测量不确定度在机械天平计量检定中的应用研究

2023-07-10任海涛

品牌与标准化 2023年1期

【摘要】测量不确定度是一种与结果相联系的参量，能反映被测物的分散性。它的分析和评价是计量校准中最关键的一项工作，不仅能反映测量值的离散性，而且也能为计量装置的应用提供更为精确的数据关系。文章在JJG 98—2019《机械天平》检定规程的基础上，总结了计量不确定度，并对其具体应用进行了分析。

【关键词】测量不确定度；计量检定；应用

【DOI編码】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测量不确定度原理

测量不确定度，就是对一个测量结果的可信性、有效性的怀疑或不肯定。该方法首先对被测量对象进行选取，并进行参数化设计，从而获得目标在一定范围内的分布情况。在校验中，测量员必须将某一特定的数值结果与概率资料相结合，画出一段范围，然后利用预先设定的参数，对测量过程中的错误进行校正。其检验结果的准确性直接关系所用的标准仪器的量值传输效果，以及计量仪器的校准数据。

2不确定度和误差的区别

在常规的计量校准工作中，工作人员常常会把不确定度视为误差，这样的看法并不科学。实际上，不确定度与误差有很大差别。不确定度是对被测量值的不能肯定的程度，而误差是指实际测量值与标准值的差异。很显然，两者之间有本质的不同。在相同的被测对象中，误差的数目不受方法的影响，并且测量条件不会对误差产生直接的影响。

在具体的计量校准工作中，工作人员在汇报计量设备和计量体系时，应当给出一个清晰的计量结果。同时，还要澄清测量工作的不确定性。在测量中，若检定范围比较大，则应按量程划分，以厘清各区段之间的不确定性。只有这样，才可以比较和分析最大和最小的不确定度，以测量不确定度为主要的计量检定基准。同时，工作人员也要在不确定度的基础上进行标记。

3机械天平测量不确定度的评定

3.1测量方法

按照检定规程的要求：分别用被检的秤和标准器对同一被测量物进行测量，然后再进行计算，得出秤的差值。在实际应用中，由于各种因素的作用，对不确定度成分进行了分析。本研究以200 g、0.1 mg的最大秤量计为例，在下文中作了详尽的说明[2]。

众所周知，机器秤的重复性、横梁不等臂性刻度值和分度值的误差都有各自的计算公式，下面将详细说明，用毫克表示。

3.2对不确定度分量的测量进行评定

根据计量校准规范的分析，发现造成标准不确定度的因素有：温度变化误差、操作误差、读数误差、天平误差、标准器误差等。

3.2.1评定标准器误差的标准不确定度u1

有关法规指出，二级标准砝码的膨胀不确定性为0.6 mg，而含有系数k的数值是3，所以该自由度V1的数值是50，而标准不确定性u1为1/3×0.6=0.2。

3.2.2评定标准器误差的标准不确定度u2

根据有关规定，天平的示值可变性是指标定不确定度，即所谓的称量重复性，根据有关规定，V2的数值为50，u2为0。

3.2.3评定读数误差不确定度u3

3.2.6评定扩展不确定度

根据自由度Veef的值为100，置信概率为95%进行查询，在t分布中可以获得Kp的值为1.984，因此扩展不确定度是U98= 0.24×1.9=0.48。

4测量不确定度在机械天平计量检定中的具体应用

选用TG328B天平，最大重量200 g，分度为0.1 mg，在工作条件比较标准和正常时，用该设备对一组数据进行校验，而另一台仪器则用该仪器对该数据进行校验，其结果如表1所示。

4.1计量检定工作的应用分析

测量不确定度是衡量技术工作者所必需掌握的理论知识，它已被广泛地应用于各行各业，具有很高的实用价值。本论文选择了一种用于检测不确定度的电子秤。这种仪器本身的数据参数，会对测量的不确定度产生一定的影响，如数据的重复性、分辨力、环境等，但这些因素的作用是相等的。

4.1.1应用方法

测量不确定度是被测物体的一种离散特性，它是一种参量。这个参数经过细分，可以用两种不同的方法来衡量不确定度。首先是类型A，它的分散性在实际应用中的表现，主要通过试验的标准偏差来完成，它要求对得到的许多结果进行估计和分析。另一种是B级，它的分散性和参数的表征，必须根据被测物体的相关资料，或者测量人员的工作经验来确定。两种评价方法的差别很大，A级在实际应用中比较简单，选择一个被测量对象，然后再测量数据，计算偏差。而B级的实际应用，则需要通过试验收集大量的资料，进行全面的分析和评估，再加上B级的不确定度需要一定的经验和知识，所以B级的测试会受到更多主观因素的影响。

4.1.2工具

本课题选择了一种直接测定方法，选择了E2级砝码作为衡量基准，它的扩展不确定度为0.1 mg，包含系数k=2。选择已完成校准的电子秤，最多称重220 g，分度值0.1 mg。本研究以200 g为单位进行不确定度的测定。在测试过程中，天平必须考虑各种因素，对组合不确定度进行计算，最后才能进行扩展不确定度的计算。

4.1.3测量评定

首先，按照规定，200 g作为最大称重，用天平对200 g标准砝码进行10次测量，得出的数据分别是：200.001、200.002、200.000、200.0002、200.0002、200.0002、200.0001、200.0001、200.0002、200.0001。

1）首先计算A类不确定度分量，根据贝塞尔计算公式来计算A类不确定度和自由度。2）利用B级评定法，对天平在环境影响下的漂移不确定度成分进行了分析。这个天平的分度值为0.1 mg，按照均匀分布来计算B类不确定和自由度。3）采用B级标准不确定度的评定方法。4）使用B级评估法从标准砝码中引进的不确定度，因为它的200 g重量扩展不确定性是0.1 mg，含有系数是2，所以得到的标准不确定度是0，并且具有自由度。5）综合标准不确定度的评估，由综合不确定度公式计算得到的综合标准不确定度。

4.2不确定度评定并不是运用在所有的计量标准器上

在计量仪器的校准中，不一定要对每一种计量标准进行不确定度的评估。根据《计量标准考核规范》的规定，对结构简单、精度不高、对环境要求不高的仪器，可以按照计量标准，对仪器的重复使用、仪器的稳定性、校准过程中的不确定度进行评估。例如，被原国家质检总局列为首批简化计量评价标准的项目，可以不进行不确定度检测。

在实际检验工作中，尤其是在法定计量检定时，被测结果和对应的测定标准值之间有一个估算，这就是测量中需要的精度。在进行对比时，对测量准则的不确定性通常可以被忽视。例如，对于强制校准的计量仪器，不需要进行不确定度的评估。

4.3在所有测量仪器的检定中不一定都要考虑测量不确定度

JJF 1094—2002《测量仪器特性评定》中明确指出，在评定标准、方法和环境等方面都要符合标准、方法和环境的要求，才能保证检测系统的量值之间的相互转换，而当被评定的仪器处于正常的情况下，不确定度的评定就会比较合理。所以，在规定中，如果各监测点的示值偏差满足了评价标准，则设定为该精度等级的检定标准，而无需考虑不确定度对其评价结果的影响。

在评估的不确定度和被评估的测量仪器的最大容许偏差之比小于1∶3的情况下，可以不计所评估的不确定度；若被评估的仪表所产生的偏差在其最大容许偏差范围之内，则视为合格。如果被评估的测量仪表的显示误差超过最大容许偏差，则视为不合格