企業(yè)計量建標及不確定度評定

季獻余

（南京康尼機電股份有限公司，南京 210046）

0 引言

國務(wù)院印發(fā)的《計量發(fā)展規(guī)劃（2013-2020）》，是國家首次頒布計量發(fā)展的中長期規(guī)劃。其中要求到2020 年，計量的量傳溯源體系更加完善。企業(yè)的計量能力提升，如建立企業(yè)最高計量標準用于內(nèi)部量傳溯源，支持生產(chǎn)工藝過程控制和產(chǎn)品質(zhì)量升級。

扭矩是重要的物理量，其準確測量和控制，在機電、軌道交通、汽車等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。

在裝配過程中帶有量值傳遞功能的扭矩扳子或者帶有測量裝置的測力矩扳手應(yīng)用越來越普遍，這種扭矩工量具一般適用于裝配質(zhì)量要求較高的場合，緊固件或鎖緊部件裝配時的緊固效果往往對產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的影響，可以影響到重要設(shè)備安全和生產(chǎn)安全，甚至是人身安全。

因此扭矩扳子的量值準確就顯得非常重要，為了確保企業(yè)在用扭矩扳子的量值統(tǒng)一，保證扭矩扳子的量值準確可靠，建立扭矩扳子檢定裝置是非常必要的。

1 計量標準建立和不確定簡介

企業(yè)配套扭矩扳子檢定儀，測量范圍（1 ～100）N·m，準確度級別1.0 級。

連接被測扭矩扳子和扭矩扳子檢定儀，當檢定儀扭矩傳感器受到施加的扭矩時，扭矩示值大小由顯示屏指示。預扭后將被測對象和標準器清零，加載使被測對象達到指定扭矩值并在標準器上讀取示值。檢定儀需符合JJG 707-2014《扭矩扳子檢定規(guī)程》對標準設(shè)備的要求。

示值測量會有誤差，檢定結(jié)果中，必須考慮計量標準引入的測量不確定度分量，包括計量標準器以及配套設(shè)備所引入的不確定度。按JJF 1033-2016《計量標準考核規(guī)范》計量標準主要計量特性要求，計量標準的不確定度應(yīng)當滿足開展檢定或校準工作的需要[1]。所以建標技術(shù)工作需對扭矩檢定結(jié)果進行不確定度評定，參照JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》方法。

2 不確定度的評定

2.1 數(shù)學模型

式（1）中：δ——扭矩扳子的示值誤差。

Q——扭矩扳子的扭矩示值。

M——扭矩扳子檢定儀3 次示值的算術(shù)平均值。

靈敏系數(shù)：

2.2 標準不確定度來源

1）數(shù)顯扭矩扳子扭矩檢定測量重復性引入的不確定度，屬于A 類評定。

2）數(shù)顯扭矩扳子讀數(shù)引入的不確定度，屬于B 類評定。

3）檢定環(huán)境溫濕度引入的不確定度，屬于B 類評定。

4）扭矩檢定儀回零誤差引入的不確定度，屬于B 類評定。

5）測量標準扭矩扳子檢定儀準確度級別引入的不確定度，屬于B 類評定。

2.3 輸入量的標準不確定度分量評定

2.3.1 輸入量Q標準不確定度u(Q)的評定

1）數(shù)顯扭矩扳子扭矩檢定測量重復性引入的標準不確定度的評定

測量重復性，是指人員、設(shè)備、測量方法、環(huán)境等條件相同，短時間內(nèi)對同一被測量進行多次獨立重復測量，計量標準提供復現(xiàn)值的能力。這里用貝塞爾公式計算實驗標準差來表征測量結(jié)果的分散性。

環(huán)境條件：（23±2）℃；≤90%RH；無振動、無腐蝕。

取一件（3 ～60）N·m 數(shù)顯扭矩扳子，準確度級別3.0級，選擇50N·m 作為測量點，通過連續(xù)10 次測量得到測量列Mi（i 為測量序號）見表1，采用A 類評定方法進行評定。

表1 重復性測量數(shù)據(jù)Table1 Data of repeatability measurement

單次實驗標準差：

實際測量情況，在重復性測量條件下規(guī)程規(guī)定連續(xù)測量3 次，在50N·m 檢定點示值重復性引起的相對標準不確定度分量：

2）數(shù)顯扭矩扳子讀數(shù)引入的不確定度的評定

通過扭矩檢定儀數(shù)顯方式讀取扭矩扳子的扭矩值，依據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》，數(shù)字顯示器分辨力0.1N·m 導致的相對標準不確定度分量：

3）以上兩項合成，需要考慮被檢定儀器的分辨力也會影響檢定或校準結(jié)果的重復性。檢定結(jié)果重復性條件引起的不確定分量，大于被檢定儀器分辨力所引起的不確定度分量時，此時重復性數(shù)據(jù)中已經(jīng)包含分辨力對檢定結(jié)果的影響，所以不需要再考慮分辨力所引起的不確定度分量，得出：

