計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性

計量不僅保證著產(chǎn)品的一致性和互換性，而且對于保證產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)起著至關(guān)重要的作用。測量過程可以溯源到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)就是計量標(biāo)準(zhǔn)，計量標(biāo)準(zhǔn)最重要的指標(biāo)是其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性

計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性是計量標(biāo)準(zhǔn)的主要計量特性之一，它是指計量標(biāo)準(zhǔn)保持其計量特性隨時間恒定的能力，也就是說，計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性是表示計量標(biāo)準(zhǔn)所提供的標(biāo)準(zhǔn)量值的長期漂移的度量。

在JJF1033-2008《計量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)中規(guī)定，計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性用經(jīng)過規(guī)定的時間間隔后計量標(biāo)準(zhǔn)提供的量值所發(fā)生的變化來表示，因此，計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性與所考慮的時間段的長短有關(guān)。

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

用于穩(wěn)定性考核的核查標(biāo)準(zhǔn)的選擇

JJF1001-1998《通用計量術(shù)語及定義》給出的測量儀器的定義是“單獨地或連同輔助設(shè)備一起用以進(jìn)行測量的器具”，而實物量具的定義是“使用時以固定形態(tài)復(fù)現(xiàn)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(jìn)行測量的器具都屬于測量儀器，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(biāo)準(zhǔn)量值，同時在使用過程中其形態(tài)不能發(fā)生變化。

在計量標(biāo)準(zhǔn)考核中是否存在量值穩(wěn)定的核查標(biāo)準(zhǔn)，取決于計量標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)器、主要配套設(shè)備，以及被測對象是不是量值比較穩(wěn)定的實物量具。

由于計量標(biāo)準(zhǔn)種類繁多，因此，無法對核查標(biāo)準(zhǔn)的選擇作統(tǒng)一的規(guī)定。在計量標(biāo)準(zhǔn)考核中，核查標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)的對象是實物量具

由于實物量具所提供的標(biāo)準(zhǔn)量值一般具有較好的穩(wěn)定性，在這種情況下可以選擇性能比較穩(wěn)定的實物量具作為核查標(biāo)準(zhǔn)。也就是說，在這種情況下應(yīng)該進(jìn)行穩(wěn)定性考核。

2.計量標(biāo)準(zhǔn)僅由實物量具組成，而被檢定或被校準(zhǔn)的對象為非實物量具的測量儀器

由于實物量具通?？梢灾苯佑脕頇z定或校準(zhǔn)非實物量具的測量儀器，并且實物量具的穩(wěn)定性通常遠(yuǎn)優(yōu)于非實物量具的測量儀器，因此，在這種情況下可以不必進(jìn)行穩(wěn)定性考核。但《規(guī)范》要求畫出計量標(biāo)準(zhǔn)器所提供的標(biāo)準(zhǔn)量值隨時間變化的曲線，即計量標(biāo)準(zhǔn)器的穩(wěn)定性曲線圖。

3.計量標(biāo)準(zhǔn)和被檢定或被校準(zhǔn)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(wěn)定的對應(yīng)于該參數(shù)的實物量具，可以用它作為核查標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性考核。如果對于該被測參數(shù)來說，不存在可以作為核查標(biāo)準(zhǔn)的實物量具，可以不作穩(wěn)定性考核。

如果建標(biāo)單位具有穩(wěn)定性較好的非實物量具，也可以將其作為核查標(biāo)準(zhǔn)使用來進(jìn)行穩(wěn)定性考核。“穩(wěn)定性較好”是指其穩(wěn)定性至少應(yīng)與被考核的計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性相當(dāng)。

4.一次性使用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)可以不進(jìn)行穩(wěn)定性考核

計量標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定性的考核方法

對于新建計量標(biāo)準(zhǔn)，每隔一段時間(大于1個月)，用該計量標(biāo)準(zhǔn)對核查標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一組n次的重復(fù)測量，取其算術(shù)平均值作為該組的測量結(jié)果。共觀測m組(m≥4)。取m個測量結(jié)果中的最大值和最小值之差，作為新建計量標(biāo)準(zhǔn)在該時間段內(nèi)的穩(wěn)定性。

對于已建計量標(biāo)準(zhǔn)，每年用被考核的計量標(biāo)準(zhǔn)對核查標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一組n次的重復(fù)測量，取其算術(shù)平均值作為測量結(jié)果。以相鄰兩年的測量結(jié)果之差作為該時間段內(nèi)計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性。

