微壓力表測(cè)量不確定度的評(píng)定及CMC表達(dá)探討

黃健勇

（廣東省臺(tái)山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)所，廣東臺(tái)山，529200）

0 引言

根據(jù)《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》中明確提出的規(guī)定，分析評(píng)定微壓力測(cè)量表的不確定度；按照《法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)考核規(guī)范》中的內(nèi)容，測(cè)量機(jī)構(gòu)需要將參與項(xiàng)目的全部量程與參數(shù)都需要計(jì)算相應(yīng)的校準(zhǔn)測(cè)量能力?？紤]到微壓力測(cè)量表對(duì)于不確定度的評(píng)定與對(duì)校準(zhǔn)測(cè)量能力的表達(dá)之間的關(guān)系較為不清晰。因此，將在實(shí)例測(cè)量、判定的基礎(chǔ)上，對(duì)二者展開(kāi)工作的過(guò)程與需求進(jìn)行闡明。

1 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核中的測(cè)量不確定度

在相應(yīng)的規(guī)則章程中，對(duì)微壓力測(cè)量表的不確定度評(píng)定的定義是：基于計(jì)量檢定規(guī)定，通過(guò)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，將典型的被評(píng)定或被校準(zhǔn)的對(duì)象進(jìn)行檢定后得出的不確定度。因此，在不確定度的評(píng)定中，還應(yīng)將被測(cè)對(duì)象與測(cè)量影響進(jìn)行納入，且必須保證被測(cè)對(duì)象具備一定的代表性與典型性，微壓力表在計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核中測(cè)量不確定度的評(píng)定與常規(guī)條件下的不確定度評(píng)定具有一定的重復(fù)性，但是在實(shí)際的評(píng)定與分析中，應(yīng)明確以下兩點(diǎn)：第一，如果計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)Χ鄠€(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，需要分別提供每個(gè)參數(shù)的微壓力表測(cè)量不確定度評(píng)定流程；第二，如果被測(cè)對(duì)象的分度值或不確定度不同，那么需要采取的評(píng)定方式也應(yīng)進(jìn)行調(diào)整匹配，假設(shè)測(cè)量點(diǎn)之間沒(méi)有較大差距，則可以提供典型的不確定評(píng)定過(guò)程，在實(shí)際的評(píng)定中，應(yīng)針對(duì)項(xiàng)目的特征對(duì)其進(jìn)行不確定度的測(cè)量[1]。

2 實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)測(cè)量能力

為保證實(shí)驗(yàn)室或相關(guān)機(jī)構(gòu)開(kāi)展校準(zhǔn)測(cè)量能力的正確評(píng)定，首要任務(wù)是明晰校準(zhǔn)測(cè)量能力的應(yīng)用含義。對(duì)于校準(zhǔn)測(cè)量能力的定義是：向用戶提供高質(zhì)量的校準(zhǔn)測(cè)量，通過(guò)因子k=2或者置信概率為p=0.95的擴(kuò)展不確定度來(lái)表達(dá)。此外，在實(shí)驗(yàn)室中也可以將校準(zhǔn)測(cè)量能力稱作最佳測(cè)量能力。專業(yè)的歐洲認(rèn)可組織對(duì)于校準(zhǔn)測(cè)量能力的闡述是：實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)測(cè)量能力在其認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，當(dāng)用于規(guī)定、實(shí)現(xiàn)、保存一個(gè)或多個(gè)值的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)處于理想狀態(tài)下，并將其進(jìn)行常規(guī)校準(zhǔn)時(shí)，能夠?qū)⑽毫Ρ頊y(cè)定不確定度降至最低；當(dāng)用于測(cè)量數(shù)值的儀器處于理想狀態(tài)下，并將其進(jìn)行常規(guī)校準(zhǔn)時(shí)，能夠?qū)y(cè)量?jī)x器的不確定度降至最低。基于以上定義可知，微壓力測(cè)量表的校準(zhǔn)測(cè)量能力主要應(yīng)用于特定、具體的量的測(cè)算中，即測(cè)量結(jié)果。因此，微壓力表校準(zhǔn)測(cè)量能力是求測(cè)量結(jié)果的不確定度，屬于連接測(cè)量結(jié)果的參數(shù)。

從理論層面上來(lái)看，校準(zhǔn)測(cè)量能力是實(shí)驗(yàn)室將不確定度最低的“理想被?！蓖ㄟ^(guò)測(cè)量后得出的最小測(cè)量不確定度。但是，“理想被?！狈浅Ｉ僖?jiàn)。為解決這一問(wèn)題，通常會(huì)采取以下兩種被校方式進(jìn)行替代。第一種，選取穩(wěn)定性與重復(fù)性強(qiáng)的被校來(lái)替代“理想被?！?。在校準(zhǔn)測(cè)量能力評(píng)定的過(guò)程中，將樣本標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行歸并；第二種，選取穩(wěn)定性非常強(qiáng)并對(duì)測(cè)量結(jié)果分散性貢獻(xiàn)只由分辨力誤差產(chǎn)生的被校替代“理想被?！?。在校準(zhǔn)測(cè)量能力評(píng)定過(guò)程中，將不確定度的貢獻(xiàn)部分轉(zhuǎn)變?yōu)榉直媪?duì)測(cè)量結(jié)論不確定度的貢獻(xiàn)部分。

