CN108981780A - 一种测量仪器的标定校准方法 - Google Patents

一种测量仪器的标定校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种测量仪器的标定校准方法。本发明针对被测量值与测量特征值之间存在线性关系的测量仪器，依据“两点决定一条直线”的数学原理，采用两点标定的标定校准方法。即选取两个不同的测量特征值，分别测量出相应的被测量值，再根据这两组数据，利用本发明给出的数学公式，就可以求解出被测量值和真实值（或测量特征值）之间的线性函数，完成对测量仪器的标定校准。

Description

一种测量仪器的标定校准方法
技术领域
本发明涉及一种测量仪器的标定校准方法，特别是一种测量仪器的两点标定校准方法。
背景技术
测量仪器在生产制造过程中和使用过程中，有很多的因素导致测量结果出现偏差，为了保证仪器的测量精度，需要在出厂前进行标定校准，并在使用过程中周期性的进行标定校准。
比如，分光光度计是根据Lambert-Beer 定律，通过测量溶液的透光率，来测量溶液的浓度。一束平行单色光（Io）通过有色的透明溶液时，一部分的光可以透过溶液（It），另一部分被溶液吸收（Ia）,还有一部分被器皿表面反射（Ir）,则有(公式1)：Io=It+Ia+Ir 。那么，该溶液透光率为(公式2): T = It/Io 。根据Lambert-Beer 定律(公式3)：A=lg(Io/It)=lg(1/T)= K*b*c，其中，A 为吸光度，b为液层厚度，c为液体浓度，K为常数。即：当入射光波长、吸光溶液的性质和温度一定时，液体的吸光度A 与液体的厚度b、液体的浓度c 成正比。在分光光度计中，浓度为被测量值，溶液的透光率为测量特征值。
分光光度计的标定方法一般是这样的：取一组（一般是5个）不同浓度的标准溶液，标准溶液的浓度是已知的。对这组标准溶液分别测量每一份溶液的透光率，求出每份标准溶液的透光率的对数值，利用这组溶液的浓度值和透光率的对数值拟合出一条直线，这条直线被称作为标准曲线。当测量未知浓度的溶液时，先测量出溶液的透光率的对数值，然后，根据标准曲线来查找出溶液的浓度值。
在分光光度计的标定过程中，利用了Lambert-Beer 定律，即被测量值（溶液浓度）与测量特征值（溶液的透光率的对数）之间存在线性关系。
比如，超声波流量计是测量流体介质的流速，利用公式：介质流量=介质流速*介质的流通截面积，来计算出介质的流量。在超声波流量中，介质流量为被测量值，介质流速为测量特征值。
超声波流量计在使用过程中的定期标定方法是：用标准的流量计和被标定的超声波流量计来同时测量同一个流体介质，然后根据标准的流量计和被标定的超声波流量计测量结果，来修正被标定的超声波流量计的参数。在超声波流量计的标定过程中，一般是测量一组数据，当流体介质的流量大幅度波动时，存在量误差偏大的实际问题。比如，如果标定时的介质流量为100m3/h，通过标定，修正超声波流量计的参数以后，当介质流量在100m3/h附近波动时，测量结果偏差很小。但是，当介质流量大幅度偏离100m3/h，例如流量为200m3/h或10m3/h时，测量结果偏差较大。
本发明针对被测量值与测量特征值之间存在线性关系的测量仪器，依据“两点决定一条直线”的数学原理，采用两点标定的标定校准方法。即选取两个不同的测量特征值，分别测量出相应的被测量值，根据这两组数据，就可以进行测量仪器的标定校准。
发明内容
本发明公开的标定方法，只需要标定测量两组数据，就可以求解出被测量值和真实值（或测量特征值）之间的线性函数，完成测量仪器的标定校准。
在测量仪器的标准校准过程中，可以分为两种类型的标定校准：第一种类型是，用标准物质进行标定校准；第二种类型是，用标准仪器进行标定校准。
比如，分光光度计的标准校准过程中，是用已知浓度的标准溶液进行标定校准，属于第一种类型。
比如，超声波流量计的标准校准过程中，是用标准的流量计进行标定校准，属于第二种类型。