計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性對測量結(jié)果不確定度的貢獻(xiàn)

計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性來源于計量標(biāo)準(zhǔn)器及其主要配套設(shè)備，因此，穩(wěn)定性對測量結(jié)果的不確定度的影響，應(yīng)該包含在計量標(biāo)準(zhǔn)器及其主要配套設(shè)備所引入的不確定度分量中。

計量標(biāo)準(zhǔn)所提供的標(biāo)準(zhǔn)量值一般是測量結(jié)果的一個不確定度來源，該分量的大小通常由計量標(biāo)準(zhǔn)的檢定或校準(zhǔn)證書得到。如果該計量標(biāo)準(zhǔn)的量值通過檢定進(jìn)行溯源，根據(jù)規(guī)定檢定證書上應(yīng)該給出檢定周期。既然出具證書的檢定機(jī)構(gòu)能夠確保所提供的標(biāo)準(zhǔn)量值在今后的一個周期內(nèi)有效，因此，在其測量結(jié)果的不確定度評定中，必須包含該被檢定的計量標(biāo)準(zhǔn)在今后一個周期內(nèi)預(yù)期可能出現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)器的量值通過校準(zhǔn)進(jìn)行溯源，則情況將有所不同。在對校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行不確定度評定時，通常不考慮被校準(zhǔn)對象今后的可能漂移。這一可能漂移的影響將由被校準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的量值是由校準(zhǔn)證書得到的，則在該測量結(jié)果的不確定度評定中應(yīng)該附加考慮一個不確定度分量，即其測量標(biāo)準(zhǔn)的量值從最近一次校準(zhǔn)以來到本次測量為止，這一時間段內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)量值預(yù)期的可能漂移對測量結(jié)果的影響。

對于計量標(biāo)準(zhǔn)中的主要配套設(shè)備，雖然很多情況下與計量標(biāo)準(zhǔn)相比它對測量結(jié)果的影響一般較小，但也可能會有相反的情況出現(xiàn)。主要配套設(shè)備的穩(wěn)定性主要表現(xiàn)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(shè)備要求在每次測量之前儀器需調(diào)零，此時零位漂移對穩(wěn)定性的影響已經(jīng)基本消除，需要考慮的僅是調(diào)零不準(zhǔn)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(wěn)定性的測量不確定度

穩(wěn)定性的測量不確定度是一個往往被忽視的問題。穩(wěn)定性是用相同的測量設(shè)備，對相同的測量對象，時間間隔相距較長的兩次測量結(jié)果之差。如果不考慮兩次測量之間的相關(guān)性，穩(wěn)定性的測量不確定度應(yīng)該等于測量結(jié)果的不確定度的 √2倍。雖然由于兩次測量是用相同的測量設(shè)備，并對相同的核查標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，因此，兩者之間應(yīng)該存在某些相關(guān)性，但由于兩次測量可能要相隔一年的時間(對于已建計量標(biāo)準(zhǔn))，因而導(dǎo)致對相關(guān)性很難進(jìn)行估計。因為即使是系統(tǒng)效應(yīng)引起的不確定度分量，在經(jīng)過一年時間后，也已經(jīng)很難說是否存在相關(guān)性了。于是測得的計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性，其不確定度經(jīng)常會比測量結(jié)果的不確定度大。對于新建計量標(biāo)準(zhǔn)，由于兩次測量相隔的時間較短，故通常應(yīng)考慮其相關(guān)性。對于不同的計量標(biāo)準(zhǔn)，該相關(guān)性對穩(wěn)定性的測量不確定度的影響將視具體情況而異，但可以認(rèn)為穩(wěn)定性的測量不確定度大體上至少與測量結(jié)果的不確定度相當(dāng)。

另一方面，計量標(biāo)準(zhǔn)所提供的標(biāo)準(zhǔn)量值是由上級機(jī)構(gòu)通過檢定或校準(zhǔn)給出的，也就是說，只有上級機(jī)構(gòu)才有條件對計量標(biāo)準(zhǔn)器的量值漂移進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測量。但標(biāo)準(zhǔn)考核要求建標(biāo)單位對計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性進(jìn)行考核，因而只能規(guī)定用被考核的計量標(biāo)準(zhǔn)對性能比較穩(wěn)定的核查標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量來得到其穩(wěn)定性。這也造成了所測得的穩(wěn)定性具有很大的測量不確定度。

