防靜電服帶電電荷量的測量不確定度評定研究

張婷婷

(中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266071)

0 引言

防靜電服是為了防止服裝上的靜電積聚，以防靜電織物為面料，按規(guī)定的款式和結(jié)構(gòu)而縫制的工作服[1]。為了有效防止人體靜電危害，消除靜電隱患，從業(yè)者必須穿用性能優(yōu)良的防靜電服。目前，考核防靜電服防靜電性能的主要指標(biāo)為服裝帶電電荷量，應(yīng)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[1]進(jìn)行檢測，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定防靜電服帶電電荷量的技術(shù)指標(biāo)為：A級<0.20 μC，B級0.20～0.60 μC；若測量結(jié)果超出指標(biāo)范圍，該產(chǎn)品則為不合格品，不應(yīng)穿用[1]。

為了提高防靜電服帶電電荷量測量結(jié)果的準(zhǔn)確性與一致性，需要對防靜電服帶電電荷量的測量不確定度評定方法進(jìn)行研究。測量不確定度是建立在誤差理論基礎(chǔ)上的，它表示由于測量誤差的存在而對被測量值不能肯定的程度，是定量說明測量結(jié)果質(zhì)量的一個參數(shù)[2]。一個完整的測量結(jié)果，不僅要表示其量值的大小，還需給出測量不確定度，表示被測量值在一定概率水平所處的范圍。測量不確定度愈小，其測量結(jié)果的可信度愈大，測量的質(zhì)量就愈高，測量數(shù)據(jù)的使用價值愈高。本文采用國際通用的測量不確定度的評定和表示方法，對防靜電服帶電電荷量的測量不確定度進(jìn)行了評定和表述[3]。

1 防靜電服帶電電荷量的檢測方法

1.1 檢測使用的儀器設(shè)備

數(shù)字電荷量表，型號：EST112，準(zhǔn)確度：±0.5%×讀數(shù)。

自動滾筒摩擦機，型號：MCJ-1，滾筒轉(zhuǎn)數(shù)：50 r/min，擴展不確定度：轉(zhuǎn)數(shù)U=0.1%，k=2。

1.2 檢測程序

試樣在測試前須經(jīng)洗滌處理與調(diào)濕；測試環(huán)境條件為溫度(20±5)℃，相對濕度35%±5%；將防靜電服試樣放入自動滾筒摩擦機中運轉(zhuǎn)15 min。試樣直接從自動滾筒摩擦機中進(jìn)入法拉第筒內(nèi)，讀取數(shù)字電荷量表讀數(shù)，以μC計。上述程序重復(fù)測試5次，每次測試與測試之間，相隔10 min，在每次測試前，應(yīng)對試樣和滾筒內(nèi)襯標(biāo)準(zhǔn)布進(jìn)行消電處理。取5次測試的平均值，為最終測量值[3]。檢測流程如圖1。

圖1 防靜電服帶電電荷量檢測流程

2 防靜電服帶電電荷量的測量不確定度評定方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

測量不確定度評定是從確定測量方法和建立測量過程的數(shù)學(xué)模型開始的。數(shù)學(xué)模型應(yīng)包含可以影響測量結(jié)果的全部影響量，它既能用于計算測量結(jié)果又能用于全面評定測量結(jié)果的不確定度。在不確定度評定中，建立一個合適的數(shù)學(xué)模型是測量不確定度評定合理與否的最關(guān)鍵一步。

防靜電服帶電電荷量的測量結(jié)果直接由儀器讀數(shù)給出，該數(shù)學(xué)模型為：

Qx=Q′

(1)

式中：Qx——被測帶電電荷量，μC；

Q′——數(shù)字電荷量表顯示數(shù)值，μC。

2.2 不確定度來源

為正確評估測量不確定度，需識別出檢測中產(chǎn)生的所有不確定度因素。從影響測量結(jié)果的因素考慮，測量結(jié)果的不確定度一般來源于被測對象、測量設(shè)備、測量環(huán)境、測量人員和測量方法。根據(jù)防靜電帶電電荷量的檢測特點，其測量不確定度主要來源于A類、B類2個部分，如下：

a)測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA，采用A類方法評定。

b)數(shù)字電荷量表最大允差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB1，采用B類方法評定。

c)數(shù)字電荷量表分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB2，采用B類方法評定。

d)自動滾筒摩擦機的轉(zhuǎn)速引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB3，采用B類方法評定。

e)檢測環(huán)境溫、濕度變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB4，采用B類方法評定。

除了上述5項不確定度來源，還有一些尚未認(rèn)識到的不確定性源，雖然沒有考慮在內(nèi)，但它們同樣可能導(dǎo)致測量結(jié)果的誤差。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示測量結(jié)果的不確定度，稱為標(biāo)準(zhǔn)不確定度；標(biāo)準(zhǔn)不確定度有A、B兩類評定方法。

