500kgF2等級砝碼的檢定及不確定度評定
國家軌道衡計量站 安愛民
【摘 要】 本文依據(jù)JJG99-2006《砝碼》檢定規(guī)程的要求，闡述了500kgF2等級砝碼的檢定方法，并分析了其檢定過程中的不確定度來源及評定方法。
【關(guān)鍵詞】 砝碼；檢定；不確定度
引 言
由于我站量值傳遞的需要，現(xiàn)有500kgF2等級砝碼6塊，材料為不銹鋼，zui大允許誤差為±8g，用于傳遞檢定500kg～3000kg M12等級砝碼。這6塊500kgF2等級砝碼采用25塊20kgF1等級砝碼作為標(biāo)準(zhǔn)在500kg/1000kg兩檔4級天平上進(jìn)行檢定，20kgF1等級砝碼的zui大允許誤差為±0.1g，組合為500kg砝碼的zui大允許誤差為±2.5g，材料為不銹鋼。
一、檢定設(shè)備及方法
1、檢定設(shè)備
檢定設(shè)備采用我站500kg/1000kg兩檔4級天平，該天平的主要技術(shù)指標(biāo)在500kg檔時為：zui大秤量：500kg；分度值e≤0.5g。
2、檢定方法
根據(jù)JJG99-2006《砝碼》檢定規(guī)程，對F2等級砝碼檢定室有如下基本要求是：檢定室不允許有容易察覺的振動和氣流，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離振源和磁源，檢定室內(nèi)的天平和砝碼應(yīng)避免陽光直接照射。檢定室溫度波動每4小時不得大于3.5℃，室內(nèi)空氣的相對濕度應(yīng)在30%～70%，每4小時zui大變化15%，砝碼的溫度應(yīng)與室溫相一致，存放時間不得少于4小時等。
檢定過程采用替代稱量法，測量循環(huán)為ABA，循環(huán)次數(shù)為一次，具體操作過程為：先在500kg/1000kg兩檔4級標(biāo)準(zhǔn)天平左盤加25塊20kgF1等級標(biāo)準(zhǔn)砝碼，右盤為平衡砝碼，讀取平衡位置，卸下標(biāo)準(zhǔn)砝碼，然后在天平左盤加上一塊500kgF2等級被檢砝碼，讀取其平衡位置，將測分度值的標(biāo)準(zhǔn)小砝碼放入左盤內(nèi)，讀取平衡位置，取下標(biāo)準(zhǔn)砝碼和標(biāo)準(zhǔn)小砝碼。由一人檢定一次。
二、數(shù)學(xué)模型的建立
選擇檢定500kgF2等級砝碼的質(zhì)量測量為評定對象，即評定被測砝碼折算質(zhì)量的測量不確定度，測量方法為替代稱量法，即在天平分別放上標(biāo)準(zhǔn)砝碼及被測砝碼，獲得相應(yīng)的質(zhì)量差，經(jīng)計算得到被測砝碼的折算質(zhì)量。
砝碼的測量數(shù)學(xué)模型可表示為下列形式： 0（）（）cstrrtrasmmmmmVVImIρρ=+Δ=+−×−±Δ×±Δ （1）
式中mt表示被測500kgF2等級砝碼的折算質(zhì)量；mr表示25塊20kgF1等級砝碼組合的總折算質(zhì)量；mΔ為被測砝碼和標(biāo)準(zhǔn)砝碼對應(yīng)的質(zhì)量差；ρa為空氣密度，一般采用近期平均空氣密度或年空氣密度；ρ0為參考空氣密度，為1.2kg/m3；Vt、Vr為被檢砝碼和標(biāo)準(zhǔn)砝碼的體積，mcs為測分度值靈敏度砝碼的折算質(zhì)量，mcw為平衡小砝碼的折算質(zhì)量，在本檢定過程中未添加此砝碼，故該項(xiàng)為零。
三、不確定度來源及分量的評定
根據(jù)數(shù)學(xué)模型，可知測量結(jié)果有4個不確定度來源，即測量重復(fù)性、標(biāo)準(zhǔn)砝碼、空氣浮力、天平。這4個不確定度來源帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別說明如下：
1、測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uw（mt）
這類不確定度可根據(jù)天平的示值重復(fù)性，即全稱量示值重復(fù)性△p來確定，此處△p取天平的分度值0.5g，所以
uw（mt）=1/3×△p=1/3×0.5=0.17（g）
2、標(biāo)準(zhǔn)砝碼引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（mr）
對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量mr的不確定度分量。計算公式為： 220（）（）（）rrinstrumumum=+ （2）
