在计量标准技术报告、校准和测量能力(CMC)、计量标准周期性溯源时,稳定性(长期稳定性和短期稳定性)是一个极其重要的参量,同时也是在不确定度评定过程中极易被忽视的一个分量。
查阅诸如JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》、计量技术规范及其附录中的不确定度评定示例、与不确定度评定的有关论文等大量文献资料,并且在1033、CNAS现场评审的经历总结后发现,鲜有人对稳定性所引入的不确定度分量予以考虑。相反地,在一些国际重要测量或量值比对中,稳定性引入的不确定度是必须考虑的分量之一,这种差异显然与不确定度评定原则“不重复不遗漏”相违背。
图1 2018年APMP在绝对压力量值比对的稳定性图
测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力。亦可说测量仪器的计量特性随时间不变化的能力,亦或是抵抗时间变化的能力。
测量仪器产生不稳定的因素有很多,主要原因是其元器件的老化、零部件的磨损以及使用频次、贮存条件、维护工作不仔细等引起的。
稳定性可以进行定量的表征,主要是确定计量特性随时间变化的关系。通常可以用这两种方法:用计量特性的某个量发生规定的变化所需经过的时间;或用计量特性经过规定的时间所发生的变化量来进行定量表示,即:
y2—规定时间段结束时(或本次周检)的实际值或变化量;
y1—规定时间段开始时(或上次周检)的实际值或变化量。
实际上,如果使用这些计量标准进行量值传递时,稳定性引起的量值变化大多数只知其变化范围,而不知其具体变化量,故不能将其当作不确定度分量予以评定,因此极易被忽视。类似的案例很多,这里我们以砝码、量块为例展开讨论,且此二者在相应的计量检定规程中对稳定性亦有明确要求。
JJG 99-2022砝码检定规程5.3.6对稳定性有如下要求:在规定的准确度范围内,任何一个质量标称值为m0的单个砝码,其相邻两个检定周期的检定结果不得超过该砝码最大允许误差的1/3。
如图2所示,在2023年溯源完成后,如果以相邻两个检定周期的检定结果之差作为该砝码的年稳定性,使用F1等级200g的砝码开展检定或校准工作时,稳定性引入的不确定度分量为
如果按照稳定性的极限值(允差)来评定稳定性引入的不确定度分量,使用F1等级200g(MPE:±1.0mg)的砝码开展检定或校准工作时,稳定性引入的最大的不确定度分量不超过
u(mδ)=1/3×1.0mg/√3=0.19mg
JJG 146-2011量块检定规程7.3.11对稳定性有如下要求:在不超过4个检定周期,稳定性lA应符合表13的规定。
图4 量块稳定性最大允许值
如图5所示,在2023年溯源完成后,如果以相邻两个检定周期的检定结果之差作为该砝码的年稳定性,使用3等100mm的量块开展检定或校准工作时,稳定性引入的不确定度分量为
如果按照稳定性的极限值(允差)来评定稳定性引入的不确定度分量,使用3等100mm(MPE:±0.2μm)的量块开展检定或校准工作时,稳定性引入的最大的不确定度分量不超过
u(lδ)=1/3×0.2μm /√3=0.04μm
以上砝码和量块的案例可见,计量标准的稳定性越差(最差不超过其允差ΔS),其引入的不确定度分量越大([0,ΔS/√3]区间之间)。按照经验统计,在某些实际评定场景中,稳定性引入的不确定度分量u与合成标准不确定度uc之比最大超过2/3(u/uc≥2/3)之多。如果在不确定度的评定过程中忽视这一分量,将对整个不确定度评定的严正性及量值传递的可靠性产生重要影响。
因此,在这里呼吁从事计量工作及修订计量技术规范的人员,稳定性引入的不确定度分量不应被忽视,它可以很小甚至为零,但是不能遗漏这一分量。
3 稳定性识别方法及建议
根据以上讨论分析,可采用以下方法对由稳定性引入的不确定度予以评定。
在无法给出特定时间段(溯源周期)内量值变化的计量标准,虽然可知其分布区间,但不知其特定时间段的变化量,可以使用其该时间段内的稳定性允差(最大允许误差ΔS)作为分量,即:
ΔS—稳定性允差限。
如果稳定性引入的量值变化可以被识别(ys=y2-y1),则可将其作为稳定性引入的不确定度予以评定,即:
(1)销售前的计量标准器,生产厂进行过长期的稳定性考察,给出了该标准随时间变化量值亦随之变化的有关信息(如量值、校准曲线等):
(2)国内外标准、计量技术规范、说明书或是其他技术资料提供的信息;
(3)根据历年多次溯源证书的数据(如控制曲线图)进行分析;
(5)实验室多次检定或校准后的量值(短期稳定性)变化估计;
(7)由经验估计出稳定性。
(2)已掌握了稳定性变化的特点、规律、趋势以及适当的溯源周期、溯源频次;
(3)高一级计量标准(基准)量值传递时,已考虑到稳定性的影响;