计量学原理-量值传递与检定测试改

第6章量值传递与检定测试,6.1概述6.2检定测试习题,2,6.1概述,6.1.1量值传递的概念将国家计量基准所复现的计量单位量值，通过检定（或其他传递方式）传递给下一等级的计量标准，并依次逐级传递到工作计量器具，以保证被计量的对象的量值准确一致，称为量值传递。近年来，有些量值（如典型的频率和时间量等）由于传递手段的进步，也采用了从最高级别或很接近于最高级别的标准直接通过无线等方法对工作计量器具进行传递。这对于传统的量值传递方法也是很大的改进。,3,同一量值，用不同的计量器具进行计量，若其计量结果在要求的准确度范围内达到统一，称为量值准确一致。量值准确一致的前提是，计量结果必须具有“溯源性”，即被计量量必须具有能与国家计量基准或国际计量基准相联系的特性。要获得这种特性，就要求用以计量的计量器具必须经过具有适当准确度的计量标准的检定，而该计量标准又受到上一等级计量标准的检定,逐级往上追溯，直至国家计量基准或国际计量基准。由此可见溯源性的概念是量值传递概念的逆过程。,4,量值传递的必要性任何计量器具，由于种种原因，都具有不同程度的误差计量器具的误差只有在允许范围内才能应用，否则将带来错误的计量结果欲使新制的、使用中的、修理后的、各种形式的、分布于不同地区、在不同环境下计量同一种量值的计量器具，都能在允许的误差范围内工作，如果没有国家计量基准、计量标准及进行量值传递是不可能的对于新制的或修理后的计量器具，必须用适当等级的计量标准来确定其计量特性是否合格，对于使用中的计量器具，由于磨损、使用不当、维护不良、环境影响或零件、部件内在质量的变化等而引起的计量器具的计量特性的变化，是否仍在允许范围之内，也必须用适当等级的计量标准对其进行周期检定另外有些计量器具必须借助于适当等级的计量标准来确定其示值和其他计量性能，因此量值传递的必要性是显而易见的。,5,量值传递体系国家计量检定系统对于一个国家来说，每一个量值传递体系，只允许有一个国家计量基准在我国，大部分国家计量基准保存在中国计量科学研究院内较高准确度等级的计量标准，大多设置在省级计量技术机构及计量准确度要求很高的少数大企业内较低准确度等级的计量标准，大多设置在地、县级计量技术机构及计量要求较高的大、中型企业中而工作计量器具则广泛应用于工矿、企业、商店、医院、研究所、院校、甚至于家庭之中，由此构成了量值传递体系量值传递的基本要求量值传递应本着精度损失小、可靠性高和简单易行的原则。量值传递一般应按国家计量检定系统的规定逐级进行。某些特殊情况，经上级计量主管部门同意，可越级进行传递。各级计量标准的精确度，基本上是根据计量检定系统，由国家计量基准或上级计量标准确定的。,6,国家计量检定系统是按“量”制定的。随着科技的发展和计量水平的提高，计量检定系统亦应不断地修订和完善。,7,6.1.2量值传递与保证量值准确一致的基础1.科学基础科学基础主要是计量学理论，如计量单位制、计量理论、误差理论等。2.技术基础主要的技术基础为：(1)保证以最高准确度复现计量单位的国家计量基准体系。(2)将国家计量基准的量值传递到工作计量器具的计量标准体系。,8,(3)用以保证计量器具准确一致的，或保证材料成分与性能检测时准确一致的标准物质体系；(4)计量器具的研制、生产及修理的体系；(5)计量器具的新产品定型鉴定体系；(6)计量器具的检定体系等。3.法制基础主要的法制基础为：(1)计量法及有关法规；（2）计量检定系统；(3)计量检定规程；(4)具有法定性质的操作规范。,9,4.组织基础主要的组织基础为：（1）国家计量部门；(2)各级地方计量部门；(3)各部委系统的计量部门及有关研究机构；(4)各企、事业单位的计量机构及有关实验室；（5）培养计量人才的院校。,10,量值传递，概括地讲，可分为直接传递和间接传递。凡可直接传递者（如电压测量中的源和表），皆应直接传递；凡不能直接进行传递者（如电压测量中的源和源或表和表），则只好间接进行。这里所谓间接，系指传者与被传者不能直接进行量值传递，而必须通过一个过渡指示器（如在电压测量中，若两者皆为源则用表，反之亦然），通常将其称为过渡标准、传递标准或比对标准。关于过渡指示器的技术特性，在量值传递的技术文件中应有明确、具体的规定。