基于实例分析的测量不确定度评定研究

王旭锋

（通标标准技术服务有限公司 宁波分公司，浙江 宁波315000）

0 前言

测量不确定度是与测量结果关联的一个参数，用于表征合理赋予被测量的值的分散性。 它可以用于“不确定度”方式，也可以是一个标准偏差（或其给定的倍数）或给定置信度区间的半宽度。该参量常由很多分量组成，它的表达中定义了获得不确定度的不同方法，燃烧测试是一种典型的不可复现测试，其测试结果的不确定度评定具有相对的代表性意义。

1 测量仪器与环境

1.1 原理

为了保证燃烧的充分性， 选择最容易燃烧的方位将玩具悬挂起来，使用特定燃烧器，以45°倾角与玩具接触，对玩具的燃烧速度进行测试。 测量计算公式为：V=S/T。

1.2 仪器

选择符合ISO6941-84 规定的测试专用火焰燃烧器， 燃烧气体为丁烷。为了保证试验的安全进行，配备卤代烷灭火器，测量长度用的钢直尺规格为（300±1）mm。

1.3 环境

要对环境中的温度和湿度进行适当的调节， 确保实验室温度在10℃～30℃之间，湿度为（15～80）%RH。

2 测量步骤

1）为了确保测试的准确性，减少相应的误差，在燃烧测试进行前，要对玩具进行适当地处理，在15℃～25℃，相对湿度为（65±5）%RH 的恒温恒湿箱内，放置7 个小时。

2）将测试玩具取出后，要在2 分钟之内，选择合适的位置，以最易燃烧的方位，进行悬吊，燃烧器喷嘴要放置在合适的距离，以5mm 为最佳，使火焰可以接触下边缘上方30mm 处；为了确保计时准确，可以将计时器的停止开关与玩具悬吊细线相连；要对喷嘴到细线的距离S进行测量和记录。

3）将火焰高度调整至20mm，启动后，以45°角度与试样3 秒钟，之后将燃烧器移开，使其保持自行燃烧。当火焰将顶部细线烧断，计时器停止后，对燃烧时间T 进行记录。

4）使用灭火器将火焰扑灭。

5）对测量得到的数据进行整理和计算，对结论进行判断。

3 不确定度分析

以上检测方法必须根据玩具检测的安全标准EN71-Ⅱ：1993 以及相关的测试流程标准进行操作，要确保测试的安全性，对于检测方法的不确定度不予考虑。

图1

根据安全标准和相关的测试规程，由于试验样本在恒温恒湿箱内进行了预处理，其校正温度（20±2）℃，校正湿度（65±3）%RH，对于燃烧速度不确定度的影响同样可以忽略。

根据相应的计算公式V=S/T，S 单位为mm，T 单位为s（秒）

根据以上的不确定度分析因果图，将燃烧速度的计算公式进行相应的扩展，

v=s/t·f气纯度·f分散性

公式中，f气纯度=1，f分散性=1，其主要不确定度分量有：

火焰燃烧距离S 的不确定度u1

火焰燃烧时间T 的不确定度u2

燃烧气体丁烷纯度引起的不确定度u3

以及测量的分散性引起的不确定度u4

各个分量之间互不相关， 经过测量， 在试验中， 燃烧距离为210mm， 火焰的燃烧时间为9.5s， 带入公式， 可得燃烧速度为：22.1（mm/s)。

4 不确定度分量

4.1 火焰燃烧距离S 的不确定度分量：

使用钢直尺测量，其本身标准不确定度为0.18mm，钢直尺分辨率误差引起的标准不确定度为0.29mm， 带入计算公式马克的火焰燃烧距离S 的不确定度为：u1=0.34mm

相对标准不确定度为u1′=0.34/210=0.0016

4.2 火焰燃烧时间T 的不确定度分量：

由于计时器启动和停止计时系统自身的系统效应可以相互抵消，其所造成的不确定度的应用可以忽略不计；计时系统的时间分辨率为0.1s，由此引起的标准不确定度分量为：

0.29δχ=0.29×0.1=0.029s

对计时系统进行内部校正，得到不确定度评估为0.173s，带入相应的计算公式，可得火焰燃烧时间T 的标准不确定度为：u2=0.175s

相对标准不确定度为u2′=0.175/9.5=0.0184

4.3 丁烷气体纯度不确定度分量：

经过相应的内部校正， 计算出燃烧丁烷气体的纯度为98%以上，假设气体均匀分布，其所带来的标准不确定度为：u气纯度=0.0058相对标准不确定度为u气纯度=0.0058/1=0.0058

4.4 其他不确定度分量：

为了确保测试的准确性，保证测试结果的全面的真实，选择同一批次、同一型号的玩具，有甲、乙、丙三个测试人员分别机械测试，每人测试五只，其测试数据如下，数据单位为mm/s。

甲:五次的测试结果分别为：22.5,20.6,22.9,22.1,21.5；

乙：五次测试结果分别为：22.7,19.8,23.1,20.9,21.9；

丙： 五次测试结果分别为：22.3,20.5,23.4,19.9,21.2.

计算平均值， 可得平均速度为21.69mm/s； 标准不确定度为1.16mm/s；

相对标准不确定度为u′=1.16/21.69=0.0535

根据相应的测试规程， 在测试过程中，为了避免误差的产生，要采取必要的措施， 对喷火器的火焰高度的偏差以及喷嘴与玩具便面距离的偏差进行严格地控制， 对于火焰的燃烧哦速度所造成的影响，可以认为其包括在测量的分散性中，不需要进行单独评定。

uv/v=0.0569

故可得uv=22.1×0.0569=1.2574≈1.3（mm/s）

包含因子K=2，扩展不确定度为

1.3×2=2.6（mm/s）

其结果可以表示为 22.1±2.6mm/s

运用EXCEL 电子表格对玩具的燃烧速度不确定度进行评定，可以看出，玩具的燃烧速度受丁烷气体密度以及相应的分散性因素的影响较小，其自身数值的变化可以忽略；燃烧时间的变化和燃烧距离的变化是最主要的两个不确定度分量，必须进行精确的测量，保证数值的准确性和真实性。

5 结果讨论

首先，根据不确定度的因果关系以及不确定度的合成，可以看出，不确定度与测试的各个因素都存在一定的联系，而相对来说，测试的分散性对于测试的最终结果影响十分巨大，在操作中必须加强注意。

其次，燃烧测试是一种典型的不可复现性测试，其测试的质量只能通过长期的实践来验证，以上试验的测试过程符合相应的理论和规范，其结果也相对比较合理和准确。

最后， 使用EXCEL 表格计算得出的结果与一般相对不确定度的计算结果是一致的，而且更加简洁和方便。

6 结语

通过实例分析，可以看出，测量不确定度可以定量地表示测量结果的质量，对于测量结果的影响是十分巨大的。 相关的科研工作人员必须充分重视起来，在科学测量中对其存在的不确定度进行评定，尽一切可能，减少测量中存在的误差，保证测量工作的严谨性和精确度。

［1］张海滨,王中宇,刘智敏.测量不确定度评定的验证研究[J].计量学报,2007,28(3):194-197.