在測(cè)量短時(shí)間的分散性貢獻(xiàn)時(shí)，可以將量塊、砝碼、電阻等相對(duì)平穩(wěn)的被校進(jìn)行忽略。以上被校與理想被校之間的差距微乎其微。因此，可以將以上被校的校準(zhǔn)測(cè)量能力與不確定度劃等號(hào)。對(duì)于校準(zhǔn)測(cè)量能力的表述方法與測(cè)量不確定度的評(píng)定方法相對(duì)一致。例如：當(dāng)不同量程或測(cè)量點(diǎn)的被校結(jié)論不一致時(shí)，就不能應(yīng)用同一個(gè)被校值，應(yīng)根據(jù)不同分段，提供不同的校準(zhǔn)測(cè)量能力，或給予校準(zhǔn)能力范圍，同時(shí)，提供典型量程及測(cè)量點(diǎn)的校準(zhǔn)測(cè)量能力[2]。

3 微壓力表測(cè)量不確定度評(píng)定和校準(zhǔn)測(cè)量能力表達(dá)分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

首先，確定DWRER4級(jí)的（0-60）Pa且分度值為2Pa的為微差壓表為評(píng)定設(shè)備，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展不確定度的評(píng)定工作；其次，將標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償式微壓計(jì)產(chǎn)生的不確定度進(jìn)行分量，并記為U1。微壓計(jì)生成的不確定度分量主要由二等微壓計(jì)的壓力誤差產(chǎn)生，此微壓計(jì)的不確定度分量的分布是較為均勻的，符合B類(lèi)不確定評(píng)定，由標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償式微壓計(jì)產(chǎn)生的分量誤差范圍是±0.8Pa；最后，將由重復(fù)性測(cè)量產(chǎn)生的不確定度進(jìn)行分量，并記為U2。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)器處于30Pa狀態(tài)時(shí)，對(duì)微壓力表進(jìn)行10次重復(fù)性試驗(yàn)，將十次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平均值計(jì)算，結(jié)果為：=30.08Pa。單次的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算過(guò)程及計(jì)算結(jié)果如公式1所示：

而平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差的計(jì)算過(guò)程及計(jì)算公式如公式2所示：

通過(guò)測(cè)量值進(jìn)行估讀與引入的不確定度進(jìn)行分量，記為U3。遵照測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)微差壓表進(jìn)行數(shù)值讀取時(shí)，應(yīng)讀至標(biāo)準(zhǔn)分度值的處。結(jié)合指針深度與人工視覺(jué)誤差，對(duì)于誤差的估讀應(yīng)按照不可靠性的分度值估計(jì)。此誤差的分布屬均勻形態(tài)，因此，讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的計(jì)算過(guò)程及結(jié)果如公式3所示：

考慮到重復(fù)性計(jì)算產(chǎn)生的誤差，只保留最大的影響分量u3。

3.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

在對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)的不確定度展開(kāi)計(jì)算時(shí)，各個(gè)影響分量均應(yīng)選取其中較大的數(shù)值。計(jì)算過(guò)程如公式4所示：

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，首先需要確定k的取值，當(dāng)k=2時(shí)，將不確定度擴(kuò)展為：

3.3 微壓差計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)的不確定度評(píng)估

根據(jù)相關(guān)規(guī)程，常規(guī)校準(zhǔn)應(yīng)做到對(duì)微差壓表中的全部測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，允許誤差與之前一致，且儀表的分度值的量程范圍也不存在變化，從而確定不確定度的值為1.0Pa。

當(dāng)校準(zhǔn)壓力表的等級(jí)與分度值出現(xiàn)差異時(shí)，不確定度的分量u2與u3均會(huì)出現(xiàn)一定的不同?？紤]到儀表分度值過(guò)大導(dǎo)致重復(fù)性降低的原因會(huì)間接影響不確定度關(guān)于分度值的函數(shù)[3]。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)儀器的允許誤差及校準(zhǔn)點(diǎn)，可以確定：當(dāng)校準(zhǔn)點(diǎn)為0-1500Pa時(shí)，不確定度的表達(dá)方程為；當(dāng)校準(zhǔn)點(diǎn)為1500-2500Pa時(shí)，不確定度的表達(dá)方程為此公式滿足規(guī)程條件，公式中d代表被校準(zhǔn)儀器的分度值。

3.4 校準(zhǔn)測(cè)量能力的表達(dá)

結(jié)合以上測(cè)量不確定度的評(píng)定過(guò)程與內(nèi)容，DWYER微差壓表是補(bǔ)償式微壓計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的理想被校微壓力表。因此，校準(zhǔn)項(xiàng)目的校準(zhǔn)測(cè)量能力為：校準(zhǔn)點(diǎn)處于0-1500Pa階段時(shí)，校準(zhǔn)測(cè)量能力的不確定度的表達(dá)為；準(zhǔn)點(diǎn)處于1500-2500Pa階段時(shí)，校準(zhǔn)測(cè)量能力的不確定度的表達(dá)為。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上研究證實(shí)，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核中，微壓力表測(cè)量不確定度的評(píng)定是對(duì)典型被測(cè)對(duì)象開(kāi)展校準(zhǔn)時(shí)得出結(jié)論的不確定度，此不確定度必須具備一定程度的代表性與普遍性。校準(zhǔn)測(cè)量能力是全部測(cè)量結(jié)果中最小的不確定度，反映的是標(biāo)準(zhǔn)條件下的最高測(cè)量水平。