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检测实验室测量不确定度应用的研讨

2014/11/13 23:14:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  摘要:本文建立在ISO9000 2000对“过程”和“能力”的共识上,以新的观点研讨检测实验室测量不确定度的应用。

  1 质保有效的过程分工

  传统的质保模式可分为工程和质检两个过程,工程按不同要求分为加工、制造、控制等,而质检又可分为检验测量和校准(含检定)两个过程,过程分工为品质提供了基础保证。随着质量管理从传统模式向现代模式的过渡和信息处理技术、测控技术光、机、电一体化及自动化的进展,检测实验室很多实验的控制和测量过程分工又被合为一体,形成了“测控”过程,就是说传统计量检测模式也向现代计量检测模式过渡。ISO9000 2000对“过程”定义为:一组将输入转化为输出的相互关联或相互作用的活动。质保体系中的工程、检验测量、校准、测控等都可视为独立的过程,其输入无非是人、机、料、法、测、环这六大因素(英文称之为5M1E);现代质量管理理论指出,5M1E并不是孤立的,而是要通过管理使之互动,以达到过程处于最佳状态,因而还应加上管理(management),成为6M1E的综合效应,输出是获得结果量值的分散性。这一分散性就是过程的不确定性或测量不确定度的一个分量。现将这几个过程的输入和输出列于表1,以便分析比对。

  2 能力评定的必然性

  ISO9001 2000《质量体系要求》中有这样的论述:“测量和监视设备使用时,应保证测量不确定度(包括准确度和精密度)已知,并与所要求的测量能力一致”。可见测量和监视设备的准确度、精密度与测量的不确定度是各不相同的概念,并且提出了测量能力的概念。ISO9000 2000对“能力”定义为:组织、体系或过程实现产品并使其满足要求的本领。质保体系中上述的过程能力都可以建立数学模型对其进行计算和定量评定,以判断其检测能力是否与所要求的测量能力一致。为方便比对,现将各过程能力定量计算的数学模型列于表1的最后一列。

  精密度是指在规定的条件下对被测量进行多次测量时,所得结果之间的符合程度。若规定的条件符合校准规程,操作者是检定员,被测量是同一标准器,在测量误差理论中则是表示随机误差的大小,在校准能力的计算中则是校准不确定度的A类分量。若规定的条件是使用现场,操作者是检验员,被测量是同一样品的同一参数,在测量能力的计算中则是测量不确定度的A类分量。

  一般地说,工程过程输出结果量值的分散性是建立在这些量值是可信任基础上的,即过程的测量能力满足要求,因此其统计量σ可直接用于工程能力的计算。而检验测量与校准过程则不然,其输出结果量值的分散性还要进一步寻根溯源,进行测量不确定度的估算,因此只能是其不确定度的一个分量,即A类分量。

  作者认为检验测量与校准对测量不确定度的估算也应有所区别,校准属量值传递,应着重测量不确定度分析,应从误差理论出发,尽可能做到不重复不遗漏地找出各标准不确定度分量。求出合成标准不确定度,不属本文研讨范围。而检验测量是直接检测或试验产品,应着重测量不确定度的应用,除A类分量外,至少还有三个B类分量。其一是仪器分度或刻度不准确的标准不确定度,或数显仪器线性化的标准不确定度,这一分量用uB1表示。其二是校准仪器时所用标准器的标准不确定度,这一分量用uB2表示。其三是仪器的分辩率所折算的标准不确定度,这一分量用uB3表示。若这些分量各自相互独立,则合成标准不确定度uc可用方和根法计算。

  测控过程输出结果量值的分散性,除了应进行测量的不确定度估算外,还要顾及其统计量的中心值与其控制设定值的偏移量。这一偏移量与测量不确定度分量是不能用方和根法计算合成标准不确定度的,应当采用能力评定公式,评定测控能力是否满足要求。这就是本文提出的能力评定的必然性。

  准确度是表示测量系统计量性能等级的特征量,是合理地给出测量系统的制造公差值T,此时T=±Δ,即是在符合校准过程条件下校准的扩展不确定度不能大于Δ。能力评定时,校准能力必须大于或等于1。这个公差与IEC或产品标准对试验参数所规定的公差,在概念上是相同的,但公差值的大小不同。

  3 A类分量为零的情况

  随着传感器技术、二次仪表的数显技术和计算机在测控设备中的应用,6M1E合为一体的过程全自动控制成为可能,使得测控的精确度越来越高,甚至将校准、检验测量和工程过程合为一体,成为工程测控过程,这就是现代计量检测的特点和发展方向。有些应用了PID自动调控的测控设备,当过程输出稳定后,其输出值与设定值完全相同,记录的曲线与设定的曲线完全重合,也就是说测定方程组有唯一的解,残差均为零,无法求得测量不确定度的A类分量,这就是A类分量为零的情况。当确认这种情况并非设备的测量系统处于死区时,则可用测量系统的分辩率求出B类分量uB3以代替A类分量。

  4 U、Δ、U、T和Mcp之间的关系

  按传统质保过程模式,它们之间的关系可用下式表达,

  众所周知,IEC试验标准或产品标准中规定公差是一个范围,其公差值T是唯一的,而仪器的准确度则是制造商必须达到的重要技术规范之一,即是在符合检定规程的条件下仪器必须达到的计量性能。仪器的技术规范中除要给出其准确度外还应给出其刻度或分度的不确定度或量值线性化的线性不确定度,给现场不确定度的估算提供依据。此外,仪器校准供应商在签发校准证书时,还应在证书中注明校准所用标准器的不确定度。事实上这些要求,仪器制造商和校准供应商已经开始这样做了,然而目前有不少场合却无法知道,有些产品标准甚至连公差都没有标出,给测量不确定度的估算和能力的评定带来困难。IECEE-CTL提出了准确度限值以替代测量不确定度的估算,不妨是一个有效的权宜方法。设准确度限值为:±Δ限,则式(1)的关系变为:

  由于现代计量检测设备在检测实验室中得到了广泛使用,全自动校准、检测或测控合为一体,检测过程6M1E中,去除了人为因素,Δ远小于Δ限,只要准确度限值等于公差值的二分之一,则测量能力最少能达到1。

  5 小结

  现代质量管理是将工程、检测、校准作为一个整体,并且在受控状态下进行管理的。产品标准中对参数检测的要求只能以公差的形式标出,由于检测的类型不同,所要求的测量能力也不同,因此不要也不可能在产品标准中规定测量的不确定度。检测实验室测量不确定度的应用,必须预先按检测类型建立的数学模型和相应的统计方法,进行现场测量不确定度的估算和测量能力的评定,以保证检测实验室的测量能力达到规定的水平。

  参考文献:

  [1] 卢济深.测量能力的应用.北京:工业计量,2001年.第十一卷.

  本文作者:卢济深(深圳开发科技股份有限公司T&I实验室,深圳 518035)

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