砝碼檢定的影響因素及測(cè)量不確定度研究

摘要：一直以來，質(zhì)量計(jì)量在力學(xué)計(jì)量系統(tǒng)中都處在重要的地位。確保質(zhì)量計(jì)量的準(zhǔn)確性，才能使流量計(jì)量、扭矩計(jì)量和壓力計(jì)量等多種計(jì)量工作的準(zhǔn)確性得到提升。而在質(zhì)量量值計(jì)量中，砝碼則是重要的載體?；谶@種認(rèn)識(shí)，本文對(duì)影響砝碼檢定的因素展開了分析，并且對(duì)砝碼檢定的測(cè)量不確定度進(jìn)行了評(píng)估，從而為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量計(jì)量；磁力；

一、碼檢定的影響因素分析

在實(shí)際進(jìn)行任何砝碼檢定、測(cè)量之前，砝碼都必須要清潔。清潔過程中不能去除任何一塊砝碼材料。砝碼在抓取和儲(chǔ)存時(shí)都必須保持其清潔。清潔時(shí)不得改變砝碼的表面特性。按照檢定規(guī)程，需要使用蒸餾水或無水乙醇進(jìn)行砝碼的清潔。而使用不同的清潔液，則需要使砝碼保持不同的穩(wěn)定時(shí)間。比如使用蒸餾水進(jìn)行F2等級(jí)200g砝碼清洗，就需要將砝碼放置1h后再進(jìn)行檢定。而在檢定過程中，砝碼檢定測(cè)量還將受到溫度、振動(dòng)頻率和氣密度等因素的影響，所以還要做好這些因素的控制。

（1）溫度變化。在使用砝碼或?qū)来a進(jìn)行檢定之前，都需要使其在恒溫條件下放置一段時(shí)間，并且直至砝碼達(dá)到實(shí)驗(yàn)室大氣狀況。針對(duì)F2等級(jí)砝碼，需要確保實(shí)驗(yàn)室溫度變化每4小時(shí)不超過3.5℃，并且使砝碼保持在基礎(chǔ)溫度。例如，如果實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)溫度為20℃，每4小時(shí)實(shí)驗(yàn)室溫度需要在16.5～23.5℃之間。此外，還要避免砝碼和天平受陽光直射。而使用不同等級(jí)和不同質(zhì)量的砝碼進(jìn)行檢定，砝碼需要保持的溫度穩(wěn)定時(shí)間并不相同。比如在溫度為20℃的條件下，F(xiàn)2等級(jí)的1000kg砝碼需要穩(wěn)定5h，200kg砝碼需要穩(wěn)定4h，2kg砝碼需要穩(wěn)定2h，小于10g砝碼需要穩(wěn)定0.5h。

（2）振動(dòng)頻率。在檢定砝碼的過程中，除了做好溫度變化控制，還要避免砝碼產(chǎn)生振動(dòng)頻率。所以，需要使砝碼遠(yuǎn)離震源，并且避免砝碼周圍有氣流浮動(dòng)。為達(dá)成這一目標(biāo)，需要利用地表進(jìn)行振動(dòng)指標(biāo)的測(cè)量。按照規(guī)定，應(yīng)該確保地表振動(dòng)指標(biāo)不超出5×10-3g，g為重力加速度。此外，工作臺(tái)的振動(dòng)指標(biāo)需要小于0.5×10-3g，振動(dòng)頻率在50～500Hz的范圍內(nèi)。

（3）磁力作用。在對(duì)砝碼進(jìn)行檢定測(cè)量時(shí)，磁力也將對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。在實(shí)際測(cè)量過程中，將很難區(qū)分磁力和重力。在磁力的作用下，兩個(gè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)則會(huì)產(chǎn)生相互作用，并且也容易導(dǎo)致衡量儀器與周圍周圍磁性物體發(fā)生相互作用。所以在檢定砝碼時(shí)，需要遠(yuǎn)離磁源。此外，在進(jìn)行質(zhì)量檢定折算時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的磁性進(jìn)行測(cè)定。而通過測(cè)定磁化率和永久極化強(qiáng)度，則能夠忽略磁作用。經(jīng)過檢測(cè)，如果砝碼的磁性不合格，就不能進(jìn)行折算質(zhì)量檢定。通常情況下，在對(duì)砝碼檢定測(cè)量不確定度進(jìn)行分析時(shí)，需要對(duì)衡量儀器帶來的測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)估，以達(dá)成分析磁力作用對(duì)砝碼測(cè)量影響的目的。

