羽絨殘脂率測定結果的不確定度評定

李國華， 孫寶芬， 陳 浩， 張 慧， 呂榮輝

(山東出入境檢驗檢疫局， 山東 青島 266002)

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羽絨殘脂率測定結果的不確定度評定

李國華， 孫寶芬， 陳 浩， 張 慧， 呂榮輝

(山東出入境檢驗檢疫局， 山東 青島 266002)

為反映實驗室殘脂率檢測結果的可靠程度，采用直接評定方法對羽絨殘脂率的測量結果進行不確定度評定。根據羽絨殘脂率測試原理，分析得出其測量結果的不確定度來源主要為測量的重復性、樣品質量的稱量、殘脂的稱量；進而對各分量分別進行了評定，計算出了羽絨殘脂率的合成標準不確定度和擴展不確定度。分析結果表明：天平的分辨力和測量重復性是影響殘脂率總不確定度的主要分量；采用數字分辨力高的天平，并對萃取環節的試驗條件和過程嚴格控制而保持測試一致性，從而保證檢測結果的準確度。該結果對實驗室檢測結果的評估起到借鑒作用。

羽絨； 殘脂率； 測量不確定度； 天平分辨力

測量不確定度的評定是實驗室檢測結果報告的重要組成部分，其評定能力反映了實驗室的技術水平。國際標準ISO/IEC 17025∶2005《檢測和校準實驗室能力的通用要求》中測量不確定度的評定條款明確提出：實驗室須建立并實施測量不確定度評估程序[1]。不確定度的大小直接反映測量結果質量的高低，客觀反映了檢測結果的可靠程度[2]。出具測量結果的同時給出其不確定度，便于使用者評價數據的可靠性，并且使實驗室測量結果間具備可比性[3]。羽絨殘脂率是羽絨及其制品的重要品質指標，其檢測結果受環境、儀器精度、材料本身不均勻性等測試條件影響，測試數據具有一定的分散性。由于檢測標準中沒有給出重復性測試結果的允許誤差，本文按照實驗室測量不確定評估程序[4-5]，通過系列試驗和數據處理，開展對羽絨殘脂率測量不確定度評定的研究，經建立模型確定分量，到合成與擴展的計算等環節，分析導致不確定度的主要因素，以期對實驗室檢測結果的評估提供借鑒。

1 測試方法與原理

1.1 測試儀器與試劑

試驗儀器：BP211D型電子天平1(最大允許誤差±0.001 5 g，分辨力0.000 1 g)，檢定合格；BS210S型電子天平2(最大允許誤差±0.015 g，分辨力0.001 g)，檢定合格；恒溫水浴鍋(金壇市金城國盛實驗儀器廠)；烘箱(南通宏大實驗儀器有限公司)。

萃取試劑：乙醚(美國MREDA技術股份有限公司)。

試樣：水洗灰鴨絨由臨沂蘭興羽絨制品有限公司提供，經檢驗證明其具有均勻一致性特征。將樣品置于標準大氣條件下平衡穩定后，充分混合，隨機稱取羽絨殘脂率試樣20個。

1.2 測試過程

根據GB/T 10288—2003《羽絨羽毛試驗方法》,采取索氏萃取法測試羽絨殘脂率。先將測試樣品放置恒溫恒濕室中平衡1 d，將樣品充分混合均勻，隨機稱取20個試樣放入濾紙筒。將試驗樣品放入105 ℃烘箱中烘干2 h，然后將濾紙筒放入索氏抽取管中，接通冷凝器和已知干態質量的燒瓶。倒入足夠的試劑確保回流完成。調整水浴鍋的溫度，使試劑回流次數控制在5～6次/h，總回流次數20次以上。回流結束后，蒸發掉燒瓶中的試劑，然后將燒瓶放入105 ℃烘箱中烘至恒定質量。其測試結果按下式計算：

(1)

式中:M為質量恒定的帶殘脂的燒瓶質量，g；D為對應原空燒瓶質量，g；C為羽絨試驗樣品的質量，g；X為所測羽絨殘脂率，%。

2 數學模型的建立

式(1)是由測試原理給出的，根據測試原理和信息分析，建立殘脂率不確定度數學模型[4]如下：

(2)