,量值传递的方式量值传递的方式：有用实物标准进行进级传递，有用传递标准全面考核(MAP)，有发放标准物质（CRM），有发播信号等,11,1、用实物标准进行逐级传递这是传统的量值传递方式，即把计量器具，送到具有高一等级计量标准的计量部门去检定；对于不便于运输的计量器具，则由上一级计量技术机构派员携带计量标准到现场检定这种传递方式比较费时、费钱，有时检定好了的计量器具，经过运输后，受到振动、撞击、潮湿或温度的影响，丧失了原有的准确度尽管有这么多的缺点，但到目前为止，它还是量值传递的主要方式例如：质量通过天平和砝码传递，硬度通过硬度块和硬度计传递，温度通过温度计、热电偶传递等等,12,2、用传递标准全面考核(MAP)进行传递美国标准局(NBS)在七十年代初，在某些计量领域中采用了传递标准全面考核进行传递(英文：MeasurementAssuranceProgram，缩写MAP)这种传递方式的目的，是使参加MAP活动的计量技术机构的量值，能更好地溯源到国家计量基准它用统计的方法对那些机构的校准质量进行控制，定量地确定校准的总不确定度，并对其进行分析，因此能及时地发现问题，使误差尽量减小用传递标准进行全面考核的方式进行量值传递，要有一定的条件。首先该标准必须是可携带的；第二必须是有良好的稳定性；第三是被检单位要具有相应的条件。,13,3、用发放标准物质(CRM)进行传递用标准物质(CRM)进行传递的特点标准物质是一种或多种足够好地确立了的特性、用以校准计量器具、评价计量方法或给材料赋值的物质或材料标准物质必须由国家计量部门或由它授权的单位进行制造，并附有合格证书的才有效这种有效的标准物质称为“有证标准物质”(英文缩写为CRM)使用CRM进行传递，具有很多优点，例如可免去送检仪器，可以快速评定并可在现场使用等这种方式目前主要用于化学计量的领域例如：化学成分分析标准物质（金属材料、矿物岩石、建筑材料、医药制品等）；物理特性或物理化学特性标准物质（标准溶液、粘度标准、油热两用苯甲酸等）；工程技术特性标准物质（纺织品色牢度、标准橡胶、粉末材料粒度、水泥浊度等）。,14,4、用发播标准信号进行传递通过发播标准信号进行量值传递是最简便、迅速和准确的方式，但目前只限于时间频率计量我国通过无线电台，早就发播了标准时间频率信号以后随着国家通讯广播事业的发展，中国计量科学研究院将小型铯束原子频标放在中央电视台发播中心，由中央电视台利用彩色电视副载波定时发播标准频率信号，并于1985年开始试播标准时间信号这样，用户可直接接收并可在现场直接校正时间频率计量器具,15,6.2检定测试,1、计量器具的准确度在检定时用基本误差来表达。基本误差是指计量器具在规定的正常工作条件下所具有的误差，也称固有误差。2、正常工作条件是指检定规程中或计量器具的说明书中所规定的工作条件。由于超出规定的正常工作条件时所增加的误差，称为附加误差。所以在检定时，应创造正常工作条件，以免造成受检计量器具是否合格的误判。例如应使受检计量器具的温度与检定室内的温度保持一致，因此在检定前必须先把受检计量器具从包装箱中取出，放置在检定室内若干小时以上(放置的时间，视受检计量器具的结构、体积以及所要求的准确度而定，一般至少放置4h以上)，然后才进行检定在检定某些对温度敏感的计量器具时，检定人员应当戴手套，以避免手的温度传导给受检计量器具而产生附加误差,检定中的几个主要参数,16,3、计量器具的稳定度是指在规定工作条件内，计量器具保持其计量特性恒定的能力通常稳定度是对时间而言的，它可分为短期稳定度和长期稳定度短期稳定度好的计量器具，其计量的重复性必定很好4、计量的重复性定义为在实际相同的计量条件下(如用同一方法，同一观察者，用同一计量器具，在同一实验室内，于很短时间间隔内)，对同一被计量的量进行连续多次计量时，其计量结果的一致程度计量的重复性通常用随机不确定度来估计长期稳定度一般是指在检定周期内，计量器具保持其计量特性恒定的能力因此在送检计量器具时，必须附上上一次的检定证书，以便考察长期稳定度对于新制的或者没有附上次检定证书的计量器具，由于不知其长期稳定度，有时检定一次后，需要放置几个月，然后进行复检，以考察其长期稳定度,17,对于某些短期稳定度及长期稳定度均很优良的使用中的计量器具，当它的固定偏差略为超出允许误差时，可以给出修正值以便修正后使用修正值只能消除受检计量器具的系统误差，而消除不了随机误差所以对稳定度差的计量器具，是不允许给出修正值，否则会造成可以修正使用的假象受检的计量器具应当由哪一等级的计量标准对它进行检定，可以从该计量器具的检定系统中查出如果该计量器具还没有制订出检定系统，则按微小误差准则，可选用不确定度为受检计量器具不确定度13到15的计量标准进行检定,18,6.2.1计量检定规程计量检定是指为评定计量器具的计量性能，确定其是否合格所进行的全部工作。