基于實(shí)例分析的測(cè)量不確定度評(píng)定研究

王旭鋒

（通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司 寧波分公司，浙江 寧波315000）

0 前言

測(cè)量不確定度是與測(cè)量結(jié)果關(guān)聯(lián)的一個(gè)參數(shù)，用于表征合理賦予被測(cè)量的值的分散性。 它可以用于“不確定度”方式，也可以是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差（或其給定的倍數(shù)）或給定置信度區(qū)間的半寬度。該參量常由很多分量組成，它的表達(dá)中定義了獲得不確定度的不同方法，燃燒測(cè)試是一種典型的不可復(fù)現(xiàn)測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果的不確定度評(píng)定具有相對(duì)的代表性意義。

1 測(cè)量?jī)x器與環(huán)境

1.1 原理

為了保證燃燒的充分性， 選擇最容易燃燒的方位將玩具懸掛起來(lái)，使用特定燃燒器，以45°傾角與玩具接觸，對(duì)玩具的燃燒速度進(jìn)行測(cè)試。 測(cè)量計(jì)算公式為：V=S/T。

1.2 儀器

選擇符合ISO6941-84 規(guī)定的測(cè)試專用火焰燃燒器， 燃燒氣體為丁烷。為了保證試驗(yàn)的安全進(jìn)行，配備鹵代烷滅火器，測(cè)量長(zhǎng)度用的鋼直尺規(guī)格為（300±1）mm。

1.3 環(huán)境

要對(duì)環(huán)境中的溫度和濕度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)， 確保實(shí)驗(yàn)室溫度在10℃～30℃之間，濕度為（15～80）%RH。

2 測(cè)量步驟

1）為了確保測(cè)試的準(zhǔn)確性，減少相應(yīng)的誤差，在燃燒測(cè)試進(jìn)行前，要對(duì)玩具進(jìn)行適當(dāng)?shù)靥幚恚?5℃～25℃，相對(duì)濕度為（65±5）%RH 的恒溫恒濕箱內(nèi)，放置7 個(gè)小時(shí)。

2）將測(cè)試玩具取出后，要在2 分鐘之內(nèi)，選擇合適的位置，以最易燃燒的方位，進(jìn)行懸吊，燃燒器噴嘴要放置在合適的距離，以5mm 為最佳，使火焰可以接觸下邊緣上方30mm 處；為了確保計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，可以將計(jì)時(shí)器的停止開(kāi)關(guān)與玩具懸吊細(xì)線相連；要對(duì)噴嘴到細(xì)線的距離S進(jìn)行測(cè)量和記錄。

3）將火焰高度調(diào)整至20mm，啟動(dòng)后，以45°角度與試樣3 秒鐘，之后將燃燒器移開(kāi)，使其保持自行燃燒。當(dāng)火焰將頂部細(xì)線燒斷，計(jì)時(shí)器停止后，對(duì)燃燒時(shí)間T 進(jìn)行記錄。

4）使用滅火器將火焰撲滅。

5）對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算，對(duì)結(jié)論進(jìn)行判斷。

3 不確定度分析

以上檢測(cè)方法必須根據(jù)玩具檢測(cè)的安全標(biāo)準(zhǔn)EN71-Ⅱ：1993 以及相關(guān)的測(cè)試流程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，要確保測(cè)試的安全性，對(duì)于檢測(cè)方法的不確定度不予考慮。

圖1

根據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)的測(cè)試規(guī)程，由于試驗(yàn)樣本在恒溫恒濕箱內(nèi)進(jìn)行了預(yù)處理，其校正溫度（20±2）℃，校正濕度（65±3）%RH，對(duì)于燃燒速度不確定度的影響同樣可以忽略。

根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算公式V=S/T，S 單位為mm，T 單位為s（秒）

根據(jù)以上的不確定度分析因果圖，將燃燒速度的計(jì)算公式進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展，

v=s/t·f氣純度·f分散性

公式中，f氣純度=1，f分散性=1，其主要不確定度分量有：

火焰燃燒距離S 的不確定度u1

火焰燃燒時(shí)間T 的不確定度u2

燃燒氣體丁烷純度引起的不確定度u3

以及測(cè)量的分散性引起的不確定度u4

各個(gè)分量之間互不相關(guān)， 經(jīng)過(guò)測(cè)量， 在試驗(yàn)中， 燃燒距離為210mm， 火焰的燃燒時(shí)間為9.5s， 帶入公式， 可得燃燒速度為：22.1（mm/s)。

4 不確定度分量

4.1 火焰燃燒距離S 的不確定度分量：

使用鋼直尺測(cè)量，其本身標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.18mm，鋼直尺分辨率誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.29mm， 帶入計(jì)算公式馬克的火焰燃燒距離S 的不確定度為：u1=0.34mm