其中u0（mr）表示標(biāo)準(zhǔn)砝碼上次檢定時的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；uinst（mr）表示標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量不穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，取為相應(yīng)砝碼質(zhì)量zui大允許誤差δ（mr）的133。其標(biāo)準(zhǔn)砝碼總質(zhì)量的允差δ（mr）=±2.5g，故 22（）（）（）（）（）633rrrmmumδδ=+22.52.5（）（）633=+ =0.64（g） （3）
3、由空氣浮力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度ub（mt）
表示空氣浮力修正項(xiàng)（Vt-Vr）×（ρa-ρ0）的不確定度分量。由于被檢砝碼與標(biāo)準(zhǔn)砝碼都為不銹鋼材料，在F2等級砝碼的檢定中，相應(yīng)的空氣密度修正量相對于zui大允許不確定度而言一般非常小。因此，一般不進(jìn)行空氣浮力修正。這時，通過估計空氣浮力修正值的大小來評定該不確定度分量。首先，空氣密度一般控制在（ρ0±1.2）kg/m3；其次不銹鋼砝碼材料密度范圍為（7800～7900）kg/m3，從而可計算出空氣浮力修正。因此，空氣浮力的標(biāo)準(zhǔn)不確定度ub（mt）可取為： 01（）（）（）3bttraumVVρρ=−×−15005001.2（）780079003=××−=0.56（g） （4）
4、天平帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uba（mt）
這里考慮天平的分辨力、靈敏度和線性漂移3個方面的不確定度分量。下面分別討論：
（1）由于檢定所用天平是機(jī)械天平，是通過天平指針擺動獲取讀數(shù)的，計算其平衡位置，因此分辨力引入的不確定度分量ud（mt）為
ud（mt）=d/4=0.5/4=0.13g
（2）天平靈敏度引起的不確定度us（mt） 22222（）（）（）（）[] 3smmδ≈Δ⋅天平 （5）
對于本檢定過程，mΔ一般不大于2.5g，δ天平為天平的分度值，此處取為0.5g，靈敏度砝碼ms采用2g F2等級砝碼，所以0.5（）2.50.2132stumg=×=×。
（3）線性漂移udrift（mt）
首先估計天平的線性漂移速率。依據(jù)可以是示值重復(fù)性，對應(yīng)的測量次數(shù)為4次，所以每次測量的漂移可取為示值重復(fù)性的1/4，所以 110.544（）0.07（）33pdrifttumg×Δ×=== （6）
綜上所述，可以計算出uba（mt）: 222（）（）（）（）batdtstdrifttumumumum=++ （7） 2220.130.210.070.26（）g=++=
四、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度
由于各不確定度分量互不相關(guān)，故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可用下式計算： 2222（）（）（）（）（）twtrbtbaumumumumum=+++ （8） 2220.170.640.560.26=+++ =0.91（g）
五、擴(kuò)展不確定度
取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度為：
U=k×u（mt）=2×0.91=1.82g
六、不確定度分量匯總
不確定度分量
符號
不確定度來源
標(biāo)準(zhǔn)不確定度（g）
合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度
u（mt）
擴(kuò)展不確定度（k=2）
zui大可接受
不確定度（k=2）
uw（mt）
測量重復(fù)性
0.17
u（mr）
標(biāo)準(zhǔn)砝碼
0.64
ub（mt）
空氣浮力
0.56
uba（mt）
天平
0.26
0.91 g
1.82 g
2.4g
七、不確定度報告
以1塊500kgF2等級砝碼檢定為例，其檢定數(shù)據(jù)為IA1=0.0，IB=2.5，IA2=0.0，實(shí)測分度值為0.48g，標(biāo)準(zhǔn)砝碼的折算質(zhì)量為mr=499.9995kg，所以 12（）2csAAtrrBsmIImmmmII+=+Δ=+−×Δ （9）
根據(jù)以上檢定數(shù)據(jù)和公式（9）計算出的被測砝碼質(zhì)量為mt=500.0007kg；U=1.82g；k=2。
參考文獻(xiàn)
1．JJG99-2006《砝碼》檢定規(guī)程。
2．閆寶珠，質(zhì)量與密度測量不確定度評定[M]，北京：中國計量出版社，2002。
3．倪育才，實(shí)用測量不確定度評定[M]，北京：中國計量出版社，2008。
4．JJF 1059-1999《測量不確定度評定與表示》。