硫化氢气体检测报警器计量校准示值误差测量不确定度评定

谢延斌 樊艳霞

【摘要】 本文以硫化氢气体报警器计量校准为例，通过具体实验对硫化氢气体报警器计量校准开展示值误差测量不确定度的评定，阐述了评定的方法和过程，得出不确定评定结果及测量结果的报告，为类似的技术工作提供参考。

【关键词】 示值误差;测量不确定度;测量模型;测量重复性;仪器分辨力

【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2022.01.010

Analysis of Matters Attention in the Verification of Optometry

XIE Yan-bin，FAN Yan-xia

（Karamay City Quality and Metrology Inspection Institute，Karamay 834000，China）

Abstract： Taking the calibration of hydrogen sulfide gas alarm as an example，this paper evaluates the uncertainty of indication error measurement of hydrogen sulfide gas alarm calibration through concrete experiments，and expounds the method and process of the evaluation，the report of uncertain evaluation result and measurement result can provide reference for similar technical work.

Key words： indication error;measurement uncertainty;measurement model;measurement repeatability;instrument resolution

硫化氢是一种神经性有毒气体，对人体有着致命的危害，广泛存在于石油开采、化工炼化以及污水处理等工业过程中。硫化氢在空气中的安全浓度值约为6.5 μmol/mol，如果空气中所含硫化氢浓度达到1000 μmol/mol时会瞬间致人死亡，所以有可能產生硫化氢的地方就必须进行有效监测。而硫化氢气体报警器作为精确测量环境中硫化氢气体浓度的专业仪器，早已被广泛应用于生产或生活中。

因硫化氢气体报警器的工作特点涉及环境监测以及人员的安全防护，所以国家对硫化氢气体报警器实行强制管理，将其列入《中华人民共和国依法管理的计量器具目录》中，实行周期性计量检定或校准。而在开展计量校准过程中，按照规范[1]要求必须对所有测量点开展测量不确定度的评定。本文以硫化氢气体报警器实验室计量校准为例，阐述校准示值误差的不确定度评定过程及方法。

1 测量不确定度的概念及评定方法

在《测量不确定度评定与表示》规范[2]中，测量不确定度定义为：根据所用到的信息，表征赋予被测量值分散性的非负参数。被测量值简单说就是被测对象的测量结果，也可称为实际值。但由于人为或者环境等因素影响，实际的测量始终无法获得真值，只能无限接近于真值。真值只能以一定概率的形式落入某一测量结果区间内，该区间表征了这一测量结果的分散性，而区间的大小即表达为测量不确定度与一包含因子的乘积。

测量不确定度评定方法按照最新版的JJF 1059规范进行，该规范分为两个部分：JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》，又称为GUM评定方法;JJF 1059.2—2012《用蒙特卡洛法评定测量不确定度》，又称为MCM法[3]，而GUM法是最常用也是最基本的评定方法。所以本文以GUM法开展硫化氢报警器计量校准示值误差测量不确定度的评定。

2 测量不确定度评定过程

2.1 不确定度主要来源分析[4]

在开展不确定度评定时，首先要进行不确定度来源分析，主要的来源一般由以下几点：1）主标准器自身的测量不确定度;2）配套设备的测量不确定度;3）检定或校准过程中由人员重复操作所带来的测量不确定度;4）被测仪器分辨力引发读数误差带来的测量不确定度;5）其他因素引起的测量不确定度，如环境因素以及由于定义的不完整所带来的影响等。

上述来源都是构成计量校准测量不确定度的分量。而在上述分量中，因计量校准一般都是要按照对应的计量检定规程或校准规范开展工作，而规程或规范中所规定的环境条件都是参考工作条件，只要在参考工作条件下开展的检定或校准，环境因素带来的测量不确定度分量可以不考虑。对于定义不完整带来的测量不确定度，只要测量原理正确，测量方法选择合适，其测量不确定度是所有考虑因素中最小的，可忽略。对于主要配套设备带来的测量不确定度，本文所述的硫化氢气体报警器计量标准主要涉及浮子流量计。按照规程，通过浮子流量计的气体流量是经过严格控制的，且流量的变化范围很小，所以浮子流量计带来的测量不确定度也可以忽略。而被测仪器分辨力带来的读数误差引发的测量不确定度在测量人员的每次测量过程中都已经包含进去，所以重复测量带来的不确定度和分辨力带来的不确定度不能同时纳入计算，而是取决于哪个分量的影响更大，取两者中的最大值。

综上所示，硫化氢气体报警器计量校准示值误差测量不确定度的来源主要包括：1）主标准器自身的测量不确定度;2）人员重复测量操作所带来的测量不确定度;3）被测仪器分辨力所带来的测量不确定度，其中在前两者中取较大的一个。

2.2 建立测量模型

按照GUM法，要进行测量不确定度的评定，首先要建立测量模型，按照JJG 695—2019《硫化氢气体检测仪》计量检定规程的要求，常规条件下报警器的示值误差可以采用相对误差来表示[5]，具体公式如下：

[Δxr=x-xsxs×100%]

