（控制科学与工程专业论文）基于internet的远程校准研究.pdf

摘要 捅姜 基于i n t e r n e t 的远程校准是结合近年来网络技术的飞速发展而对传统仪器校 准方式的一种拓展。网络技术在计量领域的广泛应用一方面可以解决传统校准方 式难以解决的许多问题，另一方面在扩展上级实验室的量程，减小下级实验室的 校准不确定度，缩短溯源或传递时间，降低校准成本，实现不同实验室之间甚至 是不同国家实验室之间的校准比对等均有实际的意义。 近年来各国计量单位纷纷开展了这方面的研究。其中有一些较为成熟的研 究项目已经投入到实际应用之中。相比之下，我国在这方面的投入还不够，应用 相对滞后。因此，本论文在分析研究国外一些相关研究的基础之上，结合国内技 术水平和应用实际，对远程校准技术上的几种实现方式作了一个初步的探讨。同 时，文章给出了作者结合实验室的现有条件而构建的一个简单的对数字存储示波 器的校准系统实例。论文的最后一章对远程校准在实验室的大规模系统应用作了 一个介绍和展望。 关键词：校准，i n t e r a c t ，远程控制，虚拟仪器 a b s n t a c t a b s t r a c t t e l e c a l i b r a t i o nb a s e do ni n t e r a c ti sag o o de x p a n s i o no ft h et r a d i t i o n a l c a l i b r a t i o nm e t h o d s ，w h i c hi n t e g r a t e sw i t ht h el a t e s tn e t w o r kt e c h n o l o g y o nt h eo n e h a n d ，t h eb r o a da p p l i c a t i o n so ft h en e t w o r kt e c h n o l o g yi nt h em e t r o l o g yf e l dc a ns o l v e m a n yp r o b l e m st h a tt h et r a d i t i o n a lw a y sc a n ts o l v e ；o nt h eo t h e rh a n d ，i th a sm u c h g r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei nt h ef i e l d so fe x p a n d i n gt h em e a s u r e m e n tr a n g eo ft h e h i g h e rm e t r o l o g yi n s t i t u t e s ，r e d u c i n gt h eu n c e r t a i n t yi nt h el o w e rm e t r o l o g yl a b s ， s h o r t e n i n gt h et r a c e a b i l i t yc h a i nb e t w e e nh i g h e ra n dl o w e rl a b s ，l o w e r i n gt h ec o s to f c a l i b r a t i o n ，a n dr e a l i z i n gt h et r a n s p a r e n tm e a s u r e m e n ta m o n gd i f f e r e n tl a b s ，e v e nt h e r e m o t ec a l i b r a t i o na m o n gd i f f e r e n tc o u n t r i e s i nr e c e n ty e a r s ，m a n yn a t i o n a lm e t r o l o g yi n s t h u t e si nt h ew o r l dh a v es t a r t e dt h e i r r e s e a r c h i n go nt e l e c a l i b r a t i o n s o m em a t u r ep r o d u c t i o n sh a v e b e e np u ti n t op r a c t i c e c o m p a r a t i v e l y , n oe n o u g ha t t e n t i o ni sp a i di nc h i n aa n ds a y sn o t h i n go fa p p l i c a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m ef o r e i g nr e s e a r c hp r o d u c t i o na n dd os o m ep r i m a r yd i s c u s s o nt h e i m p l e m e n t i n g