計量標準的穩定性考核要求

文 感測器技術（WW_CGQJS）

計量不僅保證著產品的一致性和互換性，而且對於保證產品的優質起著至關重要的作用。測量過程可以溯源到統一的標準，而統一的標準就是計量標準，計量標準最重要的指標是其穩定性和準確性。

計量標準的穩定性

計量標準的穩定性是計量標準的主要計量特性之一，它是指計量標準保持其計量特性隨時間恆定的能力，也就是說，計量標準的穩定性是表示計量標準所提供的標準量值的長期漂移的度量。

在JJF1033-2008《計量標準考核規範》(以下簡稱《規範》)中規定，計量標準的穩定性用經過規定的時間間隔後計量標準提供的量值所發生的變化來表示，因此，計量標準的穩定性與所考慮的時間段的長短有關。

計量標準通常由計量標準器和配套設備組成，因此，計量標準的穩定性應包括計量標準器的穩定性和配套設備的穩定性。同時，在穩定性的測量過程中還不可避免地會引入被測對象對穩定性測量的影響，因此必須選擇穩定的測量對象作為穩定性測量的核查標準。

用於穩定性考核的核查標準的選擇

JJF1001-1998《通用計量術語及定義》給出的測量儀器的定義是「單獨地或連同輔助設備一起用以進行測量的器具」，而實物量具的定義是「使用時以固定形態復現或提供給定量的一個或多個已知值的器具」。由此可見，所有可以用來進行測量的器具都屬於測量儀器，而實物量具是測量儀器中特定的一類。其特點是它們本身能提供一個或多個標準量值，同時在使用過程中其形態不能發生變化。

在計量標準考核中是否存在量值穩定的核查標準，取決於計量標準中的標準器、主要配套設備，以及被測對象是不是量值比較穩定的實物量具。

由於計量標準種類繁多，因此，無法對核查標準的選擇作統一的規定。在計量標準考核中，核查標準的選擇大體上可以按下述幾種情況分別處理:

1.被檢定或被校準的對象是實物量具

由於實物量具所提供的標準量值一般具有較好的穩定性，在這種情況下可以選擇性能比較穩定的實物量具作為核查標準。也就是說，在這種情況下應該進行穩定性考核。

2.計量標準僅由實物量具組成，而被檢定或被校準的對象為非實物量具的測量儀器

由於實物量具通常可以直接用來檢定或校準非實物量具的測量儀器，並且實物量具的穩定性通常遠優於非實物量具的測量儀器，因此，在這種情況下可以不必進行穩定性考核。但《規範》要求畫出計量標準器所提供的標準量值隨時間變化的曲線，即計量標準器的穩定性曲線圖。

3.計量標準和被檢定或被校準的對象均為非實物量具的測量儀器

在此種情況下，如果存在合適的比較穩定的對應於該參數的實物量具，可以用它作為核查標準來進行計量標準的穩定性考核。如果對於該被測參數來說，不存在可以作為核查標準的實物量具，可以不作穩定性考核。

如果建標單位具有穩定性較好的非實物量具，也可以將其作為核查標準使用來進行穩定性考核。「穩定性較好」是指其穩定性至少應與被考核的計量標準的穩定性相當。

4.一次性使用的標準物質可以不進行穩定性考核

計量標準穩定性的考核方法

對於新建計量標準，每隔一段時間(大於1個月)，用該計量標準對核查標準進行一組n次的重複測量，取其算術平均值作為該組的測量結果。共觀測m組(m≥4)。取m個測量結果中的最大值和最小值之差，作為新建計量標準在該時間段內的穩定性。

