防靜電服帶電電荷量的測(cè)量不確定度評(píng)定研究

張婷婷

(中國(guó)石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(cè)，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(jí)<0.20 μC，B級(jí)0.20～0.60 μC；若測(cè)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(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性與一致性，需要對(duì)防靜電服帶電電荷量的測(cè)量不確定度評(píng)定方法進(jìn)行研究。測(cè)量不確定度是建立在誤差理論基礎(chǔ)上的，它表示由于測(cè)量誤差的存在而對(duì)被測(cè)量值不能肯定的程度，是定量說(shuō)明測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的一個(gè)參數(shù)[2]。一個(gè)完整的測(cè)量結(jié)果，不僅要表示其量值的大小，還需給出測(cè)量不確定度，表示被測(cè)量值在一定概率水平所處的范圍。測(cè)量不確定度愈小，其測(cè)量結(jié)果的可信度愈大，測(cè)量的質(zhì)量就愈高，測(cè)量數(shù)據(jù)的使用價(jià)值愈高。本文采用國(guó)際通用的測(cè)量不確定度的評(píng)定和表示方法，對(duì)防靜電服帶電電荷量的測(cè)量不確定度進(jìn)行了評(píng)定和表述[3]。

1 防靜電服帶電電荷量的檢測(cè)方法

1.1 檢測(cè)使用的儀器設(shè)備

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

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

1.2 檢測(cè)程序

試樣在測(cè)試前須經(jīng)洗滌處理與調(diào)濕；測(cè)試環(huán)境條件為溫度(20±5)℃，相對(duì)濕度35%±5%；將防靜電服試樣放入自動(dòng)滾筒摩擦機(jī)中運(yùn)轉(zhuǎn)15 min。試樣直接從自動(dòng)滾筒摩擦機(jī)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(jì)。上述程序重復(fù)測(cè)試5次，每次測(cè)試與測(cè)試之間，相隔10 min，在每次測(cè)試前，應(yīng)對(duì)試樣和滾筒內(nèi)襯標(biāo)準(zhǔn)布進(jìn)行消電處理。取5次測(cè)試的平均值，為最終測(cè)量值[3]。檢測(cè)流程如圖1。

圖1 防靜電服帶電電荷量檢測(cè)流程

2 防靜電服帶電電荷量的測(cè)量不確定度評(píng)定方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

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

防靜電服帶電電荷量的測(cè)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(cè)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(lái)源

為正確評(píng)估測(cè)量不確定度，需識(shí)別出檢測(cè)中產(chǎn)生的所有不確定度因素。從影響測(cè)量結(jié)果的因素考慮，測(cè)量結(jié)果的不確定度一般來(lái)源于被測(cè)對(duì)象、測(cè)量設(shè)備、測(cè)量環(huán)境、測(cè)量人員和測(cè)量方法。根據(jù)防靜電帶電電荷量的檢測(cè)特點(diǎn)，其測(cè)量不確定度主要來(lái)源于A類(lèi)、B類(lèi)2個(gè)部分，如下：

a)測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA，采用A類(lèi)方法評(píng)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(lèi)方法評(píng)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(lèi)方法評(píng)定。

d)自動(dòng)滾筒摩擦機(jī)的轉(zhuǎn)速引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB3，采用B類(lèi)方法評(píng)定。

e)檢測(cè)環(huán)境溫、濕度變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB4，采用B類(lèi)方法評(píng)定。

除了上述5項(xiàng)不確定度來(lái)源，還有一些尚未認(rèn)識(shí)到的不確定性源，雖然沒(méi)有考慮在內(nèi)，但它們同樣可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的誤差。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示測(cè)量結(jié)果的不確定度，稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)不確定度；標(biāo)準(zhǔn)不確定度有A、B兩類(lèi)評(píng)定方法。

A類(lèi)評(píng)定是對(duì)在規(guī)定測(cè)量條件下測(cè)得的量值用統(tǒng)計(jì)分析的方法進(jìn)行的測(cè)量不確定分量的評(píng)定。要注意的是：

a)多次測(cè)量必須在重復(fù)性測(cè)量條件(相同的檢測(cè)程序、相同的測(cè)量人員、相同的測(cè)量設(shè)備、相同的測(cè)量場(chǎng)所、短時(shí)間內(nèi)的重復(fù)測(cè)量)下進(jìn)行。

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

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

B類(lèi)評(píng)定是用非統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行評(píng)定，用估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)偏差表征。獲得B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度來(lái)源一般有：①權(quán)威機(jī)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(shū)；④經(jīng)檢定的測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度等級(jí)；⑤根據(jù)人員經(jīng)驗(yàn)推斷的極限值等。

在標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類(lèi)評(píng)定中，涉及到評(píng)定人員對(duì)上述不確定度來(lái)源的認(rèn)知和經(jīng)驗(yàn)，因此通常會(huì)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(lèi)評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，是測(cè)量不確定度評(píng)定的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

2.3.1測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA

下面實(shí)驗(yàn)是運(yùn)用A類(lèi)評(píng)定的貝塞爾法在重復(fù)性條件下，對(duì)防靜電服試樣進(jìn)行10次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 防靜電服帶電電荷量測(cè)量結(jié)果值μC

序號(hào)測(cè)量結(jié)果序號(hào)測(cè)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(cè)量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為：

(2)

檢測(cè)中，通常進(jìn)行5次測(cè)量，取5次測(cè)量結(jié)果的平均值作為檢測(cè)結(jié)果，則Qx=0.287 μC，測(cè)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(dòng)滾筒摩擦機(jī)[6]的轉(zhuǎn)速引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB3

自動(dòng)滾筒摩擦機(jī)經(jīng)上級(jí)校準(zhǔn)部門(mén)校準(zhǔn)合格，按儀器校準(zhǔn)證書(shū)給出，包含因子k=2，轉(zhuǎn)速的擴(kuò)展不確定度U=0.1%，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

(6)

2.3.5檢測(cè)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(píng)定

對(duì)于直接測(cè)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(jì)算方法合成不確定度：

(8)

2.5 擴(kuò)展不確定度評(píng)定

擴(kuò)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(cè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)估中一般可不計(jì)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(cè)結(jié)果最佳估計(jì)值為：Qx=0.287 μC，取包含因子k=2，其擴(kuò)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(píng)定防靜電服特性的一項(xiàng)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(cè)中，應(yīng)正確理解和使用測(cè)量不確定度。本次實(shí)驗(yàn)所測(cè)防靜電服帶電電荷量的不確定度報(bào)告為(0.287±0.04)μC，包含因子k=2。從上述分析和計(jì)算過(guò)程可以看出，其不確定度主要是由于樣品重復(fù)性試驗(yàn)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(cè)試防靜電服帶電電荷量時(shí)，應(yīng)對(duì)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(cè)檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，本文提出的防靜電服帶電電荷量測(cè)量不確定度評(píng)定的通用方法，其研究結(jié)果可為實(shí)際工作中評(píng)定同類(lèi)測(cè)量結(jié)果的不確定度提供一定的計(jì)算參考，以期為石化行業(yè)靜電危害評(píng)估提供可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

表2 防靜電服帶電電荷量測(cè)量不確定度匯總