o ft e l e - c a l i b r a t i o n ，c o n s i d e r i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o no f t e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n i no u rc o u n t r y a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ro f f e r sa t e l e c a l i b r a t i o ne x a m p l eo fd i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ，w h i c hi sb a s e do nt h e e q u i p m e n t si nt h ea u t h o r sl a b t h el a s tc h a p t e rp r e s e n t st h el a r g e s c a l ea p p l i c a t i o n so f t e l e c a l i b r a t i o ni nl a b sa n di n d u s t r y k e yw o r d s ：c a l i b r a t i o n ，i n t e r u e t ，r e m o t ec o n t r o l ，v i r t u a li n s t r u m e n t 同济人学硕士论文基于i n t e r n e t 的远程校准研究 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：；l 乜固暂 加歹年j 月了日 指黝师戳：辄强靴擞储懿巧崛彳 d 。r 口 年2 ) 月2 日i 庐，年3 月岁日 同济大学硕士论文基于i n t e r n e t 的远程校准研究 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：江圈等 岱年j 真3b 第1 章、引言 1 1 计量学及其意义 第1 章、引言 随着科技的发展和生活水平的提高，人们对测量的精度要求也日趋严格。简 单的说，计量学就是测量的科学。和测量有关的每一种活动，无论是设计、实施 测试工作还是分析测试的结果，都在计量学的范围之内。这些活动的范围十分广 泛，它包括的内容从抽象方面的对各种统计方法进行比较，直到实际方面的决定 应当读尺子上的哪一个刻度。计量学的领域十分宽广。 人们到处可以看到测量科学的作用。测量科学使人们能够安排自己的生活， 有把握地进行商业交换活动。例如，多数人可以认为，自己家里的钟表和工作场 所的钟表都显示大致相同的时间。在一家食品店购买的一千克重的面粉，和在城 市的另一头的另一家店里购买的同样重量的面粉包含有相同数量的食物。如果螺 杆和钻头尺寸相同，那么从甲公司购买的螺杆，将能装到用从乙公司购买的钻头 所钻的孔中。 多数人还相信，自己汽车的里的速度表测量的汽车速度和当地的交警测量出 来的速度是相同的；1 4 克拉的金首饰含有恰当数量的黄金；恒温器、烤箱和温 度计指示的温度是正确的。如果没有正确的测量，那么生活将变得很复杂；在某 些情况下，甚至变得十分危险。 当我们涉及测量的问题时，事物的情况如此一致的原因之一，就是因为计量 学家在商业和法律方面起着控制作用。所有的政府，都制定了各种规程和法律， 来处理商业和工业中检查和使用度量衡器具的实际情况。例如在国内，每个省市 都设有专门的机构，其任务是对所有杂货店收银机的秤的度量准确性进行检查。 1 2 计量学的实施 在工业中，计量学的作用是通过合同来体现的。例如，想要和国家或地方政 府做生意的公司，通常都制定了符合l s o9 0 0 0 或m i l s t d 一4 5 6 6 2 a 标准的 测量政策。这些标准是对基本计量学的要求进行概括阐述的文件( 不是法律) 。如 果发现一个公司不符合某一个特定的计量学法规的要求，那么它就可能拿不到它 所提供的产品或服务的款项。公- n 之叫的、i k 务合同中可以规定计量学的要求。i s o 9 0 0 0 和m i l s t d 一4 5 6 6 2 a 等抓玳【i 三常常成为这些合同协议的基础。 计量学要求是确定所要进行洲”的类，掣f ，j 依据。如测量应达到什么枰的推 第1 章、引言 确度、如何用文件来表述测量的情况等。每一项计量活动不论它是怎样简单 或者怎样复杂一都有其规定的要求。 1 3 关于校准的基本概念 校准就是把测量装置( 未知的装置) 和一个与其相当的或者比它更好的标准 进行比较的过程。在测量的过程中，我们可以把标准看成是参考的依据，在进行 上述的比较时，我们认为，在二者之间标准更加正确。通过校准，我们就能够知 道未知的装置和标准相差多少。 一般来说，在任何地方都可以进行计量和校准工作。但是，计量学的主要工 作是在各种实验室内进行的。这些实验室的环境因素，如温度、湿度、振动和对 电磁干扰的隔离情况等都受到严格的监测，并且，如果你有可能则应对其加以控 制。