李國(guó)華， 孫寶芬， 陳 浩， 張 慧， 呂榮輝

(山東出入境檢驗(yàn)檢疫局， 山東 青島 266002)

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羽絨殘脂率測(cè)定結(jié)果的不確定度評(píng)定

李國(guó)華， 孫寶芬， 陳 浩， 張 慧， 呂榮輝

(山東出入境檢驗(yàn)檢疫局， 山東 青島 266002)

為反映實(shí)驗(yàn)室殘脂率檢測(cè)結(jié)果的可靠程度，采用直接評(píng)定方法對(duì)羽絨殘脂率的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定。根據(jù)羽絨殘脂率測(cè)試原理，分析得出其測(cè)量結(jié)果的不確定度來(lái)源主要為測(cè)量的重復(fù)性、樣品質(zhì)量的稱量、殘脂的稱量；進(jìn)而對(duì)各分量分別進(jìn)行了評(píng)定，計(jì)算出了羽絨殘脂率的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度。分析結(jié)果表明：天平的分辨力和測(cè)量重復(fù)性是影響殘脂率總不確定度的主要分量；采用數(shù)字分辨力高的天平，并對(duì)萃取環(huán)節(jié)的試驗(yàn)條件和過(guò)程嚴(yán)格控制而保持測(cè)試一致性，從而保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。該結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果的評(píng)估起到借鑒作用。

羽絨； 殘脂率； 測(cè)量不確定度； 天平分辨力

測(cè)量不確定度的評(píng)定是實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果報(bào)告的重要組成部分，其評(píng)定能力反映了實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)水平。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 17025∶2005《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力的通用要求》中測(cè)量不確定度的評(píng)定條款明確提出：實(shí)驗(yàn)室須建立并實(shí)施測(cè)量不確定度評(píng)估程序[1]。不確定度的大小直接反映測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的高低，客觀反映了檢測(cè)結(jié)果的可靠程度[2]。出具測(cè)量結(jié)果的同時(shí)給出其不確定度，便于使用者評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的可靠性，并且使實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果間具備可比性[3]。羽絨殘脂率是羽絨及其制品的重要品質(zhì)指標(biāo)，其檢測(cè)結(jié)果受環(huán)境、儀器精度、材料本身不均勻性等測(cè)試條件影響，測(cè)試數(shù)據(jù)具有一定的分散性。由于檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有給出重復(fù)性測(cè)試結(jié)果的允許誤差，本文按照實(shí)驗(yàn)室測(cè)量不確定評(píng)估程序[4-5]，通過(guò)系列試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理，開(kāi)展對(duì)羽絨殘脂率測(cè)量不確定度評(píng)定的研究，經(jīng)建立模型確定分量，到合成與擴(kuò)展的計(jì)算等環(huán)節(jié)，分析導(dǎo)致不確定度的主要因素，以期對(duì)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果的評(píng)估提供借鑒。

1 測(cè)試方法與原理

1.1 測(cè)試儀器與試劑

試驗(yàn)儀器：BP211D型電子天平1(最大允許誤差±0.001 5 g，分辨力0.000 1 g)，檢定合格；BS210S型電子天平2(最大允許誤差±0.015 g，分辨力0.001 g)，檢定合格；恒溫水浴鍋(金壇市金城國(guó)盛實(shí)驗(yàn)儀器廠)；烘箱(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)。

萃取試劑：乙醚(美國(guó)MREDA技術(shù)股份有限公司)。

試樣：水洗灰鴨絨由臨沂蘭興羽絨制品有限公司提供，經(jīng)檢驗(yàn)證明其具有均勻一致性特征。將樣品置于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下平衡穩(wěn)定后，充分混合，隨機(jī)稱取羽絨殘脂率試樣20個(gè)。

