校准和测量能力评估中有关问题的探讨

2014-03-22高宇海

计量技术 2014年3期

高宇海

(甘肃省计量研究院，兰州 730070)

0　引言

对一个校准参量或项目的完整测量不确定度评估包含对CMC的评估和对可校准的所有类型被校仪器及其全部校准点的测量不确定度评估。其中CMC即校准和测量能力是校准实验室在常规条件下能够提供给客户的校准和测量能力，其应是在常规条件下的校准中可获得的最小测量不确定度，是实验室最具价值的核心竞争力。CMC评估和常规校准结果的测量不确定度评估虽然过程一样，但在具体方法上又存在一定区别，本文对此进行讨论。

1　CMC评估必须在常规条件下

CMC是实验室在常规条件下校准所获得的最小测量不确定度，该常规条件就是实验室日常开展工作时实际能够满足的条件，为正确反映实验室的测量能力，保证校准中获得最小不确定度，对其中的各影响因素如计量标准设备、人员、校准方法及环境条件等在常规条件的范围内可选择时应按最优配置，如实验室有两台准确度等级相同且检定合格的计量标准设备，则应选择重复性、稳定性较好的一台，检定人员应选择相对熟练的人员，校准方法可选择时，应采用不确定度相对较小的方法，如光滑环规直径尺寸校准，应尽可能采用相同标称尺寸比较测量，对于环境条件应在实际控制范围内各影响量取最小值，在这样的常规条件下评估的CMC才能反映实验室的最高测量水平。

目前一些实验室依据检定规程或校准规范中给出的或作业指导书、技术报告中评定的不确定度进行CMC评估，这将给评估结果带来一定偏差。由于上述不确定度都是为验证测量方法可行性，在技术文件规定条件下各影响量取最大值时评定的，以此作为评估基础将会降低实验室的校准测量能力。实际工作中各实验室虽然都依据同样的技术文件开展工作，但为保证量值准确可靠，其实际达到的常规工作条件有可能优于技术文件中规定的条件，因此各实验室应根据具体情况正确选取有关参数评估CMC。同样实验室也不能为了有意识提高校准测量能力而在评估CMC 时，刻意提高工作条件，而日常实际工作中并不能满足。

2　正确选择最佳性能的被测仪器

为准确反映实验室的测量能力，应使被测对象对不确定度的影响尽可能小。被测对象对不确定度的影响首先来自被测对象间的变动性，在不确定度评估中，可采用说明的方法，包含或不包含该变动性，如当被测对象来源于抽样时，则不确定度中就包含样品的分散性，但在CMC评估时，为反映实验室的测量能力，一般并不包括该分散性，故被测对象的影响主要来自其计量特性。因此对于一个参量，CMC评估时就需要选择对该参量可校准的技术指标最佳的测量仪器作为被测对象，即被测对象的计量性能如重复性、稳定性和分辨力等都应是同类仪器中可获得的最佳值，在分析其对不确定度影响时，应以最佳仪器所代表的计量特性考虑其影响，其对不确定度的贡献应包括在校准测量能力中，而被测仪器具体的个性或缺陷等个别因素不应反映在不确定度中。如果对某参量在同一测量范围内，测量仪器包含几种不同类别，且CMC不同，则最佳性能的仪器必须是在不同类别中分别选取，如对游标卡尺在0～200mm测量范围内示值误差校准的CMC评估时，其最佳性能的被测仪器分别为分度值0.02mm的游标卡尺、分度值0.01mm的数显游标卡尺及分度值0.01mm的带表游标卡尺三种。

3　对测量范围正确划分测量段

如果被测量的值是一个范围，则无论CMC 采用何种表示方式都应先考虑是否需要对测量范围分段。有些参量在不同测量范围，其对应的测量仪器类别、等级和计量性能不同，对这些仪器进行CMC评估时，其不确定度来源和大小可能不完全相同，若这些来源是主要影响因素，其量值大小将使评估结果产生较大差异，因此CMC评估时可先根据仪器类别、等级和计量性能对整个测量范围划分测量段。实际工作中较为常见的是被测仪器在不同测量范围具有不同的分辨力，如表1为数显电感测微仪CMC评估时在±1000μm测量范围内的分段及其对应的最佳数显电感测微仪分辨力。

表1　数显电感测微仪测量范围分段及对应的最佳测微仪分辨力

在每个测量段，对最佳性能的被测仪器进行CMC评估时，根据不确定度随计量标准设备量值、环境条件和测量点不同而变化的程度，分析CMC在该测量段的变化情况，选择CMC恰当的表示方式，从而确定是否需要再次对该测量段进行细分，同时还需注意分段时要尽可能包含测量范围内的常用区段。

4　CMC表示方式上应注意的事项

4.1　CMC用单一值表示

1)当被测量的值是一个或一系列单一值，或者被测量的值虽然是一个范围，而计量标准设备只能对该范围内部分点校准时，CMC就必须按照这些单一值或校准点一一对应分别表示，而不能表示为连续的范围。但是如果被测量的值虽然是一系列单一值，而计量标准设备在这些单一值间隔内可连续校准，则CMC可按范围表示。

2)被测量的值虽然是一个范围，但CMC仍用单一值表示，即用在整个测量范围内都适用的单一值(绝对值或相对值)表示，在该测量范围内，不确定度一般保持不变或变化微小(该变化对CMC的影响可忽略)。目前有些实验室为了简化评估，即使不确定度在测量范围内有一定幅度变化，但仍用不确定度最大值作为整个测量范围的CMC，这种表示方式一方面降低了该实验室的部分校准测量能力，另一方面要特别注意该最大值在测量范围下限是否满足量传关系。

4.2　CMC用范围表示

当被测量的值是一个范围时，CMC以前后对应的形式用范围表示。根据CNAS-CL07：2011《测量不确定度的要求》，CMC用范围表示时，实验室应有适当插值算法给出区间内值的测量不确定度，即能给出CMC的中间值。该中间值的确定可以采用内插法，即用线性内插、倒数或其他函数内插的方法通过数值逼近法获得，由于内插公式推算存在一定困难，而对每一个被测值的CMC均进行评估往往不切实际，因此实际评估中常常采用图表法。在不确定度来源相同情况下(若不相同，则另行评估)，根据不确定度分量汇总表，对影响不确定度的主要因素在不同测量点变化的情况选取部分具有代表性的校准点进行评估，据此作出校准参量和CMC关系图表，则CMC中间值即可根据该图表查阅推算得到，该图表不一定是线性关系，但一般与测量范围有相对一致的趋势，且在该范围内不能有拐点，否则就要考虑分段。校准点多少的选取应能反映CMC的变化趋势，并且使通过图表所确定的CMC中间值与其实际值偏差应处在一个可接受的合理范围内。

4.3　CMC应动态评估

CMC是实验室提供校准服务能力的反映，实验室应动态评估。如果影响不确定度的某一个来源及影响量发生变化，实验室应及时修订更新CMC表示，以适应变化的情况，正确反映校准和测量能力。

4.4　正确选取包含因子

CMC应该用包含概率约为95%的扩展不确定度表示，包含因子应根据校准参量的概率分布按照95%的概率选取。目前许多实验室统一简化取k=2，显然是不对的。如果某一参量的不确定度主要分量较少或者该参量不服从正态分布时，尤其应特别注意，如矩形分布对应95%概率的包含因子为k=1.65，三角分布对应95%概率的包含因子为k=1.90。