

4 结语

多通道采集器检定效率高，但是通过比对试验发现其存在较大系统误差。试验也发现这些误差的平均偏差为0，说明在恒定的条件下，采集器的误差是不变的。所以取误差的相反数作为修正值，将多通道采集器的读数与修正值相加，抵消误差。根据这个基本原理，设计了湿度传感器误差计算器软件，只需把标准器读数和多通道采集器读数输入进软件就可以得到修正后的采集器读数和传感器误差，并得出检定结论。使用误差计算软件可以消除人为计算误差，这两种方法结合大大提高了湿度传感器检定业务的质量，保证了自动站安装的每一只湿度传感器都得到准确可靠的量值溯源。

参考文献

[1]韩广鲁，孙嫣，边文超，等.CAWS600型自动气象站采集器通道误差修正[J].气象科技，2012，40（05）：755-758.

[2]JJG（气象）003-2011，自动气象站湿度传感器检定规程[S].

[3]吴丽娜，韩玉婷，汪鑫.湿度传感器检定方法探讨[J].气象水文海洋仪器，2017，34（03）：10-12.

[4]李慎安.修正值和修正因子的不确定度[J].中国计量， 2010（07）：94-95.

[5]李娅丽，忻尚芝，郑春雷.基于Matlab/GUI的数据分析界面设计[J].电子科技，2016，29（04）：88-91.