实验室最佳测量能力的要义与评定

中国计量科学研究院研究员
施昌彦
摇南昌供电公司
虞甘露

一、有关技术文件对最佳测量能力的表述
欧洲认可合作组织(EA)1999年12月发布了EA-4/02号文件《校准中的测量不确定度》,其中第1.3条对最佳测量能力(best measurement capability或缩写为bmc)有如下表述:
“实验室在其认可范围内,当对近乎理想的测量标准(用于定义、实现、保存或复现某量的单位或其一个值或多个值)进行近乎常规的校准时,可以达到的最小测量不确定度;或者,当对近乎理想的测量仪器(用于测量某量)进行近乎常规的校准时,可以达到的最小测量不确定度。”
“对获得认可的校准实验室最佳测量能力的评定(assessment),应建立在本文件描述的方法基础之上,通常应得到实验证据的支持或确认。”为有助于认可组织对最佳测量能力的评定,EA-4/02附录A还就最佳测量能力做了进一步说明。
在国内诸多技术规范中,对最佳测量能力也有类似的表述。例如:
JJF1069-2000《法定计量检定机构考核规范》给出的定义是:“通常提供给用户的最高测量水平,它用包含因子k=2的扩展不确定度表示。有时称为校准测量能力(calibration and measurement capability或缩写为bmc)。”该规范2003年修订后,定义的校准测量能力是:“通常提供给顾客的最高校准与测量水平,它用置信水准为95%的扩展不确定度表示。有时称为最佳测量能力。”
“通常提供给用户的最高测量水平,它用包含因子k=2(或置信概率p=95%)的扩展不确定度表示”(JJF1104-2003《国家计量检定系统表编写规则》)。
有的规范给出了实验室测量能力的定义。例如,JJF1071-2000《计量校准规范编写规则》定义的实验室测量能力是:“在实验室能达到的最佳测量条件下,对被校对象进行校准所获得的最小测量不确定度,用95%置信概率的扩展不确定度Up表示”。
在中国实验室国家认可委员会(CNAL)公开文件中,对最佳测量能力也有明确阐述。例如,CNAL/AR11:2003《测量不确定度政策》指出:“为了便于用户比较实验室的能力和水平,对于一般应用,扩展不确定度应对应95%的置信水平。在表述实验室的能力时,一般采用最佳测量能力,即根据日常校准或检测系统,被校或被测样品接近理想状态时评定的最小测量不确定度。”
CNAL/AG06:2003《测量不确定度政策实施指南》则明确提到:“最佳测量能力,即用日常开展校准业务的测量系统校准一个接近理想,实际又能获得的样品时,一个实验室在其认可范围内能达到的最小测量不确定度,亦即待校仪器的设备缺陷的影响对测量不确定度的贡献最小。”

二、最佳测量能力是衡量认可实验室技术能力的重要参数
除了被校准量、校准方法以及被校准的测量仪器类型和测量范围之外,最佳测量能力也是表明获得认可的校准实验室能力的一个参数。最佳测量能力通常是在认可一览表,或其他支持认可决定的文件,或认可证书中予以描述的。为便于实验室客户做出选择,认可机构在向社会定期发布认可名录时,最佳测量能力作为基本信息之一列入,以便实验室客户据此判定在实验室或现场进行特定校准工作的适宜性。
在我国,实验室评审员现场评审时填写的《推荐认可的实验室校准能力范围》中,有一栏“扩展不确定度(最佳测量能力)”,这显然表明实验室宣称的最佳测量能力是需要得到认可组织确认的。校准实验室在通过认可后,认可组织对外公布所确认的最佳测量能力,授予实验室的认可证书中也包含该参数。
从另一角度来看,最佳测量能力的概念仅仅适用于认可实验室。由于实验室测量能力需要得到外部客户的信任,认可实验室的测量不确定度可能大于它的技术能力。因此,有时最佳测量能力并不一定反映实验室真实的能力。
在实验室认可工作中,经认可机构认可的实验室,由认可机构发布其最佳测量能力。在国际比对中,国际计量局(BIPM)发布参与国际比对的各国国家计量研究院(NMI)的最佳测量能力,区域计量组织(RMO)和国际计量局的联络委员会(JCRB)负责对进入国际计量局的关键比对数据库的国家计量院宣称的校准和测量能力(CMC)进行分析。
为了使最佳测量能力具有可比性,应协调不同认可机构认可的实验室对最佳测量能力进行表述和评定。因此,尽管在GB/T15481-2000《检测和校准实验室能力的通用要求》中尚未提及最佳测量能力,但在实验室认可活动中,对最佳测量能力是有明确要求的。

