氣象儀器設(shè)備性能測(cè)試方法 空氣濕度 編制說(shuō)明

一、工作簡(jiǎn)況(包括任務(wù)來(lái)源、協(xié)作單位、主要工作過(guò)程、主要起草人及其所做的工作等)1.任務(wù)來(lái)源本文件由全國(guó)氣象儀器與觀測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC507)提出并歸口。項(xiàng)目項(xiàng)，計(jì)劃號(hào)20211189-T-416，計(jì)劃項(xiàng)目名稱(chēng)《氣象儀器設(shè)備性能測(cè)試方法空氣濕度》。該項(xiàng)目由遼寧省氣象裝備保障中心沙莉負(fù)責(zé)，第一起草單位為遼寧省氣象裝備保障中2.協(xié)作單位本文件由遼寧省氣象裝備保障中心負(fù)責(zé)起草，遼寧省氣象裝備保障中心、中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心、戰(zhàn)環(huán)所，中環(huán)天儀(天津)氣象儀器有限公司。3.標(biāo)準(zhǔn)主要起草人及其所做的工作本文件主要起草人為：沙莉、陳曦、姜明波、趙旭、鄭石、張藝萌、李松奎、丁紅英、朱明宇、韓瑩、王龍。姓名單位職稱(chēng)分工沙莉遼寧省氣象裝備保障中心高級(jí)工程師負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)總體編寫(xiě)，提出標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)、主要內(nèi)容，完成初稿、編制說(shuō)明、征求意見(jiàn)稿的編寫(xiě)工作等，協(xié)調(diào)工作組成員工作陳曦中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心高級(jí)工程師負(fù)責(zé)收集、整理相關(guān)資料文獻(xiàn)，參與標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容起草，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)提供技術(shù)支持，修改初稿和征求意見(jiàn)稿姜明波戰(zhàn)環(huán)所高級(jí)工程師趙旭中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心高級(jí)工程師鄭石遼寧省氣象裝備保障中心高級(jí)工程師張藝萌遼寧省氣象裝備保障中心工程師負(fù)責(zé)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的試驗(yàn)和分析，參與標(biāo)準(zhǔn)起草過(guò)程中的討論，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容提出意見(jiàn)李松奎中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心工程師丁紅英中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心高級(jí)工程師朱明宇遼寧省氣象裝工程師備保障中心韓瑩遼寧省氣象裝備保障中心工程師參與標(biāo)準(zhǔn)起草過(guò)程中的討論，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容提出意見(jiàn)，整理匯總意見(jiàn)回復(fù)王龍中環(huán)天儀(天津)氣象儀器有限公司高級(jí)工程師4.主要工作過(guò)程(1)成立起草組、召開(kāi)啟動(dòng)部署會(huì)、任務(wù)分工、制定工作計(jì)劃2021年10月，召開(kāi)了標(biāo)準(zhǔn)編制工作部署會(huì)，成立了編寫(xiě)組，明確了編寫(xiě)組人員分工任務(wù)，確定了標(biāo)準(zhǔn)編制編寫(xiě)原則和總體思路，制定工作進(jìn)度計(jì)劃。(2)組織調(diào)研、研討咨詢、確定技術(shù)路線2021年10月-12月，完成標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)的前期準(zhǔn)備工作，研究學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、指南、規(guī)范等文件，調(diào)研國(guó)內(nèi)外露點(diǎn)類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)器和干濕表類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)器技術(shù)現(xiàn)狀，詳細(xì)研討目前冷鏡式露點(diǎn)儀、機(jī)械通風(fēng)干濕表和電動(dòng)通風(fēng)干濕表技術(shù)參數(shù)，廣泛征求各方意見(jiàn)，初步確定本標(biāo)準(zhǔn)具體技術(shù)參數(shù)、編制思路、框架和內(nèi)容。