计量标准考核中常见技术问题

孙 蕾，陈鲁疆，苏继琨，张 涛，林雪丽，辛阿阿

(国家海洋局北海标准计量中心，青岛 266000)

0 引言

随着海洋事业的不断发展，海洋观测的仪器和手段越来越多，国家对海洋计量提出了更加严格的要求。海洋标准计量是中国海洋事业的重要组成部分。要进行计量检定，必须首先建立计量标准[1]。而计量标准考核是由国家主管部门对计量标准测量能力的评定和利用该计量标准开展量值传递资格的确认。计量标准考核的要求是判断计量标准合格与否的准则。计量标准考核内容包括计量标准器及配套设备、计量标准的主要计量特性、环境条件及设施、人员、文件集及计量标准测量能力的确认。文章以精密露点仪标准装置为例，直观地分析了其在计量标准考核中的稳定性考核、校准或检定结果的重复性试验、检定或校准结果的不确定度评定等技术问题。

1 计量标准概况

精密露点仪计量标准装置主要用于校准海洋资料浮标、船舶气象仪、海洋环境监测站用温湿度传感器、机械式温湿度表和数字式温湿度表等仪器。其主标准器为二级精密露点仪，配套设备为温湿度检定箱。

2 重复性试验研究

检定或校准结果的重复性是指在重复性测量条件下，用计量标准对常规被检定或被校准对象重复测量所得示值或测得值间的一致程度，通常用单次检定或校准结果的实验标准偏差表示。以精密露点仪标准装置校准结果的重复性试验为例：

温度测量重复性试验：在精密露点仪标准装置正常工作条件下，将手持式温湿度传感器作为常规被校准对象，设定温度校准点为20 ℃，重复测量10次，被测量值如下：19.9 ℃，20.0 ℃，20.0 ℃，20.0 ℃，20.0 ℃，20.0 ℃，20.0 ℃，20.0 ℃，20.0 ℃，20.0 ℃。

平均值：

(1)

测量重复性：

(2)

湿度测量重复性试验：在精密露点仪标准装置正常工作条件下，将手持式温湿度传感器作为常规被校准对象，设定湿度校准点为60%RH，重复测量10次，被测量值如下：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)

测量重复性：

(4)

3 稳定性考核研究

计量标准考核规范中稳定性考核方法有：核查标准法、高等级的计量标准法、控制图法、计量检定规程或计量技术规定的方法、计量标准器的稳定性考核结果。本单位的精密露点仪标准装置采用的计量标准器的稳定性考核结果进行考核，将精密露点仪每年溯源的检定或校准数据，制成计量标准器的稳定性考核记录表(表1，表2)。由表可知精密露点仪计量标准量值稳定。

表1 精密露点仪温度的稳定性考核记录 ℃

表2 精密露点仪露点的稳定性考核记录 ℃

4 不确定度评定

被测仪表的示值误差是直接比较温湿度检定箱中直接读取被测表的相对示值与精密露点仪示值差值后得到的。在校准结果的不确定度中，精密露点仪和温湿度检定箱引入的不确定度为计量标准装置引入的不确定度。

4.1 数学模型

4.1.1 湿度误差

根据以上描述，被测仪器湿度的示值误差可以表示为：

(5)

4.1.2 温度误差

根据以上描述，被测仪器温度的示值误差可以表示为：

(6)

根据全面分析、不遗漏、不重复和“重大避小”的原则，从测量设备、测量方法、测量人员、被测对象等方面综合考虑机械式温湿度计校准中可能引入不确定度的因素[2，3]。

4.2 温湿度表湿度测量结果不确定度评定

4.2.1 温湿度表湿度测量重复性引入的标准不确定度u1

依据JJG205-2005检定规程[4]，校准1台型号为WHM5的温湿度表，设定在恒温20 ℃的环境下，进行湿度校准。分别在湿度为40%RH，60%RH，80%RH的环境内重复测量10次。然后采用贝塞尔公式计算出湿度的标准偏差，3个湿度点的标准偏差分别为s1=0.03%RH，s2=0.03%RH，s3=0.07%RH。

