測量不確定度在機械天平計量檢定中的應用研究

【摘要】測量不確定度是一種與結果相聯系的參量，能反映被測物的分散性。它的分析和評價是計量校準中最關鍵的一項工作，不僅能反映測量值的離散性，而且也能為計量裝置的應用提供更為精確的數據關系。文章在JJG 98—2019《機械天平》檢定規程的基礎上，總結了計量不確定度，并對其具體應用進行了分析。

【關鍵詞】測量不確定度；計量檢定；應用

【DOI編碼】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測量不確定度原理

測量不確定度，就是對一個測量結果的可信性、有效性的懷疑或不肯定。該方法首先對被測量對象進行選取，并進行參數化設計，從而獲得目標在一定范圍內的分布情況。在校驗中，測量員必須將某一特定的數值結果與概率資料相結合，畫出一段范圍，然后利用預先設定的參數，對測量過程中的錯誤進行校正。其檢驗結果的準確性直接關系所用的標準儀器的量值傳輸效果，以及計量儀器的校準數據。

2不確定度和誤差的區別

在常規的計量校準工作中，工作人員常常會把不確定度視為誤差，這樣的看法并不科學。實際上，不確定度與誤差有很大差別。不確定度是對被測量值的不能肯定的程度，而誤差是指實際測量值與標準值的差異。很顯然，兩者之間有本質的不同。在相同的被測對象中，誤差的數目不受方法的影響，并且測量條件不會對誤差產生直接的影響。

在具體的計量校準工作中，工作人員在匯報計量設備和計量體系時，應當給出一個清晰的計量結果。同時，還要澄清測量工作的不確定性。在測量中，若檢定范圍比較大，則應按量程劃分，以厘清各區段之間的不確定性。只有這樣，才可以比較和分析最大和最小的不確定度，以測量不確定度為主要的計量檢定基準。同時，工作人員也要在不確定度的基礎上進行標記。

3機械天平測量不確定度的評定

3.1測量方法

按照檢定規程的要求：分別用被檢的秤和標準器對同一被測量物進行測量，然后再進行計算，得出秤的差值。在實際應用中，由于各種因素的作用，對不確定度成分進行了分析。本研究以200 g、0.1 mg的最大秤量計為例，在下文中作了詳盡的說明[2]。

眾所周知，機器秤的重復性、橫梁不等臂性刻度值和分度值的誤差都有各自的計算公式，下面將詳細說明，用毫克表示。

3.2對不確定度分量的測量進行評定

根據計量校準規范的分析，發現造成標準不確定度的因素有：溫度變化誤差、操作誤差、讀數誤差、天平誤差、標準器誤差等。

3.2.1評定標準器誤差的標準不確定度u1

有關法規指出，二級標準砝碼的膨脹不確定性為0.6 mg，而含有系數k的數值是3，所以該自由度V1的數值是50，而標準不確定性u1為1/3×0.6=0.2。

3.2.2評定標準器誤差的標準不確定度u2

根據有關規定，天平的示值可變性是指標定不確定度，即所謂的稱量重復性，根據有關規定，V2的數值為50，u2為0。

3.2.3評定讀數誤差不確定度u3

3.2.6評定擴展不確定度

根據自由度Veef的值為100，置信概率為95%進行查詢，在t分布中可以獲得Kp的值為1.984，因此擴展不確定度是U98= 0.24×1.9=0.48。

4測量不確定度在機械天平計量檢定中的具體應用

選用TG328B天平，最大重量200 g，分度為0.1 mg，在工作條件比較標準和正常時，用該設備對一組數據進行校驗，而另一臺儀器則用該儀器對該數據進行校驗，其結果如表1所示。

4.1計量檢定工作的應用分析

測量不確定度是衡量技術工作者所必需掌握的理論知識，它已被廣泛地應用于各行各業，具有很高的實用價值。本論文選擇了一種用于檢測不確定度的電子秤。這種儀器本身的數據參數，會對測量的不確定度產生一定的影響，如數據的重復性、分辨力、環境等，但這些因素的作用是相等的。