三、最佳测量能力的评定
“常规校准”意味着,实验室在其认可条件下日常所执行的校准工作,应能达到规定的例行的能力。显然,借助于广泛的研究和特别的注意,实验室可以做得更好;但是这些情况不包括在最佳测量能力的定义中,除非实验室的政策就是要进行这种广泛的研究(在这种情况下,他们也就成了实验室常规校准了)。
当评定最佳测量能力时,应考虑到所有对测量不确定度有重要贡献(影响)的分量。对已知随时间变化或随其他物理量变化的这种贡献,可以在日常工作条件下可能变化的极限值的基础上进行评估。例如,如果所用工作标准的漂移是已知的,当评估该工作标准对测量不确定度的贡献时,就应考虑该标准在校准期间内漂移量的贡献。
有时测量不确定度可能依赖于某些附加参数(例如,校准标准电阻时电压的频率),这些附加参数应同所研究的物理量和对应附加参数的最佳测量能力一起陈述。通常,最佳测量能力可以表示为这些参数的函数。
而“近乎理想”意味着,最佳测量能力不应依赖于被校准测量仪器的特性。近乎理想就是指,被校准仪器的不理想程度对测量不确定度的影响不应是显著的。与此同时,这种测量仪器又是可获得的。如果实验室可获得的最理想测量仪器对测量不确定度也是有贡献的,此时,这种贡献应包括在最佳测量能力中,并应做出陈述:最佳测量能力适用于这一类型测量仪器的校准。
最佳测量能力的定义意味着在认可条件下,进行正常的校准活动时,实验室无权宣称具有比最佳测量能力更小的测量不确定度。即,实验室实际的校准过程会明显增加测量不确定度,这样得出的测量不确定度总是大于最佳测量能力。具代表性的是,被校准的测量仪器会对测量结果的测量不确定度有贡献。显然,实际的测量不确定度永远不会小于最佳测量能力。只有当“被校仪器”比较稳定,其对测量不确定度的影响可以忽略的情况下,所得到的测量结果的测量不确定度可以认为与最佳测量能力相同。当陈述实际的不确定度时,可要求实验室应用现有程序文件规定的原则。

四、最佳测量能力需要得到实验证据的确认

最佳测量能力的评定是认可机构的责任。在实验室程序文件或作业指导书中,应包括对实验室最佳测量能力的评定,通常这一评定应紧随校准程序。最佳测量能力以扩展不确定度的形式表示,通常包含因子k=2(仅仅在不能假定为正态分布或评估是建立在有限的数据基础上等例外的情况下,最佳测量能力应表述为置信概率近似为95%)。如果合成标准不确定度不服从正态分布,例如是均匀分布时,包含因子就不是k=2了,对应于95%置信概率的包含因子k应取1.65。
最佳测量能力通常可以用数值表示。当最佳测量能力表示为所研究的量的函数(或其他参数)时,它应以解析的形式给出,在这种情况下,它能通过图表对陈述进行例证。但无论是绝对测量不确定度,还是相对测量不确定度,都应是清晰的(通常在相对量的结论中给出必要的解释,但是对无量纲量,有必要单独陈述)。
最佳测量能力与测量不确定度的评定程序是相同的,通常仍然应得到实验证据的支持。认可组织不应仅仅依靠测量不确定度评定,还要组织(或由其代表组织)开展证实测量不确定度评定的实验室间比对。
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