計量標準考核中常見技術問題

孫 蕾，陳魯疆，蘇繼琨，張 濤，林雪麗，辛阿阿

(國家海洋局北海標準計量中心，青島 266000)

0 引言

隨著海洋事業的不斷發展，海洋觀測的儀器和手段越來越多，國家對海洋計量提出了更加嚴格的要求。海洋標準計量是中國海洋事業的重要組成部分。要進行計量檢定，必須首先建立計量標準[1]。而計量標準考核是由國家主管部門對計量標準測量能力的評定和利用該計量標準開展量值傳遞資格的確認。計量標準考核的要求是判斷計量標準合格與否的準則。計量標準考核內容包括計量標準器及配套設備、計量標準的主要計量特性、環境條件及設施、人員、文件集及計量標準測量能力的確認。文章以精密露點儀標準裝置為例，直觀地分析了其在計量標準考核中的穩定性考核、校準或檢定結果的重復性試驗、檢定或校準結果的不確定度評定等技術問題。

1 計量標準概況

精密露點儀計量標準裝置主要用于校準海洋資料浮標、船舶氣象儀、海洋環境監測站用溫濕度傳感器、機械式溫濕度表和數字式溫濕度表等儀器。其主標準器為二級精密露點儀，配套設備為溫濕度檢定箱。

2 重復性試驗研究

檢定或校準結果的重復性是指在重復性測量條件下，用計量標準對常規被檢定或被校準對象重復測量所得示值或測得值間的一致程度，通常用單次檢定或校準結果的實驗標準偏差表示。以精密露點儀標準裝置校準結果的重復性試驗為例：

溫度測量重復性試驗：在精密露點儀標準裝置正常工作條件下，將手持式溫濕度傳感器作為常規被校準對象，設定溫度校準點為20 ℃，重復測量10次，被測量值如下：19.9 ℃，20.0 ℃，20.0 ℃，20.0 ℃，20.0 ℃，20.0 ℃，20.0 ℃，20.0 ℃，20.0 ℃，20.0 ℃。

平均值：

(1)

測量重復性：

(2)

濕度測量重復性試驗：在精密露點儀標準裝置正常工作條件下，將手持式溫濕度傳感器作為常規被校準對象，設定濕度校準點為60%RH，重復測量10次，被測量值如下：60.1% RH，60.1%RH，60.1% RH，60.0% RH，60.0% RH，60.0% RH，60.0% RH，60.1% RH，60.1% RH，60.1% RH。

平均值：

(3)

測量重復性：

(4)

3 穩定性考核研究

計量標準考核規范中穩定性考核方法有：核查標準法、高等級的計量標準法、控制圖法、計量檢定規程或計量技術規定的方法、計量標準器的穩定性考核結果。本單位的精密露點儀標準裝置采用的計量標準器的穩定性考核結果進行考核，將精密露點儀每年溯源的檢定或校準數據，制成計量標準器的穩定性考核記錄表(表1，表2)。由表可知精密露點儀計量標準量值穩定。

表1 精密露點儀溫度的穩定性考核記錄 ℃

表2 精密露點儀露點的穩定性考核記錄 ℃

4 不確定度評定

被測儀表的示值誤差是直接比較溫濕度檢定箱中直接讀取被測表的相對示值與精密露點儀示值差值后得到的。在校準結果的不確定度中，精密露點儀和溫濕度檢定箱引入的不確定度為計量標準裝置引入的不確定度。

4.1 數學模型

4.1.1 濕度誤差

根據以上描述，被測儀器濕度的示值誤差可以表示為：

(5)

4.1.2 溫度誤差

根據以上描述，被測儀器溫度的示值誤差可以表示為：

(6)

根據全面分析、不遺漏、不重復和“重大避小”的原則，從測量設備、測量方法、測量人員、被測對象等方面綜合考慮機械式溫濕度計校準中可能引入不確定度的因素[2，3]。

4.2 溫濕度表濕度測量結果不確定度評定

4.2.1 溫濕度表濕度測量重復性引入的標準不確定度u1

依據JJG205-2005檢定規程[4]，校準1臺型號為WHM5的溫濕度表，設定在恒溫20 ℃的環境下，進行濕度校準。分別在濕度為40%RH，60%RH，80%RH的環境內重復測量10次。然后采用貝塞爾公式計算出濕度的標準偏差，3個濕度點的標準偏差分別為s1=0.03%RH，s2=0.03%RH，s3=0.07%RH。