(3)技術(shù)參數(shù)的試驗(yàn)、分析和驗(yàn)證2022年1月-6月，項(xiàng)目組根據(jù)前期調(diào)研的情況，又組織相關(guān)專(zhuān)家對(duì)標(biāo)準(zhǔn)編制的工作進(jìn)展進(jìn)行研討，以JJG499-2021精密露點(diǎn)儀、JJG993-2018電動(dòng)通風(fēng)干濕表檢定規(guī)程和JJG204-1980氣象用通風(fēng)干濕表檢定規(guī)程為基礎(chǔ)，開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)、研究和分析，通過(guò)上述大量實(shí)驗(yàn)，項(xiàng)目組對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證研究，證明了本標(biāo)準(zhǔn)確定的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的可行性。(4)完成初稿編寫(xiě)2022年7月，項(xiàng)目組召開(kāi)會(huì)議，對(duì)前期試驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，根據(jù)各項(xiàng)性能測(cè)試結(jié)果，完成國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《氣象儀器設(shè)備性能測(cè)試方法空氣濕度》初稿和編制說(shuō)明的編寫(xiě)。(5)完成征求意見(jiàn)稿2022年8月-2022年12月，根據(jù)GB/T1.1—2009標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫(xiě)的原則，對(duì)《氣象儀器設(shè)備性能測(cè)試方法空氣濕度》初稿進(jìn)行了修改，形成了征求意見(jiàn)稿。同時(shí)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)編制說(shuō)明進(jìn)行完善，增加了相應(yīng)的工作內(nèi)容。二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則和確定標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的論據(jù)1.編制原則本標(biāo)準(zhǔn)以GB/T1.1--2009《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫(xiě)規(guī)則》系列標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，遵照我國(guó)相關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)章、技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及其規(guī)范，以及氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)，以大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)氣壓發(fā)生器的計(jì)量測(cè)試經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)廣泛調(diào)研，本著完整性、統(tǒng)一性、科學(xué)性、開(kāi)放性和實(shí)用性為基本原則進(jìn)行編制。2.主要內(nèi)容及確定主要內(nèi)容的依據(jù)(1)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容本標(biāo)準(zhǔn)主要對(duì)于空氣濕度氣象觀測(cè)儀器的計(jì)量性能測(cè)試方法進(jìn)行了規(guī)定，明確了測(cè)試方法的適用范圍，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)及試樣計(jì)量性能要求，性能測(cè)試方法及方法選擇，結(jié)果判定以及核查結(jié)論的應(yīng)用等技術(shù)要素。本文件除前言外，全文共分10部分，主要包括標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語(yǔ)和定義、原理、試驗(yàn)設(shè)備、試樣、狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)步驟、測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)處理、報(bào)告。本標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容如下：1)范圍概括性地描述了標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的內(nèi)容，界定了標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍。2)術(shù)語(yǔ)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)術(shù)語(yǔ)給出了定義。