孫 蕾，陳魯疆，蘇繼琨，張 濤，林雪麗，辛阿阿

(國(guó)家海洋局北海標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心，青島 266000)

0 引言

隨著海洋事業(yè)的不斷發(fā)展，海洋觀測(cè)的儀器和手段越來越多，國(guó)家對(duì)海洋計(jì)量提出了更加嚴(yán)格的要求。海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量是中國(guó)海洋事業(yè)的重要組成部分。要進(jìn)行計(jì)量檢定，必須首先建立計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)[1]。而計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核是由國(guó)家主管部門對(duì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量能力的評(píng)定和利用該計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)開展量值傳遞資格的確認(rèn)。計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核的要求是判斷計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)合格與否的準(zhǔn)則。計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核內(nèi)容包括計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的主要計(jì)量特性、環(huán)境條件及設(shè)施、人員、文件集及計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量能力的確認(rèn)。文章以精密露點(diǎn)儀標(biāo)準(zhǔn)裝置為例，直觀地分析了其在計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核中的穩(wěn)定性考核、校準(zhǔn)或檢定結(jié)果的重復(fù)性試驗(yàn)、檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評(píng)定等技術(shù)問題。

1 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)概況

精密露點(diǎn)儀計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置主要用于校準(zhǔn)海洋資料浮標(biāo)、船舶氣象儀、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站用溫濕度傳感器、機(jī)械式溫濕度表和數(shù)字式溫濕度表等儀器。其主標(biāo)準(zhǔn)器為二級(jí)精密露點(diǎn)儀，配套設(shè)備為溫濕度檢定箱。

2 重復(fù)性試驗(yàn)研究

檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的重復(fù)性是指在重復(fù)性測(cè)量條件下，用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)常規(guī)被檢定或被校準(zhǔn)對(duì)象重復(fù)測(cè)量所得示值或測(cè)得值間的一致程度，通常用單次檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。以精密露點(diǎn)儀標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)結(jié)果的重復(fù)性試驗(yàn)為例：

溫度測(cè)量重復(fù)性試驗(yàn)：在精密露點(diǎn)儀標(biāo)準(zhǔn)裝置正常工作條件下，將手持式溫濕度傳感器作為常規(guī)被校準(zhǔn)對(duì)象，設(shè)定溫度校準(zhǔn)點(diǎn)為20 ℃，重復(fù)測(cè)量10次，被測(cè)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(cè)量重復(fù)性：

(2)

濕度測(cè)量重復(fù)性試驗(yàn)：在精密露點(diǎn)儀標(biāo)準(zhǔn)裝置正常工作條件下，將手持式溫濕度傳感器作為常規(guī)被校準(zhǔn)對(duì)象，設(shè)定濕度校準(zhǔn)點(diǎn)為60%RH，重復(fù)測(cè)量10次，被測(cè)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(cè)量重復(fù)性：

(4)

3 穩(wěn)定性考核研究

計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范中穩(wěn)定性考核方法有：核查標(biāo)準(zhǔn)法、高等級(jí)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)法、控制圖法、計(jì)量檢定規(guī)程或計(jì)量技術(shù)規(guī)定的方法、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的穩(wěn)定性考核結(jié)果。本單位的精密露點(diǎn)儀標(biāo)準(zhǔn)裝置采用的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的穩(wěn)定性考核結(jié)果進(jìn)行考核，將精密露點(diǎn)儀每年溯源的檢定或校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，制成計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的穩(wěn)定性考核記錄表(表1，表2)。由表可知精密露點(diǎn)儀計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量值穩(wěn)定。

表1 精密露點(diǎn)儀溫度的穩(wěn)定性考核記錄 ℃

表2 精密露點(diǎn)儀露點(diǎn)的穩(wěn)定性考核記錄 ℃

4 不確定度評(píng)定

被測(cè)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(cè)表的相對(duì)示值與精密露點(diǎn)儀示值差值后得到的。在校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度中，精密露點(diǎn)儀和溫濕度檢定箱引入的不確定度為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的不確定度。

4.1 數(shù)學(xué)模型

4.1.1 濕度誤差

根據(jù)以上描述，被測(cè)儀器濕度的示值誤差可以表示為：

(5)

4.1.2 溫度誤差

根據(jù)以上描述，被測(cè)儀器溫度的示值誤差可以表示為：

(6)

根據(jù)全面分析、不遺漏、不重復(fù)和“重大避小”的原則，從測(cè)量設(shè)備、測(cè)量方法、測(cè)量人員、被測(cè)對(duì)象等方面綜合考慮機(jī)械式溫濕度計(jì)校準(zhǔn)中可能引入不確定度的因素[2，3]。