A類評定是對在規(guī)定測量條件下測得的量值用統(tǒng)計分析的方法進(jìn)行的測量不確定分量的評定。要注意的是：

a)多次測量必須在重復(fù)性測量條件(相同的檢測程序、相同的測量人員、相同的測量設(shè)備、相同的測量場所、短時間內(nèi)的重復(fù)測量)下進(jìn)行。

b)從理論上說，測量次數(shù)越多，所得出的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差越可靠。但當(dāng)測量次數(shù)增多，測量所用時間也就越長，重復(fù)性條件就難以保證。因此，必須根據(jù)測量的精度要求，測量的水平，測量的實際用途選取適當(dāng)?shù)臏y量次數(shù)。在JJF 1033-2016《計量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》中規(guī)定在進(jìn)行計量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性測量中，要求測量次數(shù)不小于10。

c)以算術(shù)平均值作為測量結(jié)果時，通常為未修正的結(jié)果，如有修正值或修正因子，應(yīng)對其進(jìn)行適當(dāng)修正才能作為最終測量結(jié)果。

B類評定是用非統(tǒng)計方法進(jìn)行評定，用估計的標(biāo)準(zhǔn)偏差表征。獲得B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源一般有：①權(quán)威機構(gòu)發(fā)布的量值；②有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的量值；③校準(zhǔn)證書；④經(jīng)檢定的測量儀器的準(zhǔn)確度等級；⑤根據(jù)人員經(jīng)驗推斷的極限值等。

在標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類評定中，涉及到評定人員對上述不確定度來源的認(rèn)知和經(jīng)驗，因此通常會在某種程度上帶有一定的主觀因素。所以，如何合理地給出B類評定的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，是測量不確定度評定的關(guān)鍵問題之一。

2.3.1測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA

下面實驗是運用A類評定的貝塞爾法在重復(fù)性條件下，對防靜電服試樣進(jìn)行10次測量，測量結(jié)果如表1所示。

表1 防靜電服帶電電荷量測量結(jié)果值μC

序號測量結(jié)果序號測量結(jié)果10.31860.28020.20470.32430.21580.31640.31790.29050.317100.290平均值0.287

算得單次測量的實驗標(biāo)準(zhǔn)差為：

(2)

檢測中，通常進(jìn)行5次測量，取5次測量結(jié)果的平均值作為檢測結(jié)果，則Qx=0.287 μC，測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量：

(3)

2.3.2數(shù)字電荷量表[4]最大允差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB1

(4)

2.3.3數(shù)字電荷量表[5]分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB2

(5)

2.3.4自動滾筒摩擦機[6]的轉(zhuǎn)速引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB3

自動滾筒摩擦機經(jīng)上級校準(zhǔn)部門校準(zhǔn)合格，按儀器校準(zhǔn)證書給出，包含因子k=2，轉(zhuǎn)速的擴展不確定度U=0.1%，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

(6)

2.3.5檢測環(huán)境溫、濕度變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB4

(7)

2.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

對于直接測量，各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量通常是互不相關(guān)的，采用方和根計算方法合成不確定度：

(8)

2.5 擴展不確定度評定

擴展不確定度U是由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uC(Q)乘以包含因子k得到的，U=kuC(Q)。檢測實驗室測量結(jié)果的不確定度評估中一般可不計算有效自由度veff，而直接取置信水平95%，k=2。

因此，防靜電服帶電電荷量檢測結(jié)果最佳估計值為：Qx=0.287 μC，取包含因子k=2，其擴展不確定度為：

U=kuC=2uC=0.04 μC；k=2

(9)

列表給出不確定度匯總，如表2所示。

3 結(jié)論

帶電電荷量是評定防靜電服特性的一項重要指標(biāo)，并于GB 12014-2009《防靜電服》中詳細(xì)規(guī)定了其技術(shù)要求。在防靜電服帶電電荷量檢測中，應(yīng)正確理解和使用測量不確定度。本次實驗所測防靜電服帶電電荷量的不確定度報告為(0.287±0.04)μC，包含因子k=2。從上述分析和計算過程可以看出，其不確定度主要是由于樣品重復(fù)性試驗引起的，其次是由儀器示值、儀器分辨力、環(huán)境條件引起的。因此，在測試防靜電服帶電電荷量時，應(yīng)對本文分析的影響因素加以控制，并盡量減少上述因素的影響，提高檢測檢驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。同時，本文提出的防靜電服帶電電荷量測量不確定度評定的通用方法，其研究結(jié)果可為實際工作中評定同類測量結(jié)果的不確定度提供一定的計算參考，以期為石化行業(yè)靜電危害評估提供可靠的檢測數(shù)據(jù)。

表2 防靜電服帶電電荷量測量不確定度匯總