3)原理描述了空氣濕度氣象觀測(cè)儀器的計(jì)量性能測(cè)試方法的工作原理。4)試驗(yàn)設(shè)備確定了計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器和主要配套設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)。5)試樣規(guī)定了試樣的計(jì)量性能要求。6)狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗(yàn)環(huán)境規(guī)定了測(cè)試環(huán)境的技術(shù)指標(biāo)。7)試驗(yàn)步驟規(guī)定了濕度儀器性能測(cè)試的各類(lèi)技術(shù)指標(biāo)測(cè)試的具體操作過(guò)程。8)測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)處理確定了露點(diǎn)溫度與相對(duì)濕度換算和示值誤差的計(jì)算方法。9)報(bào)告規(guī)定了報(bào)告的主要內(nèi)容以及使用原則。(2)主要依據(jù)本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。采用GB/T37467-2019《氣象儀器術(shù)語(yǔ)》和GB/T15768-1995《電容式濕敏元件與濕度傳感器總規(guī)范》中的內(nèi)容進(jìn)行本文件規(guī)范性引用并構(gòu)成本文件必不可少的條款所描述的基本精神和原則，結(jié)合對(duì)當(dāng)前濕度計(jì)量機(jī)構(gòu)所保持的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置、各機(jī)構(gòu)開(kāi)展?jié)穸仍囼?yàn)所遵循的方法調(diào)研，在綜合分析和研究的基礎(chǔ)上編制。三、主要試驗(yàn)(或驗(yàn)證)的分析、綜述報(bào)告，技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效果1.技術(shù)分析與說(shuō)明1)關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)的5.1條和5.2條的技術(shù)指標(biāo)要求項(xiàng)本條定義了標(biāo)準(zhǔn)器露點(diǎn)儀的技術(shù)指標(biāo)的規(guī)定。作出此規(guī)定的考慮如下：依據(jù)JJG499-2021《精密露點(diǎn)儀檢定規(guī)程》的準(zhǔn)確度等級(jí)按最大允許誤差劃分，一級(jí)的技術(shù)指標(biāo)測(cè)量范圍在(-20~40)℃時(shí)的露點(diǎn)Td的最大允許誤差為±0.2℃，換算成相對(duì)濕度的最大允許誤差為±0.5%RH(≤80%RH)，±1%RH(>80%RH)。此標(biāo)準(zhǔn)的濕度發(fā)生器作為配套設(shè)備，參考JJF1272-2011《阻容法露點(diǎn)濕度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》5.2.2條款對(duì)濕度發(fā)生器的工作范圍及波動(dòng)度進(jìn)行了規(guī)定。2)關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)的第6.2項(xiàng)列出了濕度傳感器的計(jì)量特性，參考WMO《氣象儀器與觀測(cè)方法濕度的測(cè)量》、GB/T35226-2017《地面氣象觀測(cè)規(guī)范空氣溫度和濕度》、JJF1076-2001《濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》、JJF1094-2002《測(cè)量?jī)x器特性評(píng)定》相關(guān)條款及經(jīng)驗(yàn)分析氣象觀測(cè)用濕度傳感器誤差來(lái)源主要有：樣本的變異，例如穩(wěn)定倉(cāng)內(nèi)空氣樣本受熱或水汽源或匯的影響；測(cè)量傳感器外觀受塵?；蚝Ｋw沫的污染；校準(zhǔn)誤差，包括大氣壓的修正、傳感器和電路板的溫度系數(shù)帶來(lái)的固有誤差；水相與冰相的不正確處理，例如過(guò)冷水問(wèn)題；操作不當(dāng)，例如未達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)；取樣與平均間隔不當(dāng)導(dǎo)致傳感器的時(shí)間常數(shù)和輸出的平均時(shí)間與數(shù)據(jù)要求不合理等方面。依據(jù)誤差來(lái)源分析，確定的關(guān)鍵計(jì)量特性指標(biāo)為示值誤差、時(shí)間常數(shù)和遲滯，參考GB/T15768-1995《電容式濕敏元件與濕度傳感器總規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)條款確定示值誤差、時(shí)間常數(shù)和遲滯的計(jì)量特性技術(shù)指標(biāo)。