1.2 測(cè)試過(guò)程

根據(jù)GB/T 10288—2003《羽絨羽毛試驗(yàn)方法》,采取索氏萃取法測(cè)試羽絨殘脂率。先將測(cè)試樣品放置恒溫恒濕室中平衡1 d，將樣品充分混合均勻，隨機(jī)稱取20個(gè)試樣放入濾紙筒。將試驗(yàn)樣品放入105 ℃烘箱中烘干2 h，然后將濾紙筒放入索氏抽取管中，接通冷凝器和已知干態(tài)質(zhì)量的燒瓶。倒入足夠的試劑確?；亓魍瓿伞Ｕ{(diào)整水浴鍋的溫度，使試劑回流次數(shù)控制在5～6次/h，總回流次數(shù)20次以上?；亓鹘Y(jié)束后，蒸發(fā)掉燒瓶中的試劑，然后將燒瓶放入105 ℃烘箱中烘至恒定質(zhì)量。其測(cè)試結(jié)果按下式計(jì)算：

(1)

式中:M為質(zhì)量恒定的帶殘脂的燒瓶質(zhì)量，g；D為對(duì)應(yīng)原空燒瓶質(zhì)量，g；C為羽絨試驗(yàn)樣品的質(zhì)量，g；X為所測(cè)羽絨殘脂率，%。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

式(1)是由測(cè)試原理給出的，根據(jù)測(cè)試原理和信息分析，建立殘脂率不確定度數(shù)學(xué)模型[4]如下：

(2)

式中:X為所測(cè)羽絨殘脂率，%；frep為引入的測(cè)量重復(fù)性修正因子，其數(shù)學(xué)期望值為1。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 不確定度的主要來(lái)源分析

殘脂率測(cè)量過(guò)程中不確定度的來(lái)源具體從以下幾方面展開(kāi)分析。

1) 稱量過(guò)程產(chǎn)生的不確定度，其包含3方面的不確定分量： 稱量重復(fù)性引入的不確定度按A類評(píng)定，即利用對(duì)觀測(cè)列的統(tǒng)計(jì)分析的方法來(lái)評(píng)定；天平計(jì)量結(jié)果引入的不確定度按B類評(píng)定，即為用不同于對(duì)觀測(cè)列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的評(píng)定方法；天平示值可讀性(常稱為數(shù)字分辨力)引入的不確定度，同樣按B類評(píng)定。綜上，稱量引入的不確定度實(shí)際存在于試驗(yàn)樣品質(zhì)量、空燒瓶質(zhì)量和含有殘脂的燒瓶質(zhì)量的3個(gè)稱量過(guò)程中。

2)在測(cè)試時(shí)常遇到即便很好地控制了環(huán)境條件或其他影響因素，最終測(cè)量結(jié)果也存在一定的分散性的情況，即多次測(cè)量結(jié)果并不完全相等。這些客觀存在是由一些隨機(jī)效應(yīng)所造成的，是不確定度的來(lái)源之一[5]，即重復(fù)性試驗(yàn)所引入的不確定度。

3)其他偶然因素方面，雖然環(huán)境的濕度對(duì)樣品質(zhì)量會(huì)有影響，但由于試驗(yàn)樣品預(yù)處理和質(zhì)量稱量過(guò)程是在標(biāo)準(zhǔn)方法規(guī)定的且符合嚴(yán)格波動(dòng)容差要求的恒溫恒濕環(huán)境進(jìn)行，故對(duì)樣品質(zhì)量不確定度的影響可不予考慮。

4)應(yīng)用不確定度因果關(guān)系圖的精簡(jiǎn)規(guī)則，組合類似影響因素[6]，將稱量過(guò)程中的重復(fù)性因素同試驗(yàn)過(guò)程中的某些偶然因素組合在一起，使每次稱量的變異性和偶然的變異性均貢獻(xiàn)給整個(gè)方法的重復(fù)性試驗(yàn)所檢測(cè)到的變異性[7]。

綜上所述，殘脂率測(cè)量的不確定度分量來(lái)源可歸納為4類：測(cè)量重復(fù)性的不確定度uf；樣品質(zhì)量的不確定度uC；空燒瓶質(zhì)量的不確定度uD；含殘脂燒瓶質(zhì)量的不確定度uM。

