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評定不確定時(shí)一個(gè)極易被忽視的分量
在計量標準技術(shù)報告、校準和測量能力(CMC)、計量標準周期性溯源時(shí),穩定性(長(cháng)期穩定性和短期穩定性)是一個(gè)極其重要的參量,同時(shí)也是在不確定度評定過(guò)程中極易被忽視的一個(gè)分量。
查閱諸如JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》、計量技術(shù)規范及其附錄中的不確定度評定示例、與不確定度評定的有關(guān)論文等大量文獻資料,并且在1033、CNAS現場(chǎng)評審的經(jīng)歷總結后發(fā)現,鮮有人對穩定性所引入的不確定度分量予以考慮。相反地,在一些國際重要測量或量值比對中,穩定性引入的不確定度是必須考慮的分量之一,這種差異顯然與不確定度評定原則“不重復不遺漏”相違背。
圖1 2018年APMP在絕對壓力量值比對的穩定性圖
1  穩定性
1.1  穩定性定義

測量?jì)x器保持其計量特性隨時(shí)間恒定的能力。亦可說(shuō)測量?jì)x器的計量特性隨時(shí)間不變化的能力,亦或是抵抗時(shí)間變化的能力。

1.2  穩定性產(chǎn)生原因    

測量?jì)x器產(chǎn)生不穩定的因素有很多,主要原因是其元器件的老化、零部件的磨損以及使用頻次、貯存條件、維護工作不仔細等引起的。

1.3  穩定性定量分析
穩定性可以進(jìn)行定量的表征,主要是確定計量特性隨時(shí)間變化的關(guān)系。通??梢杂眠@兩種方法:用計量特性的某個(gè)量發(fā)生規定的變化所需經(jīng)過(guò)的時(shí)間;或用計量特性經(jīng)過(guò)規定的時(shí)間所發(fā)生的變化量來(lái)進(jìn)行定量表示,即:
ys=y2-y1
式中:
ys—穩定性;
y2—規定時(shí)間段結束時(shí)(或本次周檢)的實(shí)際值或變化量;

y1—規定時(shí)間段開(kāi)始時(shí)(或上次周檢)的實(shí)際值或變化量。

2  被忽視的穩定性分量

實(shí)際上,如果使用這些計量標準進(jìn)行量值傳遞時(shí),穩定性引起的量值變化大多數只知其變化范圍,而不知其具體變化量,故不能將其當作不確定度分量予以評定,因此極易被忽視。類(lèi)似的案例很多,這里我們以砝碼、量塊為例展開(kāi)討論,且此二者在相應的計量檢定規程中對穩定性亦有明確要求。

2.1  砝碼穩定性引入的不確定度
JJG 99-2022砝碼檢定規程5.3.6對穩定性有如下要求:在規定的準確度范圍內,任何一個(gè)質(zhì)量標稱(chēng)值為m0的單個(gè)砝碼,其相鄰兩個(gè)檢定周期的檢定結果不得超過(guò)該砝碼最大允許誤差的1/3。
圖2 F1等級砝碼穩定性考核
圖3 F1等級砝碼穩定性考核圖
如圖2所示,在2023年溯源完成后,如果以相鄰兩個(gè)檢定周期的檢定結果之差作為該砝碼的年穩定性,使用F1等級200g的砝碼開(kāi)展檢定或校準工作時(shí),穩定性引入的不確定度分量為
u(ms)=0.2mg/√3=0.12mg    
如果按照穩定性的極限值(允差)來(lái)評定穩定性引入的不確定度分量,使用F1等級200g(MPE:±1.0mg)的砝碼開(kāi)展檢定或校準工作時(shí),穩定性引入的最大的不確定度分量不超過(guò)

u(mδ)=1/3×1.0mg/√3=0.19mg

2.2  量塊穩定性引入的不確定度
JJG 146-2011量塊檢定規程7.3.11對穩定性有如下要求:在不超過(guò)4個(gè)檢定周期,穩定性lA應符合表13的規定。
圖4 量塊穩定性最大允許值 
圖5 3等量塊穩定性考核
圖6 3等量塊穩定性考核圖
如圖5所示,在2023年溯源完成后,如果以相鄰兩個(gè)檢定周期的檢定結果之差作為該砝碼的年穩定性,使用3等100mm的量塊開(kāi)展檢定或校準工作時(shí),穩定性引入的不確定度分量為
u(ls)=0.01μm /√3=0.006μm
如果按照穩定性的極限值(允差)來(lái)評定穩定性引入的不確定度分量,使用3等100mm(MPE:±0.2μm)的量塊開(kāi)展檢定或校準工作時(shí),穩定性引入的最大的不確定度分量不超過(guò)

u(lδ)=1/3×0.2μm /√3=0.04μm

2.3  忽視穩定性分量的后果

以上砝碼和量塊的案例可見(jiàn),計量標準的穩定性越差(最差不超過(guò)其允差ΔS),其引入的不確定度分量越大([0,ΔS/√3]區間之間)。按照經(jīng)驗統計,在某些實(shí)際評定場(chǎng)景中,穩定性引入的不確定度分量u與合成標準不確定度uc之比最大超過(guò)2/3(u/uc≥2/3)之多。如果在不確定度的評定過(guò)程中忽視這一分量,將對整個(gè)不確定度評定的嚴正性及量值傳遞的可靠性產(chǎn)生重要影響。

因此,在這里呼吁從事計量工作及修訂計量技術(shù)規范的人員,穩定性引入的不確定度分量不應被忽視,它可以很小甚至為零,但是不能遺漏這一分量。

3  穩定性識別方法及建議          
根據以上討論分析,可采用以下方法對由穩定性引入的不確定度予以評定。

3.1  穩定性不易被識別
在無(wú)法給出特定時(shí)間段(溯源周期)內量值變化的計量標準,雖然可知其分布區間,但不知其特定時(shí)間段的變化量,可以使用其該時(shí)間段內的穩定性允差(最大允許誤差ΔS)作為分量,即:
u(yδ)=ΔS/√3    
式中:
u(yδ)—穩定性引入的標準不確定度;

ΔS—穩定性允差限。

3.2  穩定性易被識別
如果穩定性引入的量值變化可以被識別(ys=y2-y1),則可將其作為穩定性引入的不確定度予以評定,即:
u(ys)=|y2-y1|/√3
需要考慮穩定性影響情況,具體有下列幾種方法:
(1)銷(xiāo)售前的計量標準器,生產(chǎn)廠(chǎng)進(jìn)行過(guò)長(cháng)期的穩定性考察,給出了該標準隨時(shí)間變化量值亦隨之變化的有關(guān)信息(如量值、校準曲線(xiàn)等):
(2)國內外標準、計量技術(shù)規范、說(shuō)明書(shū)或是其他技術(shù)資料提供的信息;
(3)根據歷年多次溯源證書(shū)的數據(如控制曲線(xiàn)圖)進(jìn)行分析;   
(4)根據計量標準穩定性考核的數據趨勢;
(5)實(shí)驗室多次檢定或校準后的量值(短期穩定性)變化估計;   
(6)根據計量比對數據及數據趨勢;

(7)由經(jīng)驗估計出穩定性。         

3.3  可不考慮穩定性影響   
(1)有效期內或一次性使用的有證標準物質(zhì);
(2)已掌握了穩定性變化的特點(diǎn)、規律、趨勢以及適當的溯源周期、溯源頻次;   
(3)高一級計量標準(基準)量值傳遞時(shí),已考慮到穩定性的影響;
(4)已專(zhuān)門(mén)對某一類(lèi)型做過(guò)穩定性試驗的計量標準。
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