實(shí)驗室最佳測量能力的要義與評定

中國計量科學(xué)研究院研究員  施昌彥  搖南昌供電公司  虞甘露

一、有關(guān)技術(shù)文件對最佳測量能力的表述

    歐洲認可合作組織(EA)1999年12月發(fā)布了EA-4/02號文件《校準中的測量不確定度》，其中第1.3條對最佳測量能力(best measurement capability或縮寫(xiě)為bmc)有如下表述:
    “實(shí)驗室在其認可范圍內，當對近乎理想的測量標準(用于定義、實(shí)現、保存或復現某量的單位或其一個(gè)值或多個(gè)值)進(jìn)行近乎常規的校準時(shí)，可以達到的最小測量不確定度；或者，當對近乎理想的測量?jì)x器(用于測量某量)進(jìn)行近乎常規的校準時(shí)，可以達到的最小測量不確定度?！?
    “對獲得認可的校準實(shí)驗室最佳測量能力的評定(assessment)，應建立在本文件描述的方法基礎之上，通常應得到實(shí)驗證據的支持或確認?！睘橛兄谡J可組織對最佳測量能力的評定，EA-4/02附錄A還就最佳測量能力做了進(jìn)一步說(shuō)明。
    在國內諸多技術(shù)規范中，對最佳測量能力也有類(lèi)似的表述。例如:
    JJF1069-2000《法定計量檢定機構考核規范》給出的定義是:“通常提供給用戶(hù)的最高測量水平，它用包含因子k=2的擴展不確定度表示。有時(shí)稱(chēng)為校準測量能力(calibration and measurement capability或縮寫(xiě)為bmc)?！痹撘幏?003年修訂后，定義的校準測量能力是:“通常提供給顧客的最高校準與測量水平，它用置信水準為95%的擴展不確定度表示。有時(shí)稱(chēng)為最佳測量能力?！?br>    “通常提供給用戶(hù)的最高測量水平，它用包含因子k=2(或置信概率p=95%)的擴展不確定度表示”(JJF1104-2003《國家計量檢定系統表編寫(xiě)規則》)。
    有的規范給出了實(shí)驗室測量能力的定義。例如，JJF1071-2000《計量校準規范編寫(xiě)規則》定義的實(shí)驗室測量能力是:“在實(shí)驗室能達到的最佳測量條件下，對被校對象進(jìn)行校準所獲得的最小測量不確定度，用95%置信概率的擴展不確定度U_p表示”。
    在中國實(shí)驗室國家認可委員會(huì )(CNAL)公開(kāi)文件中，對最佳測量能力也有明確闡述。例如，CNAL/AR11:2003《測量不確定度政策》指出:“為了便于用戶(hù)比較實(shí)驗室的能力和水平，對于一般應用，擴展不確定度應對應95%的置信水平。在表述實(shí)驗室的能力時(shí)，一般采用最佳測量能力，即根據日常校準或檢測系統，被?；虮粶y樣品接近理想狀態(tài)時(shí)評定的最小測量不確定度?！?
    CNAL/AG06:2003《測量不確定度政策實(shí)施指南》則明確提到:“最佳測量能力，即用日常開(kāi)展校準業(yè)務(wù)的測量系統校準一個(gè)接近理想，實(shí)際又能獲得的樣品時(shí)，一個(gè)實(shí)驗室在其認可范圍內能達到的最小測量不確定度，亦即待校儀器的設備缺陷的影響對測量不確定度的貢獻最小?！?br>    

二、最佳測量能力是衡量認可實(shí)驗室技術(shù)能力的重要參數

    除了被校準量、校準方法以及被校準的測量?jì)x器類(lèi)型和測量范圍之外，最佳測量能力也是表明獲得認可的校準實(shí)驗室能力的一個(gè)參數。最佳測量能力通常是在認可一覽表，或其他支持認可決定的文件，或認可證書(shū)中予以描述的。為便于實(shí)驗室客戶(hù)做出選擇，認可機構在向社會(huì )定期發(fā)布認可名錄時(shí)，最佳測量能力作為基本信息之一列入，以便實(shí)驗室客戶(hù)據此判定在實(shí)驗室或現場(chǎng)進(jìn)行特定校準工作的適宜性。
    在我國，實(shí)驗室評審員現場(chǎng)評審時(shí)填寫(xiě)的《推薦認可的實(shí)驗室校準能力范圍》中，有一欄“擴展不確定度(最佳測量能力)”，這顯然表明實(shí)驗室宣稱(chēng)的最佳測量能力是需要得到認可組織確認的。校準實(shí)驗室在通過(guò)認可后，認可組織對外公布所確認的最佳測量能力，授予實(shí)驗室的認可證書(shū)中也包含該參數。
    從另一角度來(lái)看，最佳測量能力的概念僅僅適用于認可實(shí)驗室。由于實(shí)驗室測量能力需要得到外部客戶(hù)的信任，認可實(shí)驗室的測量不確定度可能大于它的技術(shù)能力。因此，有時(shí)最佳測量能力并不一定反映實(shí)驗室真實(shí)的能力。
    在實(shí)驗室認可工作中，經(jīng)認可機構認可的實(shí)驗室，由認可機構發(fā)布其最佳測量能力。在國際比對中，國際計量局(BIPM)發(fā)布參與國際比對的各國國家計量研究院(NMI)的最佳測量能力，區域計量組織(RMO)和國際計量局的聯(lián)絡(luò )委員會(huì )(JCRB)負責對進(jìn)入國際計量局的關(guān)鍵比對數據庫的國家計量院宣稱(chēng)的校準和測量能力(CMC)進(jìn)行分析。
    為了使最佳測量能力具有可比性，應協(xié)調不同認可機構認可的實(shí)驗室對最佳測量能力進(jìn)行表述和評定。因此，盡管在GB/T15481-2000《檢測和校準實(shí)驗室能力的通用要求》中尚未提及最佳測量能力，但在實(shí)驗室認可活動(dòng)中，對最佳測量能力是有明確要求的。
    

