界面张力仪示值误差的不确定度分析与评定

李凡　徐杨　顾亮　李庆斌

【摘要】 本文列出了界面张力仪示值误差的计算公式，分析了不确定度分量的来源，介绍了不确定度评定方法，以典型值为例，论述了详细的评定过程，最后给出了各个测量值的扩展不确定度。

【关键词】 界面张力;示值误差;不确定度

【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2020.04.023

The Analysis and Evaluation of Uncertainty in Indication Error of Interface Tensiometers

LI Fan1，XU Yang2，GU Liang1，LI Qing-bin1

（1.Liaoning Provincial Institute of Measurement，Shenyang 110004，China;

2.PetroChina Liaohe Petrochemical Company，Panjin 124000，China）

Abstract： The paper lists the calculation formula of the indication error of the interface tensiometer，analyses the sources of uncertainty component，introduces the method of the evaluation of uncertainty，uses the typical value as the example，discourses the detailed process and finally gives the extended uncertainty for each measurements.

Key words： interfacial tension;indication error;uncertainty

界面指的是兩相接触的约几个分子厚的过渡区，分子间的作用力形成液体的张力，张力值大小能够反映物理化学性质及其物质组成，是相关行业考量产品质量的重要指标之一。界面张力仪能够测量各类液体的表面张力（液-气相界面）和液体的界面张力（液-液相界面），因此在石油、化工、食品、电力等行业均有十分广泛的应用。

1 概述

1.1 测量依据

测量依据为JJF 1464-2014《界面张力仪》。

1.2 测量标准

F1等标准质量砝码。

1.3 测量方法

先将装置清零，然后按照力值递增方向逐点施加砝码，记录被测仪器的示值，该过程重复测量三次，计算测量数据的算数平均值作为测量结果，按照式（1）计算示值误差。

2 数学模型及不确定度传播率

2.1 数学模型

[q=F-FS]

其中：q——示值误差;

FS——为根据质量砝码作用计算的理论张力值;

F——为被测仪器的显示值。

2.2 灵敏系数

[c1=qF=1]，[c2=qFS=-1]

3 不确定度的来源

不确定度的来源主要有读数分辨力的不确定度、测量重复性的不确定度和理论张力值的不确定度。

4 标准不确定度评定

对一台界面张力仪进行检测，得到各个测量点的结果，如表1所示。

4.1 测量重复性的不确定度[u（S1）]

由于测量次数为3次，因此选用极差法。由表1可知，测量点为20 mN/m时，极差为0.02 mN/m，此时极差系数为1.69，则：

[u（S1）=0.02/1.69=0.0119] mN/m

4.2 读数分辨力的不确定度[u（S2）]

读数分辨力为0.01 mN/m，则：

[u（S2）=（0.01/2）/1.732=0.00289] mN/m。

4.3 理论张力值的不确定度[u（S3）]

理论张力值的计算公式为：

[Fs=m×g2×S]

其中：m——标准砝码的质量;

g——重力加速度，常数;

S——铂金环的计算常数，常数。

数学模型：

[u2S3=c23u2m]

灵敏系数：

[c3=g2S]

标准砝码为F1等，100 mg的最大允许误差为±0.05 mg，[u（m）=0.05/1.732=0.029] mg，计算得到：

[u（S3）==0.00598] mN/m

5 合成标准不确定度[uc]

[uS2]小于[uS1]，合成时只考虑[uS1]，且各分量彼此互不相关，则：

[uc=u2S1+u2S3=0.0134] mN/m

6 扩展不确定度

取[k=2]，[U=kuc=0.03] mN/m。

7 扩展不确定度汇总表

其它各个测量点的评定方法和过程与上述内容类似，其中300 mg标准值是利用一个100 mg砝码与一个200 mg砝码叠加得到，400 mg标准值是利用两个200 mg砝码叠加得到，在这两个测量点下计算[u（S3）]的时候，应将两个标准砝码的MPE引入的不确定度先合成一次，然后再利用灵敏系数计算得到[u（S3）]。经过计算得到各个测量点的扩展不确定度，如表2所示。

【参考文献】

[1]    倪玉才.实用测量不确定度评定[M]. 北京：中国质检出版社，2016.

[2]    界面张力仪校准规范：JJF 1464-2014[S].

[3]    韩雪梅.F1等级砝码示值误差测量结果不确定度评定[J].品牌与标准化，2018（3）：49-51.

[4]    张遥奇，曾麟，陈岳飞.自动标准压力发生器示值误差的测量不确定度研究[J].中国检验检测，2019（6）：36-38.

[5]    王杰，陈志艳，曹旭，等.磁力平衡悬梁式液体界面张力仪的研制[J].大学物理，2017（3）：44-46+56.

【作者简介】

李凡（1983-），男，高级工程师，学士，研究方向为计量检测技术、不确定度的理论分析与实际应用。

徐杨（1984-），男，工程师，学士，研究方向为计量仪表和计量器具的检定/校准。

顾亮（1979-），男，高级工程师，学士，研究方向为计量检测方法与技术。

李庆斌（1987-），男，工程师，硕士，研究方向为为计量检测技术研究及计量管理。