電子天平檢定及不確定度評(píng)定

鄒濛

摘 要：本文依據(jù)國(guó)家檢定規(guī)程對(duì)電子天平的測(cè)量和檢定不確定度加以評(píng)定，并介紹了在計(jì)量過(guò)程之中對(duì)電子天平的檢定流程，通過(guò)對(duì)實(shí)際事例的分析，對(duì)電子天平檢定過(guò)程之中不確定度的由來(lái)和種類以及不確定度的擴(kuò)展和合成進(jìn)行了評(píng)定和論述。

關(guān)鍵詞：電子天平；不確定度評(píng)定

一、電子天平檢定概述

在煤質(zhì)檢驗(yàn)過(guò)程之中，電子天平是不可缺少的計(jì)量檢測(cè)儀器，其計(jì)量的準(zhǔn)確性直接影響煤質(zhì)檢驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)于煤炭開發(fā)和企業(yè)的發(fā)展有較大的影響。在檢定過(guò)程之中，為了提高電子天平的檢定計(jì)量準(zhǔn)確性，在檢定開始之前要按計(jì)量行業(yè)的檢定規(guī)程對(duì)天平進(jìn)行準(zhǔn)確定的測(cè)量和校正。因此，在計(jì)量過(guò)程之中，計(jì)量檢定人員要依照國(guó)家的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)合適的檢定方法，并對(duì)檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的處理，確定其測(cè)定的不確定度，對(duì)天平的測(cè)量準(zhǔn)確性作出合理評(píng)估。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)水平的逐漸提高，現(xiàn)代產(chǎn)品計(jì)量檢驗(yàn)的內(nèi)容和方法都在不斷的增加，在目前的計(jì)量工作之中，主要的檢驗(yàn)內(nèi)容可以分為如下的幾個(gè)部分：計(jì)量單位、計(jì)量器具、量值傳遞、檢驗(yàn)物理常量、檢驗(yàn)不確定度以及數(shù)據(jù)處理方法。其中，在檢驗(yàn)之中使用的計(jì)量器具主要包括實(shí)現(xiàn)計(jì)量單位的讀取復(fù)現(xiàn)的計(jì)量基準(zhǔn)器具，便于進(jìn)行量值的讀取和測(cè)定。在計(jì)量工作的進(jìn)行過(guò)程之中，對(duì)計(jì)量工作的準(zhǔn)確性造成影響的因素主要包括計(jì)量器具的準(zhǔn)確性、計(jì)量樣品的選取合理性以及檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理情況，在這些影響因素之中，對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響最大也最直接的就是計(jì)量器具的準(zhǔn)確性，計(jì)量器具在質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程之中起到的作用是延伸和加強(qiáng)人類感官的作用，是認(rèn)識(shí)和檢驗(yàn)產(chǎn)品的使用質(zhì)量的重要工具。

檢定方法采用直接比較法。首先將標(biāo)準(zhǔn)砝碼放在天平上，當(dāng)天平的力矩達(dá)到平衡狀態(tài)后，讀取天平的平衡位置，該平衡位置即為天平稱量標(biāo)準(zhǔn)砝碼所顯示的質(zhì)量值，通過(guò)一系列的比較，檢定天平的重復(fù)性誤差、四角誤差和線性誤差。電子天平在檢定過(guò)程中的隨機(jī)性和系統(tǒng)效應(yīng)均會(huì)導(dǎo)致測(cè)量不確定度。它主要來(lái)源于標(biāo)準(zhǔn)砝碼的不確定度、電子天平的計(jì)量性能和環(huán)境條件等因素。通常使用2種方法評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不確定度。A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度是以測(cè)量值的平均值作為被測(cè)量值的估計(jì)，以平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差S（x）作為測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度可以由標(biāo)準(zhǔn)砝碼的檢定證書上提供的不確定度以及國(guó)家檢定標(biāo)準(zhǔn)中給出的重復(fù)性而確定。

二、不確定度的評(píng)定

按照檢定流程，檢定人員需要對(duì)電子天平進(jìn)行預(yù)先的檢測(cè)和校正，保證其測(cè)量的精確性。 按照國(guó)際上對(duì)非自動(dòng)衡器的準(zhǔn)確度要求，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程之中，我國(guó)根據(jù)國(guó)際法制計(jì)量單位組織的規(guī)定，將衡器的測(cè)量精確等級(jí)劃分為四類：特種準(zhǔn)確等級(jí)、高準(zhǔn)確度等級(jí)、中準(zhǔn)確度等級(jí)、普通準(zhǔn)確度等級(jí)，在記錄和文件之中用I級(jí)、II級(jí)、III級(jí)、IV級(jí)來(lái)表示，實(shí)際的準(zhǔn)確度要求如下表所示：在衡器的檢驗(yàn)之中，檢測(cè)人員一般將已經(jīng)處于標(biāo)準(zhǔn)位置且已經(jīng)進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)調(diào)整的衡器示數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)砝碼的真值之間的誤差極限稱作衡器的最大允許誤差，也被稱作衡器的極限誤差，一般在記錄之中通過(guò)符號(hào)MPE表示。在衡器的測(cè)量校正過(guò)程之中，其后續(xù)檢定允許存在的最大誤差一般和首次檢定的誤差值相同。通過(guò)檢定被認(rèn)為合格的衡器，在使用過(guò)程之中其誤差會(huì)逐漸變化，逐漸增大的測(cè)量誤差會(huì)影響計(jì)量檢定過(guò)程的精確度，因此，為了檢測(cè)的準(zhǔn)確，國(guó)際法制計(jì)量組織要求定期對(duì)衡器的精確度進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行校正，使用過(guò)程之中衡器的最大允許誤差可以放寬為首次檢定的兩倍。同時(shí)依據(jù)國(guó)家對(duì)天平檢定的規(guī)定，電子天平的計(jì)量性能的評(píng)定主要可以從重復(fù)性誤差、四角誤差和線性誤差等三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行，下文以AT200型工作用電子天平為例，進(jìn)行不確定度評(píng)定和測(cè)量。AT200型工作用電子天平最大稱量為200 g，實(shí)際分度值d為011 mg，檢定分度值e為1 mg，重復(fù)性誤差vr為012 mg，四角誤差vc為012 mg，線性誤差vl為012 mg。