和多数其它科学一样，计量学也有其不同的层次。只是，在计量学的情况下， 这种层次显得更加明显。不同等级的计量和校准工作，在不同的实验室里进行。 图l _ l 典型的仪器校准循环过程 有五种主要类型的计量学实验室，每一种实验窄具有不同的计量学的功能。 不同的公司可以拥有一种或多种不同类型的实验室。这五种类型的实验室如下： 1 级实验室 这是进行最高级的计量学工作的地方。有天筹种l 延准确、更精密的测量方法 n 研究】作，以及一级和_ 级标准的校准lf 1 蹦n ：返h 进行。 第1 章、引言 二级实验室 校准二级标准和工作标准，是二级实验室通常所进行的最重要的工作，需要 专门技术的，较低准确度的校准工作也可能在这里进行，流动式的校准设备也可 以由位置适中的二级实验室来运作。 研究实验室 对从事研究工作的实验室，通常有不同的计量学的要求。这完全由具体情况 而定。研究实验室可能需要最准确的标准；它可能从事某些最抽象的课题，例如 测量一个电子的电流等。 校准实验室 校准实验室的目标往往是，使用由更高级的实验室( 通常是二级或一级实验 室) 所支持的标准，来完成较大数量的生产性校准工作。正规的校准实验室具有 由二级计量实验室校准过的测量标准。校准实验室通常主要强调的是校准吞吐能 力：即在不牺牲校准工作质量的条件下，尽可能快的把测量设备返还给用户。大 的校准实验室，在一年里可能要校准数万台的测量设备。 流动实验室 有的时候还可以把校准器带到被校准的测试设备的现场，以便提供更好的校 准后勤服务。这方面的例子有军事保障现场校准工作，以及装备了可以移动到不 同地点的计量标准的流动实验室等。 进行测量的过程只是校准工作的一部分。在进行测量的时候，被测设备所 有的相应数据都由手工的方法记录下来，或者由控制计算机自动记录到磁盘上 ( 通常这种数据是合格不合格，而不是实际的测试数据) 。测量工作_ j 成以后，有 关测量标准和被测仪器的所有信息都和测试数据放到1 起。这个测i - ti 己录中的信 息将支持测试的溯源性。 这业 俄息心、当包括：测量标准的校准r 期和失效i 期。测试l ! ；f 1 、被测设 备需要m 父佼难的f 旧j 以及所有测试点的数据。，为了更好的符合土| j _ | 州j 崾求，很 第1 章、引言 多的实验室甚至还保存更多的信息。 溯源性是从所进行的测量，到业已承认的国家的、法定的标准的连续的比 较链。 假如我们从被校准的设备开始，沿着有关的文件追踪下去的话，那么将会 经过二级标准和一级标准。实际上最终将会追溯到依据七个基本测量单位中的一 个或几个测量单位，为建立我们关心的量所作的实验的记录。这就是溯源性的基 本原理。虽然，通常只需要展示上述文件追踪的部分情况是正确的就够了。 1 4 传统的校准方式 1 4 1 传统校准标准传递的实现方式【l j 传统的校准方式是用户将自己的仪器与工厂一级计量标准进行比对。而工厂 的计量标准则要送到当地的省市或区一级的标准计量机构，和准确度更高的标准 进行比对。同样的省市一级的二级实验室的标准也要不定期的拿到国家的一级实 验室进行校准。事实上最后标准都要溯源到国际单位制( s i ) 中定义的七个基本 物理量中的一个或者几个。就是通过这种方式建立了一个从生产现场所使用的仪 器到基本物理量之间的溯源链，或反过来说，从上到下一环一环的传递链。一个 国家的计量比对捡定系统的组成如下图1 2 所示。 第1 章、引言 准确度线 一缀 准确度线 二绍 准确度线 三细 准确度线 图1 2 国家计量比对检定系统图 标准传递一般有四种方式：一、用实物标准进行逐级传递；二、用传递标准 进行全面考核( m a _ p ) ；三、发放标准物质( c r m ) ；四、发播标准信号进行传 递等。 ( 1 ) 用实物标准进行逐级的传递 这种方式是将计量器具送到具有高一等级计量标准的计量部门去检定。对于 不便运输的计量器具，则有上一级计量技术机构携带计量标准到现场检定。在实 际工作当中这种方式存在许多缺点，但到 f 时为止还是量值传递的主要方式。 ( 2 ) 用传递标准进行全面考核( m a p ) 这科r 方式是由美国国家标准和技术研_ 、滞：( n 1 s t ) 发起的一项测量保证程 序服务( m e a s u r e m e n ta s s u r a n c ep r o g r a m ss “v i c e )只体做法如下：山n i s t 制 第1 章、引言 作一批传递标准，每年发给下级的实验室。同时给出测量方法，但是不告诉传递 标准的值。下级实验室用自己的工作标准测量收到的传递标准，然后把测量结果 连同传递标准一起送回n i s t ，经过数据分析，n i s t 通知下级实验室测量的系统 误差有多大，测量过程中的随机误差多少。这种方式的优点是采用了闭环式量值 传递方式，在标准传递过程中不但检查了下级实验室测量仪器所能达到的测量准 确度，而且检查了下级测量人员的技术水平。 ( 3 ) 用发放标准物质( c r m ) 进行传递 标准物质是具有一种或者多种正确方法检定了的具有特性值的物质或材 料，可以是气体、液体或固体，一般均属一次性、消耗性的。