热工计量器具测量重复性的不确定度评定

热工计量器具测量重复性的不确定度评定

陈松

大连市检验检测集团有限公司 ，辽宁省 大连市 116001

摘要：随着电子集成化和计算机技术的飞速发展，市场上供应的计量器具种类越来越多，如何在众多计量器具中，既选择出符合实际工况需要，又做到科学合理、经济高效。测量结果重复性是衡量检定、校准可靠性的一项内容，不少计量器具给出具体技术要求；而其所贡献的不确定度是测量不确定度评定中一个必不可少的分量，它涉及到评定结果的质量，应引起重视。

关键词：热工计量；计量器具；测量

热工计量工作就是按照相关的规程、规章制度对热工标准计量器具、标准装置及配套设备和在线 热工仪表进行日常管理, 必要时进行一系列的试验, 来判断计量器具及标准装置的状态是否符合要求的过 程, 从而保证热工量值的准确可靠。因此,各级热工计量管理部门应建立健全和完善有关规章制度, 提高计量 管理水平, 使热工计量管理工作做到万无一失。工计量器具测量结果重复性的不确定度评定中应考虑以下：重复性不确定度可以由被检仪器或标准器单独反映，也可二者兼有；重复性不确定度的表示应以有关技术文件对测量结果的要求(最大值或平均值)相适应；实验点的选择应由被检仪器、标准器和测量用仪器共同确定。

一、被测和标准重复性不确定度的合成

在热工计量器具的比较检定中,通过被检计量器具和作为标准的计量器具进行比较来确定被检的示值误差或分度关系 。在评定源于重复性的不确定度时有的需由被检和标准分别评定, 然后再进行合成 ;而有的则只需由被检或标准中的一组测量结果进行评定, 这要由不同的计量器具和测量方法而定,下面分别进行讨论。被检和标准都存在分散性、即两组测量列中各个测量结果不一致。这种情况应分别评定它们的不确定度, 然后再作为两个分量进行合成。如标准温度灯等光学辐 射测温仪器 ;热电偶、热电阻、液体玻璃温度计等在检定 炉和恒温槽中检定、分度的计量器具 ;压力流量计量仪器 中的旋叶式水表等的检定或分度都属于这一类型。这里有两点需要考虑 :一是不能只用被检或标准中的一组测量结果的不确定度替代它们的合成不确定度 。 在实际评定中有时容易忽略标准的重复性。如工作用光 学高温计、辐射感温器的检定 , 在测量过程中, 作为标准 的温度灯电流值 ,辐射感温器电势值都可能发生变化, 这在相应检定规程中都有明确规定。其他诸如环境条件的变化也会对标准器产生影响 。因此 , 在重复性不确定度评定中应考虑这个分量。另外一点是对于在检定炉和恒温槽中检定或分度的计量器具 ,为了消除测量过程的线性误差一般多采用对称观测法进行测量 。但在采用不确定度评定中运用贝塞尔公式时, 不能为了消除系差把单向测量的、被检和标准测量结果的差值作为一次测量结果, 这会导致评定结果的错误。理想的方法是提高测量过程中温场的稳定性 ,忽略系差的影响。在系差明显时应分别对被检和标准的测量结果进行修正后再分别进行评定。如以直流电位差计 、标准电压发生器、直流电组箱为标准,检定模拟式和数字式温度指示调节仪 ,被检仪器指 示或显示同一刻(度)线或检定点示值。对于这种情况其重复性的不确定度应由标准器的测量结果进行评定。对有的仪器也可采用由标准器给出检定点的信号, 由被检仪器测量结果进行评定。如用活塞压力计检定弹簧管式压力表 ;以标准液体压力计检定台式血压计等都是标准器的示值不变 ,重复性的不确定度由被检仪器的测量结果进行评定。 对于这类仪器的重复性不确定度评定, 从形式上看只是被检或标准中一组的测量结果所确定, 但实际上导致测量结果分散性的影响量却包含了对两者的影响 ,是综合效应的结果。如模拟式仪器的读数误差 、数字式仪表的分辨力, 以及环境条件的影响都会在测量结果中反映出来。不能认为这一类仪器检定的不确定度评定只是由被检或标准中的一组所决定, 而遗漏了另一阻 。因此, 也就无须分别计算被检和标准的不确定度,否则将造成 重复。如以标准电压发生器或直流电位差计检定一数字仪表,被检仪表测量结果相同,虽然数字表存在分辨力导致的不确定度未直接反映出来 ,但这个因素会反映到标 准器的测量结果中。