对第一种类型的标定校准，选用两组标准物质，这两组标准物质的量值分别是Y1和Y2。用仪器对这两组标准物质进行测量，Y1对应测量特征值为X1，Y2对应测量特征值为X2。
被测量值与测量特征值之间存在线性关系，即被测量值Y是测量特征值X的线性函数。线性函数的数学表达式为Y=K*X+C，其中K和C为常数。
利用点（X1，Y1）和点（X2，Y2）这两组已经测量出的数据，可以求出K和C的值。根据Y1=K*X1+C和Y2=K*X2+C，可以求解出K=( Y1-Y2)/( X1-X2)，C=Y1-K*X1= Y1-X1*( Y1-Y2)/( X1-X2)。这样，就求出了该仪器的工作曲线Y=K*X+C，其中K和C是根据点（X1，Y1）和点（X2，Y2）这两组已经测量出的数据所计算出的常数。就完成了标准曲线的标定校准工作。
对第二种类型的标定校准，用标准仪器对待标定的仪器进行标定校准。被测量值与测量特征值之间存在线性关系，假定被测量特征量为t。标准仪器的测量值为Y，则Y=a*t+b，其中a和b为常数。待标定的仪器的测量值为X，则X=c*t+d，其中c和d为常数。
选取两个不同的工况点，用标准仪器和待标定的仪器分别进行测量。在第一个工况点处，被测量特征量为t1，标准仪器的测量值为Y1，待标定的仪器的测量值为X1；在第二个工况点处，被测量特征量为t2，标准仪器的测量值为Y2，待标定的仪器的测量值为X2。
在第一工况点处，t=t1，可以得出方程(1) Y1=a*t1+b 和方程(2) X1=c*t1+d。
在第二工况点处，t=t2，可以得出方程(3) Y2=a*t2+b 和方程(4) X2=c*t2+d。
由Y=a*t+b和X=c*t+d，可以得出方程(5) Y=(a/c)*X +b-(a/c)*d。
方程(1)、方程(2)、方程(3) 、方程(4)和方程(5)组成方程组，可以求解出公式：
Y=((Y1-Y2)/(X1-X2))*X + (X1*Y2-X2*Y1)/(X1-X2)。在上式中，令(Y1-Y2)/(X1-X2)=m，(X1*Y2-X2*Y1)/(X1-X2)=n，则公式简化为Y=m*X + n，其中，m和n都是由已经测定出的数值所计算出的常数。
利用公式Y=m*X + n，（m和n都是常数）就可以完成对被标定测量仪器的标定校准。
具体实施方式
具体实施方式1：分光光度计的标定校准。
根据Lambert-Beer 定律，即被测溶液浓度与溶液透光率的对数存在线性关系。在线性区间范围内，选取两个浓度点X1和X2。选择浓度值X1和X2的原则是：一、浓度值为X1和CX的溶液透光率的对数与溶液浓度存在线性关系；二、浓度值X1和X2的差值比较大，差值越大，标定校准的精度越高。
分别配制浓度为X1和浓度为X2的标准比色液。
用分光光度计分别测量这两份标准比色液的透光率。浓度为X1的标准比色液，测量的透光率的对数为Y1。浓度为X2的标准比色液，测量的透光率的对数为Y2。
可以求解出K=( Y1-Y2)/( X1-X2)，C=Y1-K*X1= Y1-X1*( Y1-Y2)/( X1-X2)。因为X1和X2是已知的配制的标准比色液的浓度值，Y1和Y2是已经测量出的结果，所以K和C是常数。这样，就求出了该仪器的工作曲线Y=K*X+C，其中K和C是根据点（X1，Y1）和点（X2，Y2）这两组已经测量出的数据所计算出的常数。就此完成了标准曲线的标定校准工作。
具体实施方式2：超声波流量计的标定校准。
超声波流量计的测量原理是：在被测量的流体的管道上选取两个点，这两个点的距离为L，超声波流量计测量计算出流体流经这两个测点时的流速v，管道的截面积已经知道为D值，则介质的流量为：介质流量=流速*管道截面积=D*流速。所以具被测量值（介质流量）与测量特征值（介质流速）之间存在线性关系。
假定待标定的超声波流量计的量程为0—L。
选取两个不同的工况点。在第一个工况点处，流速为v1，标准仪器的测量值为Y1，待标定的仪器的测量值为X1；在第二个工况点处，被测量特征量为v2，标准仪器的测量值为Y2，待标定的仪器的测量值为X2。选取的原则为：Y1的值大约为0.2L，Y2的值大约为0.8L（L为待标定流量计的最大量程值）。