式中:X為所測羽絨殘脂率，%；frep為引入的測量重復性修正因子，其數學期望值為1。

3 測試結果與分析

3.1 不確定度的主要來源分析

殘脂率測量過程中不確定度的來源具體從以下幾方面展開分析。

1) 稱量過程產生的不確定度，其包含3方面的不確定分量： 稱量重復性引入的不確定度按A類評定，即利用對觀測列的統計分析的方法來評定；天平計量結果引入的不確定度按B類評定，即為用不同于對觀測列進行統計分析的評定方法；天平示值可讀性(常稱為數字分辨力)引入的不確定度，同樣按B類評定。綜上，稱量引入的不確定度實際存在于試驗樣品質量、空燒瓶質量和含有殘脂的燒瓶質量的3個稱量過程中。

2)在測試時常遇到即便很好地控制了環境條件或其他影響因素，最終測量結果也存在一定的分散性的情況，即多次測量結果并不完全相等。這些客觀存在是由一些隨機效應所造成的，是不確定度的來源之一[5]，即重復性試驗所引入的不確定度。

3)其他偶然因素方面，雖然環境的濕度對樣品質量會有影響，但由于試驗樣品預處理和質量稱量過程是在標準方法規定的且符合嚴格波動容差要求的恒溫恒濕環境進行，故對樣品質量不確定度的影響可不予考慮。

4)應用不確定度因果關系圖的精簡規則，組合類似影響因素[6]，將稱量過程中的重復性因素同試驗過程中的某些偶然因素組合在一起，使每次稱量的變異性和偶然的變異性均貢獻給整個方法的重復性試驗所檢測到的變異性[7]。

綜上所述，殘脂率測量的不確定度分量來源可歸納為4類：測量重復性的不確定度uf；樣品質量的不確定度uC；空燒瓶質量的不確定度uD；含殘脂燒瓶質量的不確定度uM。

3.2 不確定度分量的評定步驟與計算

3.2.1 測量重復性

測量重復性uf分量包含天平的測量重復性和樣品不均勻性等方面的隨機影響。取同一樣品若干試樣，測量20個數據。表1所示為羽絨殘脂率測試結果。

試驗樣品重復測量的單次測量試驗標準偏差由以下貝塞爾公式[4]計算：

表1 羽絨殘脂率測試結果Tab.1 Testing results of fat and oil content

由于方法規定羽絨殘脂率結果為2次測量的平均值，計算測量重復性不確定度為

3.2.2 樣品質量

使用天平1稱量樣品質量uc, mg。該過程要有3個影響因素，其中稱量重復性已經歸入測試重復性中，此處不重復計算[7]。另2個影響因素為：天平計量結果(按B類方法評定為uC1, mg)；天平數字分辨力(按B類方法評定為uC2, mg)。由于天平1處于專用天平室，環境穩定，空氣浮動等影響忽略不計。

3.2.3 空燒瓶質量

使用天平2進行樣品稱量空燒瓶質量μ0, mg，不確定度分量分析同3.2.2，表示為：天平計量結果, 按B類方法評定為uD1, mg；天平數字分辨力,按B類方法評定為uD2, mg。

同樣空燒瓶質量uD由uD1和uD2合成而得，

3.2.4 含殘脂燒瓶質量

含殘脂燒瓶質量uM， mg，同樣使用天平2進行稱量，其標準不確定度分量同3.2.3空燒瓶質量uD，即：uM≈uD=8.665 mg。

空燒瓶和含殘脂燒瓶的稱量實際是殘脂稱量的過程。二者的合成即為殘脂稱量產生的總不確定度。表2示出了不確定度各個分量的貢獻值。

3.3 合成標準不確定度

M和D是同一個天平稱量的質量，是相關量，但是在計算過程中二者相減，故為負相關，其系統偏差被抵消，因此，可采用互不相關的合成規則。這樣uM和uD與測量重復性uf和樣品質量uC是互不相關的，故根據合成標準不確定度的合成規則[4，7]，羽絨殘脂率的合成標準不確定度u(x)由下式計算而得：