这种方式具有很 多优点，例如可以免去送校仪器，可以快速评定并可以在现场使用。主要应用 的领域在化学计量方面。 ( 4 ) 用发播标准信号进行传递 这种方式是通过发播标准( 无线电) 信号进行标准的传递，是一种最简单、 迅速、准确的方式，但目前只限于时间频率的计量。 1 4 2 传统校准方式面临的一些问题 第一、校准的周期较长，费用高 以对多功能校准仪进行校准为例。多功能校准仪是用来对在工业生产中广泛 使用的数字万用表进行测试和校准的。在很多情况下要将这些校准仪同国家的电 学标准比对进行溯源检查。和数字万用表一样，校准仪的工作范围也包括电压， 电流和电阻，因此要对所有的输出都进行测试这几乎是不可能的。对其进行校准 的一个办法就是使用两到三个电学原器( a r t i f a c ts t a n d a r d ) 标准，例如标准电阻， 依靠校准仪自身所带的自校准软件来弥补在整个参数测试的误差。这对于进行校 准的技术人员来说是很轻松的一件事，但是许多用户对这些仪器的自校准特性很 不放心。另个办法是采用标准的参考物对尽可能多的点f 例如大j 二2 0 0 ) 进行测 试，然后在这些点中进行插值，从而估计整个参数空问的不确定度。大多数用户 比较信赖返种方式，但即使在整个过程中所有环节都实现了测试的自动化，一个 熟练的洲试人员大概也需要一个星期的时间完成一次测试。j i 采川越来越多的 足第、，j 洲：，即将台数字万用表作为。个传递标准h 体f 1 ( 7 做浊是国家级的 ：吖? 。j ；采川f i 止的标准对这个传递标计i ：进行校玳：i n ，亿仁j ? n 准的数宁 第1 章、引言 万用表被送回到客户实验室由客户自己以此传递标准为基准对自己的多功能校 准仪进行校准工作，而上一级的计量实验室对这一个过程完全是一无所知的。用 户校准后将传递标准和测试得到的数据都送回到上一级国家计量实验室，上一级 计量实验室对数据进行分析，最后对用户的测试系统给出一个校准报告，通过这 种方式将上一级标准传递到下一级计量单位。实际操作中下一级计量单位采用传 递标准对自己的多功能校准仪校准的过程是不受上一级单位的控制，由于受实验 室的测量手段及操作人员水平的限制或者其他因素的影响，比如传递标准在装运 过程中受到的各种干扰，有可能导致从下一级计量单位送到上一级计量单位的数 据根本无效，下一级计量单位势必又要重复进行一次校准过程，从而导致了整个 校准成本的上升。即使这些数据有效，大多数的情况下这些实验室由于上述原因 也并不能完全实现所期望的很低的校准不确定度。对于那些容易受周围环境影响 需要经常进行送校的标准而言，有可能产生停顿等待和计量失控。 第二、溯源链过长 从传统的校准方式来看，为了实施溯源性的检查，必然是从测量不确定度较 小的标准向测量不确定度较大的标准逐级传递，或者反向逐级溯源。整个过程是 一个链条式的结构。链条底部的环节只能得到自己上一级所能提供的服务，而享 受不到更上一级或者上几级的计量实验室所提供的校准服务。同样的链条上端的 计量实验室也只能知道自己下一级计量实验室有关校准的管理信息，对于其他的 计量实验室的情况是一无所知的。从而加大了整个计量管理的难度。 第三、管理难度大，效率低 传统计量管理中，由于整个计量所涉及的面非常广，国家计量研究院很难对 全国所有的计量业务，包括计量保障，标准的传递等进行有效的管理。特别是对 于某些标准由于各种原因并不由国家计量研究院而保存，而远在很远的山区或者 油田等地方。比如晚大口径的气体或者液体流量标准。因为地理窄间的原因，容 易出现计量失控的情况。此外，国家计量研究院对于下级计量单位的计景水! f 无 法进行考核。现代引量认为提l 奇计量水平不仅仅在不断降低参考标准的不确定 度，更重要的在f 小惭的提韵挣级汁黾单位的业务能力，不断的降低荇缴川训；l f ：；l 第1 章、引言 位校准过程的“不确定度”。 1 5 远程校准的提出及其发展优势【2 l 随着信息技术特别是计算机网络技术的迅速发展，互联网的应用正在日益渗 透到各行各业，引发出各种新的行为和思维。网络会议、远程教育、远程医疗、 电子商务等基于网络技术的新事物在资源共享、优势互补、缩短时空距离等方面 发挥了巨大的作用，其发展势头有增无减。传统的计量测试技术也没有置身其外。 在适用于实验室内的各种并行总线和适用于部门范围内的各种现场总线尚在大 力发展的同时，又出现了一种新的趋势：即跨企业、跨地域的所谓“远程校准” ( 1 c l e c a l i b r a t i o n 或c c a l i b r a t i o n ) 。 “远程校准”到底涵盖哪些内容目前尚无明确定义。根据所要实现的不同目 的，远程校准的内容也各自不同。但大致可作如下理解：远程校准所指的首先仍 然是一种校准过程，即以获取被校传感器或被校测量仪器的计量特性为目的而进 行的一组操作。这一过程仍然离不开传统校准的几个要素：高等级计量标准、被 校仪器、校准规程或校准规范、数据采集与数据处理( 含不确定度分析) 。高等 级计量标准与被校仪器通常情况下仍然同处一地，互相直接连接。与传统校准方 式的主要不同点在于：校准除了可以由位于计量标准和被校仪器所在现场的人员 进行就地操作外，还可以借助计算机网络传输技术由位于其它地方的有关人员进 行实时、异地、远程操作。