硫化氫氣體檢測報警器計量校準示值誤差測量不確定度評定

謝延斌 樊艷霞

【摘要】 本文以硫化氫氣體報警器計量校準為例，通過具體實驗對硫化氫氣體報警器計量校準開展示值誤差測量不確定度的評定，闡述了評定的方法和過程，得出不確定評定結果及測量結果的報告，為類似的技術工作提供參考。

【關鍵詞】 示值誤差;測量不確定度;測量模型;測量重復性;儀器分辨力

【DOI編碼】 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

硫化氫是一種神經性有毒氣體，對人體有著致命的危害，廣泛存在于石油開采、化工煉化以及污水處理等工業過程中。硫化氫在空氣中的安全濃度值約為6.5 μmol/mol，如果空氣中所含硫化氫濃度達到1000 μmol/mol時會瞬間致人死亡，所以有可能產生硫化氫的地方就必須進行有效監測。而硫化氫氣體報警器作為精確測量環境中硫化氫氣體濃度的專業儀器，早已被廣泛應用于生產或生活中。

因硫化氫氣體報警器的工作特點涉及環境監測以及人員的安全防護，所以國家對硫化氫氣體報警器實行強制管理，將其列入《中華人民共和國依法管理的計量器具目錄》中，實行周期性計量檢定或校準。而在開展計量校準過程中，按照規范[1]要求必須對所有測量點開展測量不確定度的評定。本文以硫化氫氣體報警器實驗室計量校準為例，闡述校準示值誤差的不確定度評定過程及方法。

1 測量不確定度的概念及評定方法

在《測量不確定度評定與表示》規范[2]中，測量不確定度定義為：根據所用到的信息，表征賦予被測量值分散性的非負參數。被測量值簡單說就是被測對象的測量結果，也可稱為實際值。但由于人為或者環境等因素影響，實際的測量始終無法獲得真值，只能無限接近于真值。真值只能以一定概率的形式落入某一測量結果區間內，該區間表征了這一測量結果的分散性，而區間的大小即表達為測量不確定度與一包含因子的乘積。

測量不確定度評定方法按照最新版的JJF 1059規范進行，該規范分為兩個部分：JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》，又稱為GUM評定方法;JJF 1059.2—2012《用蒙特卡洛法評定測量不確定度》，又稱為MCM法[3]，而GUM法是最常用也是最基本的評定方法。所以本文以GUM法開展硫化氫報警器計量校準示值誤差測量不確定度的評定。

2 測量不確定度評定過程

2.1 不確定度主要來源分析[4]

在開展不確定度評定時，首先要進行不確定度來源分析，主要的來源一般由以下幾點：1）主標準器自身的測量不確定度;2）配套設備的測量不確定度;3）檢定或校準過程中由人員重復操作所帶來的測量不確定度;4）被測儀器分辨力引發讀數誤差帶來的測量不確定度;5）其他因素引起的測量不確定度，如環境因素以及由于定義的不完整所帶來的影響等。

上述來源都是構成計量校準測量不確定度的分量。而在上述分量中，因計量校準一般都是要按照對應的計量檢定規程或校準規范開展工作，而規程或規范中所規定的環境條件都是參考工作條件，只要在參考工作條件下開展的檢定或校準，環境因素帶來的測量不確定度分量可以不考慮。對于定義不完整帶來的測量不確定度，只要測量原理正確，測量方法選擇合適，其測量不確定度是所有考慮因素中最小的，可忽略。對于主要配套設備帶來的測量不確定度，本文所述的硫化氫氣體報警器計量標準主要涉及浮子流量計。按照規程，通過浮子流量計的氣體流量是經過嚴格控制的，且流量的變化范圍很小，所以浮子流量計帶來的測量不確定度也可以忽略。而被測儀器分辨力帶來的讀數誤差引發的測量不確定度在測量人員的每次測量過程中都已經包含進去，所以重復測量帶來的不確定度和分辨力帶來的不確定度不能同時納入計算，而是取決于哪個分量的影響更大，取兩者中的最大值。

綜上所示，硫化氫氣體報警器計量校準示值誤差測量不確定度的來源主要包括：1）主標準器自身的測量不確定度;2）人員重復測量操作所帶來的測量不確定度;3）被測儀器分辨力所帶來的測量不確定度，其中在前兩者中取較大的一個。

2.2 建立測量模型

按照GUM法，要進行測量不確定度的評定，首先要建立測量模型，按照JJG 695—2019《硫化氫氣體檢測儀》計量檢定規程的要求，常規條件下報警器的示值誤差可以采用相對誤差來表示[5]，具體公式如下：

[Δxr=x-xsxs×100%]

其中，[x]為儀器示值的算術平均值;[xs]為氣體標準物質的濃度值;[Δxr]為相對誤差。上述公式就可以作為硫化氫計量校準示值誤差測量不確定度評定所依據的測量模型。

