气象仪器设备性能测试方法 空气湿度 编制说明

一、工作简况(包括任务来源、协作单位、主要工作过程、主要起草人及其所做的工作等)1.任务来源本文件由全国气象仪器与观测方法标准化技术委员会(SAC/TC507)提出并归口。项目项，计划号20211189-T-416，计划项目名称《气象仪器设备性能测试方法空气湿度》。该项目由辽宁省气象装备保障中心沙莉负责，第一起草单位为辽宁省气象装备保障中2.协作单位本文件由辽宁省气象装备保障中心负责起草，辽宁省气象装备保障中心、中国气象局气象探测中心、战环所，中环天仪(天津)气象仪器有限公司。3.标准主要起草人及其所做的工作本文件主要起草人为：沙莉、陈曦、姜明波、赵旭、郑石、张艺萌、李松奎、丁红英、朱明宇、韩莹、王龙。姓名单位职称分工沙莉辽宁省气象装备保障中心高级工程师负责标准总体编写，提出标准结构、主要内容，完成初稿、编制说明、征求意见稿的编写工作等，协调工作组成员工作陈曦中国气象局气象探测中心高级工程师负责收集、整理相关资料文献，参与标准主要内容起草，对标准编写提供技术支持，修改初稿和征求意见稿姜明波战环所高级工程师赵旭中国气象局气象探测中心高级工程师郑石辽宁省气象装备保障中心高级工程师张艺萌辽宁省气象装备保障中心工程师负责相关技术指标的试验和分析，参与标准起草过程中的讨论，对标准结构和内容提出意见李松奎中国气象局气象探测中心工程师丁红英中国气象局气象探测中心高级工程师朱明宇辽宁省气象装工程师备保障中心韩莹辽宁省气象装备保障中心工程师参与标准起草过程中的讨论，对标准结构和内容提出意见，整理汇总意见回复王龙中环天仪(天津)气象仪器有限公司高级工程师4.主要工作过程(1)成立起草组、召开启动部署会、任务分工、制定工作计划2021年10月，召开了标准编制工作部署会，成立了编写组，明确了编写组人员分工任务，确定了标准编制编写原则和总体思路，制定工作进度计划。(2)组织调研、研讨咨询、确定技术路线2021年10月-12月，完成标准编写的前期准备工作，研究学习国内外相关标准、指南、规范等文件，调研国内外露点类标准器和干湿表类标准器技术现状，详细研讨目前冷镜式露点仪、机械通风干湿表和电动通风干湿表技术参数，广泛征求各方意见，初步确定本标准具体技术参数、编制思路、框架和内容。(3)技术参数的试验、分析和验证2022年1月-6月，项目组根据前期调研的情况，又组织相关专家对标准编制的工作进展进行研讨，以JJG499-2021精密露点仪、JJG993-2018电动通风干湿表检定规程和JJG204-1980气象用通风干湿表检定规程为基础，开展了大量的实验、研究和分析，通过上述大量实验，项目组对本标准中规定的各项技术参数进行了验证研究，证明了本标准确定的各项技术参数的可行性。(4)完成初稿编写2022年7月，项目组召开会议，对前期试验进行了总结，根据各项性能测试结果，完成国家标准《气象仪器设备性能测试方法空气湿度》初稿和编制说明的编写。(5)完成征求意见稿2022年8月-2022年12月，根据GB/T1.1—2009标准化工作导则第1部分项标准的结构和编写的原则，对《气象仪器设备性能测试方法空气湿度》初稿进行了修改，形成了征求意见稿。同时，对标准编制说明进行完善，增加了相应的工作内容。二、标准编制原则和确定标准主要内容的论据1.编制原则本标准以GB/T1.1--2009《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写规则》系列标准为基础，遵照我国相关法律、法规、规章、技术规范、标准及其规范，以及气象行业标准的特点，以大量的试验数据和长期以来对自动标准气压发生器的计量测试经验为基础，通过广泛调研，本着完整性、统一性、科学性、开放性和实用性为基本原则进行编制。2.主要内容及确定主要内容的依据(1)结构和内容本标准主要对于空气湿度气象观测仪器的计量性能测试方法进行了规定，明确了测试方法的适用范围，测试标准技术指标及试样计量性能要求，性能测试方法及方法选择，结果判定以及核查结论的应用等技术要素。本文件除前言外，全文共分10部分，主要包括标准的适用范围、规范性引用文件、术语和定义、原理、试验设备、试样、状态调节和试验环境、试验步骤、测试结果及数据处理、报告。