其中，[x]为仪器示值的算术平均值;[xs]为气体标准物质的浓度值;[Δxr]为相对误差。上述公式就可以作为硫化氢计量校准示值误差测量不确定度评定所依据的测量模型。

2.3 不确定度分量的计算

1）测量重复性引入的不确定度分量[u1]

因测量重复性引入的不确定度分量属于A类评定方法，需要通过实验尽可能多采集测量数据，然后通过计算，获得对应的实验标准偏差。因此，根据计量检定规程有关重复性计算要求来设计实验。首先，需要准备一台性能稳定的硫化氢气体检测报警器，实验选用华瑞科学仪器（上海）有限公司生产的型号为PGM-1700，编号为G011222035的硫化氢气体检测仪;其次，按照规程准备量程范围内三个浓度点的硫化氢标准气体，分别是20 μmol/mol、50 μmol/mol、80 μmol/mol，其不确定度均为Urel=2%，k=2。按照重复性测量方法，对每个浓度点连续测量10次，计算出测量示值的平均值，并按照贝塞尔公式计算测量示值的重复性，相关的实验记录数据见表1。

测量复性利用贝塞尔公式[s=i=1n（xi-x）2n-1]进行计算，其中，[xi]为每个浓度值单次测量的示值，[x]为每个浓度值测量10次的平均值，n为测量次数n=10。按照规程，每个浓度点在实际测量时仅测量3次，所以依据不确定度评定的A类评定方法，各浓度值测量重复性引入的不确定度分量[u1]按照公式[u1=s3]进行计算，其结果见表2。

2）仪器分辨力引入的不确定度分量[u2]

因实验使用的硫化氢气体检测仪分辨力为1 μmol/mol，按照不确定度评定B类方法进行计算，其概率分布按照均匀分布考虑，概率因子[k=3]，得到三个浓度值，仪器分辨力引入的不确定度分量均为[u2=123=0.29 μmol/mol]。

3）主标准器引入的不确定度分量[u3]

该计量校准所使用的主标准器是具有国家一级标准物质证书的标准气体，其证书上标明的测量不确定度即为主标准器的测量不确定度。由于该不确定度是以相对测量不确定度Urel表示，计算[u3]时需要将其先转换为绝对测量不确定度U，然后按照B类评定方法，以公式u3=xsUrel/k进行计算，其中[xs]代表主标准器气体浓度值，其计算结果见表3。

经整理，各浓度值的不确定度分量汇总如表4所示。

注：因检定或校准过程中，重复测量已经包含了分辨力的影响，所以在进行不确定度合成过程中，应取重复性和分辨力引入不确定度分量的较大值。

2.4 计算合成相对标准不确定度[ucrel]

参照JJF 1059—2012.1《测量不确定度评定与表示》中的不确定度传播公式进行标准不确定度的合成。

1）对于20 μmol/mol浓度点：

[ucrel（Δxr）=c21u22+c22u23+2c1c2r（x，xs）u2u3]

2）对于50 μmol/mol、80 μmol/mol浓度点：

[ucrel（Δxr）=c21u21+c22u23+2c1c2r（x，xs）u1u3]

其中，[c1]，[c2]代表灵敏度系数，[c1=∂（Δx）∂x=1xs]，[c2=∂（Δx）∂xs=-xx2s];[r（x，xs）]代表[x]与[xs]之间的相关性，由于[x]与[xs]不相关，即[r（x，xs）=0]，分别代入已知数据，可得到各浓度点相对误差测量结果的合成标准不确定度（见表5）。

2.5 计算相对扩展不确定度Urel

在计算相对扩展不确定度Urel时，要确定扩展因子k，即不确定度的概率包含因子。一般情况下，概率包含因子k按照正态分布进行考虑，即取k=2，然后按照Urel=k·uc计算不同浓度点的相对扩展不确定度。按照数据修约的一般规定，同时为保守起见，可以保留两位有效数字，从而得到最终的计算结果如表6所示。

2.6 报告测量结果

20 μmol/mol测量点：[Δxr=（6.5±3.6）%]，k=2;

50 μmol/mol测量点：[Δxr=（1.4±2.4）%]，k=2;

80 μmol/mol測量点：[Δxr=（1.5±2.2）%]，k=2。

3 结语

测量不确定度的评定即是开展计量校准、计量建标以及实验室比对过程中的一项基础性技术工作，也是评价校准报告质量、计量标准性能、实验室测量能力的重要依据。为做好该项工作首先要清楚掌握影响测量结果的各类因素，并能够合理地加以分析，抓住主要影响因素，然后依据正确的测量模型，按照不同的评定方法开展综合计算，这样才能获得更加可信的测量不确定度评定结果，从而提高计量检定或校准工作的质量。

【参考文献】

[1] JJF 1033—2016计量标准考核规范[S].

[2] JJF 1059.1—2012测量不确定度评定与表示[S].

[3] JJF 1059.2—2012用蒙特卡洛法评定测量不确定度[S].

[4] 中国计量测试学会组.一级注册计量师基础知识及专业实务[M].北京：中国质检出版社，2017.

[5] JJG 695—2019硫化氢气体检测仪[S].

【作者简介】

谢延斌，男，1983年出生，工程师，学士，研究方向为计量、机电仪表、石油化工。