关于计量标准的稳定性的有关说明

关于计量标准的稳定性的有关说明

《计量标准考核规范》起草工作组  倪育才  丁跃清  邓芸珊  苗瑜

    计量标准的稳定性是计量标准的主要计量特性之一，它是指计量标准保持其计量特性随时间恒定的能力，也就是说，计量标准的稳定性是表示计量标准所提供的标准量值的长期漂移的度量。JJF1033-2008《计量标准考核规范》(以下简称《规范》)规定，计量标准的稳定性用经过规定的时间间隔后计量标准提供的量值所发生的变化来表示，因此，计量标准的稳定性与所考虑的时间段的长短有关。
    计量标准通常由计量标准器和配套设备组成，因此，计量标准的稳定性应包括计量标准器的稳定性和配套设备的稳定性。同时，在稳定性的测量过程中还不可避免地会引入被测对象对稳定性测量的影响，为使这一影响尽可能地小，必须选择稳定的测量对象作为稳定性测量的核查标准。如果测量对象选择不当，被测对象对稳定性测量的影响还可能会远大于计量标准自身的稳定性，因此，稳定性测量的前提是必须存在可以作为核查标准的稳定的被测对象。当计量标准不存在量值稳定的核查标准时，是不可能进行稳定性考核的，因此，《规范》规定在这种情况下可以不进行稳定性考核。
    可以说，稳定性考核的关键是必须存在量值稳定的可以作为核查标准的被测对象。为避免核查标准的性能发生变化，核查标准应该不作他用。
   
一、用于稳定性考核的核查标准的选择
    JJF1001-1998《通用计量术语及定义》给出的测量仪器的定义是“单独地或连同辅助设备一起用以进行测量的器具”，而实物量具的定义是“使用时以固定形态复现或提供给定量的一个或多个已知值的器具”。由此可见，所有可以用来进行测量的器具都属于测量仪器，而实物量具是测量仪器中特定的一类。其特点是它们本身能提供一个或多个标准量值，同时在使用过程中其形态不能发生变化。由于在使用过程中其形态是固定不变的，因此，实物量具所提供的标准量值一般具有较好的稳定性。非实物量具的测量仪器则不然，首先它们本身并不提供标准量值，实际上这类测量仪器的示值都是用实物量具通过校准得到的。此外，使用过程中这类仪器的形态一般会发生变化(例如指针的偏转、测头的移动等)，这决定了它们的稳定性一般不如实物量具。在计量标准考核中是否存在量值稳定的核查标准，取决于计量标准中的标准器、主要配套设备，以及被测对象是不是量值比较稳定的实物量具。
    由于计量标准种类繁多，因此，无法对核查标准的选择作统一的规定。在计量标准考核中，核查标准的选择大体上可以按下述几种情况分别处理:
    1.被检定或被校准的对象是实物量具
    由于实物量具所提供的标准量值一般具有较好的稳定性，在这种情况下可以选择性能比较稳定的实物量具作为核查标准。也就是说，在这种情况下应该进行稳定性考核。
    2.计量标准仅由实物量具组成，而被检定或被校准的对象为非实物量具的测量仪器
    由于实物量具通常可以直接用来检定或校准非实物量具的测量仪器，并且实物量具的稳定性通常远优于非实物量具的测量仪器，因此，在这种情况下可以不必进行稳定性考核。但《规范》要求画出计量标准器所提供的标准量值随时间变化的曲线，即计量标准器的稳定性曲线图。
    3.计量标准和被检定或被校准的对象均为非实物量具的测量仪器
    在此种情况下，如果存在合适的比较稳定的对应于该参数的实物量具，可以用它作为核查标准来进行计量标准的稳定性考核。如果对于该被测参数来说，不存在可以作为核查标准的实物量具，可以不作稳定性考核。
    如果建标单位具有稳定性较好的非实物量具，也可以将其作为核查标准使用来进行稳定性考核。“稳定性较好”是指其稳定性至少应与被考核的计量标准的稳定性相当。
    4.一次性使用的标准物质可以不进行稳定性考核
   
二、计量标准稳定性的考核方法
    《规范》对计量标准稳定性的考核方法作了具体规定。
    对于新建计量标准，每隔一段时间(大于1个月)，用该计量标准对核查标准进行一组n次的重复测量，取其算术平均值作为该组的测量结果。共观测m组(m≥4)。取m个测量结果中的最大值和最小值之差，作为新建计量标准在该时间段内的稳定性。
    对于已建计量标准，每年用被考核的计量标准对核查标准进行一组n次的重复测量，取其算术平均值作为测量结果。以相邻两年的测量结果之差作为该时间段内计量标准的稳定性。
    对于已经有效建立测量过程统计控制的计量标准，由于控制图本身已经并不断提供大量的有关核查标准的测量数据，因此，《规范》规定在这种情况下可以不必再单独进行稳定性考核。
   