所有的正式检定都必须严格按照有关的计量检定规程进行。计量检定规程，是为检定计量器具而制定的技术法规，其中对规程的适用范围、计量器具的名称、计量性能、检定项目、检定方法、检定条件、检定数据的处理以及检定周期等，皆有明确的规定，也就是说，在计量检定规程中，对检定的具体步骤和条件等都作了很具体的规定，实际工作中必须遵循。计量检定规程常常是针对某一类计量器具而制定的，只是在很特别的情况下才是针对一种计量器具的。,19,计量检定规程由国务院计量行政部门统一组织制定和颁布。随着科技的发展和计量水平的不断提高，计量检定规程每隔一段时间（一般约35年）便要重新审订和修改一次,这也是为了适应所针对的计量器具型号的改进和技术性能的进步。测试通常是指具有一定探索性的计量，一般无严格的规程可循，也无须计量主管部门的审批。测试工作具有更宽的应用面，有时比单一的计量情况会更复杂一些。测试工作的完成也常常要以计量检定规程为参考,但是需要针对测试对象更全面地掌握测试方法并且更灵活地应用它们。,20,具体的计量检定规程的主要内容包括：(1)引言。引言说明该检定规程的适用范围。(2)概述。概述中主要简述受检计量器具的用途、原理和结构。对于结构简单的计量器具，这部分内容可以省略。(3)技术要求。技术要求应着重规定与受检计量器具的计量特性、使用寿命和使用安全有关的内容，一般为准确度等级、计量特性、物理或机械性能、安全可靠性、外观质量、使用寿命和其他有关要求等。,21,(4)检定条件。检定条件包括环境和设备条件等。(5)检定项目。检定项目是指受检计量器具的受检部位和内容。检定项目应与主要技术要求基本对应。确定检定项目应从实际需要出发，明确合理，切实可行。(6)检定方法。检定方法是对计量器具受检项目进行检定时所规定的具体操作方法和步骤。其中包括必要的示意图、方框图、接线图及计算公式。检定方法的确定要有理论根据，并切实可行、明确、具体，必要时可举例说明。所用公式、常数、系数都必须有可靠的根据。,22,(7)检定结果的处理。检定结果的处理是指检定结束后，对受检的计量器具合格或不合格所作的结论。按照检定规程的规定和要求，检定合格的计量器具发给检定证书或加盖合格印；检定不合格的计量器具，发给检定结果通知书。(8)检定周期。检定周期是指受检计量器具相邻两次检定之间的时间间隔。检定周期的长短应根据受检计量器具的计量特性（主要是长期稳定度）、使用环境条件和频繁程度等多方面的因素确定。由于与检定周期有关的因素较多，因此检定规程中一般只对计量器具检定周期规定最长检定周期。,23,(9)附录。根据需要，检定规程可以有附录,一般包含：检定规程正文技术内容的说明和补充；检定工作中证明可以试用的推荐检定方法；各种专用检定装置和检定工具的有关图形和说明；检定证书、检定结果通知书和检定记录表的格式；国家计量检定系统表；各种分度表、计算表和换算表；检定数据处理（包括数字修约）和计算举例等。,24,从以上对检定规程的内容叙述可以看出，由于检定规程对于所有的要求、步骤、方法等都进行了很详细和具体的规定，所以检定过程是严格按步就班地进行的。因此检定工作具有其规范性和严密性的特点，不允许检定人员随意发挥。为了保证检定工作高标准地完成，要求检定人员必须全面理解检定规程的内容，了解被检对象的原理、结构、使用方法和对其精度影响的诸多因素，这样才能保证检定结果的客观、公正。,25,6.2.2检定测试的基本条件1.检测标准标准器具是检定测试的基础，对标准器具的主要要求是：(1)精度按一定的级别优于被检器具。这是指定度后的精度，而不是标准器具所能达到的精度。因为，除了国家标准外，各级标准都不能自行定度；同样的计量标准器具，由于定度的精度不同，其使用的精度也就不同。(2)接入被检器具时，对被检器具的示值无可觉察的影响，或虽有可见影响，但其值可以确定。,26,若标准和被检器具不能直接检测，则必须通过过渡标准。