本标准的主要内容如下：1)范围概括性地描述了标准所规定的内容，界定了标准的适用范围。2)术语对标准中所涉及的关键技术术语给出了定义。3)原理描述了空气湿度气象观测仪器的计量性能测试方法的工作原理。4)试验设备确定了计量标准器和主要配套设备的技术指标。5)试样规定了试样的计量性能要求。6)状态调节和试验环境规定了测试环境的技术指标。7)试验步骤规定了湿度仪器性能测试的各类技术指标测试的具体操作过程。8)测试结果及数据处理确定了露点温度与相对湿度换算和示值误差的计算方法。9)报告规定了报告的主要内容以及使用原则。(2)主要依据本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。采用GB/T37467-2019《气象仪器术语》和GB/T15768-1995《电容式湿敏元件与湿度传感器总规范》中的内容进行本文件规范性引用并构成本文件必不可少的条款所描述的基本精神和原则，结合对当前湿度计量机构所保持的计量标准装置、各机构开展湿度试验所遵循的方法调研，在综合分析和研究的基础上编制。三、主要试验(或验证)的分析、综述报告，技术经济论证，预期的经济效果1.技术分析与说明1)关于标准的5.1条和5.2条的技术指标要求项本条定义了标准器露点仪的技术指标的规定。作出此规定的考虑如下：依据JJG499-2021《精密露点仪检定规程》的准确度等级按最大允许误差划分，一级的技术指标测量范围在(-20~40)℃时的露点Td的最大允许误差为±0.2℃，换算成相对湿度的最大允许误差为±0.5%RH(≤80%RH)，±1%RH(>80%RH)。此标准的湿度发生器作为配套设备，参考JJF1272-2011《阻容法露点湿度计校准规范》5.2.2条款对湿度发生器的工作范围及波动度进行了规定。2)关于标准的第6.2项列出了湿度传感器的计量特性，参考WMO《气象仪器与观测方法湿度的测量》、GB/T35226-2017《地面气象观测规范空气温度和湿度》、JJF1076-2001《湿度传感器校准规范》、JJF1094-2002《测量仪器特性评定》相关条款及经验分析气象观测用湿度传感器误差来源主要有：样本的变异，例如稳定仓内空气样本受热或水汽源或汇的影响；测量传感器外观受尘埃或海水飞沫的污染；校准误差，包括大气压的修正、传感器和电路板的温度系数带来的固有误差；水相与冰相的不正确处理，例如过冷水问题；操作不当，例如未达到稳定平衡状态；取样与平均间隔不当导致传感器的时间常数和输出的平均时间与数据要求不合理等方面。依据误差来源分析，确定的关键计量特性指标为示值误差、时间常数和迟滞，参考GB/T15768-1995《电容式湿敏元件与湿度传感器总规范标准》的相关条款确定示值误差、时间常数和迟滞的计量特性技术指标。3)关于标准第7项气象湿度传感器的校准环境采用实验室校准，校准条件参考了JJG499-2021《精密露点仪》检定规程和JJG1076-2020《数字式温湿度计校准规范》。露点测量室和采样系统的温度应高于待测气体的露/霜点温度;当测量的露/霜点温度高于环境温度时，所有测量管路应加热，使其至少高于露/霜点温度(3~9)℃。用自来水或循环冷却液来冷却热电制冷器的散热器热端时，冷却液的温度和流量应相对恒定。使用风冷时，环境温度应相对恒定。主机工作的环境温度应在(5~35)℃之间，有特殊要求者，按其要求确定是否在恒温条件下校准。4)关于标准第8.1、8.2条外观检查主要从敏感元件清洁度、铭牌和数据接口牢固性几个方面进行检查。参考GB/T15768-19956.1款的内容和涵盖证书封面的相关内容，从铭牌及使用说明书中获取产品名称、型号、序列号、测量范围、制造商名称等传感器信息；湿度传感器使用手册中阐述了传感器的外观部件，主要由过滤器、保护盖和8针数据线接头三部分组成，过滤器同传感器在校准过程中同放入试验箱内开展测试，其过滤水分子的能力直接影响检测结果，故外观检查的清洁度包括过滤器和敏感元件；数据接口外观检查主要从连接线的牢固性和防漏电方面进行检查。从消除校准设备的测试腔对校准结果的外因影响而考虑的条款。