對於已建計量標準，每年用被考核的計量標準對核查標準進行一組n次的重複測量，取其算術平均值作為測量結果。以相鄰兩年的測量結果之差作為該時間段內計量標準的穩定性。

計量標準的穩定性對測量結果不確定度的貢獻

計量標準的穩定性來源於計量標準器及其主要配套設備，因此，穩定性對測量結果的不確定度的影響，應該包含在計量標準器及其主要配套設備所引入的不確定度分量中。

計量標準所提供的標準量值一般是測量結果的一個不確定度來源，該分量的大小通常由計量標準的檢定或校準證書得到。如果該計量標準的量值通過檢定進行溯源，根據規定檢定證書上應該給出檢定周期。既然出具證書的檢定機構能夠確保所提供的標準量值在今後的一個周期內有效，因此，在其測量結果的不確定度評定中，必須包含該被檢定的計量標準在今後一個周期內預期可能出現的漂移所引入的不確定度分量，除非該不確定度分量小到可以忽略不計。

如果該計量標準器的量值通過校準進行溯源，則情況將有所不同。 在對校準結果進行不確定度評定時，通常不考慮被校準對象今後的可能漂移。這一可能漂移的影響將由被校準對象將來的使用者來考慮。也就是說，如果在某一測量中，其測量標準的量值是由校準證書得到的，則在該測量結果的不確定度評定中應該附加考慮一個不確定度分量，即其測量標準的量值從最近一次校準以來到本次測量為止，這一時間段內標準量值預期的可能漂移對測量結果的影響。

對於計量標準中的主要配套設備，雖然很多情況下與計量標準相比它對測量結果的影響一般較小，但也可能會有相反的情況出現。主要配套設備的穩定性主要表現在零位漂移和由其他原因引起的示值誤差的變化兩個方面。有些主要配套設備要求在每次測量之前儀器需調零，此時零位漂移對穩定性的影響已經基本消除，需要考慮的僅是調零不準所引入的不確定度分量。而其他原因引起的示值誤差的變化則仍在起作用。

穩定性的測量不確定度

穩定性的測量不確定度是一個往往被忽視的問題。穩定性是用相同的測量設備，對相同的測量對象，時間間隔相距較長的兩次測量結果之差。如果不考慮兩次測量之間的相關性，穩定性的測量不確定度應該等於測量結果的不確定度的 √2倍。雖然由於兩次測量是用相同的測量設備，並對相同的核查標準進行的，因此，兩者之間應該存在某些相關性，但由於兩次測量可能要相隔一年的時間(對於已建計量標準)，因而導致對相關性很難進行估計。因為即使是系統效應引起的不確定度分量，在經過一年時間後，也已經很難說是否存在相關性了。於是測得的計量標準的穩定性，其不確定度經常會比測量結果的不確定度大。對於新建計量標準，由於兩次測量相隔的時間較短，故通常應考慮其相關性。對於不同的計量標準，該相關性對穩定性的測量不確定度的影響將視具體情況而異，但可以認為穩定性的測量不確定度大體上至少與測量結果的不確定度相當。

另一方面，計量標準所提供的標準量值是由上級機構通過檢定或校準給出的，也就是說，只有上級機構才有條件對計量標準器的量值漂移進行較為準確的測量。但標準考核要求建標單位對計量標準的穩定性進行考核，因而只能規定用被考核的計量標準對性能比較穩定的核查標準進行測量來得到其穩定性。這也造成了所測得的穩定性具有很大的測量不確定度。

由於穩定性是兩次測量結果之差，而計量標準的穩定性一般均較好，其數值通常較小，因此，穩定性測量的相對不確定度可能很大，有時甚至會達到100%以上。也就是說，計量標準的穩定性越好，穩定性測量的相對不確定度就越大。較大的測量不確定度會對穩定性合格判定造成困難。

例如，某些檢定規程上給出了標準器的最大允許年變化量，有時候規定的允許變化量可能與測量不確定度相當，因此，僅通過相鄰兩年的測量結果之差超過最大允許年變化量就判定該標準器不合格就可能不合適，因為這不一定是標準器本身量值的漂移，很可能來源於較大的測量不確定度。在這種情況下，比較穩妥的處理辦法是暫時縮短周期，並延長穩定性的考察時間，在原因搞清楚之前不要急於下結論。