由于穩(wěn)定性是兩次測量結(jié)果之差，而計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性一般均較好，其數(shù)值通常較小，因此，穩(wěn)定性測量的相對不確定度可能很大，有時甚至?xí)_(dá)到100%以上。也就是說，計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性越好，穩(wěn)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(wěn)定性合格判定造成困難。

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

計量標(biāo)準(zhǔn)考核對穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性對應(yīng)的不確定度分量。因此，很難對計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性提出明確的定量要求。但問題是計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性顯然會影響到測量結(jié)果，也就是說，它對測量結(jié)果的不確定度無疑也是有貢獻(xiàn)的，但其可能隱含在其他不確定度分量之中，因此，標(biāo)準(zhǔn)考核對計量標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)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(jù)。因為穩(wěn)定性和穩(wěn)定性引入的不確定度是兩個不同的概念，無法進(jìn)行比較。而穩(wěn)定性所引入的不確定度分量則比穩(wěn)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(wěn)定性是否合格。

若計量標(biāo)準(zhǔn)在使用中采用標(biāo)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(wěn)定性應(yīng)小于計量標(biāo)準(zhǔn)的最大允許誤差的絕對值。若計量標(biāo)準(zhǔn)在使用中采用實際值(即加修正值使用，或稱為按“等”使用)，則測得的穩(wěn)定性應(yīng)小于該修正值的擴(kuò)展不確定度(U，k=2或U95)。應(yīng)該說這一規(guī)定是比較寬松的。在正常使用情況下，計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性一般不會大于此值。如果在正常使用情況下計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性有可能大于此值，則表明當(dāng)初規(guī)程規(guī)定的檢定周期或復(fù)校時間間隔不合理。

如果計量標(biāo)準(zhǔn)可以檢定或校準(zhǔn)多個參數(shù)，則對每一種參數(shù)都要進(jìn)行穩(wěn)定性的考核。如果計量標(biāo)準(zhǔn)可以提供多個標(biāo)準(zhǔn)量值，建議選擇三四個有代表性的量值進(jìn)行穩(wěn)定性考核。

如果有關(guān)的檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范中已經(jīng)對該類計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性考核方法作了規(guī)定，也可以采用規(guī)程或規(guī)范中給出的方法進(jìn)行測量和判定。

穩(wěn)定性考核不合格的處理方法

穩(wěn)定性考核的困難在于計量標(biāo)準(zhǔn)所提供的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確地測量計量標(biāo)準(zhǔn)所提供的標(biāo)準(zhǔn)量值的變化量。

在計量標(biāo)準(zhǔn)考核中，要求建標(biāo)單位每年進(jìn)行一次計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性考核，主要原因是可以及時發(fā)現(xiàn)計量標(biāo)準(zhǔn)由于某種偶然的原因而導(dǎo)致其所提供的量值有較大的變化。

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

當(dāng)通過穩(wěn)定性考核發(fā)現(xiàn)計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性不符合要求時，首先應(yīng)檢查整套計量標(biāo)準(zhǔn)裝置中的所有配套設(shè)備是否符合規(guī)程和規(guī)范的要求，以排除計量標(biāo)準(zhǔn)器以外的其他因素。

最重要的是應(yīng)將計量標(biāo)準(zhǔn)再次送上級部門進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)，并采用上級部門提供的最新數(shù)據(jù)。無論計量標(biāo)準(zhǔn)的量值是否發(fā)生了明顯變化，為穩(wěn)妥起見，此時應(yīng)該縮短計量標(biāo)準(zhǔn)的檢定或校準(zhǔn)周期。如果計量標(biāo)準(zhǔn)的量值發(fā)生了明顯變化，還應(yīng)增加穩(wěn)定性考核的次數(shù)。

按等使用和按級使用時穩(wěn)定性判據(jù)的差別

如果同一計量標(biāo)準(zhǔn)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(wěn)定性小于其最大允許誤差的絕對值，后者的要求是穩(wěn)定性小于該修正值的擴(kuò)展不確定度。根據(jù)JJF1094-2001《測量儀器特性評定》的規(guī)定，后者應(yīng)為前者的1/3左右，也就是說對后者的穩(wěn)定性要求要遠(yuǎn)高于前者。這實際上并不奇怪，由于不加修正值使用相當(dāng)于按“級”使用，加修正值使用相當(dāng)于按“等”使用。按等使用時得到的測量結(jié)果的不確定度將遠(yuǎn)小于按級使用，因此,對計量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性的要求也應(yīng)高于后者。

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

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