三、最佳測量能力的評定

    “常規校準”意味著(zhù)，實(shí)驗室在其認可條件下日常所執行的校準工作，應能達到規定的例行的能力。顯然，借助于廣泛的研究和特別的注意，實(shí)驗室可以做得更好；但是這些情況不包括在最佳測量能力的定義中，除非實(shí)驗室的政策就是要進(jìn)行這種廣泛的研究(在這種情況下，他們也就成了實(shí)驗室常規校準了)。
    當評定最佳測量能力時(shí)，應考慮到所有對測量不確定度有重要貢獻(影響)的分量。對已知隨時(shí)間變化或隨其他物理量變化的這種貢獻，可以在日常工作條件下可能變化的極限值的基礎上進(jìn)行評估。例如，如果所用工作標準的漂移是已知的，當評估該工作標準對測量不確定度的貢獻時(shí)，就應考慮該標準在校準期間內漂移量的貢獻。
    有時(shí)測量不確定度可能依賴(lài)于某些附加參數(例如，校準標準電阻時(shí)電壓的頻率)，這些附加參數應同所研究的物理量和對應附加參數的最佳測量能力一起陳述。通常，最佳測量能力可以表示為這些參數的函數。
    而“近乎理想”意味著(zhù)，最佳測量能力不應依賴(lài)于被校準測量?jì)x器的特性。近乎理想就是指，被校準儀器的不理想程度對測量不確定度的影響不應是顯著(zhù)的。與此同時(shí)，這種測量?jì)x器又是可獲得的。如果實(shí)驗室可獲得的最理想測量?jì)x器對測量不確定度也是有貢獻的，此時(shí)，這種貢獻應包括在最佳測量能力中，并應做出陳述:最佳測量能力適用于這一類(lèi)型測量?jì)x器的校準。
    最佳測量能力的定義意味著(zhù)在認可條件下，進(jìn)行正常的校準活動(dòng)時(shí)，實(shí)驗室無(wú)權宣稱(chēng)具有比最佳測量能力更小的測量不確定度。即，實(shí)驗室實(shí)際的校準過(guò)程會(huì )明顯增加測量不確定度，這樣得出的測量不確定度總是大于最佳測量能力。具代表性的是，被校準的測量?jì)x器會(huì )對測量結果的測量不確定度有貢獻。顯然，實(shí)際的測量不確定度永遠不會(huì )小于最佳測量能力。只有當“被校儀器”比較穩定，其對測量不確定度的影響可以忽略的情況下，所得到的測量結果的測量不確定度可以認為與最佳測量能力相同。當陳述實(shí)際的不確定度時(shí)，可要求實(shí)驗室應用現有程序文件規定的原則。
    

四、最佳測量能力需要得到實(shí)驗證據的確認

    最佳測量能力的評定是認可機構的責任。在實(shí)驗室程序文件或作業(yè)指導書(shū)中，應包括對實(shí)驗室最佳測量能力的評定，通常這一評定應緊隨校準程序。最佳測量能力以擴展不確定度的形式表示，通常包含因子k=2(僅僅在不能假定為正態(tài)分布或評估是建立在有限的數據基礎上等例外的情況下，最佳測量能力應表述為置信概率近似為95%)。如果合成標準不確定度不服從正態(tài)分布，例如是均勻分布時(shí)，包含因子就不是k=2了，對應于95%置信概率的包含因子k應取1.65。
    最佳測量能力通?？梢杂脭抵当硎?。當最佳測量能力表示為所研究的量的函數(或其他參數)時(shí)，它應以解析的形式給出，在這種情況下，它能通過(guò)圖表對陳述進(jìn)行例證。但無(wú)論是絕對測量不確定度，還是相對測量不確定度，都應是清晰的(通常在相對量的結論中給出必要的解釋?zhuān)菍o(wú)量綱量，有必要單獨陳述)。
    最佳測量能力與測量不確定度的評定程序是相同的，通常仍然應得到實(shí)驗證據的支持。認可組織不應僅僅依靠測量不確定度評定，還要組織(或由其代表組織)開(kāi)展證實(shí)測量不確定度評定的實(shí)驗室間比對。