远程操作按授权不同可以包括校准参数的设定、现场 传感器信号的获取、数据处理以及不确定度分析等。互联网的使用形式取决于所 提供服务，可以具有各自不同的特点。有时测量是在一个地方进行的，而由在另 外一个实验室的专家监控，测量的数据从前者送到后者进行分析。权威的校准认 证由后者进行发布并送回到第一个地方存储，打印。在这种类型的应用中进行测 量的地点通常是用户端，而后者一般为基本标准实验室。 但是并非所有的校准过程都可以经 ji n t e r n c t 束远程进行。在考虑是否适合 采用远程校准的方法前，对系统的配置还心有一些基本的要求。用来进行远程校 准的仪器应该是可由p c 控制帆 在这罩，测量过程依赖r 稳j tn j 蟓搽什r 参考标准) 或是性能稳定u 靠的仪 第1 章、引言 器。通过对标准在上、下级实验室之间的传递来实现灵活的远程校准。 具体说来，远程校准有两种不同的方式： 方式1 ：稳定的原器件的传递 方式2 ：高精度可靠的校准装置传递标准的传递 其中，一个典型的方式1 校准过程应该包括以下几个方面： 国家计量研究所( n l i ) 有效地传递初始标准、相关技术到远端用户实 验室仿佛国家计量中心就在用户端现场一样 用户拥有经由n m i 校准过的初始标准可以是从国家计量中心租借， 或者是用户自己在购买后送到n m i 进行标准化 n m i 提供程序在线控制校准过程，一般通过对网页访问来实现 校准数据存储在n m i 的数据库中，可以提供下载以打印校准证书 n m i 的软件可以实时计算测量的不准确度 n m i 的软件可以现场评估系统性能( 如重复性、稳定度等) 有检查测量和重复摒弃错误测量的能力 有挂起测量周期和继续上次测量的能力 有网络摄像机。这样，关键的设备连接和校准过程可以被n m i 技术人 员观察到，同时可以创建一份视频记录以各审计追踪。 一个典型的方式2 校准过程和方式1 大体相似，除了以下方面略有不同： 高精度可靠校准装置( 传递标准) 的传输代替用户自己的原器标准 校准装置通常为n m i 所有，因为n m i 在装置传送到用户前一般会花较 大精力来使其标准化 校准装置通常会和笔记本电脑一起由n m i 传送，笔记本电脑内安装有 校准装置所需的相关控制和通讯软件，以避免在用户p c 上安装软件可 能会导致的安全隐患 当远程校准过程结束时，测量数据通常会经mi n t e r n e t 传送回n m i 以便分析，随后临时的结果会实时返还到用户 校准装置随后会被送回n m l ，以便查对是订有损坏和测量是否有偏移一 只有在查对后，不确定度分析爿可能完成外给出校准报告 第1 章、引言 实施远程校准的目的可以是多方面的，好处也同样是多方面的。通过实现远 程校准可以大大拓展现有计量服务的范围，解决目前传统方式所难以解决的一些 问题。现有的资料表明，远程校准在扩展上级实验室的量程，减小下级实验室的 校准不确定度，缩短溯源或传递时间，降低校准成本，实现不同实验室之间实时 透明的比对、甚至是国际比对，以及上级实验室对下级实验室的认可等方面均有 实际的意义。由于目的的不同，实施远程校准的人可以来自上级校准实验室或同 级校准实验室，也可以来自下级校准实验室；可以来自国内的校准实验室，也可 以来自国外的校准实验室。简言之，远程校准是对传统计量的改造和拓展，它的 开展对于加强计量管理、提高计量的整体实力和水平、促进贸易和经济发展，将 会起到一定的作用。以下分述之。 第一、小下级实验室的校准不确定度，提高下级实验室计量水平 传统的校准方式中引入互联网技术以后，将会大大地缩短上级实验室和下级 实验室之间的空间距离，同时由于上级实验室对校准过程的参与减小了下级实验 室的校准不确定度。举例来说，在传统校准方式中，作为传递标准的数字万用表 在由国家级的计量实验室采用自己的标准对这个标准进行校准以后，被送回到客 户实验室由客户自己以此传递标准为基准对自己的多功能的校准仪进行校准工 作，此时上一级的计量实验室对这个过程完全是一无所知的。而在远程校准中通 过视频会议，网络数据传输，w e b 等网络技术的应用使得上级实验室能够参与到 下级实验室的校准过程中，上级计量单位不仅可以向下级实验室提供校准所用的 软件，而且可以在校准过程中对下级实验室提出指导性的建议，通过双方之间互 动的信息交流甚至可以实现上级实验室对在远地进行的校准过程实现完全的控 制，并且对所得到的数据进行不确定度的分析。从这个意义上而言，由于上级实 验室的参与，将会大大减小下级实验室由于校准人员在校准技术方而的原因而引 入的额外的不确定度。同时，由于可以通过网络在线对下级计量员进行逐步手把 手式地指导，有利f 卜- 级实验室提高计量水平。 第二、减少标准传递时叫，缩短溯源链，提高计量效率 壤m f 联7 ，j 远程校准技术一方面将大大减少整个传递标 1 递时川，另 n 第1 章、引言 一方面大大缩短整个溯源链的长度。由于上级实验室对在下级计量单位进行的校 准所进行的直接参与，使过去由于下级计量单位校准人员的素质原因而引起的多 次重复校准得以避免，减少了传送标准在路途上的运输时间，提高了整个校准的 效率。