3.2 不確定度分量的評(píng)定步驟與計(jì)算

3.2.1 測(cè)量重復(fù)性

測(cè)量重復(fù)性u(píng)f分量包含天平的測(cè)量重復(fù)性和樣品不均勻性等方面的隨機(jī)影響。取同一樣品若干試樣，測(cè)量20個(gè)數(shù)據(jù)。表1所示為羽絨殘脂率測(cè)試結(jié)果。

試驗(yàn)樣品重復(fù)測(cè)量的單次測(cè)量試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差由以下貝塞爾公式[4]計(jì)算：

表1 羽絨殘脂率測(cè)試結(jié)果Tab.1 Testing results of fat and oil content

由于方法規(guī)定羽絨殘脂率結(jié)果為2次測(cè)量的平均值，計(jì)算測(cè)量重復(fù)性不確定度為

3.2.2 樣品質(zhì)量

使用天平1稱量樣品質(zhì)量uc, mg。該過(guò)程要有3個(gè)影響因素，其中稱量重復(fù)性已經(jīng)歸入測(cè)試重復(fù)性中，此處不重復(fù)計(jì)算[7]。另2個(gè)影響因素為：天平計(jì)量結(jié)果(按B類方法評(píng)定為uC1, mg)；天平數(shù)字分辨力(按B類方法評(píng)定為uC2, mg)。由于天平1處于專用天平室，環(huán)境穩(wěn)定，空氣浮動(dòng)等影響忽略不計(jì)。

3.2.3 空燒瓶質(zhì)量

使用天平2進(jìn)行樣品稱量空燒瓶質(zhì)量μ0, mg，不確定度分量分析同3.2.2，表示為：天平計(jì)量結(jié)果, 按B類方法評(píng)定為uD1, mg；天平數(shù)字分辨力,按B類方法評(píng)定為uD2, mg。

同樣空燒瓶質(zhì)量uD由uD1和uD2合成而得，

3.2.4 含殘脂燒瓶質(zhì)量

含殘脂燒瓶質(zhì)量uM， mg，同樣使用天平2進(jìn)行稱量，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量同3.2.3空燒瓶質(zhì)量uD，即：uM≈uD=8.665 mg。

空燒瓶和含殘脂燒瓶的稱量實(shí)際是殘脂稱量的過(guò)程。二者的合成即為殘脂稱量產(chǎn)生的總不確定度。表2示出了不確定度各個(gè)分量的貢獻(xiàn)值。

3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

M和D是同一個(gè)天平稱量的質(zhì)量，是相關(guān)量，但是在計(jì)算過(guò)程中二者相減，故為負(fù)相關(guān)，其系統(tǒng)偏差被抵消，因此，可采用互不相關(guān)的合成規(guī)則。這樣uM和uD與測(cè)量重復(fù)性u(píng)f和樣品質(zhì)量uC是互不相關(guān)的，故根據(jù)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成規(guī)則[4，7]，羽絨殘脂率的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(x)由下式計(jì)算而得：

表2 不確定度分量匯總表Tab.2 Summary sheet of uncertainty components

cf2uf2+cM2uM2+cD2uD2+cC2uC2

其中，ci為各不確定度分量的不確定度傳播系數(shù)(也稱靈敏系數(shù))。根據(jù)數(shù)學(xué)模型公式(2)求偏導(dǎo)算出每個(gè)輸入量的不確定度傳播系數(shù)，其中M、D、C取其數(shù)學(xué)期望值[4]。

1.729×10-6mg-1

由此可得，羽絨殘脂率的合成不確定度u(x)為：

3.4 擴(kuò)展不確定度

按國(guó)際慣例，在95%置信水平下，取包含因子k=2[6]，則其擴(kuò)展不確定度為

U=ku(x)=2×0.32%=0.6%

3.5 評(píng)定結(jié)果討論

1)稱量過(guò)程的不確定度分量與天平精度有關(guān)。本文測(cè)試中采用了2種不同分辨力的天平，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度存在一定差異。樣品質(zhì)量稱量所用天平分辨力高最大允許誤差小，且該分量的靈敏系數(shù)小，其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的貢獻(xiàn)值為2.118×10-6。故樣品稱量分量相比其他分量對(duì)總不確定度的影響非常小，根據(jù)可忽略的原理判定，該分量可忽略不計(jì)[7]。