4.1.1應用方法

測量不確定度是被測物體的一種離散特性，它是一種參量。這個參數經過細分，可以用兩種不同的方法來衡量不確定度。首先是類型A，它的分散性在實際應用中的表現，主要通過試驗的標準偏差來完成，它要求對得到的許多結果進行估計和分析。另一種是B級，它的分散性和參數的表征，必須根據被測物體的相關資料，或者測量人員的工作經驗來確定。兩種評價方法的差別很大，A級在實際應用中比較簡單，選擇一個被測量對象，然后再測量數據，計算偏差。而B級的實際應用，則需要通過試驗收集大量的資料，進行全面的分析和評估，再加上B級的不確定度需要一定的經驗和知識，所以B級的測試會受到更多主觀因素的影響。

4.1.2工具

本課題選擇了一種直接測定方法，選擇了E2級砝碼作為衡量基準，它的擴展不確定度為0.1 mg，包含系數k=2。選擇已完成校準的電子秤，最多稱重220 g，分度值0.1 mg。本研究以200 g為單位進行不確定度的測定。在測試過程中，天平必須考慮各種因素，對組合不確定度進行計算，最后才能進行擴展不確定度的計算。

4.1.3測量評定

首先，按照規定，200 g作為最大稱重，用天平對200 g標準砝碼進行10次測量，得出的數據分別是：200.001、200.002、200.000、200.0002、200.0002、200.0002、200.0001、200.0001、200.0002、200.0001。

1）首先計算A類不確定度分量，根據貝塞爾計算公式來計算A類不確定度和自由度。2）利用B級評定法，對天平在環境影響下的漂移不確定度成分進行了分析。這個天平的分度值為0.1 mg，按照均勻分布來計算B類不確定和自由度。3）采用B級標準不確定度的評定方法。4）使用B級評估法從標準砝碼中引進的不確定度，因為它的200 g重量擴展不確定性是0.1 mg，含有系數是2，所以得到的標準不確定度是0，并且具有自由度。5）綜合標準不確定度的評估，由綜合不確定度公式計算得到的綜合標準不確定度。

4.2不確定度評定并不是運用在所有的計量標準器上

在計量儀器的校準中，不一定要對每一種計量標準進行不確定度的評估。根據《計量標準考核規范》的規定，對結構簡單、精度不高、對環境要求不高的儀器，可以按照計量標準，對儀器的重復使用、儀器的穩定性、校準過程中的不確定度進行評估。例如，被原國家質檢總局列為首批簡化計量評價標準的項目，可以不進行不確定度檢測。

在實際檢驗工作中，尤其是在法定計量檢定時，被測結果和對應的測定標準值之間有一個估算，這就是測量中需要的精度。在進行對比時，對測量準則的不確定性通?？梢员缓鲆?。例如，對于強制校準的計量儀器，不需要進行不確定度的評估。

4.3在所有測量儀器的檢定中不一定都要考慮測量不確定度

JJF 1094—2002《測量儀器特性評定》中明確指出，在評定標準、方法和環境等方面都要符合標準、方法和環境的要求，才能保證檢測系統的量值之間的相互轉換，而當被評定的儀器處于正常的情況下，不確定度的評定就會比較合理。所以，在規定中，如果各監測點的示值偏差滿足了評價標準，則設定為該精度等級的檢定標準，而無需考慮不確定度對其評價結果的影響。

在評估的不確定度和被評估的測量儀器的最大容許偏差之比小于1∶3的情況下，可以不計所評估的不確定度；若被評估的儀表所產生的偏差在其最大容許偏差范圍之內，則視為合格。如果被評估的測量儀表的顯示誤差超過最大容許偏差，則視為不合格

5結語

在機械天平的計量校準中，對測量不確定度的評價以及所選用的計量標準的精度直接影響檢測結果的質量。在機械秤的校準中，不確定度的使用范圍很廣，在一定程度上，測定某一特定物質的數量或建立測量標準時，要對各個環節的質量進行嚴格的控制。

【參考文獻】

[1]邱文靜，張楠.測量不確定度在機械天平計量檢定中的應用研究[J].2020（14）：217.

[2]王學琴，呂輝，李倩倩，等.機械天平示值誤差測量值的不確定度評定[J].計量與測試技術，2015，42（6）：83-84+88.

[3]郭麗娜.機械天平測量結果不確定度的研究[J].科學與財富，2019（14）：291.

[4]張杰.機械天平的示值誤差測量不確定度評定[J].中國儀器儀表，2017（3）：72-75.

【作者簡介】

任海濤，男，1970年出生，助理工程師，研究方向為機械天平、砝碼。

（編輯：李加鵬）