在計量標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)報告、校準(zhǔn)和測量能力(CMC)、計量標(biāo)準(zhǔn)周期性溯源時,穩(wěn)定性(長期穩(wěn)定性和短期穩(wěn)定性)是一個極其重要的參量,同時也是在不確定度評定過程中極易被忽視的一個分量。
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(guī)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(xiàn)資料,并且在1033、CNAS現(xiàn)場評審的經(jīng)歷總結(jié)后發(fā)現(xiàn),鮮有人對穩(wěn)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(wěn)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(fù)不遺漏”相違背。
圖1 2018年APMP在絕對壓力量值比對的穩(wěn)定性圖
測量儀器保持其計量特性隨時間恒定的能力。亦可說測量儀器的計量特性隨時間不變化的能力,亦或是抵抗時間變化的能力。
測量儀器產(chǎn)生不穩(wěn)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(hù)工作不仔細(xì)等引起的。
穩(wěn)定性可以進(jìn)行定量的表征,主要是確定計量特性隨時間變化的關(guān)系。通常可以用這兩種方法:用計量特性的某個量發(fā)生規(guī)定的變化所需經(jīng)過的時間;或用計量特性經(jīng)過規(guī)定的時間所發(fā)生的變化量來進(jìn)行定量表示,即:
y2—規(guī)定時間段結(jié)束時(或本次周檢)的實際值或變化量;
y1—規(guī)定時間段開始時(或上次周檢)的實際值或變化量。
實際上,如果使用這些計量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量值傳遞時,穩(wěn)定性引起的量值變化大多數(shù)只知其變化范圍,而不知其具體變化量,故不能將其當(dāng)作不確定度分量予以評定,因此極易被忽視。類似的案例很多,這里我們以砝碼、量塊為例展開討論,且此二者在相應(yīng)的計量檢定規(guī)程中對穩(wěn)定性亦有明確要求。
JJG 99-2022砝碼檢定規(guī)程5.3.6對穩(wěn)定性有如下要求:在規(guī)定的準(zhǔn)確度范圍內(nèi),任何一個質(zhì)量標(biāo)稱值為m0的單個砝碼,其相鄰兩個檢定周期的檢定結(jié)果不得超過該砝碼最大允許誤差的1/3。
如圖2所示,在2023年溯源完成后,如果以相鄰兩個檢定周期的檢定結(jié)果之差作為該砝碼的年穩(wěn)定性,使用F1等級200g的砝碼開展檢定或校準(zhǔn)工作時,穩(wěn)定性引入的不確定度分量為
如果按照穩(wěn)定性的極限值(允差)來評定穩(wěn)定性引入的不確定度分量,使用F1等級200g(MPE:±1.0mg)的砝碼開展檢定或校準(zhǔn)工作時,穩(wěn)定性引入的最大的不確定度分量不超過
u(mδ)=1/3×1.0mg/√3=0.19mg
JJG 146-2011量塊檢定規(guī)程7.3.11對穩(wěn)定性有如下要求:在不超過4個檢定周期,穩(wěn)定性lA應(yīng)符合表13的規(guī)定。
圖4 量塊穩(wěn)定性最大允許值
如圖5所示,在2023年溯源完成后,如果以相鄰兩個檢定周期的檢定結(jié)果之差作為該砝碼的年穩(wěn)定性,使用3等100mm的量塊開展檢定或校準(zhǔn)工作時,穩(wěn)定性引入的不確定度分量為
如果按照穩(wěn)定性的極限值(允差)來評定穩(wěn)定性引入的不確定度分量,使用3等100mm(MPE:±0.2μm)的量塊開展檢定或校準(zhǔn)工作時,穩(wěn)定性引入的最大的不確定度分量不超過
u(lδ)=1/3×0.2μm /√3=0.04μm
以上砝碼和量塊的案例可見,計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性越差(最差不超過其允差ΔS),其引入的不確定度分量越大([0,ΔS/√3]區(qū)間之間)。按照經(jīng)驗統(tǒng)計,在某些實際評定場景中,穩(wěn)定性引入的不確定度分量u與合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc之比最大超過2/3(u/uc≥2/3)之多。如果在不確定度的評定過程中忽視這一分量,將對整個不確定度評定的嚴(yán)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(guī)范的人員,穩(wěn)定性引入的不確定度分量不應(yīng)被忽視,它可以很小甚至為零,但是不能遺漏這一分量。
3 穩(wěn)定性識別方法及建議
根據(jù)以上討論分析,可采用以下方法對由穩(wěn)定性引入的不確定度予以評定。
在無法給出特定時間段(溯源周期)內(nèi)量值變化的計量標(biāo)準(zhǔn),雖然可知其分布區(qū)間,但不知其特定時間段的變化量,可以使用其該時間段內(nèi)的穩(wěn)定性允差(最大允許誤差ΔS)作為分量,即:
u(yδ)—穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度;
ΔS—穩(wěn)定性允差限。
如果穩(wěn)定性引入的量值變化可以被識別(ys=y2-y1),則可將其作為穩(wěn)定性引入的不確定度予以評定,即:
需要考慮穩(wěn)定性影響情況,具體有下列幾種方法:
(1)銷售前的計量標(biāo)準(zhǔn)器,生產(chǎn)廠進(jìn)行過長期的穩(wěn)定性考察,給出了該標(biāo)準(zhǔn)隨時間變化量值亦隨之變化的有關(guān)信息(如量值、校準(zhǔn)曲線等):
(2)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、計量技術(shù)規(guī)范、說明書或是其他技術(shù)資料提供的信息;
(3)根據(jù)歷年多次溯源證書的數(shù)據(jù)(如控制曲線圖)進(jìn)行分析;
(4)根據(jù)計量標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定性考核的數(shù)據(jù)趨勢;
(5)實驗室多次檢定或校準(zhǔn)后的量值(短期穩(wěn)定性)變化估計;
(6)根據(jù)計量比對數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)趨勢;
(7)由經(jīng)驗估計出穩(wěn)定性。
(1)有效期內(nèi)或一次性使用的有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì);
(2)已掌握了穩(wěn)定性變化的特點(diǎn)、規(guī)律、趨勢以及適當(dāng)?shù)乃菰粗芷凇⑺菰搭l次;
(3)高一級計量標(biāo)準(zhǔn)(基準(zhǔn))量值傳遞時,已考慮到穩(wěn)定性的影響;
(4)已專門對某一類型做過穩(wěn)定性試驗的計量標(biāo)準(zhǔn)。