1、重復(fù)性誤差的測(cè)量

對(duì)于重復(fù)性誤差的測(cè)量方法是在重復(fù)性測(cè)量實(shí)驗(yàn)之中，用電子天平的最大載荷或是二分之一最大載荷對(duì)天平進(jìn)行多次的重復(fù)性誤差測(cè)量，為了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，一般檢測(cè)次數(shù)不少于六次。對(duì)于重復(fù)性誤差的測(cè)量屬于A類不確定度，在實(shí)際測(cè)量后的數(shù)據(jù)計(jì)算之中使用極差法來(lái)計(jì)算器重復(fù)性誤差vr：vr=Imax-Imin

式中 Imax---平衡位置的最大值；

Imin---平衡位置的最小值。

例如對(duì)天平重復(fù)測(cè)量9次，其測(cè)量值可以估接近正態(tài)分布的前提下，單次測(cè)量結(jié)果的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差s（xi）可以按下式近似評(píng)定s（xi）=vr/C=012 /2197=01067 mg=ur式中，C為極差系數(shù)。自由度M=6.8，實(shí)驗(yàn)用表如下：

2、四角誤差的測(cè)量

在四角誤差的測(cè)定過(guò)程之中，實(shí)驗(yàn)所用的標(biāo)準(zhǔn)載荷一般為天平最大稱量值的三分之一，在測(cè)定的過(guò)程之中，實(shí)驗(yàn)載荷會(huì)放置在稱量盤的中心和前后左右四個(gè)偏心部位，在實(shí)驗(yàn)測(cè)定之中其不確定度一般按照正態(tài)分

布考慮，當(dāng)置信水準(zhǔn)為99.73%時(shí)，包含因子k=3：uc= = =0.07mg。

3、線性誤差的測(cè)量

線性誤差標(biāo)準(zhǔn)不確定度uL是由線性誤差不確定度uI和加載標(biāo)準(zhǔn)砝碼不確定度uA合成而得。一般情況使用最大加載砝碼的標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算uA。用E2等標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)其進(jìn)行線形誤差測(cè)量時(shí)，最大加載砝碼為200 g，從砝碼檢定規(guī)程中可知，該砝碼質(zhì)量允許誤差D為013 mg。

4、檢定測(cè)量注意事項(xiàng)

在實(shí)驗(yàn)之中，誤差的出現(xiàn)是不可避免的。由于測(cè)定時(shí)的失誤，測(cè)量?jī)x器的固有誤差以及實(shí)驗(yàn)方法本身的缺陷，實(shí)驗(yàn)之中出現(xiàn)誤差基本是不可避免的。因此，在實(shí)際的測(cè)量實(shí)驗(yàn)之中，對(duì)于實(shí)驗(yàn)誤差的測(cè)量，并將誤差在實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果之中進(jìn)行處理，才能保證最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性。

本實(shí)驗(yàn)需要對(duì)實(shí)驗(yàn)之中基本誤差、標(biāo)準(zhǔn)差和變差進(jìn)行測(cè)定。基本誤差主要是在測(cè)量過(guò)程，實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器其本身由于制造等原因，儀器測(cè)量精度或是示數(shù)等出現(xiàn)的誤差，主要表示儀器的測(cè)量精度。 在測(cè)量基本誤差時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員要滿足下列要求：（1）檢定計(jì)計(jì)讀時(shí)間誤差不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表 準(zhǔn)確度等級(jí)的 1/10。（2）在每一負(fù)載下，至少做兩次測(cè)量，取其平均值做為測(cè)量結(jié)果。如算得的相對(duì)誤差等于該表基本誤差限的80% ～120%，應(yīng)再做兩次測(cè)量，取這兩次和前幾次測(cè)量的平均值做為測(cè)量結(jié)果。

標(biāo)準(zhǔn)差的測(cè)定主要是對(duì)于實(shí)驗(yàn)本身測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，其主要表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏離算數(shù)平均值的離散程度，主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行分析。在計(jì)算時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員要在額定載荷下，做不少于5次的相對(duì)誤差測(cè)量，然后按下式計(jì)算標(biāo) 準(zhǔn)偏差估計(jì)值S（%）。標(biāo)準(zhǔn)偏差的大小可以估計(jì)數(shù)據(jù)偏離平均值的離散程度，進(jìn)而分析出數(shù)據(jù)測(cè)量的 不精確度，對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行精確化的補(bǔ)正。

儀器隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化，。其本身會(huì)由于結(jié)構(gòu)磨損等原因而出現(xiàn)偏差，變差又叫回差，主要是指儀器在實(shí)驗(yàn)過(guò)程之中產(chǎn)生的計(jì)量偏差。實(shí)驗(yàn)之中應(yīng)該將變差計(jì)入誤差計(jì)算的過(guò)程之中，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)只在首次檢定時(shí)做24h變差測(cè)量。測(cè)定基本誤差之后，將被檢表在室溫下放 置 24h。然后置于標(biāo)準(zhǔn)條件下，待溫度平衡后， 再次測(cè)定在額定荷載下的基本誤差（%）。測(cè)量結(jié)果不得超過(guò)該表基本誤差限。

參考文獻(xiàn)；

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