对砝码检定数据控制的实时监测方法

陆进宇 卜晓雪 何开宇 王朝阳/河南省计量科学研究

0 引言

砝码作为质量量值传递的实物载体，在各个领域具有非常重要的作用，并且凡用于贸易结算、安全防护、医疗卫生、环境监测的砝码均实行强制检定，所以砝码的检定工作就愈加重要。砝码折算质量修正值（以下简称修正值）的数据控制体现在一定恒温恒湿实验环境条件下原始数据的获得、数据处理的过程、结果的合理判定和检定证书的出具。

不同准确度等级砝码的检定工作平时由人工来完成，每套砝码的检定都要花费很长的时间，尤其是对于高等级的砝码，如E2等级砝码，其检定过程对各方面要求比较苛刻[1]。在检定E2等级砝码修正值时，通常采用2次ABBA测量循环（A是E1等级砝码，B是E2等级砝码），检定过程必须有两名以上检定员检定。两名检定员的检定结果之差不得超过E2等级最大允许误差的四分之一，否则需要复检。对一套 1 mg～ 200 g 23个 E2等级砝码而言，从配套衡量设备上读取稳定数据、主标准器E1等级砝码修正值填写、两名检定员的原始数据计算、结果确认及检定证书结果页砝码修正值的输入等，需要近300个数据才能生成一份E2等级砝码检定证书。因此，实现砝码检定数据控制的在线实时监测方法是很重要的。实时监测方法可以有效避免数据录入和计算处理造成的人为误差，提高检定的准确度，缩短检定时间，并且可以将砝码的信息进行系统化、规范化的管理，方便检定人员对砝码信息的查询和管理。

砝码检定过程中的数据处理应执行砝码检定规程要求[1]，且符合数据修约规则[2]。针对不同准确度等级砝码检定的特点，通过分析砝码检定数据控制的各种影响因素，形成了一套砝码检定数据控制的实时监测方法。

E2等级砝码检定采用数字式衡量仪器，其实际分度值分别是0.001 mg（量传E2等级砝码范围2～200 g）和 0.000 1 mg（量传 E2等级砝码范围 1 mg～1 g）。E2等级砝码检定前必须要清洁，首先用麂皮擦拭砝码表面，除去砝码表面的灰尘或细绒线，然后借助辅助设备用无水乙醇或蒸馏水清洗。

1 砝码检定数据控制因素

1.1 数据位数输入的控制

砝码电子原始记录模板是在Excel基础上建立的，但Excel数字输入时末位0是不显示的，而砝码检定过程经常会出现末位0的情况，且计量学中数字后面的0属于有效数字。图1是一个50 mg E2等级砝码检定原始数据在Excel中的输入情况。正常情况下，在Excel表格中输入0.000 0和0.008 0，会自动显示0和0.008，检定该砝码所用衡量仪器的实际分度值是0.000 1 mg，需要四位小数点位数，因此需要改进。利用Excel设置单元格格式的“数值”，并选择小数位数“4”确定该数字小数位数。同样，把测量范围1 mg～1 g的 示值一列设置成四位小数，测量范围2～200 g的 示值一列设置成三位小数。这样，就不会出现数字末位有0与实际输入不符的情况。

图1 50 mg E2等级砝码检定时出现末位有0的情况截图

1.2 两次测量循环的检定结果比较

采用ABBA测试循环，被检砝码与一个标准砝码比较进行后续检定，被检砝码折算质量值计算公式为

式中：mct——被检砝码折算质量值；

mcr——标准砝码折算质量值；

Δmc——被检砝码与标准砝码之间的折算质量差值；

ΔI——天平的示值差；

ΔIt1、ΔIt2——被检砝码在衡量仪器上的两次读数；

ΔIr1、ΔIr2——标准砝码在衡量仪器上的两次读数

对于采用数字式衡量仪器检定E2等级砝码，则

由于

结合式（1）（3）和（4），被检砝码修正值计算公式为

式中：mcc——砝码折算质量修正值；

mc——砝码折算质量值；

m0——被检砝码标称值；

mcct——被检砝码修正值；

mccr——标准砝码修正值

从式（2）可以看出，ΔI值只有两种情况：1）被检砝码ΔIt1与ΔIt2之和减去标准砝码ΔIr1与ΔIr2之和是偶数，则结果值余数为0；2）被检砝码ΔIt1与ΔIt2之和减去标准砝码ΔIr1与ΔIr2之和是奇数，则结果值余数为5。因此，为了避免余数是5，除数末位数字是偶数时直接进位的情况，作为计算过程的数据，两名检定员的检定结果可以不进行修约，按实际计算值来记录，小数点位数多设置一位，如图1中的结果值0.009 65 mg，小数位数设置为五位。