4.2 溫濕度表濕度測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

4.2.1 溫濕度表濕度測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1

依據(jù)JJG205-2005檢定規(guī)程[4]，校準(zhǔn)1臺(tái)型號(hào)為WHM5的溫濕度表，設(shè)定在恒溫20 ℃的環(huán)境下，進(jìn)行濕度校準(zhǔn)。分別在濕度為40%RH，60%RH，80%RH的環(huán)境內(nèi)重復(fù)測(cè)量10次。然后采用貝塞爾公式計(jì)算出濕度的標(biāo)準(zhǔn)偏差，3個(gè)濕度點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為s1=0.03%RH，s2=0.03%RH，s3=0.07%RH。

4.2.2 被測(cè)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(diǎn)儀引入的不確定度u3

濕度標(biāo)準(zhǔn)器為精密露點(diǎn)儀，將空氣視為理想氣體，增強(qiáng)因子的不確定度忽略不計(jì)。精密露點(diǎn)儀濕度標(biāo)準(zhǔn)值由式(7)計(jì)算：

(7)

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

根據(jù)式(7)求偏導(dǎo)，精密露點(diǎn)儀濕度標(biāo)準(zhǔn)值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(U標(biāo))為：

(8)

式中，ur(e(Td))表示露點(diǎn)溫度下的飽和水蒸氣壓力的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur[e(Ts)]表示環(huán)境溫度下的飽和水蒸氣壓力的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

4.2.3.1 露點(diǎn)測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u31

所以，露點(diǎn)測(cè)量引入的不確定度為：

(9)

4.2.3.2 環(huán)境溫度測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u32

所以，環(huán)境溫度測(cè)量引入的不確定度為：

(10)

4.2.3.3 精密露點(diǎn)儀相對(duì)濕度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

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

表3 精密露點(diǎn)儀濕度值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

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

和

(11)

4.2.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

(12)

式中，uc表示濕度合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度；u1表示被測(cè)儀器的濕度測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度；u2表示被檢溫濕度計(jì)濕度估讀引入的不確定度分量；u3表示標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定分量；u4表示溫濕度檢定箱的濕度。

以上標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量各不相關(guān)，則在40%RH，60%RH，80%RH各濕度點(diǎn)的合成不確定度uc分別為0.75%RH，0.85%RH，0.96%RH。

4.2.5 擴(kuò)展不確定度

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

4.3 機(jī)械式溫濕度計(jì)溫度測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

4.3.1 被測(cè)儀器的測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度uT1

依據(jù)檢定規(guī)程，校準(zhǔn)1臺(tái)型號(hào)為WHM5的機(jī)械式溫濕度表。濕度檢定時(shí)，箱內(nèi)溫度校準(zhǔn)點(diǎn)依次為：15 ℃，20 ℃，30 ℃，各重復(fù)10次測(cè)量。采用貝塞爾公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差：3個(gè)溫度點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為s1=0.08 ℃，s2=0.08 ℃，s3=0.12 ℃。

4.3.2 被檢溫濕度計(jì)估讀引入的不確定度分量u22

4.3.3

依據(jù)機(jī)械式溫濕度計(jì)檢定規(guī)程，所使用的標(biāo)準(zhǔn)器的最大允許誤差為±0.1 ℃，由標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)度和均勻度引入的不確定度分量u24，u25。

4.3.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

4.3.6 擴(kuò)展不確定度

擴(kuò)展不確定度U，包含因子k=2。則U=kuc。3個(gè)溫度點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度分別為0.36 ℃，0.26 ℃，0.38 ℃。

5 結(jié)束語

計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核既是計(jì)量監(jiān)督管理的一項(xiàng)基本內(nèi)容，也是計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)具有計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量能力和量值傳遞準(zhǔn)確可靠的重要保障[5]。穩(wěn)定性考核、重復(fù)性試驗(yàn)和不確定度等技術(shù)問題是綜合判斷其測(cè)量能力滿足開展檢定或校準(zhǔn)工作的需要以及計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)處于正常工作狀態(tài)的重要方法。文章中以實(shí)際工作為例，對(duì)穩(wěn)定性、重復(fù)性、不確定度等技術(shù)問題進(jìn)行了分析闡述。文章中提到的有關(guān)技術(shù)問題的分析對(duì)海洋計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核中的技術(shù)報(bào)告編寫具有一定的參考價(jià)值，便于廣大計(jì)量工作者進(jìn)行技術(shù)參考。