摘要：介紹了一種直接測(cè)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(píng)定方法，對(duì)頻率 1000Hz、聲壓級(jí)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(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定，得到測(cè)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(cè)量傳聲器與精密測(cè)量電路(適配器) 集成在一起的測(cè)量設(shè)備，將測(cè)量的聲音信號(hào)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(lái)測(cè)量風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)或水泵等設(shè)備的噪聲情況。
目前國(guó)內(nèi)對(duì)該類(lèi)軟化水水箱液位計(jì)的靈敏度常采用間接測(cè)量或與二次儀表配套進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量?jī)煞N方式進(jìn)行校準(zhǔn)，尚未采用直接測(cè)量的方式對(duì)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(duì)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(cè)量的校準(zhǔn)方式減少了測(cè)量過(guò)程中的不確定度影響因素，有效提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。
1 概述
1. 1 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)
主要測(cè)量設(shè)備與 JJG 188-2017《聲級(jí)計(jì)》中要求一致，增加數(shù)字電流表: 在 20 ～ 8000Hz 范圍內(nèi)，測(cè)量不確定度不大于 1. 0% ( k = 2) 。
1. 2 被測(cè)對(duì)象
軟化水水箱液位計(jì)，測(cè)量范圍為 20 ～ 8000Hz; 輸出范圍為 4 ～ 20mA。
1. 3 測(cè)量方法
在每一個(gè)校準(zhǔn)頻率點(diǎn)上，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出電信號(hào)，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(jí)的聲壓級(jí)測(cè)量裝置對(duì)聲場(chǎng)參考位置處的標(biāo)準(zhǔn)聲壓級(jí)進(jìn)行測(cè)量并記錄，保持聲信號(hào)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(hào)輸出，由軟化水水箱液位計(jì)輸出的電流值與測(cè)定的聲壓級(jí)計(jì)算出各個(gè)頻率點(diǎn)下的聲壓靈敏度。
2 測(cè)量模型
2. 1 測(cè)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(cè)得的電流值; LP為參考位置處的標(biāo)準(zhǔn)聲壓級(jí)。
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(cè)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(píng)定
對(duì)頻率 1000Hz、聲壓級(jí) 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(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定。
3. 1 電流測(cè)量值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u( I)
3. 1. 1 輸出電流測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1 (I)
用 A 類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定。對(duì)軟化水水箱液位計(jì)電流輸出進(jìn)行 6 次測(cè)量，電流輸出的測(cè)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(guò)程中以單次電流測(cè)量值作為校準(zhǔn)結(jié)果，則輸出電流測(cè)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(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)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(duì)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(cè)量值引入的不確定度為:

3. 2 標(biāo)準(zhǔn)聲壓級(jí)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(jí)校準(zhǔn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確
定度 u1 ( LP ) 用 B 類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)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(jí)在 1kHz 時(shí)的擴(kuò)展不確定度為 U = 0. 05dB，k = 2，則其對(duì)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(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)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(cè)量放大器示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u3(LP)
用 B 類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定。測(cè)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(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)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(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定。根據(jù)規(guī)范中的校準(zhǔn)方法，在自由聲場(chǎng)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(cè)儀器的空間位置會(huì)發(fā)生一定的偏移，這類(lèi)空間位置互換產(chǎn)生的偏移會(huì)造成測(cè)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(cè)儀器與測(cè)試聲源間的測(cè)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(chǎng)修正引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u6 (LP)
用 B 類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)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(chǎng)靈敏度級(jí)和自由場(chǎng)靈敏度級(jí)間的修正因子及測(cè)量不確定度數(shù)據(jù)，考慮到實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)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(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)引入由自由場(chǎng)修正帶來(lái)的測(cè)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(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)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(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)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(jí)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(jí) 84. 0dB 時(shí)電流輸出的聲壓靈敏度為 0. 1230mA/dB，測(cè)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(cè)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(píng)定方法，闡述了電流輸出聲壓靈敏度的測(cè)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(jí) 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(cè)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)。