计量要求导出及测量过程设计讲解.docx

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计量要求导出及测量过程设计讲解

计量要求导出及测量过程设计

测量过程的设计：

根据顾客、法规或组织对企业各项管理工作中新涉及的需要提供测量数据的工作要求而进行的测量方法/程序的计划、规划、设想、问题解决的方法。

设计内容一般有：

1）识别顾客对测量的要求（明确测量的目的、原因，期望的效果）；

2）根据现场情况拟定测量方法和测量设备（保证测量可实现）；

3）导出该测量过程的计量要求（保证测量结果的准确可靠）；

4）根据计量要求识别过程要素和控制方法（降低测量失准的风险）；

5）确定监视方法及频次（“及时”发现偶发因素造成的测量失准）；

6）形成测量过程规范（测量作业的指导）；

7）评定该测量方法的不确定度（测量结果可信度的评价）；

8）有效性确认（验证是否能实现设计要求）。

注：

A测量过程的设计一般形成一个文件（测量过程规范）及三个记录/附件（计量要求导出、测量不确定度评定、有效性确认）。

设计过程的1）、2）内容原则上应在设计说明书中体现（可省略）。

B其中测量依据的技术标准、规范等文件中已明确规定所选用测量设备计量特性要求的（如依据GB12358-2005选配CO检测报警仪；依据GB17167-2006选配能源计量器具；依据相关检定规程/校准规范选配内部校准用标准器以及依据相关检验标准选配理化分析仪器等），可不进行计量要求导出及有效性确认（不需要3）、8）项），只需在《测量过程规范》说明依据何标准、规范确定的测量方法及测量设备。

1术语和定义：

1.1计量要求（GB/T19022-2003A.2）

计量要求是顾客根据相应的生产、检测过程规定的测量要求。

包括在验证产品符合顾客规范的要求加上有生产过程控制及它的输入而产生的要求。

可以用最大允许误差或操作限制等方法表述。

应当有足够详细的表述以便执行者能明确决定特定的测量设备是否能根据预期用途控制、测量或监视规定的变量或量值。

由于测量过程中最重要且必备的要素是测量设备，因此计量要求可分解为：

测量设备的计量特性要求+测量过程控制要求（操作者、对被测参数的限定条件、方法、环境、测量允许不确定度/允许误差）。

其中“测量设备的计量特性要求”是选配测量设备的主要依据。

测量设备的计量特性要求根据导出的不同阶段可分为“计算要求”、“匹配要求”、“选用要求”。

计算要求：

由测量要求推导、计算所得出的计量特性要求；

匹配要求：

根据拟选用测量设备的规格系列所选择的最接近且优于计算要求的计量特性要求。

选用要求：

实际配备测量设备的规格系列所规定的计量特性要求。

1.2计量特性（GB/T19022-20033.4）

计量特性

能影响测量结果的可区分的特性。

注1.测量设备通常有若干个计量特性。

注2.计量特性可作为校准的对象。

一般检定规程/校准规范、标准、说明书等资料中称为：

计量性能、技术性能、技术指标等。

测量设备的计量特性是由检定/校准证书获得的实际特性值。

如：

示值误差：

-0.12Pa

重复性：

≤0.05%

1.3计量验证

测量设备的计量特性与设备预期使用的计量要求中所规定的计量特性要求相比较的活动。

验证通过的原则：

一般原则：

计量特性应优于等于选用要求。

特殊情况下应确保：

计量特性应优于等于计算要求。

例：

某工序测量电压，参数控制要求为15±3V。

由此可选择（0-20）V，MPE:

±1V（5%FS）的数字电压表（计算要求）。

而实际配备的是（0-20）V，0.05级数字电压表（MPE：

±0.01V）（选用要求）。

周检经校准后给出示值误差为-0.23V的校准结果（计量特性），

显然计量特性不满足选用要求，但能满足计算要求，因此确认结论可为合格（应注明使用限制）。

1.4容差/公差T

T——允许接收的上下限限制范围。

如：

炼钢温度控制范围为（1640~1680）℃，则：

T=1680-1640=40℃

轴的加工尺寸为Φ

mm，则：

T=-0.10-（-0.28）=0.18mm

1.5安全裕度A

从规定的最大实体尺寸和最小实体尺寸分别向工件公差带内移动一个尺寸值称为安全裕度。

一般安全裕度值A为工件公差（T）的1/10。

且等于允许不确定度U允。

1.6目标不确定度（JJF1001-20115.26）

根据测量结果的预期用途，规定作为上限的测量不确定度（俗称：

允许不确定度）。

1.7分辨力（JJF1001-20117.147.15）

分辨力——引起相应示值产生可觉察到变化的被测量的最小变化。

显示装置的分辨力δ——能有效辨别的显示示值间的最小差值。

注：

对于数字式显示装置，这就是当变化一个末位有效数字时其示值的变化。

2计量要求导出

2.1顾客对测量的要求

目的：

识别顾客对相关管理工作所要求的量化指标的测量要求，为计量要求导出提供依据。

测量要求一般由相关的管理部门依据管理需求提出。

一般工业企业纳入体系的测量工作范围包括：

质量检验、过程控制、能源计量、环境监测、安全防护、经营管理以及量值传递等。

测量要求一般为控制范围、控制点或实测值。

如：

1）温度控制范围：

（1675~1685）℃

2）CO浓度：

≤24μmol/mol

3）控制点：

26kPa

4）零件的加工尺寸

mm；容差T=0.15mm

5）材料含水量：

≤15%

6）进厂原料为12.35t

7）对于同一测量点（测量设备）由于产品不同，控制点及控制允差可能不同。

如：

钢水温度控制要求：

钢种

Q235

HPB300

HRB335

HRB400

温度/℃

1650-1670

1650-1670

1640-1670

1640-1660

则应选择全部温度值中最低及最高值作为控制范围极限，选择各钢种控制范围最小的作为控制允差。

即：

其控制要求可表示为：

温度控制范围：

（1640~1670）℃；

容差T=20℃

企业的工艺技术部门在根据顾客要求提出测量要求时，为避免概念混淆，建议采用以下术语：

1）当被测参数的值允许在某一区间内出现时，该区间用“容差T”表示。

如：

冶炼Q235号钢时，钢水温度应控制在（1650-1670）℃之间（测量值为该区间内任意数值均可），则表示为：

容差：

T=20℃

轴的直径尺寸加工应控制在

mm内，则表示为：

容差：

T=0.15mm

但对于虽然给出了容差，但需要考虑当测量值出现在边界点时，为减小由于测量误差的存在而可能产生的被测量实际值显著超出控制区间的风险，应规定允许不确定度U允。

U允值的选择一般有两种方法：

a.分析允许超出区间的承受能力。

如：

冶炼Q235号钢时，分析结论表明：

炉后钢水温度如低于1650℃的下限5℃以内，以及高于1670℃上限10℃以内，不会影响产品质量、能耗、生产效率等，则可确定U允=5℃。

b.规定内控标准，给出安全裕度A。

如：

例1：

工艺检验标准（内控标准）可将公差带内移0.02mm（即给出安全裕度A），定为：

轴的直径尺寸加工应控制在

mm。

此时，U允=A=0.02mm。

例2：

规定的材料含水量≤15%，但正常生产时能保证在＜10%，则内控标准可内移2%（即给出安全裕度A），定为材料含水量≤13%。

此时，U允=A=2%。

2）当被测参数的值只允许是某一设定值（测量值不允许出现对此值的偏离时）或为实测值时，应考虑确定由于测量误差的存在而允许被测量的实际值偏离设定值的大小，其允许偏离的程度（大小）用“允许不确定度U允”表示。

如：

例1：

规定的配料值为15kg，但由于测量误差的存在，当配料秤的显示值为15kg时，实际配料量很可能不等于15kg，应分析允许偏离设定值（15kg）的承受能力，假如经分析确定，实际配料量不少于14.85kg或不多于15.5kg对于产品质量及成本的影响均可接受，则可规定该配料测量过程的允许不确定度U允=0.15kg

