能力評定中相關(guān)性處理與結(jié)果可信性及建標經(jīng)濟性研究

陳桂生，趙 晶，付志勇，朱育紅，廖 艷，韓志鑫

（中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

能力評定中相關(guān)性處理與結(jié)果可信性及建標經(jīng)濟性研究

陳桂生，趙 晶，付志勇，朱育紅，廖 艷，韓志鑫

（中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

以溫度計量現(xiàn)行規(guī)程、規(guī)范中不確定度的評定為例，分析討論能力評定中的相關(guān)性問題。通過兩個不確定度評定實例，說明正確處理分量相關(guān)性的重要性。分析結(jié)果表明：正確運用相關(guān)性理論，選好檢定校準方法，處理好不確定度分量的相關(guān)性，可使重要關(guān)鍵影響量的合成不確定度大幅減小，典型一例主要影響量的合成不確定度減小到?jīng)]處理好時的三分之一。

不確定度；相關(guān)性；溫度計量；規(guī)程規(guī)范；可信性；經(jīng)濟性

0 引 言

測量是工業(yè)和科技的基礎(chǔ)，測量結(jié)果的質(zhì)量與可信度，是人們非常關(guān)心的問題。測量的準確性和可信性可能直接影響國家和企業(yè)的經(jīng)濟利益，甚至影響我國走向制造業(yè)強國的進程。計量器具的檢定校準又是工業(yè)測量的基礎(chǔ)，檢定校準結(jié)果的準確性和可信性如何不僅取決于檢定校準過程中的質(zhì)量控制，還取決于檢定校準規(guī)范規(guī)定方法的科學性、合理性和系統(tǒng)能力評定的可靠程度。方法的論證和確定基本上都依據(jù)檢定校準結(jié)果不確定度大小是否符合相關(guān)規(guī)定的比值要求，因此，不確定度評定的方法和質(zhì)量非常重要。這關(guān)系到評定結(jié)果是否符合標準裝置檢定校準能力，從而影響規(guī)程規(guī)范的科學性和質(zhì)量，進一步影響到量值傳遞的準確性和可信性。根據(jù)多年來的工作實踐和對現(xiàn)狀的觀察發(fā)現(xiàn)及思索，認為有必要對規(guī)程規(guī)范不確定度評定中存在的突出問題進行討論。

1 問題的發(fā)現(xiàn)

自JJF 1059——1999《測量不確定度評定與表示》頒布十多年來，經(jīng)歷了學習和應用測量不確定度的過程。在計量標準的建立、計量技術(shù)法規(guī)的制修訂、證書/報告的出具以及實驗室間的能力驗證比對等方面都離不開測量不確定度，都需要依據(jù)不確定度評定結(jié)果對方法的正確性和科學性、能力和經(jīng)濟的合理性、數(shù)據(jù)結(jié)果的可信性作出有力證明。測量不確定度的應用在某種程度上確保了檢定校準結(jié)果的準確性和可信性，提高了計量工作的質(zhì)量。

測量不確定度的規(guī)范[1-2]和資深專家學者編著的輔導教材[3-4]對學習和應用測量不確定度提供了很大幫助，在測量不確定度的應用和實踐中受益匪淺。溫度計量檢定結(jié)果測量不確定度評定的專業(yè)論著[5]對溫度計量不確定度評定中各影響分量的論述讓本文深受啟發(fā)。

我國測量不確定度經(jīng)歷了十多年的推廣應用和普及，人們在應用實踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗和發(fā)現(xiàn)存在的問題，使其評定方法不斷完善和發(fā)展。雖然許多專家學者也已就測量不確定度撰寫了許多有實用價值的文章和專著，但是，在專業(yè)領(lǐng)域應用和交流中還是存在一些比較關(guān)鍵的概念和評定方法問題沒有引起足夠重視，個別產(chǎn)生較大偏差的方法有的還在起著示范作用（國家檢定規(guī)程、校準規(guī)范的不確定度評定的范例中），這會對量值傳遞產(chǎn)生不可估量的影響或增大建標經(jīng)費投入。