2.3 不確定度分量的計算

1）測量重復性引入的不確定度分量[u1]

因測量重復性引入的不確定度分量屬于A類評定方法，需要通過實驗盡可能多采集測量數據，然后通過計算，獲得對應的實驗標準偏差。因此，根據計量檢定規程有關重復性計算要求來設計實驗。首先，需要準備一臺性能穩定的硫化氫氣體檢測報警器，實驗選用華瑞科學儀器（上海）有限公司生產的型號為PGM-1700，編號為G011222035的硫化氫氣體檢測儀;其次，按照規程準備量程范圍內三個濃度點的硫化氫標準氣體，分別是20 μmol/mol、50 μmol/mol、80 μmol/mol，其不確定度均為Urel=2%，k=2。按照重復性測量方法，對每個濃度點連續測量10次，計算出測量示值的平均值，并按照貝塞爾公式計算測量示值的重復性，相關的實驗記錄數據見表1。

測量復性利用貝塞爾公式[s=i=1n（xi-x）2n-1]進行計算，其中，[xi]為每個濃度值單次測量的示值，[x]為每個濃度值測量10次的平均值，n為測量次數n=10。按照規程，每個濃度點在實際測量時僅測量3次，所以依據不確定度評定的A類評定方法，各濃度值測量重復性引入的不確定度分量[u1]按照公式[u1=s3]進行計算，其結果見表2。

2）儀器分辨力引入的不確定度分量[u2]

因實驗使用的硫化氫氣體檢測儀分辨力為1 μmol/mol，按照不確定度評定B類方法進行計算，其概率分布按照均勻分布考慮，概率因子[k=3]，得到三個濃度值，儀器分辨力引入的不確定度分量均為[u2=123=0.29 μmol/mol]。

3）主標準器引入的不確定度分量[u3]

該計量校準所使用的主標準器是具有國家一級標準物質證書的標準氣體，其證書上標明的測量不確定度即為主標準器的測量不確定度。由于該不確定度是以相對測量不確定度Urel表示，計算[u3]時需要將其先轉換為絕對測量不確定度U，然后按照B類評定方法，以公式u3=xsUrel/k進行計算，其中[xs]代表主標準器氣體濃度值，其計算結果見表3。

經整理，各濃度值的不確定度分量匯總如表4所示。

注：因檢定或校準過程中，重復測量已經包含了分辨力的影響，所以在進行不確定度合成過程中，應取重復性和分辨力引入不確定度分量的較大值。

2.4 計算合成相對標準不確定度[ucrel]

參照JJF 1059—2012.1《測量不確定度評定與表示》中的不確定度傳播公式進行標準不確定度的合成。

1）對于20 μmol/mol濃度點：

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

2）對于50 μmol/mol、80 μmol/mol濃度點：

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

其中，[c1]，[c2]代表靈敏度系數，[c1=?（Δx）?x=1xs]，[c2=?（Δx）?xs=-xx2s];[r（x，xs）]代表[x]與[xs]之間的相關性，由于[x]與[xs]不相關，即[r（x，xs）=0]，分別代入已知數據，可得到各濃度點相對誤差測量結果的合成標準不確定度（見表5）。

2.5 計算相對擴展不確定度Urel

在計算相對擴展不確定度Urel時，要確定擴展因子k，即不確定度的概率包含因子。一般情況下，概率包含因子k按照正態分布進行考慮，即取k=2，然后按照Urel=k·uc計算不同濃度點的相對擴展不確定度。按照數據修約的一般規定，同時為保守起見，可以保留兩位有效數字，從而得到最終的計算結果如表6所示。

2.6 報告測量結果

20 μmol/mol測量點：[Δxr=（6.5±3.6）%]，k=2;

50 μmol/mol測量點：[Δxr=（1.4±2.4）%]，k=2;

80 μmol/mol測量點：[Δxr=（1.5±2.2）%]，k=2。

3 結語

測量不確定度的評定即是開展計量校準、計量建標以及實驗室比對過程中的一項基礎性技術工作，也是評價校準報告質量、計量標準性能、實驗室測量能力的重要依據。為做好該項工作首先要清楚掌握影響測量結果的各類因素，并能夠合理地加以分析，抓住主要影響因素，然后依據正確的測量模型，按照不同的評定方法開展綜合計算，這樣才能獲得更加可信的測量不確定度評定結果，從而提高計量檢定或校準工作的質量。

【參考文獻】

[1] JJF 1033—2016計量標準考核規范[S].

[2] JJF 1059.1—2012測量不確定度評定與表示[S].

[3] JJF 1059.2—2012用蒙特卡洛法評定測量不確定度[S].

[4] 中國計量測試學會組.一級注冊計量師基礎知識及專業實務[M].北京：中國質檢出版社，2017.

[5] JJG 695—2019硫化氫氣體檢測儀[S].

【作者簡介】

謝延斌，男，1983年出生，工程師，學士，研究方向為計量、機電儀表、石油化工。