4.2.2 被测温湿度表湿度估读引入的不确定度分量u2

4.2.3 精密露点仪引入的不确定度u3

湿度标准器为精密露点仪，将空气视为理想气体，增强因子的不确定度忽略不计。精密露点仪湿度标准值由式(7)计算：

(7)

式中，e(Td)表示露点温度下的饱和水蒸气压力，单位：Pa；e(Ts)表示环境温度下的饱和水蒸气压力，单位：Pa。

根据式(7)求偏导，精密露点仪湿度标准值的标准不确定度u(U标)为：

(8)

式中，ur(e(Td))表示露点温度下的饱和水蒸气压力的相对标准不确定度；ur[e(Ts)]表示环境温度下的饱和水蒸气压力的相对标准不确定度。

4.2.3.1 露点测量引入的标准不确定度u31

所以，露点测量引入的不确定度为：

(9)

4.2.3.2 环境温度测量引入的标准不确定度u32

所以，环境温度测量引入的不确定度为：

(10)

4.2.3.3 精密露点仪相对湿度的标准不确定度分量

已知露点和环境温度的测量标准不确定度，即可知水蒸气分压与饱和水蒸气压的标准不确定度。以环境温度为20 ℃为例，在40%RH，60%RH，80%RH各湿度点的不确定度u3，根据公式(8)可以求得精密露点仪湿度值的不确定度(表3)。

表3 精密露点仪湿度值的标准不确定度

当采用温湿度检定箱为温湿度源时，温湿度检定箱的湿度均匀度为1.0%RH，湿度波动度为±0.8%RH，则由湿度均匀度和波动度引入的不确定度分量分别为：

和

(11)

4.2.4 合成标准不确定度

(12)

式中，uc表示湿度合成标准不确定度；u1表示被测仪器的湿度测量重复性引入的不确定度；u2表示被检温湿度计湿度估读引入的不确定度分量；u3表示标准器引入的不确定分量；u4表示温湿度检定箱的湿度。

以上标准不确定度分量各不相关，则在40%RH，60%RH，80%RH各湿度点的合成不确定度uc分别为0.75%RH，0.85%RH，0.96%RH。

4.2.5 扩展不确定度

扩展不确定度U，包含因子k=2则U=kuc。扩展不确定度分别为1.5%RH，1.7%RH，2.0%RH。

4.3 机械式温湿度计温度测量结果不确定度评定

4.3.1 被测仪器的测量重复性引入的不确定度uT1

依据检定规程，校准1台型号为WHM5的机械式温湿度表。湿度检定时，箱内温度校准点依次为：15 ℃，20 ℃，30 ℃，各重复10次测量。采用贝塞尔公式计算标准偏差：3个温度点的标准偏差分别为s1=0.08 ℃，s2=0.08 ℃，s3=0.12 ℃。

4.3.2 被检温湿度计估读引入的不确定度分量u22

4.3.3

依据机械式温湿度计检定规程，所使用的标准器的最大允许误差为±0.1 ℃，由标准器引入的不确定分量为：

4.3.4

由温湿度检定箱的温度波动度和均匀度引入的不确定度分量u24，u25。

4.3.5 合成标准不确定度

4.3.6 扩展不确定度

扩展不确定度U，包含因子k=2。则U=kuc。3个温度点的扩展不确定度分别为0.36 ℃，0.26 ℃，0.38 ℃。

5 结束语

计量标准考核既是计量监督管理的一项基本内容，也是计量标准具有计量标准测量能力和量值传递准确可靠的重要保障[5]。稳定性考核、重复性试验和不确定度等技术问题是综合判断其测量能力满足开展检定或校准工作的需要以及计量标准处于正常工作状态的重要方法。文章中以实际工作为例，对稳定性、重复性、不确定度等技术问题进行了分析阐述。文章中提到的有关技术问题的分析对海洋计量标准考核中的技术报告编写具有一定的参考价值，便于广大计量工作者进行技术参考。