摘要：介紹了一種直接測量軟化水水箱液位計(jì)電流輸出聲壓靈敏度的不確定度評定方法，對頻率 1000Hz、聲壓級84. 0dB 時(shí)的軟化水水箱液位計(jì)電流輸出聲壓靈敏度的測量不確定度進(jìn)行評定，得到測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度 為0. 0011mA/dB( k = 2) ，為軟化水水箱液位計(jì)電流輸出聲壓靈敏度的準(zhǔn)確校準(zhǔn)提供了技術(shù)參考。
引言
軟化水水箱液位計(jì)是由測量傳聲器與精密測量電路(適配器) 集成在一起的測量設(shè)備，將測量的聲音信號轉(zhuǎn)換為 4 ～ 20mA 電流，可直接與 DCS( Distributed Control System) 系統(tǒng)、PLC(Programmable Logic Con- troller) 或其他設(shè)備相連接，用來測量風(fēng)機(jī)、電動機(jī)或水泵等設(shè)備的噪聲情況。
目前國內(nèi)對該類軟化水水箱液位計(jì)的靈敏度常采用間接測量或與二次儀表配套進(jìn)行系統(tǒng)測量兩種方式進(jìn)行校準(zhǔn)，尚未采用直接測量的方式對軟化水水箱液位計(jì)的電流輸出聲壓靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)。實(shí)際工作中，由于二次儀表或工業(yè) PLC模塊都固定在設(shè)備的集成模塊中，體積大，集成化程度高，不方便攜帶送 檢，通常用戶僅單獨(dú)送檢軟化水水箱液位計(jì)，因此，僅對軟化水水箱液位計(jì)進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)的必要性十分明顯，同時(shí)直接測量的校準(zhǔn)方式減少了測量過程中的不確定度影響因素，有效提高了測量準(zhǔn)確度。
1 概述
1. 1 測量標(biāo)準(zhǔn)
主要測量設(shè)備與 JJG 188-2017《聲級計(jì)》中要求一致，增加數(shù)字電流表: 在 20 ～ 8000Hz 范圍內(nèi)，測量不確定度不大于 1. 0% ( k = 2) 。
1. 2 被測對象
軟化水水箱液位計(jì)，測量范圍為 20 ～ 8000Hz; 輸出范圍為 4 ～ 20mA。
1. 3 測量方法
在每一個(gè)校準(zhǔn)頻率點(diǎn)上，信號發(fā)生器發(fā)出電信號，使聲源或耦合腔產(chǎn)生給定頻率、給定幅度的聲輸出，利用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器或等效的同準(zhǔn)確度等級的聲壓級測量裝置對聲場參考位置處的標(biāo)準(zhǔn)聲壓級進(jìn)行測量并記錄，保持聲信號頻率和幅度不變，將被校軟化水水箱液位計(jì)置于參考位置上，并保證軟化水水箱液位計(jì)傳聲器的參考點(diǎn)位置與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器參考點(diǎn)原先的位置相同。利用數(shù)字電流表讀取并記錄軟化水水箱液位計(jì)的直流信號輸出，由軟化水水箱液位計(jì)輸出的電流值與測定的聲壓級計(jì)算出各個(gè)頻率點(diǎn)下的聲壓靈敏度。
2 測量模型
2. 1 測量模型

式中: Si 為給定頻率點(diǎn)處，軟化水水箱液位計(jì)電流輸出的聲壓靈敏度; I 為數(shù)字電流表測得的電流值; LP為參考位置處的標(biāo)準(zhǔn)聲壓級。
2. 2 不確定度傳播率
由于上述各輸入量之間相互獨(dú)立，測量模型中僅包含輸入量的積和商，合成不確定度的表達(dá)式為:

3 不確定度評定
對頻率 1000Hz、聲壓級 84. 0dB 時(shí)的軟化水水箱液位計(jì)電流輸出聲壓靈敏度的測量不確定度進(jìn)行評定。
3. 1 電流測量值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u( I)
3. 1. 1 輸出電流測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1 (I)
用 A 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。對軟化水水箱液位計(jì)電流輸出進(jìn)行 6 次測量，電流輸出的測量結(jié)果為: 14. 28，14. 39，14. 33，14. 34，14. 31，14. 33 ( mA) ，平均值為 14. 330mA，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0. 0363mA。
實(shí)際校準(zhǔn)過程中以單次電流測量值作為校準(zhǔn)結(jié)果，則輸出電流測量重復(fù)性引入的不確定度可用單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差代替，則:

3. 1. 2 數(shù)字電流表示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2 (I)
用 B 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。根據(jù)數(shù)字電流表校準(zhǔn)**，數(shù)字電流表電流輸出的擴(kuò)展不確定度為0. 0003mA，k = 2，則:
u2 ( I) = 0. 0003 /2≈0. 0002mA
數(shù)字電流表分辨力引入的不確定度分量非常小，且環(huán)境條件對電流表示值的影響也非常小，兩者均可忽略不計(jì)，因此電流測量值引入的不確定度為:

3. 2 標(biāo)準(zhǔn)聲壓級引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量 u( LP )
3. 2. 1 標(biāo)準(zhǔn)傳聲器靈敏度級校準(zhǔn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確
定度 u1 ( LP ) 用 B 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)傳聲器檢定**，標(biāo)準(zhǔn)傳聲器聲壓靈敏度級在 1kHz 時(shí)的擴(kuò)展不確定度為 U = 0. 05dB，k = 2，則其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:
u1 ( LP ) = 0. 05 /2 = 0. 025dB
3. 2. 2 聲校準(zhǔn)器校準(zhǔn)值引入的標(biāo)準(zhǔn)不 確定度u2 (LP)
用 B 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。聲校準(zhǔn)器*大允許誤差為 ± 0. 15dB，以均勻分布考慮，其半寬區(qū)間為0.15dB，取 k =/3，則:
u2 ( LP ) = 0. 15 /3 = 0. 087dB
聲校準(zhǔn)器校準(zhǔn)值引入的不確定度分量應(yīng)包含靜壓修正和腔體修正( 如適用) 引入的不確定度分量，因此后兩者不再重復(fù)計(jì)算。
3. 2. 3 聲學(xué)分析儀測量放大器示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u3(LP)
用 B 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。測量放大器示值誤差優(yōu)于±0.05dB，以均勻分布考慮，其半寬區(qū)間為 0. 05dB，取 k =/3，則:
u3 ( LP ) = 0. 05 //3≈0. 029dB
3. 2. 4 前置放大器傳輸損失引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4 (LP)
用 B 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。前置放大器傳輸損失優(yōu)于± 0.1dB，以均勻分布考慮，其半寬區(qū)間為0.1dB，取 k =/3，則:
u4 ( LP ) = 0. 1 //3≈0. 058dB
3. 2. 5 校準(zhǔn)空間位置互換引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u5 (LP)
用 B 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。根據(jù)規(guī)范中的校準(zhǔn)方法，在自由聲場和低頻耦合腔中進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)傳聲器系統(tǒng)與被測儀器的空間位置會發(fā)生一定的偏移，這類空間位置互換產(chǎn)生的偏移會造成測試聲源與傳聲器膜片的空間距離和入射角度等發(fā)生變化，且每次進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，被測儀器與測試聲源間的測試距離也發(fā)生變化，這里假設(shè)其半寬區(qū)間0. 1dB，按均勻分布考慮，取 k =/3，則:
u5 ( LP ) = 0. 1 //3≈0. 058dB
3. 2. 6 聲場修正引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u6 (LP)
用 B 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。根據(jù) IEC/T S61094- 7-2006 中給出的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器壓力場靈敏度級和自由場靈敏度級間的修正因子及測量不確定度數(shù)據(jù)，考慮到實(shí)際校準(zhǔn)過程中，消聲箱內(nèi)環(huán)境及空氣聲吸收等各種因素的影響，在自由場校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)引入由自由場修正帶來的測量不確定度，1000Hz 時(shí)，按均勻分布考慮，取包含因子 k =/3，則:
u6 ( LP ) = 0. 1 //3≈0. 058dB
3. 2. 7 環(huán)境條件變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u7 ( LP )
用 B 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。根 據(jù) JJG 175-2015 附錄 D 中給出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可直接引用環(huán)境條件變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，1000Hz 時(shí):
u7 ( LP ) = 0. 012dB
3. 2. 8 數(shù)據(jù)修約引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u8 ( LP ) 用 B 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。這里假設(shè)其半寬區(qū)間為0.05dB，按均勻分布考慮，取包含因子 k =/3，則: u8 ( LP ) = 0. 05/3≈0.029dB因此，標(biāo)準(zhǔn)聲壓級引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:

3. 3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量表
不確定度各分量匯總?cè)绫?1 所示。

U = kuc = 0. 0011mA/dB
因此，軟化水水箱液位計(jì) 1000Hz、聲壓級 84. 0dB 時(shí)電流輸出的聲壓靈敏度為 0. 1230mA/dB，測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為 0. 0011mA/dB。
4 結(jié)論
本文介紹了一種直接測量軟化水水箱液位計(jì)電流輸出聲壓靈敏度的不確定度評定方法，闡述了電流輸出聲壓靈敏度的測量不確定度模型及標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，給出了頻率 1000Hz、聲壓級 84. 0dB 時(shí)的軟化水水箱液位計(jì)電流輸出聲壓靈敏度的測量結(jié)果及擴(kuò)展不確定度。以上工作旨在為軟化水水箱液位計(jì)電流輸出聲壓靈敏度的準(zhǔn)確校準(zhǔn)提供技術(shù)支撐，為軟化水水箱液位計(jì)電流輸出特性校準(zhǔn)裝置的搭建提供技術(shù)依據(jù)。