另外，从式（5）可以得出，被检砝码修正值与标准砝码修正值有关。被检砝码修正值由上级技术机构给定，表1是经中国计量科学研究院检定的E1等级砝码修正值小数点位数。结合ΔI值及避免连续修约现象出现，设置两名检定员，约定检定结果小数点位数。具体是：100～200 g修正值小数点位数为四位，1 mg～5 g修正值小数点位数为五位。图 2 是检定 200 g 和 200 mg E2等级砝码修正值小数点位数设置。如果两人检定结果小数点位数和衡量仪器实际分度值一致，那么会出现四舍五入的情况，当分度值位数上出现偶数时结果显示有误，奇数时符合。比如，-0.068 5显示为-0.069,不符合修约规则；0.017 35显示为0.017 4，符合修约规则。因此，在砝码检定过程中，两名检定员检定结果小数点位数多设一位。

表1 E1等级砝码修正值小数点位数

图2 200 g和200 mg E2等级砝码的检定结果位数设置截图

1.3 复检的预警判断

砝码原始记录在数据录入过程中应有修正值自动有效性检验预警判断。当两名检定员结果值之差超过E2等级最大允许误差的四分之一时，应实时给出“重检”预警提示信息。预警信息、判断信息用判断语句if语句实现：IF(ABS(两名检定员结果值之差)≤最大允差绝对值/4，“合格”“重检”)。因此，在整个砝码检定过程中，当两名检定员输入数据得到的结果不符合砝码规程要求时就出现预警信息，可及时进行复检处理，避免该砝码被流转出实验室甚至被用户取走后才发现该砝码需要复检的一系列问题。

1.4 修正值的数值修约

砝码检定过程修正值的数值修约遵循修约间隔10-n（n为正整数）。砝码修正值小数点位数可以和相应等级砝码的最大允许误差位数相同。根据表2中砝码规程给定的E2等级砝码最大允许误差的绝对值的小数点位数，200 g保留一位小数，1～100 g保留两位小数，1～500 mg保留三位小数，且最后一位是估计值。E2等级砝码在我国省级计量机构作为主标准器进行量值传递F1等级及以下等级砝码，工作量是非常大的，因此E2等级砝码修正值的准确性至关重要。表2中 F1等级砝码200 g、1～20 g、1～10 mg修正值位数和E2等级砝码是一致的。综合考虑E2等级砝码检定时所用衡量仪器分辨力、E2等级砝码最大允差及作为主标准器进行F1等级砝码量值传递等各种因素，确定E2等级砝码修正值小数点位数：50～200 g保留两位小数，1 mg～20 g保留三位。

表2 1 mg～200 g E2等级砝码最大允许误差的绝对值

每个标称值砝码的数据输入及计算结果的格式都做了一定规范设置，最后需要砝码修正值的结果位数进行确定。E2等级砝码修正值小数位数的确定可以用以下两种方法：

1）结合求余数函数MOD和取整函数INT实现修正值的修约问题。保留两位小数函数为：IF(MOD(INT(两名检定员结果平均值×1000)，5)=0,IF(MOD(INT(两名检定员结果平均值×100)，2)=0,INT(两名检定员结果平均值×100)/100，ROUND(两名检定员结果平均值，2))，ROUND(两名检定员结果平均值，2))；

保留三位小数函数为：IF(MOD(INT(两名检定员结果平均值×10000)，5)=0,IF(MOD(INT(两名检定员结果平均值×1000),2)=0,INT(两名检定员结果平均值×1000)/1000,ROUND(两名检定员结果平均值,3)),ROUND(两名检定员结果平均值,3))。

2）由于Excel自带ROUND函数不能满足修约要求，所以采用自编函数公式[3]满足数据处理的实际要求。其公式分别为IF(MOD(两名检定员结果平均×100,1)=0.5,EVEN(TRUNC(两名检定员结果平均值×100,0))/100,ROUND(两名检定员结果平均值,2))和IF(MOD(两名检定员结果平均值×1000,1)=0.5,EVEN(TRUNC(两名检定员结果平均值×1000,0))/1000,ROUND(两名检定员结果平均值,3))。

1.5 修正值正负号设定

砝码检定证书代表该计量技术机构的技术能力和水平，因此砝码证书及原始记录要保持清晰化、一致化和规范化，砝码修正值及其最大允许误差有正负号就是需要注意的事项。数据带正负号是防止纸质原始记录中无符号数据被修改为正数或负数，负数被篡改成正数。为了保留这种记录方式，原始记录修正值及自动生成证书的结果也保留正负号，利用Excel数字自定义类型设置“+0.000;-0.000;0.000”实现保留三位小数带正负号的检定结果，同样，可以设置其他带符号的任意小数位数。图3是自动生成的编号为1331E2等级砝码的检定证书。

图3 编号1331 E2等级砝码检定证书截图

2 结语

针对已建立某一等级砝码组标准装置的计量标准，量值传递砝码等级和范围是规定的，所用主标准器和配套设备是明确的，砝码原始记录从配套设备读取数据和中间计算过程获得数据小数点位数是一定的，砝码修正值的小数点位数是确定的，因此，结合Excel软件及相关辅助函数，通过设置一系列砝码计算函数和数据设置，自动生成砝码检定证书，形成一种规范化格式的实时监测砝码检定的数据控制方法。该方法对原始数据的读取、数据运算及修正值的有效性可提供在线实时监测及预警判断，能够及时掌握砝码数据的可靠性和准确性，避免出现人为因素所造成的误差。