二、测量循环中的测量结果

很多热工测量仪表的示值误差检定要求作正 、反向 (行程)测量, 即从仪表测量下限开始增加输入信号, 经过预先选定的各检定点到仪表测量上限,作为正向(行程) 测量,然后再从测量上限返回到测量下限作为反向(行 程)测量,正、反向测量一起构成一个测量循环 。因此, 一个测量循环中每个检定点获得正 、反两个测量结果 。在重复性不确定度评定实验中,进行多个测量循环, 从而可获得正、反向测量的两个测量列, 在实验标准差计算中, 应根据仪器对检定结果的要求来确定是选用单向还是双向测量结果 。1)在检定结果中要求各测量结果均不得超过最大允许误差 ,则使用单向测量结果进行评定 ;2)如果要求给出测量结果平均值则应取双向测量结果进行计算。重复性是反映测量结果的随机效应, 但在正 、反向两个测量列中存在着不同的系统效应, 从而使测量结果中会有这种效应的影响 。

三、重复性不确定度的表示

重复性条件下所得测量列的实验标准差 S(X i)可作 单次(测量列中任何一次)测量结果 X i 的标准不确定度 u(Xi)。当检定中测量次数为 n 时, 其 n 次测量结果平 均值i 的标准不确定度为u(Xi)。 热工测量器具检定、分度中(最后)测量结果有的是 以 n 次测量结果组成的一组测量值的平均值作为实际 值,其不确定度应为 n 次测量结果平均值的不确定度 , 在数值上为实验标准差 S (Xi)的 1/ n , 即 u(Xi)= S (Xi)/ n 。如热电偶 、热电阻 、玻璃温度计等, 多是在每 个检定点进行两个循环测量, 4个测量结果、n =4 ;标准 温度灯检定、每个检定点读数 10 次, n =10 ;压力变送器 每个检定点进行2(或 3)个循环测量 n =4(或 n =6)。另 外,有的仪器(大多为工作用), 虽然检定时进行 n 次测 量(读数), 但最终是以测量结果中示值误差最大的一个 作为基本误差, 并以此判定仪器是否合格。根据这种要 求,不确定度应以测量结果的实验标准差 S (Xi)表示 。 如台式血压计检定、要求两次降压测量 ,相当于 n =2 ;弹 簧管式压力表检定时要作上、下行程两次测量 ,且每次测 量要进行轻敲表壳前后两次读数, 相当 n =4 。尽管这些仪器的测量结果 n ≠1 ,但它们的示值基本误差是由单次 测量结果(而不是平均值)来判定。因此 ,其实验标准差 就是测量结果的不确定度 。

四、热工计量标准器具的管理

热工标准装置完成建标考核后, 必须按照有关的规章制度进行管理、使用和维护, 以确保装置的稳定可靠。

1、主标准器和配套设备中的计量器具必须按时送检, 送检时必须带上个周期的检定证书的复印件，标准装置在使用过程中一定要注意环境条件的控制, 要保证温度、湿度在规定的范围内, 并做好记录。

2、标准器都属于精密仪器, 比较娇贵, 使用时要 特别小心, 以免损坏。 二等标准铂铑10-铂热电偶在使用过程中, 要注意在进行检定时标准器和测量线的连接, 不要将 标准偶丝和测量线胡乱绞接在一起, 这样做很容易 折断标准偶丝, 使偶丝的长度达不到规程规定的要 求而不能使用( 规程规定二等标准铂铑10-铂热电偶的 偶丝长度不能少于 900 mm, 否则即是不合格) 。等标准铂电阻温度计和二等标准水银温度 计都是石英玻璃制品, 很容易破碎, 在使用中一定要小心轻放,以免损坏。插入标准恒温槽工作完毕后, 一定要将温度计取出擦拭干净, 以免在仪器上沾附 一些油污, 影响读数和污染上级标准。在标准器的检定周期之间, 必须做重复性试验、不确定度验证试验, 并且要有完整的报告。

热工计量工作就是按照相关的规程、规章制度对热工标准计量器具、标准装置及配套设备和在线 热工仪表进行日常管理, 必要时进行一系列的试验, 来判断计量器具及标准装置的状态是否符合要求的过 程, 从而保证热工量值的准确可靠。

参考文献：

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[2] 马京程,王建武.热工仪表自动检定维护管理系统的应用[J].中国电力,2018(2):55-58.

[3] 朱全利,熊扬恒,喻红梅.热工计量锅炉设备及系统应用[M].北京:化学工业出版社,2018.