從不確定度宣貫教材中[3-4]學到了很多東西，在計量檢定校準工作的不確定度應用和規(guī)程規(guī)范能力評定中深受教益?？赡苡捎诖嬖趯I(yè)實踐的局限性，教材[4]中分析了一個不確定度分量間正強相關(guān)的合成不確定度大于作不相關(guān)（獨立）處理時的合成不確定度的例子，就斷言“如果將明顯相關(guān)的分量作不相關(guān)處理，將使評定的合成標準不確定度偏小”[4]。從應用研究結(jié)果來看這只說對了一半，實際上可能偏小也可能偏大。

在溫度測量不確定度的論著中也有“檢定熱電偶時，是在短時間內(nèi)用同一臺電測設(shè)備測量標準偶與被檢偶。顯然電測設(shè)備引入的不確定度源是相關(guān)的，但標準器的電勢值與被檢電勢值非常接近，他們是負弱相關(guān)，可當作兩個獨立不相關(guān)項來處理。這個處理的依據(jù)是寧愿使合成的不確定度比實際偏大，而不能人為地縮小?！盵5]，這段話前半部分分析是對的，但第二句的后半部分就不大對了。這種認識或許對熱電偶檢定結(jié)果的影響不是特別大，因為標準熱電偶的不確定度分量大，若標準器的不確定度分量較小時采用這種處理方法將造成很大偏差。

如果對輸入量間相關(guān)性處理方法的認識錯誤用在規(guī)程規(guī)范的方法與能力評定中，那么依據(jù)規(guī)程規(guī)范檢定校準結(jié)果的可信性將大打折扣。有的規(guī)程規(guī)范的檢定校準方法評定中為了盡量減小結(jié)果的不確定度，想辦法使標準器的量值自相關(guān)，把兩個不確定度分量的某一部分減小到小于百萬分之一度，但是其他百分之幾度產(chǎn)生重大影響的分量卻沒有用正確的方法減小或消弱，其評定結(jié)果的質(zhì)量和可信性就可想而知了。下面以具體數(shù)據(jù)和實例分析說明不同處理方法產(chǎn)生結(jié)果的巨大差別。

2 相關(guān)性處理對熱電傳感器檢定校準結(jié)果的影響

以一等標準熱電偶檢定二等標準熱電偶為例，一、二等標準熱電偶的不確定度與規(guī)范[6]中的取法一致，即標準偶的擴展不確定度（k=2）分別為：一等U= 0.46℃，二等U=0.77℃；換算成銅點（1 084.62℃）的熱電勢分別是：U=5μV，U=8.5μV。

規(guī)范[6]在論證規(guī)定各參數(shù)合理性的測量結(jié)果不確定度評定時，在評定方法中盡管對關(guān)鍵影響量（電測儀器測量標準和被檢）采用了相關(guān)性處理，不確定度評定結(jié)果還是達到U95=0.68℃，它與被檢校樣品的不確定度的比值仍為：0.68/0.77=0.88。這個結(jié)果的不確定度幾乎與被檢校樣品的不確定度相當，已不符合檢定或者校準的定義和要求，但是這并不是規(guī)范分析評定結(jié)果的小值，如果把規(guī)范規(guī)定的實際參數(shù)代入其采用的評定方法中產(chǎn)生的結(jié)果要比這大得多。

一個重要參數(shù)是規(guī)范規(guī)定的電測儀器是0.02級，而能力評定時用的是37×10-6水平的技術(shù)指標進行論證，評定用儀器的允差是規(guī)范推薦允差的幾分之一，其結(jié)果迥然不同。把規(guī)范中表A-1中幾個較大的不確定度分量（為了說明主要問題略去比較小的分量）列于表1，同樣把規(guī)范推薦的電測儀器準確度等級的允差影響按規(guī)范的計算方法取值也列于表1。把規(guī)范推薦的電測儀器等級的影響分量代入規(guī)范的評定方法中，計算得到結(jié)果的不確定度（k=2）為：U=11.92μV，其與被檢校樣品的不確定度（k=2）的比值為：11.92/8.5=1.4。

