【摘要】本文簡要介紹了市級計量技術(shù)機構(gòu)在計量標(biāo)準(zhǔn)建立時技術(shù)報告的撰寫,計量檢定和校準(zhǔn)證書、報告的出具,計量標(biāo)準(zhǔn)建立,CNAS實驗室認(rèn)可,計量比對,能力驗證,計量標(biāo)準(zhǔn)器證書確認(rèn)等方面不確定度的應(yīng)用,以及在應(yīng)用不確定度時的注意事項,對實驗室提升管理質(zhì)量具有一定指導(dǎo)意義。
【關(guān)鍵詞】不確定度;計量技術(shù)機構(gòu);計量比對;能力驗證
【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.05.022
Application of Uncertainty in Municipal Metrology Technical Institutions
WANG Wei
(Jincheng Comprehensive Inspection and Testing Center, Jincheng 048000, China)
Abstract: This article briefly introduces the application of uncertainty in various aspects such as the writing of technical reports on the establishment of measurement standards, the issuance of measurement verification and calibration certificates, the establishment of measurement standards, CNAS laboratory recognition, measurement comparison, capability verification, and the confirmation of measurement standard certificate by municipal metrology technology institutions, as well as the precautions for applying uncertainty. It has practical guiding significance for improving the management quality of laboratories.
Key words: uncertainty; metrology technology institutions; measurement comparison; capability verification
1.1不確定度的意義
JJF 1001—2011《通用技術(shù)計量術(shù)語及定義》中4.2條款規(guī)定,測量是通過實驗獲得并合理賦予某一個或多個量值的過程。測量的目的就是為確定被測量對象的量值。而任何一個被測量對象在一定條件下都具有客觀存在的確定值。在測量時,因各種因素的存在會導(dǎo)致測量結(jié)果與確定值(即真值)間產(chǎn)生偏差,但這個偏差只能在允許的合理范圍內(nèi)。例如:1990年發(fā)射的哈勃望遠(yuǎn)鏡,起初傳回的圖像模糊,經(jīng)查主鏡打磨要求形狀誤差為10納米,但實際卻達(dá)到2200納米。儀器誤差嚴(yán)重降低了望遠(yuǎn)鏡成像清晰度,不得已又耗費巨資經(jīng)過5次太空維修升級,才滿足精密要求。因此,我們可以看到只有確保測量器具、測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,才能保證結(jié)果可信度,而測量不確定度恰恰就是定量評定數(shù)據(jù)、結(jié)果質(zhì)量的最好辦法。
1.2不確定度的發(fā)展
1)國外情況
1927年德國物理學(xué)家海森堡量子力學(xué)中提出的“測不準(zhǔn)關(guān)系”,也稱為“不確定度關(guān)系”,30多年后國際上開始逐漸出現(xiàn)用測量不確定度來定量評定測量結(jié)果質(zhì)量的建議。自從不確定度概念提出后,隨著理論和應(yīng)用不斷發(fā)展,各個測量領(lǐng)域也開始逐漸采用。1980年國際計量局起草實驗不確定度建議書INC-1(1980),1981年、1986年國際計量委員會分別發(fā)布建議書CI-1981、CI-1986。為進(jìn)一步規(guī)范和促進(jìn)不確定度在國際上的影響力,1993年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)發(fā)布《測量不確定度表示指南》和第二版《國際通用計量學(xué)基本術(shù)語》。
2)國內(nèi)情況
測量不確定度的概念引入我國的時間相對較短。多個領(lǐng)域?qū)y量不確定度的應(yīng)用還處于起步階段。1986年,中國計量科學(xué)研究院率先與國際接軌,要求測量和檢定工作中不確定度的評定應(yīng)按照INC-1(1980)。1993年中國版《測量不確定度表示指南》(簡稱GUM)出版。1999年原國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局組織計量方面的權(quán)威專家經(jīng)過深入探討,在等同于采用GUM的基礎(chǔ)上批準(zhǔn)發(fā)布JJF 1059—1999《測量不確定度評定與表示》,同年軍工版GJB 3756—99《測量不確定度的表示及評定》也相繼發(fā)布。在此之后,中國合格評定國家認(rèn)可委員會(CNAS)也發(fā)布了一系列有關(guān)測量不確定度評定規(guī)范文件和指南文件構(gòu)成我國實驗室認(rèn)可中測量不確定度評定框架。
3.1直接評定(GUM法)