三、计量标准的稳定性对测量结果不确定度的贡献
    计量标准的稳定性来源于计量标准器及其主要配套设备，因此，稳定性对测量结果的不确定度的影响，应该包含在计量标准器及其主要配套设备所引入的不确定度分量中。
    计量标准所提供的标准量值一般是测量结果的一个不确定度来源，该分量的大小通常由计量标准的检定或校准证书得到。如果该计量标准的量值通过检定进行溯源，根据规定检定证书上应该给出检定周期。既然出具证书的检定机构能够确保所提供的标准量值在今后的一个周期内有效，因此，在其测量结果的不确定度评定中，必须包含该被检定的计量标准在今后一个周期内预期可能出现的漂移所引入的不确定度分量，除非该不确定度分量小到可以忽略不计。
    如果该计量标准器的量值通过校准进行溯源，则情况将有所不同。按校准的原意，校准证书是不应给出校准周期的，校准给出的仅是被校准对象在校准时的量值，而并不提供被校准对象今后可能变化的任何信息。因此，在对校准结果进行不确定度评定时，通常不考虑被校准对象今后的可能漂移。这一可能漂移的影响将由被校准对象将来的使用者来考虑。也就是说，如果在某一测量中，其测量标准的量值是由校准证书得到的，则在该测量结果的不确定度评定中应该附加考虑一个不确定度分量，即其测量标准的量值从最近一次校准以来到本次测量为止，这一时间段内标准量值预期的可能漂移对测量结果的影响。例如，在欧洲认可合作组织给出的10余个校准结果测量不确定度评定实例中，几乎都考虑了这一因素所引入的不确定度分量。
    但在计量标准考核中情况又有所不同，《规范》规定，对于需要考核的计量标准中的标准器，如果没有检定规程，也可以通过校准进行溯源，但在校准证书中应该给出复校的时间间隔，也就是说要给出校准周期。于是情况变得和通过检定溯源相同，即如果校准的对象是需要考核的计量标准中的标准器，则在对校准结果进行测量不确定度评定时，应该考虑被校准对象在今后一个复校时间间隔内可能产生的漂移所引入的不确定度分量。
    对于计量标准中的主要配套设备，虽然很多情况下与计量标准相比它对测量结果的影响一般较小，但也可能会有相反的情况出现。主要配套设备的稳定性主要表现在零位漂移和由其他原因引起的示值误差的变化两个方面。有些主要配套设备要求在每次测量之前仪器需调零，此时零位漂移对稳定性的影响已经基本消除，需要考虑的仅是调零不准所引入的不确定度分量。而其他原因引起的示值误差的变化则仍在起作用。（待续）

四、稳定性的测量不确定度

    稳定性的测量不确定度是一个往往被忽视的问题。根据规定，稳定性是用相同的测量设备，对相同的测量对象，时间间隔相距较长的两次测量结果之差。如果不考虑两次测量之间的相关性，稳定性的测量不确定度应该等于测量结果的不确定度的倍。虽然由于两次测量是用相同的测量设备，并对相同的核查标准进行的，因此，两者之间应该存在某些相关性，但由于两次测量可能要相隔一年的时间(对于已建计量标准)，因而导致对相关性很难进行估计。因为即使是系统效应引起的不确定度分量，在经过一年时间后，也已经很难说是否存在相关性了。于是测得的计量标准的稳定性，其不确定度经常会比测量结果的不确定度大。对于新建计量标准，由于两次测量相隔的时间较短，故通常应考虑其相关性。对于不同的计量标准，该相关性对稳定性的测量不确定度的影响将视具体情况而异，但可以认为稳定性的测量不确定度大体上至少与测量结果的不确定度相当。
    另一方面，计量标准所提供的标准量值是由上级机构通过检定或校准给出的，也就是说，只有上级机构才有条件对计量标准器的量值漂移进行较为准确的测量。但标准考核要求建标单位对计量标准的稳定性进行考核，因而只能规定用被考核的计量标准对性能比较稳定的核查标准进行测量来得到其稳定性。这也造成了所测得的稳定性具有很大的测量不确定度。
    由于稳定性是两次测量结果之差，而计量标准的稳定性一般均较好，其数值通常较小，因此，稳定性测量的相对不确定度可能很大，有时甚至会达到100%以上。也就是说，计量标准的稳定性越好，稳定性测量的相对不确定度就越大。较大的测量不确定度会对稳定性合格判定造成困难。
    例如，某些检定规程上给出了标准器的最大允许年变化量，有时候规定的允许变化量可能与测量不确定度相当，因此，仅通过相邻两年的测量结果之差超过最大允许年变化量就判定该标准器不合格就可能不合适，因为这不一定是标准器本身量值的漂移，很可能来源于较大的测量不确定度。在这种情况下，比较稳妥的处理办法是暂时缩短周期，并延长稳定性的考察时间，在原因搞清楚之前不要急于下结论。
   