在第一工况点处，t=v1，可以得出方程(1) Y1=a*v1+b 和方程(2) X1=c*v1+d。
在第二工况点处，t=v2，可以得出方程(3) Y2=a*v2+b 和方程(4) X2=c*v2+d。
由Y=a*t+b和X=c*t+d，可以得出方程(5) Y=(a/c)*X +b-(a/c)*d。
方程(1)、方程(2)、方程(3) 、方程(4)和方程(5)组成方程组，可以求解出公式：
Y=((Y1-Y2)/(X1-X2))*X + (X1*Y2-X2*Y1)/(X1-X2)。在上式中，令(Y1-Y2)/(X1-X2)=m，(X1*Y2-X2*Y1)/(X1-X2)=n，则公式简化为Y=m*X + n，其中，m和n都是由已经测定出的数值所计算出的常数。
利用公式Y=m*X + n，（m和n都是常数）就可以完成对被标定测量仪器的标定校准。其中，X是被标定的测量仪器的未标定校准前的直接测量结果，Y是标定校准后的测量结果的准确值。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种测量仪器的标定校准方法，其特征在于，针对被测量值与测量特征值之间存在线性关系的测量仪器，依据“两点决定一条直线”的数学原理，采用两点标定的标定校准方法,即选取两个不同的测量特征值，分别测量出相应的被测量值，根据这两组数据，就可以求解出被测量值和真实值（或测量特征值）之间的线性函数，完成测量仪器的标定校准。
2.根据权利要求1所述的标定校准方法，其特征在于，选用两组标准物质对仪器进行标定，这两组标准物质的量值分别是Y1和Y2；用仪器对这两组标准物质进行测量，标准物质Y1对应测量特征值为X1，标准物质Y2对应测量特征值为X2;
被测量值与测量特征值之间存在线性关系，即被测量值Y是测量特征值X的线性函数；线性函数的数学表达式为Y=K*X+C，其中K和C为常数；
利用点（X1，Y1）和点（X2，Y2）这两组已经测量出的数据，可以求出K和C的值；根据Y1=K*X1+C和Y2=K*X2+C，可以求解出K=( Y1-Y2)/( X1-X2)，C=Y1-K*X1= Y1-X1*( Y1-Y2)/( X1-X2)；这样，就求出了该仪器的工作曲线Y=K*X+C，其中K和C是根据点（X1，Y1）和点（X2，Y2）这两组已经测量出的数据所计算出的常数。
3.根据权利要求1所述的标定校准方法，其特征在于，用标准仪器对待标定的仪器进行标定校准；
被测量值与测量特征值之间存在线性关系，假定被测量特征量为t，标准仪器的测量值为Y，则Y=a*t+b，其中a和b为常数；待标定的仪器的测量值为X，则X=c*t+d，其中c和d为常数；
选取两个不同的工况点，用标准仪器和待标定的仪器分别进行测量，在第一个工况点处，被测量特征量为t1，标准仪器的测量值为Y1，待标定的仪器的测量值为X1；在第二个工况点处，被测量特征量为t2，标准仪器的测量值为Y2，待标定的仪器的测量值为X2；
在第一工况点处，t=t1，可以得出方程(1) Y1=a*t1+b 和方程(2) X1=c*t1+d；
在第二工况点处，t=t2，可以得出方程(3) Y2=a*t2+b 和方程(4) X2=c*t2+d；
由Y=a*t+b和X=c*t+d，可以得出方程(5) Y=(a/c)*X +b-(a/c)*d；
方程(1)、方程(2)、方程(3) 、方程(4)和方程(5)组成方程组，求解出公式：
Y=((Y1-Y2)/(X1-X2))*X + (X1*Y2-X2*Y1)/(X1-X2)；在上式中，令(Y1-Y2)/(X1-X2)=m，(X1*Y2-X2*Y1)/(X1-X2)=n，则公式简化为Y=m*X + n，其中，m和n都是由已经测定出的数值所计算出的常数；
利用公式Y=m*X + n，（m和n都是常数）就可以完成对被标定测量仪器的标定校准；其中，X是被标定的测量仪器的未标定校准前的直接测量结果，Y是标定校准后的测量结果的准确值。
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