经试验如果测试腔壁内含水珠，可使露点仪读数偏高导致测量结果不准。露点仪长期使用，镜面会附着一些肉眼看不见的有机物，导致露点仪读数偏高，所以在测试前需对镜面进行清洁，消除此方面对标准读数的干扰。5)关于标准第8.3.2条参考JJF1272-2011第6.2.3条，露点仪的校准点一般不超过10℃，经过换算，在控制温度25℃时，大气压力在1000hPa的控制环境下，露点温度在整10℃测试点换算成相对湿度值如下表所示：露点值(℃)-40-30-20-1000345相对湿度值%RH0.423.38.219.34073.89095从量值溯源方面考虑，尽量选择露点值接近整10℃测试点的相对湿度测试点，建议的校准点原则是在全量程覆盖，并兼顾测量效率和非线性测量误差的获取，使校准点加密与校准效率进行有效的结合。提供的校准点建议主要参考GB/T15768-1995第10.1.2条款规定，至少选择低湿段、中湿段和高湿段各1个校准点。选取2支温湿度传感器的校准结果，分析说明从30%~95%，每隔10%RH间隔进行了全量程升湿和降湿两个趋势的示值误差，校准结果如图1所示。图1(a)N485065120℃湿度示值误差散点图图1(b)N492032020℃湿度示值误差散点图图2(a)N48506515℃湿度示值误差散点图图2(b)N49203205℃湿度示值误差散点图由图1、图2所示，在不同温度点湿度校准的示值误差曲线基本一致，在低湿点和露点到达0℃附近时，因过冷水现象会出现拐点，从升湿和降湿的趋势看，虽然示值误差呈非线性，但是存在一定的规律性，故校准点可以选择两端点外增加1至2个校准点可以反映湿度校准的计量特性。6)关于标准第8.3.3条通过试验方法验证示值误差校准方法。取2支传感器(vaisala表号为K4920320、K4850651)展开试验，分别在5℃和20℃温度点，从0~95%RH范围内，每隔10%RH间隔开展湿度校准，待露点标准装置到达设置点湿度时，稳定30分钟后开始读数，以每间隔1次/分钟的方法分别记录湿度发生器温度、湿度点读数、露点仪温度、露点值、露点仪相对湿度值、被校准仪器相对湿度读数，共记录10组数据，读数时间持续10分钟，在数据分析时采间隔2分钟取得的3组数据与10组数据进行分析，10组数据的重复性采用贝塞尔公式计算，3组数据的从重复性采用极差法计算得到的数据结果如图3所示：图3(a)20℃时N4850651两种读数次数示值误差结果比较图3(b)20℃时N4920320两种读数次数示值误差比较图3(c)20℃时N4850651两次读数重复性比较和图3(d)20℃时N4920320两种读数重复性比较结论：1、10次与3次测量结果的示值误差采用算术平均值的方法得到，由图2(a)和图2(b)的图示可以看出两种读数次数的示值误差基本一致，最大差值的绝对值为0.11%RH，被校传感器的分辨力为0.1%RH,可以判定测量结果的差异可忽略。2、10次测量重复性采用贝塞尔公式法，3次测量重复性采极差法计算，由图2(c)和图2(d)的图示可以看出，两种方法计算的重复性最大差值的绝对值不超过0.1%RH,而且极差法评定的重复性结果偏大，被校传感器的分辨力为0.1%RH,在不确定度计算时取偏大值。3、经数据分析可得出测量结果取3次读数，可以节省校准时间且不影响校准结果的准确性及满足测量不确定度评定的要求。7)关于标准第9条a)标准值相对湿度的算法标准器的相对湿度的计算公式依据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)相对湿度，%RH；''ew(ei)-----------水相(冰相)饱和水汽压,Pa；e'-----------水汽压，Pa。由露点的定义得到：在相同压力和混合比的条件下，温度下降后得到的露点温度下的饱和水汽压ew(Td)与测定点温度的水汽压e'(T)相同。本规范计量标准采用冷镜式露点仪，则标准器的相对湿度计算方法为：式中：U标——校准点标准湿度值，%RH；Ue(Td)——露点温度的饱和水汽压，Pa；e(Ts)——测试室内温度饱和水汽压，Pa。b)饱和水汽压算法本规范附录A饱和水汽压的计算公式依据(4.B.1)