五、计量标准考核对稳定性的要求

    对计量标准的重复性而言，在每一个测量不确定度评定中，都能直接找到一个由重复性引入的不确定度分量，因此，计量标准考核对计量标准的重复性提出了明确的要求。而计量标准的稳定性则不同，在测量不确定度评定中可能找不到一个直接与计量标准的稳定性对应的不确定度分量。因此，很难对计量标准的稳定性提出明确的定量要求。但问题是计量标准的稳定性显然会影响到测量结果，也就是说，它对测量结果的不确定度无疑也是有贡献的，但其可能隐含在其他不确定度分量之中，因此，标准考核对计量标准稳定性的要求是一个不太容易确定的问题。
    即使在测量不确定度评定中直接存在由计量标准的稳定性所引入的不确定度分量，也不能直接以此不确定度的大小来作为考核的依据。因为稳定性和稳定性引入的不确定度是两个不同的概念，无法进行比较。而稳定性所引入的不确定度分量则比稳定性本身的测量不确定度小得多，因而也无法以此来判定稳定性是否合格。
    《规范》规定，若计量标准在使用中采用标称值或示值(即不加修正值使用，或称为按“级”使用)，则测得的稳定性应小于计量标准的最大允许误差的绝对值。若计量标准在使用中采用实际值(即加修正值使用，或称为按“等”使用)，则测得的稳定性应小于该修正值的扩展不确定度(U，k=2或U95)。应该说这一规定是比较宽松的。在正常使用情况下，计量标准的稳定性一般不会大于此值。如果在正常使用情况下计量标准的稳定性有可能大于此值，则表明当初规程规定的检定周期或复校时间间隔不合理。
    如果计量标准可以检定或校准多个参数，则对每一种参数都要进行稳定性的考核。如果计量标准可以提供多个标准量值，建议选择三四个有代表性的量值进行稳定性考核。
    如果有关的检定规程或校准规范中已经对该类计量标准的稳定性考核方法作了规定，也可以采用规程或规范中给出的方法进行测量和判定。
   

六、稳定性考核不合格的处理方法

    稳定性考核的困难在于计量标准所提供的标准量值是由上级部门提供的，因此从原则上来说，只有上级部门才有可能比较准确地测量计量标准所提供的标准量值的变化量。
    在计量标准考核中，要求建标单位每年进行一次计量标准的稳定性考核，主要原因是可以及时发现计量标准由于某种偶然的原因而导致其所提供的量值有较大的变化。
    如果稳定性考核的结果不符合要求，必须找出原因。导致稳定性测量结果变坏的原因很多，例如计量标准器的漂移以及主要配套设备示值误差的变化，核查标准量值的漂移，也可能仅仅是稳定性的测量不确定度太大造成的。
    当通过稳定性考核发现计量标准的稳定性不符合要求时，首先应检查整套计量标准装置中的所有配套设备是否符合规程和规范的要求，以排除计量标准器以外的其他因素。
    最重要的是应将计量标准再次送上级部门进行检定或校准，并采用上级部门提供的最新数据。无论计量标准的量值是否发生了明显变化，为稳妥起见，此时应该缩短计量标准的检定或校准周期。如果计量标准的量值发生了明显变化，还应增加稳定性考核的次数。
   

七、按等使用和按级使用时稳定性判据的差别

    按《规范》的规定，如果同一计量标准既可以不加修正值使用，也可以加修正值使用，前者的要求是稳定性小于其最大允许误差的绝对值，后者的要求是稳定性小于该修正值的扩展不确定度。根据JJF1094-2001《测量仪器特性评定》的规定，后者应为前者的1/3左右，也就是说对后者的稳定性要求要远高于前者。这实际上并不奇怪，由于不加修正值使用相当于按“级”使用，加修正值使用相当于按“等”使用。按等使用时得到的测量结果的不确定度将远小于按级使用，因此,对计量标准的稳定性的要求也应高于后者。(续完)

听过倪育才老师的可，他对测量不确定度理论有很深的研究，听完他的课后有种豁然开朗的感觉。