对于那些需要经常进行校准的仪器而言，可以有效的防止计量处于失控状 态。同时由于网络的普及，消除了空间的壁垒，从而打破了常规的从县区到省市 再到国家的链条结构。任何一级的计量实验室都有可能和国家一级的标准建立直 接的溯源关系，不仅提高了计量的效率而且大大减少了下级单位校准不确定度。 第三、扩展上级实验室的量程 目前许多国家的国家级计量实验室都面临着这样一个问题：某些基准由于种 种原因可能并不是保存在自己计量实验室所在地，使得国家计量实验室所能提供 校准服务的量程受到限制。一个典型的例子就是大口径的气体或者液体流量标 准。在我国一般大口径的气体或者液体流量标准都位于大庆，成都或者较为偏远 的山区或油田，这些标准本身的不确定度可能很低，但是由于计量水平的原因拥 有这些设备的企业并不能提供权威的校准服务和认证。另一方面，由于建筑面积、 设备投资等原因，国家计量实验室不可能再重建一个类似量程的标准。而远程校 准的出现则将这两者的优势充分结合起来。通过网络的连接，国家实验室将异地 标准拓展为自己远程实验室中的设备的一部分，从而扩大了实验室的量程范围。 第四、提高计量管理的水平 国家级的计量单位一方面为下面各级计量单位提供标准源进行溯源性检查， 另一方面还担负着整个国家计量管理的职责。其中最主要的一项工作在于保证各 级计量单位的不确定度。而一般认为对下级单位的校准过程进行校准要比对传递 标准本身进行校准更有意义。基于这种认识，前面所提到的n i s t 正在进行的被 称为针对电学量的测量保证计划( m a p ) 其主要目的不是针对传送标准，而是 针对下级计量单位的测试水平的一个考察。具体而言，传统的测量保证计划做法 是：n i s t 将自己所有的、经过校准的传递标准，运输至下级计量实验室，由下 级计量实验室对该传递标准进行校准，然后下级计量实验室再将传递标准交还 n i s t ，并将校准结果报告n i s t 。n i s t 以f 己原先的校准结果作为“f 确答案”， 第1 章、引言 通过对下级计量实验室的校准结果的分析和比较，来评定下级计量实验室的校准 能力。而最近所采用的远程校准技术则是对这项测量保证计划有力的拓展。在远 程校准中由于n i s t 可以实时地观察、掌握、甚至可以干涉下级计量实验室的校 准过程，得到的就不仅仅是下级计量实验室的最终校准结果，更多的是下级实验 室在校准过程中展示的能力及暴露的问题，因而可以得出更为确切的评估。此外 由于溯源链的缩短，以前对各级计量实验室的链式管理将实现扁平化，提高了整 个系统的管理效率，降低了管理成本。 作为网络技术在计量管理上的一个应用，提供远程校准服务也将成为计量管 理机构电子信息化的一个重要组成部分。这对于我国的政府机构电子化有重要的 意义。 第五、加快国际比对，促进国际间的公平贸易 国内各级计量单位之间的远程校准可以很容易地拓展到国与国之间的国家 级计量部门的比对，这不仅使得各国的国家标准可以以很低的成本和七个国际基 本量建立起溯源关系，另一方面在促进国际公平贸易方面也具有重要意义。 第2 章、远程校准的现状及未来发展 第2 章、远程校准的现状及未来发展 目前，国际上对远程校准的研究方兴未艾。德国联邦技术物理研究院 ( m ) 、美国国家标准和技术研究院( n i s t ) 、英国国家物理实验室( n p l ) 、 荷兰国家计量研究所( n m i ) 、日本国家计量研究院( n l 订u ) 均在该领域作了 大量的研究。远程校准的服务对象从常见电学物理量的校准，到时间、长度、 温度、压强、流量、放射量以及光度的校准，基本上涵盖了计量学的绝大部分 服务领域。相比之下。国内计量单位在此领域的研究相对缺乏。下面简要介绍 美国国家标准和技术研究院( n i s t ) 目前开展的三个有关项目：大流量气体流 量计的校准，多功能校准仪的校准，以及大尺寸离子辐射源的校准；英国国家 物理实验室( n p l ) 开展的网络分析仪的校准；以及德国联邦技术物理研究院 ( p t b ) 开展的偏振中予衍射计的校准。 2 1n i s t 的气体流量计的远程校准1 3 1 美国每天消耗价值约为2 2 亿美元的天然气。这些天然气从气井到工业或民 间的用户一般须经过5 到7 次气体流量计的计量。为了交易的公平，必须对使 用的气体流量计进行定期的校准。目前，位于华盛顿的n i s t 流量组对气体流 量计可提供的校准服务的流量上限为5 1 0 0m h ，校准的扩展不确定度不大于 示值的0 2 ，而美国工业界实际使用的气体流量上限达6 0 0 0 0 0 0m 3 h 。这就是 说，n i s t 现有标准与需求相比尚差i 0 0 0 多倍。如果再考虑到气体的种类和压 力范围，n i s t 的现有标准就相差更远。由于受建筑面积、设备投资等的限制， 在可以预见的将来，n 1 s t 也没有可能在其本部所在地建造可以覆盖所有量程、 气种和压力范围的气体流量标准。与此同时，位于美国科罗拉多州努恩的科罗 拉多工程实验室( c e e s l ) 已经有一套量程为1 6 2 0 0m h 的气体流量标准。该 标准在c e e s 内部被称为“a 基准”。