4.2.2 被測溫濕度表濕度估讀引入的不確定度分量u2

4.2.3 精密露點儀引入的不確定度u3

濕度標準器為精密露點儀，將空氣視為理想氣體，增強因子的不確定度忽略不計。精密露點儀濕度標準值由式(7)計算：

(7)

式中，e(Td)表示露點溫度下的飽和水蒸氣壓力，單位：Pa；e(Ts)表示環境溫度下的飽和水蒸氣壓力，單位：Pa。

根據式(7)求偏導，精密露點儀濕度標準值的標準不確定度u(U標)為：

(8)

式中，ur(e(Td))表示露點溫度下的飽和水蒸氣壓力的相對標準不確定度；ur[e(Ts)]表示環境溫度下的飽和水蒸氣壓力的相對標準不確定度。

4.2.3.1 露點測量引入的標準不確定度u31

所以，露點測量引入的不確定度為：

(9)

4.2.3.2 環境溫度測量引入的標準不確定度u32

所以，環境溫度測量引入的不確定度為：

(10)

4.2.3.3 精密露點儀相對濕度的標準不確定度分量

已知露點和環境溫度的測量標準不確定度，即可知水蒸氣分壓與飽和水蒸氣壓的標準不確定度。以環境溫度為20 ℃為例，在40%RH，60%RH，80%RH各濕度點的不確定度u3，根據公式(8)可以求得精密露點儀濕度值的不確定度(表3)。

表3 精密露點儀濕度值的標準不確定度

當采用溫濕度檢定箱為溫濕度源時，溫濕度檢定箱的濕度均勻度為1.0%RH，濕度波動度為±0.8%RH，則由濕度均勻度和波動度引入的不確定度分量分別為：

和

(11)

4.2.4 合成標準不確定度

(12)

式中，uc表示濕度合成標準不確定度；u1表示被測儀器的濕度測量重復性引入的不確定度；u2表示被檢溫濕度計濕度估讀引入的不確定度分量；u3表示標準器引入的不確定分量；u4表示溫濕度檢定箱的濕度。

以上標準不確定度分量各不相關，則在40%RH，60%RH，80%RH各濕度點的合成不確定度uc分別為0.75%RH，0.85%RH，0.96%RH。

4.2.5 擴展不確定度

擴展不確定度U，包含因子k=2則U=kuc。擴展不確定度分別為1.5%RH，1.7%RH，2.0%RH。

4.3 機械式溫濕度計溫度測量結果不確定度評定

4.3.1 被測儀器的測量重復性引入的不確定度uT1

依據檢定規程，校準1臺型號為WHM5的機械式溫濕度表。濕度檢定時，箱內溫度校準點依次為：15 ℃，20 ℃，30 ℃，各重復10次測量。采用貝塞爾公式計算標準偏差：3個溫度點的標準偏差分別為s1=0.08 ℃，s2=0.08 ℃，s3=0.12 ℃。

4.3.2 被檢溫濕度計估讀引入的不確定度分量u22

4.3.3

依據機械式溫濕度計檢定規程，所使用的標準器的最大允許誤差為±0.1 ℃，由標準器引入的不確定分量為：

4.3.4

由溫濕度檢定箱的溫度波動度和均勻度引入的不確定度分量u24，u25。

4.3.5 合成標準不確定度

4.3.6 擴展不確定度

擴展不確定度U，包含因子k=2。則U=kuc。3個溫度點的擴展不確定度分別為0.36 ℃，0.26 ℃，0.38 ℃。

5 結束語

計量標準考核既是計量監督管理的一項基本內容，也是計量標準具有計量標準測量能力和量值傳遞準確可靠的重要保障[5]。穩定性考核、重復性試驗和不確定度等技術問題是綜合判斷其測量能力滿足開展檢定或校準工作的需要以及計量標準處于正常工作狀態的重要方法。文章中以實際工作為例，對穩定性、重復性、不確定度等技術問題進行了分析闡述。文章中提到的有關技術問題的分析對海洋計量標準考核中的技術報告編寫具有一定的參考價值，便于廣大計量工作者進行技術參考。