3)關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)第7項(xiàng)氣象濕度傳感器的校準(zhǔn)環(huán)境采用實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，校準(zhǔn)條件參考了JJG499-2021《精密露點(diǎn)儀》檢定規(guī)程和JJG1076-2020《數(shù)字式溫濕度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》。露點(diǎn)測(cè)量室和采樣系統(tǒng)的溫度應(yīng)高于待測(cè)氣體的露/霜點(diǎn)溫度;當(dāng)測(cè)量的露/霜點(diǎn)溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，所有測(cè)量管路應(yīng)加熱，使其至少高于露/霜點(diǎn)溫度(3~9)℃。用自來(lái)水或循環(huán)冷卻液來(lái)冷卻熱電制冷器的散熱器熱端時(shí)，冷卻液的溫度和流量應(yīng)相對(duì)恒定。使用風(fēng)冷時(shí)，環(huán)境溫度應(yīng)相對(duì)恒定。主機(jī)工作的環(huán)境溫度應(yīng)在(5~35)℃之間，有特殊要求者，按其要求確定是否在恒溫條件下校準(zhǔn)。4)關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)第8.1、8.2條外觀檢查主要從敏感元件清潔度、銘牌和數(shù)據(jù)接口牢固性幾個(gè)方面進(jìn)行檢查。參考GB/T15768-19956.1款的內(nèi)容和涵蓋證書(shū)封面的相關(guān)內(nèi)容，從銘牌及使用說(shuō)明書(shū)中獲取產(chǎn)品名稱(chēng)、型號(hào)、序列號(hào)、測(cè)量范圍、制造商名稱(chēng)等傳感器信息；濕度傳感器使用手冊(cè)中闡述了傳感器的外觀部件，主要由過(guò)濾器、保護(hù)蓋和8針數(shù)據(jù)線接頭三部分組成，過(guò)濾器同傳感器在校準(zhǔn)過(guò)程中同放入試驗(yàn)箱內(nèi)開(kāi)展測(cè)試，其過(guò)濾水分子的能力直接影響檢測(cè)結(jié)果，故外觀檢查的清潔度包括過(guò)濾器和敏感元件；數(shù)據(jù)接口外觀檢查主要從連接線的牢固性和防漏電方面進(jìn)行檢查。從消除校準(zhǔn)設(shè)備的測(cè)試腔對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的外因影響而考慮的條款。經(jīng)試驗(yàn)如果測(cè)試腔壁內(nèi)含水珠，可使露點(diǎn)儀讀數(shù)偏高導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)。露點(diǎn)儀長(zhǎng)期使用，鏡面會(huì)附著一些肉眼看不見(jiàn)的有機(jī)物，導(dǎo)致露點(diǎn)儀讀數(shù)偏高，所以在測(cè)試前需對(duì)鏡面進(jìn)行清潔，消除此方面對(duì)標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)的干擾。5)關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)第8.3.2條參考JJF1272-2011第6.2.3條，露點(diǎn)儀的校準(zhǔn)點(diǎn)一般不超過(guò)10℃，經(jīng)過(guò)換算，在控制溫度25℃時(shí)，大氣壓力在1000hPa的控制環(huán)境下，露點(diǎn)溫度在整10℃測(cè)試點(diǎn)換算成相對(duì)濕度值如下表所示：露點(diǎn)值(℃)-40-30-20-1000345相對(duì)濕度值%RH0.423.38.219.34073.89095從量值溯源方面考慮，盡量選擇露點(diǎn)值接近整10℃測(cè)試點(diǎn)的相對(duì)濕度測(cè)試點(diǎn)，建議的校準(zhǔn)點(diǎn)原則是在全量程覆蓋，并兼顧測(cè)量效率和非線性測(cè)量誤差的獲取，使校準(zhǔn)點(diǎn)加密與校準(zhǔn)效率進(jìn)行有效的結(jié)合。提供的校準(zhǔn)點(diǎn)建議主要參考GB/T15768-1995第10.1.2條款規(guī)定，至少選擇低濕段、中濕段和高濕段各1個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。選取2支溫濕度傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果，分析說(shuō)明從30%~95%，每隔10%RH間隔進(jìn)行了全量程升濕和降濕兩個(gè)趨勢(shì)的示值誤差，校準(zhǔn)結(jié)果如圖1所示。圖1(a)N485065120℃濕度示值誤差散點(diǎn)圖圖1(b)N492032020℃濕度示值誤差散點(diǎn)圖圖2(a)N48506515℃濕度示值誤差散點(diǎn)圖圖2(b)N49203205℃濕度示值誤差散點(diǎn)圖由圖1、圖2所示，在不同溫度點(diǎn)濕度校準(zhǔn)的示值誤差曲線基本一致，在低濕點(diǎn)和露點(diǎn)到達(dá)0℃附近時(shí)，因過(guò)冷水現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)，從升濕和降濕的趨勢(shì)看，雖然示值誤差呈非線性，但是存在一定的規(guī)律性，故校準(zhǔn)點(diǎn)可以選擇兩端點(diǎn)外增加1至2個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)可以反映濕度校準(zhǔn)的計(jì)量特性。