從前面的數(shù)據(jù)可以看出，按規(guī)范規(guī)定的技術(shù)條件與評定分析方法得到的標準裝置的測量結(jié)果不確定度比被檢校樣品的不確定度大得多，他們的比值不是遠小于1的期望比值，而是比值倒掛，這已失去了檢定（或校準）的意義。

是什么原因?qū)е虏淮_定度超大的結(jié)果？從其評定方法中可以發(fā)現(xiàn)問題癥結(jié)，主要原因是評定中輸入量間相關(guān)性處理的認識和方法不佳，雖然評定中對相關(guān)分量作了處理，但是方法不對產(chǎn)生了較大偏差。從文獻[8]工作用貴金屬熱電偶檢定結(jié)果不確定度評定中可以看出：同一電測儀器、同一時間、同一環(huán)境人員條件、被測的兩個量大小相等，方向相同，靈敏度相同。這種情況下，依據(jù)其測量模型可以得到兩個輸入分量在結(jié)果不確定度中的貢獻是負強相關(guān)，即表1中u2.1、u3.1兩項的影響應是互相抵消（u3.1的大小正確的評定分析結(jié)果應是與u2.1相同，u2.1的靈敏度系數(shù)是1，u3.1的靈敏度系數(shù)是-1，u2.1與u3.1的相關(guān)系數(shù)為1），對結(jié)果不確定度的影響可以忽略不計。

表1 不確定度分量列表

表1中兩個相關(guān)量不予考慮，求余下的幾個不確定度分量的合成不確定度，其擴展不確定度（k=2）為：U=7 μV；與被檢校樣品的不確定度比值是：7/8.5= 0.82?？梢钥闯稣_處理好相關(guān)量后，不確定度的比值由1.4降到0.82，差別非常大。

在處理好相關(guān)后檢定結(jié)果與被檢樣品的不確定度比值降到0.82，這個值還是偏大，說明規(guī)范的某些參數(shù)規(guī)定不合理。

3 相關(guān)性處理對工業(yè)熱阻傳感器檢定校準結(jié)果的影響

在工業(yè)鉑熱電阻的檢定及檢定結(jié)果的不確定度評定中，為提高標準裝置的能力，溫度測量的專著[5]中和有關(guān)的校準規(guī)范[6]、檢定規(guī)程[7]中都是盡力使標準器的量值（自校與自測）自相關(guān)，這似乎已成行規(guī)。在工業(yè)鉑熱電阻檢定校準中，由電測儀器、標準鉑電阻溫度計和被檢樣品所得到的標準值、標準測量值、被檢測量值，他們是工業(yè)鉑熱電阻檢定校準中的3個關(guān)鍵量，把前兩項作相關(guān)性處理是不合理的。推薦采用這種方法希望既可降低標準裝置配備電測儀器的準確度要求又能減小標準裝置的檢定結(jié)果不確定度。然而，實際情況可能事與愿違，徒增標準裝置成本。

為簡要說明問題，僅以冰點（0℃）為例分析。把前面所述的3個關(guān)鍵不確定度分量列出討論，略去其它影響檢定結(jié)果不確定度的分量，根據(jù)文獻[3-4]，這不影響不確定度評定結(jié)果的實質(zhì)。討論方法是用不同Rtp名義值的標準鉑電阻檢定Pt100工業(yè)鉑熱電阻，以文獻[5-7]的檢定方法，即采用自測標準鉑電阻溫度計在水三相點（0.01℃）的Rtp值，不確定度評定時使標準器在冰點的測量值與在自測水三相點的Rtp值相關(guān)的評定方法；同檢定時標準器用上級量傳值進行傳遞，不確定度評定時使被檢的測量值與標準器在冰點的測量值相關(guān)的評定方法相比較，比較兩種檢定及評定方法的合成不確定度差別。

