測量不確定度在機械天平計量檢定中的應(yīng)用研究

【摘要】測量不確定度是一種與結(jié)果相聯(lián)系的參量，能反映被測物的分散性。它的分析和評價是計量校準(zhǔn)中最關(guān)鍵的一項工作，不僅能反映測量值的離散性，而且也能為計量裝置的應(yīng)用提供更為精確的數(shù)據(jù)關(guān)系。文章在JJG 98—2019《機械天平》檢定規(guī)程的基礎(chǔ)上，總結(jié)了計量不確定度，并對其具體應(yīng)用進行了分析。

【關(guān)鍵詞】測量不確定度；計量檢定；應(yīng)用

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.01.025

Application of Measurement Uncertainty in Measurement Verification of Mechanical Balance

REN Hai-tao

（Shenyang Kangping County Centre for Market Regulatory Services，Shenyang 110000，China）

Abstract：The uncertainty of measurement is a parameter related to the result，it can reflect the dispersion of the measured object，its analysis and evaluation is the most important work in metrology calibration，it can not only reflect the dispersion of the measured value，it can also provide more accurate data relation for the application of metering device. Based on the verification regulation of JJG 98—2019 Mechanical balance，the uncertainty of measurement is summarized and its application is analyzed.

Key words：measurement uncertainty；measurement verification；application

1測量不確定度原理

測量不確定度，就是對一個測量結(jié)果的可信性、有效性的懷疑或不肯定。該方法首先對被測量對象進行選取，并進行參數(shù)化設(shè)計，從而獲得目標(biāo)在一定范圍內(nèi)的分布情況。在校驗中，測量員必須將某一特定的數(shù)值結(jié)果與概率資料相結(jié)合，畫出一段范圍，然后利用預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，對測量過程中的錯誤進行校正。其檢驗結(jié)果的準(zhǔn)確性直接關(guān)系所用的標(biāo)準(zhǔn)儀器的量值傳輸效果，以及計量儀器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

2不確定度和誤差的區(qū)別

在常規(guī)的計量校準(zhǔn)工作中，工作人員常常會把不確定度視為誤差，這樣的看法并不科學(xué)。實際上，不確定度與誤差有很大差別。不確定度是對被測量值的不能肯定的程度，而誤差是指實際測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的差異。很顯然，兩者之間有本質(zhì)的不同。在相同的被測對象中，誤差的數(shù)目不受方法的影響，并且測量條件不會對誤差產(chǎn)生直接的影響。

在具體的計量校準(zhǔn)工作中，工作人員在匯報計量設(shè)備和計量體系時，應(yīng)當(dāng)給出一個清晰的計量結(jié)果。同時，還要澄清測量工作的不確定性。在測量中，若檢定范圍比較大，則應(yīng)按量程劃分，以厘清各區(qū)段之間的不確定性。只有這樣，才可以比較和分析最大和最小的不確定度，以測量不確定度為主要的計量檢定基準(zhǔn)。同時，工作人員也要在不確定度的基礎(chǔ)上進行標(biāo)記。

3機械天平測量不確定度的評定

3.1測量方法

按照檢定規(guī)程的要求：分別用被檢的秤和標(biāo)準(zhǔn)器對同一被測量物進行測量，然后再進行計算，得出秤的差值。在實際應(yīng)用中，由于各種因素的作用，對不確定度成分進行了分析。本研究以200 g、0.1 mg的最大秤量計為例，在下文中作了詳盡的說明[2]。

眾所周知，機器秤的重復(fù)性、橫梁不等臂性刻度值和分度值的誤差都有各自的計算公式，下面將詳細說明，用毫克表示。

3.2對不確定度分量的測量進行評定

根據(jù)計量校準(zhǔn)規(guī)范的分析，發(fā)現(xiàn)造成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的因素有：溫度變化誤差、操作誤差、讀數(shù)誤差、天平誤差、標(biāo)準(zhǔn)器誤差等。

3.2.1評定標(biāo)準(zhǔn)器誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1

有關(guān)法規(guī)指出，二級標(biāo)準(zhǔn)砝碼的膨脹不確定性為0.6 mg，而含有系數(shù)k的數(shù)值是3，所以該自由度V1的數(shù)值是50，而標(biāo)準(zhǔn)不確定性u1為1/3×0.6=0.2。

3.2.2評定標(biāo)準(zhǔn)器誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2

根據(jù)有關(guān)規(guī)定，天平的示值可變性是指標(biāo)定不確定度，即所謂的稱量重復(fù)性，根據(jù)有關(guān)規(guī)定，V2的數(shù)值為50，u2為0。

3.2.3評定讀數(shù)誤差不確定度u3

3.2.6評定擴展不確定度

根據(jù)自由度Veef的值為100，置信概率為95%進行查詢，在t分布中可以獲得Kp的值為1.984，因此擴展不確定度是U98= 0.24×1.9=0.48。

4測量不確定度在機械天平計量檢定中的具體應(yīng)用

選用TG328B天平，最大重量200 g，分度為0.1 mg，在工作條件比較標(biāo)準(zhǔn)和正常時，用該設(shè)備對一組數(shù)據(jù)進行校驗，而另一臺儀器則用該儀器對該數(shù)據(jù)進行校驗，其結(jié)果如表1所示。

4.1計量檢定工作的應(yīng)用分析

測量不確定度是衡量技術(shù)工作者所必需掌握的理論知識，它已被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，具有很高的實用價值。本論文選擇了一種用于檢測不確定度的電子秤。這種儀器本身的數(shù)據(jù)參數(shù)，會對測量的不確定度產(chǎn)生一定的影響，如數(shù)據(jù)的重復(fù)性、分辨力、環(huán)境等，但這些因素的作用是相等的。