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u1′=0.34/210=0.0016

4.2 火焰燃燒時(shí)間T 的不確定度分量：

由于計(jì)時(shí)器啟動(dòng)和停止計(jì)時(shí)系統(tǒng)自身的系統(tǒng)效應(yīng)可以相互抵消，其所造成的不確定度的應(yīng)用可以忽略不計(jì)；計(jì)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間分辨率為0.1s，由此引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

0.29δχ=0.29×0.1=0.029s

對(duì)計(jì)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部校正，得到不確定度評(píng)估為0.173s，帶入相應(yīng)的計(jì)算公式，可得火焰燃燒時(shí)間T 的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：u2=0.175s

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u2′=0.175/9.5=0.0184

4.3 丁烷氣體純度不確定度分量：

經(jīng)過(guò)相應(yīng)的內(nèi)部校正， 計(jì)算出燃燒丁烷氣體的純度為98%以上，假設(shè)氣體均勻分布，其所帶來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：u氣純度=0.0058相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u氣純度=0.0058/1=0.0058

4.4 其他不確定度分量：

為了確保測(cè)試的準(zhǔn)確性，保證測(cè)試結(jié)果的全面的真實(shí)，選擇同一批次、同一型號(hào)的玩具，有甲、乙、丙三個(gè)測(cè)試人員分別機(jī)械測(cè)試，每人測(cè)試五只，其測(cè)試數(shù)據(jù)如下，數(shù)據(jù)單位為mm/s。

甲:五次的測(cè)試結(jié)果分別為：22.5,20.6,22.9,22.1,21.5；

乙：五次測(cè)試結(jié)果分別為：22.7,19.8,23.1,20.9,21.9；

丙： 五次測(cè)試結(jié)果分別為：22.3,20.5,23.4,19.9,21.2.

計(jì)算平均值， 可得平均速度為21.69mm/s； 標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1.16mm/s；

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u′=1.16/21.69=0.0535

根據(jù)相應(yīng)的測(cè)試規(guī)程， 在測(cè)試過(guò)程中，為了避免誤差的產(chǎn)生，要采取必要的措施， 對(duì)噴火器的火焰高度的偏差以及噴嘴與玩具便面距離的偏差進(jìn)行嚴(yán)格地控制， 對(duì)于火焰的燃燒哦速度所造成的影響，可以認(rèn)為其包括在測(cè)量的分散性中，不需要進(jìn)行單獨(dú)評(píng)定。

uv/v=0.0569

故可得uv=22.1×0.0569=1.2574≈1.3（mm/s）

包含因子K=2，擴(kuò)展不確定度為

1.3×2=2.6（mm/s）

其結(jié)果可以表示為 22.1±2.6mm/s

運(yùn)用EXCEL 電子表格對(duì)玩具的燃燒速度不確定度進(jìn)行評(píng)定，可以看出，玩具的燃燒速度受丁烷氣體密度以及相應(yīng)的分散性因素的影響較小，其自身數(shù)值的變化可以忽略；燃燒時(shí)間的變化和燃燒距離的變化是最主要的兩個(gè)不確定度分量，必須進(jìn)行精確的測(cè)量，保證數(shù)值的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。

5 結(jié)果討論

首先，根據(jù)不確定度的因果關(guān)系以及不確定度的合成，可以看出，不確定度與測(cè)試的各個(gè)因素都存在一定的聯(lián)系，而相對(duì)來(lái)說(shuō)，測(cè)試的分散性對(duì)于測(cè)試的最終結(jié)果影響十分巨大，在操作中必須加強(qiáng)注意。

其次，燃燒測(cè)試是一種典型的不可復(fù)現(xiàn)性測(cè)試，其測(cè)試的質(zhì)量只能通過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐來(lái)驗(yàn)證，以上試驗(yàn)的測(cè)試過(guò)程符合相應(yīng)的理論和規(guī)范，其結(jié)果也相對(duì)比較合理和準(zhǔn)確。

最后， 使用EXCEL 表格計(jì)算得出的結(jié)果與一般相對(duì)不確定度的計(jì)算結(jié)果是一致的，而且更加簡(jiǎn)潔和方便。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)例分析，可以看出，測(cè)量不確定度可以定量地表示測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量，對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響是十分巨大的。 相關(guān)的科研工作人員必須充分重視起來(lái)，在科學(xué)測(cè)量中對(duì)其存在的不確定度進(jìn)行評(píng)定，盡一切可能，減少測(cè)量中存在的誤差，保證測(cè)量工作的嚴(yán)謹(jǐn)性和精確度。

［1］張海濱,王中宇,劉智敏.測(cè)量不確定度評(píng)定的驗(yàn)證研究[J].計(jì)量學(xué)報(bào),2007,28(3):194-197.