3.1 用25Ω（Rtp）標準鉑電阻作標準時

選用0.02級（取示值誤差為：±（0.02%讀數(shù)+ 2.0mΩ）的電測儀器用于檢定校準時的數(shù)據(jù)測量，把文獻[9]依據(jù)檢定規(guī)程[7]規(guī)定的方法和條件分析得到的不確定度分量及相關(guān)系數(shù)列于表2、表3中。表2按自測標準鉑電阻溫度計水三相點Rtp值的檢定方法[8]，用標準器兩個測量值（自校與自測）相關(guān)的方法排列；表3按標準器用上級量傳值進行傳遞的檢定方法[9]，用標準器和被檢在冰點的測量值相關(guān)的方法排列。以兩個表所列分量計算得到的合成標準不確定度可以看出：電測儀器的準確度等級較低時，僅就所討論的三項不確定度分量的合成不確定度比較，采用自測標準鉑電阻溫度計Rtp值使標準器的兩個測量值相關(guān)，所得結(jié)果的不確定度明顯比標準鉑電阻溫度計用上級證書Rtp值使標準測量值與被檢相關(guān)的方法更大。

3.2 用100Ω（Rtp）標準鉑電阻作標準時

選用0.01級的電測儀器用于檢定校準時的數(shù)據(jù)測量，依據(jù)檢定規(guī)程[7]規(guī)定的方法和條件，采用與文獻[5]、文獻[6]所用儀器的相同測量水平（準確度等級及非線性），即儀器的示值誤差為：±（0.01%讀數(shù)+4.0）mΩ。把文獻[10]第3條中符合該條件的Ed項不確定度分量及相關(guān)系數(shù)列于表4、表5中。表4按自測標準鉑電阻溫度計水三相點Rtp值的檢定方法排列；表5按標準器用上級量傳值進行傳遞的檢定方法排列。以兩個表所列分量計算得到的合成標準不確定度可以看出：用100 Ω（Rtp）標準鉑電阻作標準時，同樣僅就所討論的3項不確定度分量的合成不確定度比較，采用自測標準鉑電阻溫度計Rtp值使標準器的兩個測量值相關(guān)的方法，所得結(jié)果的不確定度比標準鉑電阻溫度計用上級證書Rtp值使標準與被檢在冰點的測量相關(guān)的方法大了許多，前者的合成不確定度是后者的3倍多。

表2 0℃點標準兩測量值自相關(guān)（Rtp：25Ω）

表3 0℃點標準測量值與被檢值相關(guān)（Rtp：25Ω）

表4 0℃點標準兩測量值自相關(guān)（Rtp：100Ω）

表5 0℃點標準測量值與被檢值相關(guān)（Rtp：100Ω）

4 結(jié)果討論

從第1個例子中可以看出，熱電偶檢定結(jié)果不確定度的評定中，相關(guān)的兩個分量找對，但處理方法不正確，雖然評定時大幅提高電測儀器的等級，不確定度評定結(jié)果還是較大。這樣既影響標準裝置儀器配置及系統(tǒng)考核指標的合理性，又沒有真實反映標準裝置的最佳能力。從評定方法可知：電測儀器的準確度等級變化對結(jié)果的影響不大，影響結(jié)果的是電測儀器分辨力和短期穩(wěn)定性。

從第2個例子第1個討論（3.1）結(jié)果可以看出，在工業(yè)鉑熱電阻的檢定中，為了保證檢定結(jié)果的準確性并降低電測儀器的技術(shù)指標要求，采用自測標準的水三相點值法使標準的兩個測量值（三相點與冰點）相關(guān)，3個關(guān)鍵影響分量的合成不確定度比標準器用上級證書值使標準與被檢相關(guān)的處理方法更大，徒增設(shè)備成本。

從第2個例子第2個討論（3.2）結(jié)果可以看出，采用正確科學的檢定方法，在相關(guān)性理論的指導下，選用量值及靈敏度大小與被檢相近的標準器，正確處理不確定度影響量間的相關(guān)問題，使3個關(guān)鍵影響量的合成不確定度極大地減小，僅為另一種方法（自測標準的水三相點值法）的1/3。這將大幅提高該種工業(yè)溫度傳感器檢定結(jié)果的可信性，而且標準裝置的建標成本將大為降低（省掉水三相點瓶及保存裝置）。