该标准中，被校气体流景计的上游是口 径大小按8 4 2 1 排列、相互并联的音速喷嘴组合，被校气体流锖汁的卜游则是基 于p v i 、法的流最收集与测定装置。据c e e s i 报告，用该标准进行校准的扩展不 确正度小夫 小他的o 1 4 。这一不确定度居然比n i s t 最人7l 体流针抓准的不 第2 章、远程校准的现状及未来发展 确定度还要小，对此，n i s t 流量组是颇有看法的。但不管怎么说，该装置的量 程是n i s t 现有最大装置量程的5 倍。不仅如此，c e e s i 在科州埃沃瓦兴建中 的另一套校准设备其量程将高达2 5 8 0 0 0 0i l l 3 h 。该设备一旦建成，据称将是世 界最大的，其校准能力达n i s t 现有标准的5 0 0 倍。 在考虑了这些现状后，n i s t 流量组提出了远程校准计划：利用网络技术， 将c e e s i 现有的和将要建成的流量标准纳入自己的校准系统，升格为国家级最 高标准。人在华盛顿，可以象操作自己实验室内的设备那样操作位于科州的 c e e s i 的校准设备：控制校准参数、获取校准数据、分析测量不确定度、进而 给出由n i s t 出具的校准报告。用这种方式，不必再扩建位于华盛顿的实验室， 就可达到扩展国家校准实验室的最大量程的目的。 n i s t 第一步计划通过远程校准技术首先将c e e s i 现有的、位于努恩的最 大流量标准，即所谓的“a 基准”( 量程为1 6 2 0 0m3 h ) ，纳入美国国家级校准 体系。在成功的基础上，下一步再将c e e s i 在埃沃瓦兴建中的、量程为2 5 8 0 0 0 0 m h 的流量标准用同样的方法纳入n i s t 的校准体系。从技术路线看，n i s t 并 不拆除c e e s i 的“a 基准”现有的数据采集和数据处理设备。而是与设备上现 有的压力、温度、时间等传感器相并列，再安装一套( 冗余的) 属n i s t 所有、 归c e e s i 长期借用的同类传感器。这套新装的传感器将定期地溯源至n i s t 相 应的最高标准。新旧两套传感器一起接至以令牌环方式工作的现场数据采集系 统，然后连至c e e s i 的t 1 端子。而该t 1 端子又可连至离c e e s i 约3 5 英里的 高速广域网结点。n i s t 认为，除了对数据和控制信息的远程传输外，对设备的 运行情况进行实时的声像监视也非常重要。异地的操作者应该能实时观察到设 备的运行，与现场操作者对话，同时按需要读取数据，或改变设备的参数设置。 图2 1 所示为在普通p v t t 设备中规划的远程端构架。图中从左到右，压 缩机用来提供校准测试所需的气体；数字流量控制阀用来控制压缩机的输出。 本地机分配控制任务至1 e e e1 4 5 1 。本地机和i e e e1 4 5 1 控制器的通讯经由。块 以太网卡来进行数据的采集和程序的控制( 此处为l a b v i e w ) 。l a b v i e w 控刹 器负责高层次的数据采集、控制和任务计划。操作者可以通过两种方式来访叫 l a b v l e w 控制器：通过f i 统的l a b v i e w 图形用户界而，或是征浏览槲- l 运仃 第2 章、远程校准的现状及未来发展 j a v a 客户端程序。l a b v l e wg u i 的应用使得操作者可以针对每一个特定的校准 任务请求迅速地修改相应的控制程序。j a v a 客户端程序和网络浏览器的结合使 得任何一个连接到i n t e r n e t 的p c 远程访问流量校准设施成为可能。 从这个项目中，我们可以看到n i s t 的这项远程校准系统目的就是为了扩 大国家计量实验室的量程，这对于减少重复投资，促进计量管理等都有重要的 意义。 图2 1p v t l 校准设备中的远程端构架 2 2n i s t 的电量多功能校准仪的远程校准 电量多功能校准仪一般可以产生交甑流电压、交直流电流以及电阻等标准 电学量。作为数字多用表( d m m ) 的t 线标准，它被各级校准实验室广为使用。 n i s t 开展多功能校准仪的远程校准岁i 囱以f 两力i 岫的目的。 ( 1 ) 拓展原有的计量保证汁划( m a p ) 。传统的m a p 做法是：n i s t 将属 f il ! 所有的、经过校准的传递标准，二瓣伞r 缄尉实验室，由下级汁昔实验 第2 章、远程校准的现状及未来发展 室对该传递标准进行校准，然后下级计量实验室再将传递标准交还n i s t ，并将 校准结果报告n i s t 。n i s t 以自己原先的校准结果作为“正确答案”，通过对下 级计量实验室的校准结果的分析和比较，来评定下级计量实验室的校准能力。 而远程校准技术是对这种保证计划的拓展。由于n i s t 可以实时地观察、掌握、 甚至可以干涉下级计量实验室的校准过程，得到的就不仅仅是下级计量实验室 的最终校准结果，更多的是下级实验室在校准过程中展示的能力及暴露的问题， 因而可以得出更为确切的评估。 ( 2 ) 通过远程校准可以帮助下级计量实验室缩短校准时间，减小校准不 确定度。n i s t 及美国工业界的计量实验室历来采用单物理量标准器校准多功能 校准仪。