計量標準考核對穩定性的要求

在測量不確定度評定中可能找不到一個直接與計量標準的穩定性對應的不確定度分量。因此，很難對計量標準的穩定性提出明確的定量要求。但問題是計量標準的穩定性顯然會影響到測量結果，也就是說，它對測量結果的不確定度無疑也是有貢獻的，但其可能隱含在其他不確定度分量之中，因此，標準考核對計量標準穩定性的要求是一個不太容易確定的問題。

即使在測量不確定度評定中直接存在由計量標準的穩定性所引入的不確定度分量，也不能直接以此不確定度的大小來作為考核的依據。因為穩定性和穩定性引入的不確定度是兩個不同的概念，無法進行比較。而穩定性所引入的不確定度分量則比穩定性本身的測量不確定度小得多，因而也無法以此來判定穩定性是否合格。

若計量標準在使用中採用標稱值或示值(即不加修正值使用，或稱為按「級」使用)，則測得的穩定性應小於計量標準的最大允許誤差的絕對值。若計量標準在使用中採用實際值(即加修正值使用，或稱為按「等」使用)，則測得的穩定性應小於該修正值的擴展不確定度(U，k=2或U95)。應該說這一規定是比較寬鬆的。在正常使用情況下，計量標準的穩定性一般不會大於此值。如果在正常使用情況下計量標準的穩定性有可能大於此值，則表明當初規程規定的檢定周期或復校時間間隔不合理。

如果計量標準可以檢定或校準多個參數，則對每一種參數都要進行穩定性的考核。如果計量標準可以提供多個標準量值，建議選擇三四個有代表性的量值進行穩定性考核。

如果有關的檢定規程或校準規範中已經對該類計量標準的穩定性考核方法作了規定，也可以採用規程或規範中給出的方法進行測量和判定。

穩定性考核不合格的處理方法

穩定性考核的困難在於計量標準所提供的標準量值是由上級部門提供的，因此從原則上來說，只有上級部門才有可能比較準確地測量計量標準所提供的標準量值的變化量。

在計量標準考核中，要求建標單位每年進行一次計量標準的穩定性考核，主要原因是可以及時發現計量標準由於某種偶然的原因而導致其所提供的量值有較大的變化。

如果穩定性考核的結果不符合要求，必須找出原因。導致穩定性測量結果變壞的原因很多，例如計量標準器的漂移以及主要配套設備示值誤差的變化，核查標準量值的漂移，也可能僅僅是穩定性的測量不確定度太大造成的。

當通過穩定性考核發現計量標準的穩定性不符合要求時，首先應檢查整套計量標準裝置中的所有配套設備是否符合規程和規範的要求，以排除計量標準器以外的其他因素。

最重要的是應將計量標準再次送上級部門進行檢定或校準，並採用上級部門提供的最新數據。無論計量標準的量值是否發生了明顯變化，為穩妥起見，此時應該縮短計量標準的檢定或校準周期。如果計量標準的量值發生了明顯變化，還應增加穩定性考核的次數。

按等使用和按級使用時穩定性判據的差別

如果同一計量標準既可以不加修正值使用，也可以加修正值使用，前者的要求是穩定性小於其最大允許誤差的絕對值，後者的要求是穩定性小於該修正值的擴展不確定度。根據JJF1094-2001《測量儀器特性評定》的規定，後者應為前者的1/3左右，也就是說對後者的穩定性要求要遠高於前者。這實際上並不奇怪，由於不加修正值使用相當於按「級」使用，加修正值使用相當於按「等」使用。按等使用時得到的測量結果的不確定度將遠小於按級使用，因此,對計量標準的穩定性的要求也應高於後者。

綜上所述，提高計量標準的穩定性和準確性是一項非常艱難、複雜的重大工程。如今，高新技術得到了蓬勃發展。集成電路、計算機、激光、航天技術、超導技術、納米材料等等深刻地改變著我們的社會面貌。在高新技術的研發過程中，各種各樣的精密實驗無不需要計量技術及計量標準為實驗的準確性提供保證。同時新興技術往往也提出建立新的計量標準、發展新型測量技術的要求。

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