看到前面實例分析結(jié)果的較大差別，不得不指出一個重要事實，文獻[5-7]中采用自測標準器Rtp值使標準器的兩個測量值相關(guān)的方法是一個認識錯覺。首先低等級標準裝置的主標準器不用上級傳遞值，而是用自行賦值的方法，這種方法必定要付出多的經(jīng)濟投入；另一個概念是想通過相關(guān)性處理把標準器本身的不確定度處理掉更是不科學的，雖加大裝置投入，結(jié)果并不如人愿，究其原因是為消除一個小的不確定度影響量，卻保留了比其大得多的不確定度影響量。不投入更多設(shè)備及費用，低一級標準裝置的自校水平要達到或超過上一級的傳遞水平將很難實現(xiàn)。

5 結(jié)束語

在標準裝置的能力評定中，將明顯相關(guān)的關(guān)鍵影響分量作相關(guān)性處理，評定的合成不確定度比作相互獨立處理的合成不確定度可能增大也可能減小，具體增大減小要看測量模型。沒經(jīng)過嚴謹?shù)目茖W分析就將明顯相關(guān)的分量作相互獨立處理以求所謂的保守可靠，以及錯配關(guān)鍵相關(guān)量都是不可取的，將會帶來極大的偏離風險，這也關(guān)乎到眾多標準裝置的建標成本、量值傳遞能力的科學合理性和檢定校準結(jié)果的可信性。這就是正確處理不確定度評定中分量相關(guān)性的意義，在國家計量規(guī)程規(guī)范對其方法與裝置參數(shù)進行能力驗證評定中尤其重要。

[1]JJF 1059—1999測量不確定度評定與表示[S].北京：中國計量出版社，1999.

[2]JJF 1059.1—2012測量不確定度評定與表示[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2012.

[3]葉德培.測量不確定度理解 評定與應用[M].北京：中國計量出版社，2007：56-71.

[4]葉德培.測量不確定度理解 評定與應用[M].北京：中國質(zhì)檢出版社，2013：134.

[5]沈正宇.溫度測量不確定度評定[M].北京：中國計量出版社，2006：96-120.

[6]JJF 1098—2003熱電偶、熱電阻自動測量系統(tǒng)校準規(guī)范[S].北京：中國計量出版社，2003.

[7]JJG 229—2010工業(yè)鉑、銅熱電阻[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2010.

[8]JJG 141—2013工作用貴金屬熱電偶[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2013.

[9]陳桂生，付志勇，朱育紅，等.工業(yè)鉑熱電阻不同檢定方法檢定結(jié)果的可信度研究[J].中國測試，2014，40（6）：17-21.

[10]陳桂生，付志勇，趙晶，等.低成本提高工業(yè)鉑熱電阻檢定結(jié)果可信度的方法研究[J].中國測試，2015，41（1）：24-28.

Studies on correlation process，results credibility and standard-building economy in calibration ability evaluation

CHEN Guisheng，ZHAO Jing，F(xiàn)U Zhiyong，ZHU Yuhong，LIAO Yan，HAN Zhixin
（National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

This paper has analyzed and discussed the correlation process in calibration ability evaluation based on the uncertainty assessment within the temperature measurement of current standards and specifications.Two examples of uncertainty assessment methods were taken to illustrate the importance of correctly dealing with component correlation.The analysis results show that the synthetic uncertainty of key influence factors can be greatly reduced by correctly using relevant correlation theories，selecting appropriate verification calibration methods and properly dealing with the relevance of uncertainty components.A typical case is that the composite uncertainty of key weighting factors is reduced to one third of the unhandled one.

uncertainty；correlation；temperature measurement；standard and specification；credibility；economy

A

：1674-5124（2015）05-0009-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.003

2015-02-10；

：2015-03-25

陳桂生（1953-），男，山東東明縣人，研究員，主要從事溫度計量技術(shù)研究。