（4）空氣密度。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)如果空氣密度變化，也將對(duì)砝碼檢定產(chǎn)生影響。比如在海拔較低時(shí)，隨著溫度降低和濕度增大，空氣密度也將逐漸變大。而砝碼的空氣浮力與砝碼體積和空氣密度有關(guān)，在砝碼體積不變的情況下，空氣密度的變化將導(dǎo)致砝碼受到的空氣浮力發(fā)生變化，繼而導(dǎo)致砝碼的量值傳遞受到影響。

二、砝碼檢定的測(cè)量不確定度評(píng)定

測(cè)量成果的不確定度是與測(cè)量成果密切相關(guān)的參數(shù)，它受整個(gè)測(cè)量過程中所受各種因素的影響，砝碼測(cè)量成果的不確定度來源于三個(gè)方面：規(guī)范砝碼引進(jìn)的不確定度、空氣浮力引進(jìn)的不確定度和衡量儀器導(dǎo)致的不確定度。本文介紹F1等級(jí)200g砝碼傳遞F2等級(jí)200g砝碼時(shí)的不確定度鑒定，在此量值傳遞中，空氣密度選用了平均值，砝碼資料密度及其不確定度選用規(guī)程中給出的數(shù)值。

（1）標(biāo)準(zhǔn)砝碼引入的不確定度

這里采用F1等級(jí)砝碼，由于在量值傳遞過程中，采用修正值。k=2時(shí)，查表得U=0.3。

因此：

式中：U———規(guī)范砝碼的拓展不確定度砝碼質(zhì)量的不穩(wěn)定性導(dǎo)致的不確定度uinst（mcr）能夠從規(guī)范砝碼多次檢定之后的質(zhì)量改變中估量出來，如測(cè)量次數(shù)大于或等于6次，可選用貝賽爾公式得到；如測(cè)量次數(shù)少于6次，可選用極差法得到。本規(guī)范砝碼組僅檢定了兩次，故選用極差法得到，即：

方面：規(guī)范砝碼引進(jìn)的不確定度、空氣浮力引進(jìn)的不確定度和衡量儀器導(dǎo)致的不確定度。這篇文章介紹F1等級(jí)200g砝碼傳遞F2等級(jí)200g砝碼時(shí)的不確定度評(píng)定，在此量值傳遞中，空氣密度選用了平均值，砝碼資料密度及其不確定度選用規(guī)程中給出的數(shù)值。

代人上式得u（mcr）=0.15275mg。

（2）空氣浮力引入的不確定度

在JJG99—2006《砝碼》中規(guī)則，F(xiàn)2等級(jí)砝碼需要進(jìn)行空氣浮力批改的條件是：空氣密度的測(cè)量成果超越m3（1±10%），或許m0|C|=|（Vt-Vr）×（ρa(bǔ)-ρ0）|>|MPE|/9。在本例中，F(xiàn)1等級(jí)200g規(guī)范砝碼體積及其不確定度分別為Vref=25.04cm3，uVref=0.067cm3；被檢砝碼密度ρtest=7.85g/cm3，測(cè)量不確定度U（ρtest）=0.14g/cm3，相當(dāng)于200g砝碼的體積Vtest=25.48cm3，測(cè)量不確定度uVref=0.446cm3；此刻，規(guī)范砝碼的上等級(jí)砝碼為E1等級(jí)規(guī)范砝碼，則Vref*=25.01cm3。設(shè)當(dāng)?shù)乜諝饷芏鹊钠骄担?/p>

（3）衡量儀器引入的不確定度

偏載引起的不確定度：

靈敏度引起的不確定度忽略不計(jì)。合成以上的四個(gè)不確定度分量為衡量儀器引起的不確定度為：

（4）被檢砝碼標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成

被檢砝碼測(cè)量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

被檢砝碼測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度：

U（mt）=kuc（mt）=2×0.507mg=1.01mg

（5）碼檢定測(cè)量不確定度的合成

完成各因素引起的不確定度計(jì)算后，可以利用公式

進(jìn)行砝碼檢定測(cè)量不確定度的合成。而通過計(jì)算可得uc（mt）=0.50718mg，所以可知砝碼測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為：U（mt）=kuc（mt）=1.01mg。

歸納以上各種要素的剖析，砝碼在檢定的過程中受多種方面的影響，在檢定過程中，環(huán)境、檢測(cè)設(shè)備、砝碼等各方面都要思考，任何一方面的忽略都可能給檢定成果形成很大的差錯(cuò)。應(yīng)對(duì)差錯(cuò)來歷進(jìn)行全部剖析，做到既不遺漏也不重復(fù)，并抓住首要差錯(cuò)來歷進(jìn)行重點(diǎn)剖析，以便消除各種影響要素，進(jìn)步質(zhì)量量值傳遞的準(zhǔn)確性。

（作者單位：唐山市計(jì)量測(cè)試所）