市級法定計量檢定機構(gòu)在進(jìn)行測量不確定度的評定時,一般采用直接評定法,就是在試驗條件(檢定、校準(zhǔn)方法、環(huán)境條件、測量儀器、被測對象和測量過程)明確的基礎(chǔ)上,按照GUM法測量不確定度傳播律,分析各輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度以及靈敏系數(shù)c,同時再考慮輸入量間的相關(guān)性計算合成不確定度uc( y ),最后根據(jù)對置信度的要求(一般包含概率p為95%或99%)確定包含因子(k取2或3),從而求出擴(kuò)展不確定度。
3.2某地市級計量技術(shù)機構(gòu)現(xiàn)依據(jù)的規(guī)程規(guī)范及數(shù)學(xué)模型統(tǒng)計
筆者對某一地級計量技術(shù)機構(gòu)已通過考核的65項計量標(biāo)準(zhǔn)所依據(jù)的78個計量檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行統(tǒng)計(見圖1和圖2)。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看,市級計量技術(shù)機構(gòu)所接觸到的檢定、校準(zhǔn)規(guī)范數(shù)學(xué)模型近90%為線性函數(shù),少數(shù)為非線性函數(shù),因此對于市級技術(shù)機構(gòu)技術(shù)人員來說了解、評定及應(yīng)用不確定度困難要小些。
3.3不確定度在市級法定計量技術(shù)機構(gòu)中的應(yīng)用
不確定度貫穿于市級計量技術(shù)機構(gòu)的整個計量業(yè)務(wù)工作過程中,從國家檢定系統(tǒng)表到檢定規(guī)程、校準(zhǔn)規(guī)范的使用,從建立計量標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)報告的撰寫到現(xiàn)場實驗考評,從計量器具業(yè)務(wù)受理到檢定和校準(zhǔn)證書、報告的出具,從計量標(biāo)準(zhǔn)建立到CNAS實驗室認(rèn)可,從計量比對到能力驗證,從量值溯源到量值傳遞都會應(yīng)用到不確定度。
3.3.1計量建標(biāo)過程中不確定度
實驗室開展計量工作時,按照J(rèn)JF 1033—2016《計量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》技術(shù)文件的建標(biāo)要求會隨時應(yīng)用到不確定度。比如:計量標(biāo)準(zhǔn)的不確定度、計量標(biāo)準(zhǔn)器的不確定度、檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度、開展的檢定或校準(zhǔn)項目的不確定度等。計量建標(biāo)準(zhǔn)備資料技術(shù)報告不確定度的評定就完整包含了以上信息。
1)計量標(biāo)準(zhǔn)的不確定度和計量標(biāo)準(zhǔn)器的不確定。JJF 1033—2016《計量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》中3.6款對計量標(biāo)準(zhǔn)的不確定度專門做了表述。計量標(biāo)準(zhǔn)不確定度是指“在檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度中,由計量標(biāo)準(zhǔn)引入的測量不確定度分量,它包含計量標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備引入的不確定度”。可見計量標(biāo)準(zhǔn)器的不確定度是單指由計量標(biāo)準(zhǔn)器所引入的不確定度,計量標(biāo)準(zhǔn)的不確定度是指由計量標(biāo)準(zhǔn)器及其配套設(shè)備分別引入的不確定度分量之和,兩者是整體與部分、集合與元素的關(guān)系,而且計量標(biāo)準(zhǔn)的不確定度才是技術(shù)報告不確定度評定中的一個分量。
2)檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度是指用計量標(biāo)準(zhǔn)對常規(guī)的被測對象進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)時所得結(jié)果的不確定度,該不確定度不僅包含了計量標(biāo)準(zhǔn)的不確定度,還包含了環(huán)境條件、測量方法以及被測對象引入的不確定度,計算時就需要根據(jù)實際測量的數(shù)學(xué)模型具體分析。
3)開展檢定或校準(zhǔn)項目的不確定度是指建立的計量標(biāo)準(zhǔn)裝置對未來被測對象的不確定要求。黏度計量值傳遞框圖中計量標(biāo)準(zhǔn)為二級黏度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),其黏度量值為Urel = 0.26%~2.0% ( k = 2 ),其開展旋轉(zhuǎn)黏度計檢定或校準(zhǔn)的不確定度則為Urel = 0.5%~10%( k = 2)。
3.3.2溯源證書的確認(rèn)中不確定度
技術(shù)機構(gòu)在對計量標(biāo)準(zhǔn)器具進(jìn)行量值溯源獲得校準(zhǔn)證書后,必須進(jìn)行證書確認(rèn)方可歸檔開展工作。在得到校準(zhǔn)證書后,我們首先要確認(rèn)溯源機構(gòu)授權(quán)范圍(包括不確定度)是否能滿足檢定校準(zhǔn)我們送檢標(biāo)準(zhǔn)器要求;其次確認(rèn)校準(zhǔn)證書上的結(jié)果(包括不確定度),對應(yīng)其計量器具校準(zhǔn)特性,查看是否符合其說明書上的特性;最后要確認(rèn)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(包括不確定度)是否能滿足JJF 1094—2002《測量儀器特性評定》要求,三者均滿足確認(rèn)才算完成。校準(zhǔn)證書確認(rèn)很完美、很實際地體現(xiàn)JJF 1001—2011《通用計量術(shù)語及定義》中4.10條款對“校準(zhǔn)”的定義。