2)根據(jù)表2數(shù)據(jù)看出，在使用分辨力為1 mg的天平2時(shí)，空燒瓶質(zhì)量和含殘脂燒瓶質(zhì)量分量是總不確定度的最主要分量，由其引起殘脂率的合成不確定度為0.32%，在95%置信水平下擴(kuò)展不確定度為0.6%。如果選擇分辨力為0.1 mg的電子天平1，其不確定度分量均為2.234×10-4。此條件下計(jì)算而得的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.039%，在95%置信水平下擴(kuò)展不確定度為0.08%。此時(shí)測(cè)試重復(fù)性分量與其相當(dāng)，二者均為主要的分量。

3)本文試驗(yàn)采用GB/T 10288—2003規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法，可忽略方法本身的誤差[13]。與測(cè)量重復(fù)性分量相關(guān)的主要是試驗(yàn)操作過(guò)程中的隨機(jī)影響，如試樣均勻性、萃取時(shí)間、回流速度、干燥時(shí)間、人員操作、數(shù)值修約以及稱量等等的重復(fù)性概念范疇的要素等，這些影響量不宜逐個(gè)分析，綜合一并作為測(cè)量的重復(fù)性不確定度分量，在此說(shuō)明。

4 結(jié) 論

由不確定度分析結(jié)果可知，根據(jù)GB/T 10288—2003中的檢測(cè)方法進(jìn)行殘脂率測(cè)試，其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要貢獻(xiàn)分量為測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度和燒瓶稱量引入的不確定度。如果燒瓶稱量的天平精度為1 mg，其稱量過(guò)程中產(chǎn)生的不確定度將成為影響總不確定度的最主要分量，且由此產(chǎn)生的殘脂率總不確定度較大，易超出實(shí)際測(cè)量中的質(zhì)量控制，因此，在殘脂率測(cè)試中，一定要選擇較高精度的電子天平稱量殘脂燒瓶，減少天平精度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，從而減少測(cè)試過(guò)程中系統(tǒng)誤差，提高檢測(cè)結(jié)果的可靠度。

為保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度，建議對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方法明確規(guī)定稱取殘脂所用天平的數(shù)字分辨力；另外要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)管理和人員技能培訓(xùn)，對(duì)萃取測(cè)試環(huán)節(jié)的試驗(yàn)條件和過(guò)程嚴(yán)格控制，保持一致性，減少測(cè)試的隨機(jī)誤差。

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Uncertainty evaluation for testing results of fat and oil content of downs

LI Guohua, SUN Baofen, CHEN Hao, ZHANG Hui, Lü Ronghui
(ShandongEntry-ExitInspectionandQuarantineBureau,Qingdao,Shandong266002,China)

To affirm the reliability of testing result, the direct evaluation method was used to evaluate the uncertainty of the fat and oil content of down. The repeatability of sample measurement, sample weighing, fat and oil weighing were proved to be the main sources of uncertainty of the fat and oil content by analyzing the principle of measurement of fat and oil content. All components were evaluated respectively. The combined standard uncertainty and the expanded uncertainty were calculated by combining all the components of uncertainty. The analysis result shows that the resolution of balance and repeatability of sample measurement are the main factors influencing the total uncertainty of the fat and oil content. To ensure the accuracy of the results, the balance with high digital resolution should be used, and the experiment conditions and processes should be strictly controlled to maintain consistency of testing.

feather and down; fat and oil content; measurement uncertainty; resolution of balance

10.13475/j.fzxb.20140901805

2014-09-15

2015-08-17

李國(guó)華(1971—)，男，高級(jí)工程師，學(xué)士。主要研究方向?yàn)閷?shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制及認(rèn)證認(rèn)可。孫寶芬，通信作者，E-mail:sunny_zhuo@126.com。

TS 959.16

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