表2 不確定度分量匯總表Tab.2 Summary sheet of uncertainty components

cf2uf2+cM2uM2+cD2uD2+cC2uC2

其中，ci為各不確定度分量的不確定度傳播系數(也稱靈敏系數)。根據數學模型公式(2)求偏導算出每個輸入量的不確定度傳播系數，其中M、D、C取其數學期望值[4]。

1.729×10-6mg-1

由此可得，羽絨殘脂率的合成不確定度u(x)為：

3.4 擴展不確定度

按國際慣例，在95%置信水平下，取包含因子k=2[6]，則其擴展不確定度為

U=ku(x)=2×0.32%=0.6%

3.5 評定結果討論

1)稱量過程的不確定度分量與天平精度有關。本文測試中采用了2種不同分辨力的天平，其標準不確定度存在一定差異。樣品質量稱量所用天平分辨力高最大允許誤差小，且該分量的靈敏系數小，其合成標準不確定度的貢獻值為2.118×10-6。故樣品稱量分量相比其他分量對總不確定度的影響非常小，根據可忽略的原理判定，該分量可忽略不計[7]。

2)根據表2數據看出，在使用分辨力為1 mg的天平2時，空燒瓶質量和含殘脂燒瓶質量分量是總不確定度的最主要分量，由其引起殘脂率的合成不確定度為0.32%，在95%置信水平下擴展不確定度為0.6%。如果選擇分辨力為0.1 mg的電子天平1，其不確定度分量均為2.234×10-4。此條件下計算而得的合成標準不確定度為0.039%，在95%置信水平下擴展不確定度為0.08%。此時測試重復性分量與其相當，二者均為主要的分量。

3)本文試驗采用GB/T 10288—2003規定的標準檢測方法，可忽略方法本身的誤差[13]。與測量重復性分量相關的主要是試驗操作過程中的隨機影響，如試樣均勻性、萃取時間、回流速度、干燥時間、人員操作、數值修約以及稱量等等的重復性概念范疇的要素等，這些影響量不宜逐個分析，綜合一并作為測量的重復性不確定度分量，在此說明。

4 結 論

由不確定度分析結果可知，根據GB/T 10288—2003中的檢測方法進行殘脂率測試，其合成標準不確定度主要貢獻分量為測量重復性引入的不確定度和燒瓶稱量引入的不確定度。如果燒瓶稱量的天平精度為1 mg，其稱量過程中產生的不確定度將成為影響總不確定度的最主要分量，且由此產生的殘脂率總不確定度較大，易超出實際測量中的質量控制，因此，在殘脂率測試中，一定要選擇較高精度的電子天平稱量殘脂燒瓶，減少天平精度對測試結果的影響，從而減少測試過程中系統誤差，提高檢測結果的可靠度。

為保證檢測結果的準確度，建議對標準方法明確規定稱取殘脂所用天平的數字分辨力；另外要加強實驗室技術管理和人員技能培訓，對萃取測試環節的試驗條件和過程嚴格控制，保持一致性，減少測試的隨機誤差。

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Uncertainty evaluation for testing results of fat and oil content of downs

LI Guohua, SUN Baofen, CHEN Hao, ZHANG Hui, Lü Ronghui
(ShandongEntry-ExitInspectionandQuarantineBureau,Qingdao,Shandong266002,China)

To affirm the reliability of testing result, the direct evaluation method was used to evaluate the uncertainty of the fat and oil content of down. The repeatability of sample measurement, sample weighing, fat and oil weighing were proved to be the main sources of uncertainty of the fat and oil content by analyzing the principle of measurement of fat and oil content. All components were evaluated respectively. The combined standard uncertainty and the expanded uncertainty were calculated by combining all the components of uncertainty. The analysis result shows that the resolution of balance and repeatability of sample measurement are the main factors influencing the total uncertainty of the fat and oil content. To ensure the accuracy of the results, the balance with high digital resolution should be used, and the experiment conditions and processes should be strictly controlled to maintain consistency of testing.

feather and down; fat and oil content; measurement uncertainty; resolution of balance

10.13475/j.fzxb.20140901805

2014-09-15

2015-08-17

李國華(1971—)，男，高級工程師，學士。主要研究方向為實驗室質量控制及認證認可。孫寶芬，通信作者，E-mail:sunny_zhuo@126.com。

TS 959.16

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