4.1.1應(yīng)用方法

測量不確定度是被測物體的一種離散特性，它是一種參量。這個參數(shù)經(jīng)過細分，可以用兩種不同的方法來衡量不確定度。首先是類型A，它的分散性在實際應(yīng)用中的表現(xiàn)，主要通過試驗的標(biāo)準(zhǔn)偏差來完成，它要求對得到的許多結(jié)果進行估計和分析。另一種是B級，它的分散性和參數(shù)的表征，必須根據(jù)被測物體的相關(guān)資料，或者測量人員的工作經(jīng)驗來確定。兩種評價方法的差別很大，A級在實際應(yīng)用中比較簡單，選擇一個被測量對象，然后再測量數(shù)據(jù)，計算偏差。而B級的實際應(yīng)用，則需要通過試驗收集大量的資料，進行全面的分析和評估，再加上B級的不確定度需要一定的經(jīng)驗和知識，所以B級的測試會受到更多主觀因素的影響。

4.1.2工具

本課題選擇了一種直接測定方法，選擇了E2級砝碼作為衡量基準(zhǔn)，它的擴展不確定度為0.1 mg，包含系數(shù)k=2。選擇已完成校準(zhǔn)的電子秤，最多稱重220 g，分度值0.1 mg。本研究以200 g為單位進行不確定度的測定。在測試過程中，天平必須考慮各種因素，對組合不確定度進行計算，最后才能進行擴展不確定度的計算。

4.1.3測量評定

首先，按照規(guī)定，200 g作為最大稱重，用天平對200 g標(biāo)準(zhǔn)砝碼進行10次測量，得出的數(shù)據(jù)分別是：200.001、200.002、200.000、200.0002、200.0002、200.0002、200.0001、200.0001、200.0002、200.0001。

1）首先計算A類不確定度分量，根據(jù)貝塞爾計算公式來計算A類不確定度和自由度。2）利用B級評定法，對天平在環(huán)境影響下的漂移不確定度成分進行了分析。這個天平的分度值為0.1 mg，按照均勻分布來計算B類不確定和自由度。3）采用B級標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定方法。4）使用B級評估法從標(biāo)準(zhǔn)砝碼中引進的不確定度，因為它的200 g重量擴展不確定性是0.1 mg，含有系數(shù)是2，所以得到的標(biāo)準(zhǔn)不確定度是0，并且具有自由度。5）綜合標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評估，由綜合不確定度公式計算得到的綜合標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

4.2不確定度評定并不是運用在所有的計量標(biāo)準(zhǔn)器上

在計量儀器的校準(zhǔn)中，不一定要對每一種計量標(biāo)準(zhǔn)進行不確定度的評估。根據(jù)《計量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》的規(guī)定，對結(jié)構(gòu)簡單、精度不高、對環(huán)境要求不高的儀器，可以按照計量標(biāo)準(zhǔn)，對儀器的重復(fù)使用、儀器的穩(wěn)定性、校準(zhǔn)過程中的不確定度進行評估。例如，被原國家質(zhì)檢總局列為首批簡化計量評價標(biāo)準(zhǔn)的項目，可以不進行不確定度檢測。

在實際檢驗工作中，尤其是在法定計量檢定時，被測結(jié)果和對應(yīng)的測定標(biāo)準(zhǔn)值之間有一個估算，這就是測量中需要的精度。在進行對比時，對測量準(zhǔn)則的不確定性通?？梢员缓鲆暋＠?，對于強制校準(zhǔn)的計量儀器，不需要進行不確定度的評估。

4.3在所有測量儀器的檢定中不一定都要考慮測量不確定度

JJF 1094—2002《測量儀器特性評定》中明確指出，在評定標(biāo)準(zhǔn)、方法和環(huán)境等方面都要符合標(biāo)準(zhǔn)、方法和環(huán)境的要求，才能保證檢測系統(tǒng)的量值之間的相互轉(zhuǎn)換，而當(dāng)被評定的儀器處于正常的情況下，不確定度的評定就會比較合理。所以，在規(guī)定中，如果各監(jiān)測點的示值偏差滿足了評價標(biāo)準(zhǔn)，則設(shè)定為該精度等級的檢定標(biāo)準(zhǔn)，而無需考慮不確定度對其評價結(jié)果的影響。

在評估的不確定度和被評估的測量儀器的最大容許偏差之比小于1∶3的情況下，可以不計所評估的不確定度；若被評估的儀表所產(chǎn)生的偏差在其最大容許偏差范圍之內(nèi)，則視為合格。如果被評估的測量儀表的顯示誤差超過最大容許偏差，則視為不合格

5結(jié)語

在機械天平的計量校準(zhǔn)中，對測量不確定度的評價以及所選用的計量標(biāo)準(zhǔn)的精度直接影響檢測結(jié)果的質(zhì)量。在機械秤的校準(zhǔn)中，不確定度的使用范圍很廣，在一定程度上，測定某一特定物質(zhì)的數(shù)量或建立測量標(biāo)準(zhǔn)時，要對各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量進行嚴格的控制。

【參考文獻】

[1]邱文靜，張楠.測量不確定度在機械天平計量檢定中的應(yīng)用研究[J].2020（14）：217.

[2]王學(xué)琴，呂輝，李倩倩，等.機械天平示值誤差測量值的不確定度評定[J].計量與測試技術(shù)，2015，42（6）：83-84+88.

[3]郭麗娜.機械天平測量結(jié)果不確定度的研究[J].科學(xué)與財富，2019（14）：291.

[4]張杰.機械天平的示值誤差測量不確定度評定[J].中國儀器儀表，2017（3）：72-75.

【作者簡介】

任海濤，男，1970年出生，助理工程師，研究方向為機械天平、砝碼。

（編輯：李加鵬）