对过渡标准的主要要求是性能稳定、重复性好以及对标准和被检器具有相同的响应。标准与被检器具的有关工作特性应该相同，这一点可以参考本书中第5章的中介源法。2.检测方案检测方案是保证标准量值有效传递的重要前提，应尽可能选择精度损失小、可靠性高而又简单易行的检测方案。检测方案的选择也常常受到设备条件和人员知识与经验背景的限制，而这两者也是互相支持和互为补充的。我们希望在不断完善设备硬件条件的同时大大提高人员的专业素质，这样才能胜任各种复杂的检定工作。,27,3.辅助设备根据确定的检测方案选配合适的辅助设备时，应尽量避免引入附加误差，以确保方案的实施。4.环境条件环境条件是检定测试的必要保证。否则，任何检测结果都将没有实际意义，因为环境条件可显著地影响计量器具的工作特性。对于计量器具的环境条件要求比其他设备要更加严格，以便在检定结果中消除环境因素的影响。,28,5.数据处理方法数据处理是检定测试的重要环节，其基本原理是切实反映检测结果的精度。也就是数据处理方法应合理，不致因此提高或降低实际测试的精度。6.2.3检定测试的主要方法这部分内容在第5章中作了专门介绍。在具体的检定规程中，对于所使用的检定测试的方法也进行了明确和具体的规定，这里不再赘述。,29,6.2.4检定测试中器具合格的判断1.判断的前提判断的前提包括：(1)认真熟悉所用标准和被检器具的技术性能与操作方法，对于操作、安全、易损保护等特殊的地方必须给以特别的注意(2)切实检查所有的配套或辅助设备以及环境等测试条件是否符合相关的规定。(3)必须严格按照相应的检定规程（或测试方法）所规定的步骤和要求进行检测，不得随意改动。以上三条，是获得可靠数据的基本要求，是进行判断的前提，否则任何结论都是没有意义的。,30,2.标准器具的误差可忽略的条件在实际检测中，所使用的标准器具的精度可能有两种情况：一是标准器具的精度足够高，以致与被检器具的精度相比较，其计量误差可以忽略不计；二是标准器具的精度不够高，其计量误差在检测结果中必须加以考虑。第一种情况下的判断比较简单，但必须明确标准器具的误差可以忽略的条件；第二情况下的判断要复杂得多，有时要借助于一些辅助设备及方法。一般来说，计量误差Xt至少包含标准器具的误差Xs和被检器具的误差X，即,31,Xt=Xs+X（6.2.1）下面分别讨论几种典型情况。1)Xs和X都只含有系统误差将式（6.2.1）化为以下形式:t=X1+(1+s/X)(6.2.2)根据微小误差准则，当误差取一位有效数字时，若Xs/X(1/10)(6.2.3)则可将Xs忽略。于是有XtX(6.2.4),32,即在标准器具和被检器具都只含有系统误差的情况下，当标准器具的误差比被检器具的误差小一个数量级时，标准器具的误差便可以忽略不计。2)Xs和X都只含有随机误差根据独立误差的一般合成法，总标准差为t=2s+2x=x(6.2.5)式中，s和x分别是标准器具和被检器具的标准差。根据微小误差准则，当误差取一位有效数字时，若,33,(6.2.6),则可将s忽略不计。于是有tx(6.2.7)即在标准器具和被检器具都只含有随机误差（或系统误差已修正）的情况下，当标准器具的s小于被检器具的x的1/3时，标准器具的误差便可忽略不计。这就是计量中的“13”原则。,34,3)Xs和X同时含有系统误差和随机误差根据上面分析的两种极端情况，可得出Xs可忽略的条件为(Xs/Xe+n(6.2.13)时，则肯定不合格；当e+n|t|e+n(6.2.14)时，则可能合格，也可能不合格，需要进一步验证才能作出判断。故范围（e-n,e+n）称为待定区间。当检测结果落于待定区间时，便不能再用原检测标准和方法进行检测，而必须用其他标准或方法，才可能得出确切的结论。当然，用更高一级的标准去检测是最稳妥的办法。,38,(2)标准和被检器具都只含有随机误差。若随机误差遵从正态分布，则当|Xtmax|(e2+n2)(6.2.15)时，便合格；当|Xtmax|(e2+n2)(6.2.16)时，便不合格。(3)标准和被检器具同时含有系统误差和随机误差。这种情况难以用简单的表达式来判断，而要根据系统误差和随机误差的具体情况加以判断，才能得出被检器具合格与否的结论。,39,40,检定的步骤(1)外观检查外观检查的重点是观察有否影响计量器具的计量特性和寿命的缺陷例如