6)關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)第8.3.3條通過(guò)試驗(yàn)方法驗(yàn)證示值誤差校準(zhǔn)方法。取2支傳感器(vaisala表號(hào)為K4920320、K4850651)展開(kāi)試驗(yàn)，分別在5℃和20℃溫度點(diǎn)，從0~95%RH范圍內(nèi)，每隔10%RH間隔開(kāi)展?jié)穸刃?zhǔn)，待露點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)裝置到達(dá)設(shè)置點(diǎn)濕度時(shí)，穩(wěn)定30分鐘后開(kāi)始讀數(shù)，以每間隔1次/分鐘的方法分別記錄濕度發(fā)生器溫度、濕度點(diǎn)讀數(shù)、露點(diǎn)儀溫度、露點(diǎn)值、露點(diǎn)儀相對(duì)濕度值、被校準(zhǔn)儀器相對(duì)濕度讀數(shù)，共記錄10組數(shù)據(jù)，讀數(shù)時(shí)間持續(xù)10分鐘，在數(shù)據(jù)分析時(shí)采間隔2分鐘取得的3組數(shù)據(jù)與10組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，10組數(shù)據(jù)的重復(fù)性采用貝塞爾公式計(jì)算，3組數(shù)據(jù)的從重復(fù)性采用極差法計(jì)算得到的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示：圖3(a)20℃時(shí)N4850651兩種讀數(shù)次數(shù)示值誤差結(jié)果比較圖3(b)20℃時(shí)N4920320兩種讀數(shù)次數(shù)示值誤差比較圖3(c)20℃時(shí)N4850651兩次讀數(shù)重復(fù)性比較和圖3(d)20℃時(shí)N4920320兩種讀數(shù)重復(fù)性比較結(jié)論：1、10次與3次測(cè)量結(jié)果的示值誤差采用算術(shù)平均值的方法得到，由圖2(a)和圖2(b)的圖示可以看出兩種讀數(shù)次數(shù)的示值誤差基本一致，最大差值的絕對(duì)值為0.11%RH，被校傳感器的分辨力為0.1%RH,可以判定測(cè)量結(jié)果的差異可忽略。2、10次測(cè)量重復(fù)性采用貝塞爾公式法，3次測(cè)量重復(fù)性采極差法計(jì)算，由圖2(c)和圖2(d)的圖示可以看出，兩種方法計(jì)算的重復(fù)性最大差值的絕對(duì)值不超過(guò)0.1%RH,而且極差法評(píng)定的重復(fù)性結(jié)果偏大，被校傳感器的分辨力為0.1%RH,在不確定度計(jì)算時(shí)取偏大值。3、經(jīng)數(shù)據(jù)分析可得出測(cè)量結(jié)果取3次讀數(shù)，可以節(jié)省校準(zhǔn)時(shí)間且不影響校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性及滿足測(cè)量不確定度評(píng)定的要求。7)關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)第9條a)標(biāo)準(zhǔn)值相對(duì)濕度的算法標(biāo)準(zhǔn)器的相對(duì)濕度的計(jì)算公式依據(jù)WMO《GuidetoInstrumentsandMethodsofObservation》(2018)的第四章“MEASUREMENTOFHUMIDITY”的式(4.A.15)、(4.A.17)所表述：(X(pX(e'Uw=100|X)||pX)||e)|p,T(X(pX(e'Xvi)p,TpXvi)p,Tei)p,TUi=Xvi)p,TpXvi)p,Tei)p,T式中：Uw(Ui)-----------水相(冰相)相對(duì)濕度，%RH；''ew(ei)-----------水相(冰相)飽和水汽壓,Pa；e'-----------水汽壓，Pa。由露點(diǎn)的定義得到：在相同壓力和混合比的條件下，溫度下降后得到的露點(diǎn)溫度下的飽和水汽壓ew(Td)與測(cè)定點(diǎn)溫度的水汽壓e'(T)相同。本規(guī)范計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)采用冷鏡式露點(diǎn)儀，則標(biāo)準(zhǔn)器的相對(duì)濕度計(jì)算方法為：式中：U標(biāo)——校準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)濕度值，%RH；Ue(Td)——露點(diǎn)溫度的飽和水汽壓，Pa；e(Ts)——測(cè)試室內(nèi)溫度飽和水汽壓，Pa。b)飽和水汽壓算法本規(guī)范附錄A飽和水汽壓的計(jì)算公式依據(jù)(4.B.1)