但即便是训练有素的n i s t 工作人员也要花费近一周时间才能完成这 种校准。让下级实验室工作人员从事同一工作，花费的时间显然要更长，而且 达到的不确定度也较大。为此，n i s t 把经过校准的高等级数字多用表( d m m ) 作为传递标准，送至下级实验室。下级实验室将其与自有的待校多功能校准仪 一起接入网络，n i s t 通过软件远程控制校准过程，并进行不确定度分析，出具 校准报告。这样既缩短了下级计量实验室的校准时问，又减小了不确定度，对 下级计量实验室是很大的帮助。n i s t 电学实验室还计划将这一做法扩展到所有 其它可能的电学量中去。 图2 2 多功能校准仪远烈胶准原州罔 第2 章、远程校准的现状及未来发展 2 3n l s t 的大尺寸离子辐射源的远程校准 大尺寸离子辐射源被广泛用于医药、材料、核电、农业育种和农产品保鲜 等领域。随着科技和经济的发展，这类辐射源的辐射剂量的校准和溯源变得越 来越重要了。目前美国实行的校准方案是将谱信号比较稳定和简单的丙氨酸试 剂作为传递标准。n i s t 将未受辐射源照射的丙氨酸试剂送到用户方，用户方用 待校辐射源照射该试剂，接受过照射的试剂又被送回n i s t ，n i s t 测定该试剂 的核磁共振渚信号，并将该信号与受过n i s t 标准辐射源照射过的丙氨酸试剂 的核磁共振信号作比较，最后计算出用户方辐射源的辐射剂量值。这一过程通 常须花费数日之久，而在这其间辐射源实际上处于停顿等待或计量失控状态。 对于3 6 5 天每天2 4 小时不问断运行的许多工业过程来说，这是不可容忍的。采 用远程校准则可以避开这一困难i 远程校准使用b r u k e r 公司的e m s l 0 4 小型可编程核磁共振莆分析仪以及同 一公司生产的高品质丙氨酸试剂作为传递标准。用户方将接受过被校辐射源照 射的试剂棒插入e m s l 0 4 ，n i s t 通过英特网控制e m s l 0 4 的校准过程，一步一 步地指导现场人员进行测量。原始测量数据通过英特网传至n i s t ，n i s t 经过 数据处理后就可立刻得出结论，并通过英特网出具临时校准报告。正式校准报 告则须待n i s t 完成例行的质量检查后再行出具。由于校准结果及临时校准报 告可供现场人员立刻使用，被校辐射源避免了停顿等待或计量失控状态。 2 4n p l 的网络分析仪的远程校准 2 0 0 1 年2 月2 6 日n p l 在伦敦的总部进行了一次远程校准的演示。在这项 新型的校准服务中，n p l 为广泛应用于移动通讯公司，计算机工业和国防工业 中的网络分析仪( a n a ) 的校准提供高精度的高频阻抗标准，而这些标准的精度 通常只有在n p l 的实验室才能达到。这项试验已经被认为是将最好的测量运用 到工厂车问的一个成功的范例。 在对网络分析仪校准时，传统的方式是通过在上下级测量单位传递一系列 的标准物来实现溯源性的。，一股来说要求进行溯源性检查的丈验室将参考的标 准物( 衰减器，i 配线和不匹配线) 送到国家级计量院。在那f f ! ，送校的标准物 存经过反_ | ：和技划系数的校准后，送校实验室将会得到一个f 奎准合晰l 【| t 吼然 第2 章、远程校准的现状及未来发展 后送校实验室再将这些标准物拿回去，与自己实验室的网络分析仪进行比对。 所得的结果和国家计量院出示的认证书中的数据比较。通过得出的两组数据的 接近程度就可以估计在实验室进行比对的网络分析仪的不确定度。 由于网络分析仪测量的频率及所能提供的标准值范围很广，因此要求实验 室能够对仪器在很宽的使用范围内工作的情况进行评估。因此在国家计量院提 供的校准认证书中包括了对送校的4 到6 个设备的不同参数在各种不同频率工 作下的测量值。由于环境等的改变，射频和微波特性可能会随着时间漂移，因 此推荐每隔1 2 个月就要重新对其进行校准。 n p l 为网络分析仪的校准开发了一套专门的系统称为微波测量的基本阻抗 系统( p i m m s ) 。p i m m s 的硬件包括一个商用的网络分析仪，由计算机通过一个 g p i b 接口控制。p i m m s 中校准的算法，比对以及不确定度的分析都是由n p l 编写的代码实现的。现在，通过互联网就可以使用n p l 的p i m m s 软件对客户 实验室的网络分析仪及传递标准进行远程校准。n p l 把这个新版本的p i m m s 命名为i p i m m s 。 图2 3n p li p i m m s 远程校准服务原理图 使用i p i m m s 后，就不必冉将参考标准定期送到n p l 进行校准，相反，山 于客户实验室用来对网络分析仪进 比财的午，j 、准是由n p l 直接对其校准的，因 第2 章、远程校准的现状及未米发展 而n p l 可以对所比对的标准进行全面的评估。这将大大减少客户实验室和国际 基准( s o 之间的溯源链，具体来说两者之间只有一个链环。从而避免了一级一级 通过类似广播的方式进行的溯源性传递。从国家标准到最终的用户，所有各级 实验室都可以获得目前只有在n p l 实验室才能得到的不确定度。 当客户实验室要求进行最高精度的比对时，首先登录到n p l 的w e b 网页上。