3.3.3出具的證書中不確定度
證書是實驗室的最終產(chǎn)品,不過檢定證書已給出合格與否的判定,其不確定度不多做考慮,此處只講已通過CNAS實驗室認(rèn)可校準(zhǔn)證書的不確定度,因為不包含不確定度的校準(zhǔn)證書就是一張廢紙。CNAS-CL01-G003:2021《測量不確定度的要求》規(guī)定“認(rèn)可的CMC應(yīng)是在常規(guī)條件下的校準(zhǔn)中可獲得的最小測量不確定度,其評估應(yīng)基于現(xiàn)有的最佳儀器”“校準(zhǔn)實驗室應(yīng)在校準(zhǔn)證書中報告經(jīng)認(rèn)可的每個校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度,且報告的測量不確定度不得小于認(rèn)可的CMC”??梢钥闯鯟NAS實驗室認(rèn)可校準(zhǔn)證書的不確定度與計量建標(biāo)技術(shù)報告中檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度有很大區(qū)別。CNAS也要求在常規(guī)條件做不確定度,但它需要的是基于最佳儀器,而計量建標(biāo)只規(guī)定常規(guī)條件,使用普通儀器即可。所以兩者不可混用,更不可替代。
3.3.4計量比對中不確定度
JJF 1117—2010《計量比對》規(guī)定比對是指“在規(guī)定條件下,在相同量的計量基準(zhǔn)、計量標(biāo)準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)或保持的量值之間進(jìn)行比較、分析和評價的過程”。比對考察的是同等級或規(guī)定的不確定度范圍內(nèi)的計量標(biāo)準(zhǔn)裝置之間量值的關(guān)系。比對既考驗實驗室報出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,也關(guān)心數(shù)據(jù)附帶的不確定度評定的合理性。可以說在評價比對測量結(jié)果質(zhì)量好壞上,不確定度有時比數(shù)據(jù)還要重要。
2020年市場監(jiān)管總局專門發(fā)布的《關(guān)于加強計量比對工作的指導(dǎo)意見》中強調(diào)“強化計量比對結(jié)果使用,進(jìn)一步提升計量比對供給質(zhì)量和效益,推動完善量值溯源體系、計量監(jiān)督體系”。近幾年國家對計量比對的重視程度越來越高,可能將來量值溯源、計量標(biāo)準(zhǔn)考核、法定計量機構(gòu)考核、CNAS認(rèn)可考核中計量器具溯源證書僅作參考,計量比對反而成為量值溯源體系的重要一環(huán)。
3.3.5期間核查中不確定度
3.3.6不確定度表示與報告
實驗室在完成測量不確定度的分析與評定后,肯定要以報告的形式將其表示出來。不確定度的表示有2種,分別是合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度。在報告測量結(jié)果時,被測量的結(jié)果務(wù)必與擴(kuò)展不確定度末位對齊,不確定度一般只能為1~2位有效數(shù)字,第1位有效數(shù)字是1或2時,需保留2位有效數(shù)字,保留的末位有效數(shù)字后面一位非零數(shù)字的舍入,比較保險的做法是只入不舍。
舉例說明:保留2位有效數(shù)字,不確定度值為U=0.121 kg,保留2位則U=0.12 kg;保留1位有效數(shù)字,不確定度值為U=0.18 kg,保留1位則U=0.2 kg;末位對齊,測量結(jié)果為36.577 kg,不確定度為0.2 kg,末位對齊則測量結(jié)果應(yīng)表示為36.6 kg。
實驗室質(zhì)量控制就是對檢定、校準(zhǔn)過程進(jìn)行監(jiān)測控制,確保出具的測量結(jié)果真實、準(zhǔn)確、可靠,而不確定度就是對測量結(jié)果的科學(xué)表述。市級計量技術(shù)機構(gòu)想通過質(zhì)量控制提升產(chǎn)品質(zhì)量管理水平需要做到以下幾點:第一,樹立不確定度與質(zhì)量的理念,明確不確定度是質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo);第二,加大對技術(shù)人員不確定度知識理論的培訓(xùn)力度,通過學(xué)習(xí)掌握了解不確定度;第三,加強不確定度應(yīng)用的管理,確保在業(yè)務(wù)工作中使用無誤。
測量不確定度是建立在現(xiàn)代誤差理論基礎(chǔ)的一個新的概念,現(xiàn)代誤差理論研究是重要內(nèi)容,測量不確定度是經(jīng)過人們的分析和依步驟評定獲得,可以對測量結(jié)果做出定量判定。相比于測量誤差,測量不確定度的可操作性更強,對測量的影響因素分析更全面,對測量結(jié)果的表述更科學(xué)合理。在市級計量技術(shù)機構(gòu)中,測量不確定度對實驗室評價測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性,實驗室質(zhì)量控制以及實驗室風(fēng)控等方面都有至關(guān)重要的作用。為提升人員素質(zhì)、控制數(shù)據(jù)質(zhì)量、降低實驗室風(fēng)險,市級計量技術(shù)機構(gòu)應(yīng)著實加強對測量不確定度評定與應(yīng)用的專業(yè)知識的學(xué)習(xí)、理解、掌握與應(yīng)用。
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【作者簡介】
王偉,男,1986年出生,工程師,研究方向為計量技術(shù)管理與標(biāo)準(zhǔn)化。
(編輯:李加鵬)