2.3.2 輸入量M標準不確定度u(M)的評定

1）檢定環(huán)境溫濕度引入的不確定度的評定

參照JJG 707-2014《扭矩扳子檢定規(guī)程》要求，應(yīng)在溫度為（23±5）℃，相對濕度≤90%RH 的環(huán)境條件下進行檢定。本實驗室滿足該溫濕度要求，在此環(huán)境條件下溫濕度變化對檢定結(jié)果可以忽略不計，所以：

2）扭矩檢定儀回零誤差引入的不確定度

表2 標準不確定度分量匯總表Table2 Summary table of standard uncertainty components

對于1.0 級扭矩扳子檢定儀，回零誤差為±0.1N·m，估計為均勻分布，取，其相對標準不確定度分量：

3）測量標準扭矩扳子檢定儀準確度級別引入的不確定度的評定

該扭矩扳子檢定儀的檢定結(jié)論是符合1 級，允許誤差為±1%，一般遵循正態(tài)分布，這部分分量：

4）以上3 項合成，其中環(huán)境溫度分量忽略不計，得出：

2.4 合成標準不確定度的計算

2.4.1 列出測量點50N·m的標準不確定度分類匯總表

見表2。

2.4.2 計算合成標準不確定度uc以及相對合成標準不確定度urc

合成標準不確定度全稱合成標準測量不確定度，是由一個測量模型中的各個輸入量的標準不確定度導出的輸出量的標準測量不確定度。它表征合理賦予被測量估計值的分散性。

因各標準不確定度分量間獨立且互不相關(guān)，按方和根公式，計算得出合成標準不確定度，所以：

相對合成標準不確定度：

表3 不確定度驗證表Table3 Uncertainty verification table

2.5 相對擴展不確定度的評定

在某些工業(yè)應(yīng)用中，常常需要提供不確定度的度量，也就是要給出測量結(jié)果值的區(qū)間，并期望這個區(qū)間包含了能合理賦予被測量值分布的大部分。當表征的概率分布近似為正態(tài)分布時，在通常的測量中，一般取k=2[2]，則相對擴展不確定度為：

2.6 測量不確定度結(jié)果的報告與表示

上述評定與計算，使用1.0 級扭矩扳子檢定儀，檢定3.0 級扭矩扳子示值誤差的測量擴展不確定度為Urel=1%，k=2。

3 不確定度的驗證

測量標準不確定度的驗證選用傳遞比較法，用被考核的計量標準器測量一個穩(wěn)定的被測對象，之后將被測對象用另一套更高精度的計量標準進行測量，兩次測量結(jié)果差的絕對值要求小于兩次測量擴展不確定度的方和根。當本級計量標準的擴展不確定度是上級更高精度標準器擴展不確定度3 倍以上時，上級標準器的擴展不確定度分量可以忽略。傳遞比較法具有溯源性，而另外一種方法比對法并不具有溯源性。

需將扭矩扳子檢定裝置給出的y 值與上級計量技術(shù)機構(gòu)的檢定結(jié)果y0 相比較。分別使用本企業(yè)計量標準裝置和上一級計量監(jiān)督檢測院力學實驗室的計量標準裝置對精度為3 級數(shù)顯扭矩扳子的50N·m 點進行檢定，其結(jié)果數(shù)據(jù)見表3。

表3 中的數(shù)據(jù)，最大差為：

即其相對誤差為0.4/50×100%=0.8%，因Urel=1%，故有：

所以經(jīng)驗證，本企業(yè)計量標準裝置測量不確定度合格，符合JJF 1033-2016《計量標準考核規(guī)范》的要求，計量標準的測量不確定度得到驗證。滿足技術(shù)要求：標準設(shè)備的擴展不確定度（k=2）應(yīng)不大于被檢扭矩扳子允許誤差絕對值的1/3[3]。

4 結(jié)束語

不確定度反映的是測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分散性，側(cè)面反映的是測試系統(tǒng)的能力。不確定度越小，表示測試系統(tǒng)精度越高。需要指出的是，測量結(jié)果的不確定度只是利用現(xiàn)有知識與最佳值接近程度的一種估計，對測量的結(jié)果來說不是一個值，而是分散在測量結(jié)果附近的無窮多個值，這些測量數(shù)值是與所有的觀測值、數(shù)據(jù)和人們對物理世界的認識相一致，并按不同的置信度賦予被測量。

計量標準的不確定度應(yīng)當滿足開展檢定或校準工作的需要。經(jīng)過分析和比對驗證，該扭矩扳子檢定裝置符合國家計量檢定規(guī)程JJG 707-2014《扭矩扳子檢定規(guī)程》，以及國家計量技術(shù)規(guī)范JJF 1033-2016《計量標準考核規(guī)范》的要求，有能力開展扭矩扳子的檢定項目。