例2：

根据进出厂物料结算量与供（需）方称量的允许差值，规定称重测量的允许不确定度U允

2.2转化为计量要求

目的：

为测量过程设计中选配测量设备、控制过程要素提供依据。

2.2.1测量结果的允许不确定度

1）如测量过程给出了安全裕度或允许不确定度，则U允值等同之。

2）如测量过程只给出容差，没有给出安全裕度等参数指标时，测量结果的允许不确定度一般为：

U允=T/C（C值可根据被测量的重要性选择10,6,4）

一般C值选6，非常重要的关键测量可选C=10

但计算得到的U允应反馈给相关技术部门并得到其认可（考虑测量值为边界点时允许超出的最大值），否则应由相关方会商确定合理的U允。

2.2.2测量设备测量范围的选择

1）一般情况：

测量设备的示值范围能涵盖被测参数范围并适当外延即可。

如：

被测参数为：

210℃且温度较稳定

计算要求：

要求测量设备的测量范围应在200℃-220℃（外延10℃）

匹配要求：

根据温度测量设备的规格系列，拟选用（200~250）℃玻璃液体温度计或（0~300）℃半导体温度计等。

选用要求：

实际选用（0~300）℃半导体温度计

2）对被测参数有过载可能的压力、质量、温度等参数的测量时，拟选用计量器具的测量上限须留有过载余量。

3）当拟选用的计量器具的测量原理为非线性或小量程误差较大时，应选择被测量值大于该计量器具的最小测量值。

例1：

被测参数为（150~200）kPa，拟选用弹簧管式压力表，如何确定其测量范围？

解：

考虑到弹簧管式压力表非线性工作原理，欲避开1/20小量程及保留1/3的过载余量，则有：

计算要求：

最小被测量（150kPa）应高于压力表的1/20FS，则：

压力表的测量上限应≤150kPa×20/1=3000kPa

最大被测量（200kPa）应低于压力表的2/3FS，则：

压力表的测量上限应≥200kPa×3/2=300kPa

即：

所选压力表的测量上限应在（300-3000）kPa之间

匹配要求：

根据压力表的规格系列，拟选用（0~0.4）MPa的压力表

选用要求：

实际选用（0~0.6）MPa的压力表

2.2.3测量设备的允许误差或准确度等级的选择

2.2.3.1测量设备允许误差（示值不确定度）的确定。

测量设备的允许误差U1由测量允许不确定度U允导出：

U1=aU允

式中系数a的选择：

测量不确定度U允是由测量设备示值误差引入的不确定度U1及由其他因素引入的不确定度U2的合成。

依据GB/T3177-2009标准的选定原则，

若估计U1≥3U2时，a=0.9

若估计3U2＞U1＞2U2，a=0.8

若估计U1≈U2，a=0.7

最终应保证经评定得到的测量不确定度小于U允

2.2.3.2计算得到测量设备的允许误差U1后，即可与相应测量设备的检定规程（或标准）中所给出的最大允许误差MPE值相比较，若MPE≤U1，则该测量设备的准确度满足要求。

如该测量设备准确度按等级划分，可给出对应的等级要求。

例2：

某生产过程控制要求为（0.10~0.25）MPa，拟选用（0~0.4）MPa弹簧管压力表，如何选择准确度等级？

解：

计算要求：

因为容差T=0.25-0.10=0.15MPa，则：

U允=T/6=0.025MPa

U1=0.9U允=0.9×0.025MPa=0.0225MPa

因压力表准确度按级别划分。

其级别的确定按最大允许引用误差的分子部分划分，计算其引用误差：

U1/FS=100%×0.0225/0.4=5.6%即：

5.6级

匹配要求：

根据压力表的规格系列，拟选用（0~0.4）MPa4.0级压力表

选用要求：

实际选用（0~0.4）MPa2.5级压力表。

例3：

某零件加工尺寸要求为

mm，验收测量时规定的安全裕度为A=0.015mm如何选择测量设备？

解：

计算要求：

因为安全裕度A=0.015mm，则：

U允=A=0.015mm

U1=0.8U允=0.8×0.015mm=0.012mm

匹配要求：

查：

25~50mm千分尺的最大允许误差为±0.004mm，故拟选用该规格千分尺。

选用要求：

实际选用（25~50）mm千分尺（MPE：

±0.004mm）。

2.2.3.3如测量是由多台测量设备组合而成的测量装置完成，则测量装置的允许误差误差（不确定度）应满足2.2.3.1要求，即：

=MPE总≤U1

式中：

MPEi——第i台测量设备的最大允许误差

例4：

某温度测量选用热电偶+PLC系统组成测量装置

设本测量过程的测量值为465℃，允许测量不确定度U允=5℃。

选择测量装置的测量范围为（0-800）℃，故测量装置的最大允许误差U1为：

U1=aU允

因本测量过程为自动测量，数字显示，且受其他因素影响较小。

故取a=0.9，所以有：

U1=0.9U允=0.9×5=±4.5℃

因测量装置的误差MPE总由热电偶误差MPE1及PLC模块转换误差MPE2组成，则：

1）PLC模块转换误差MPE2：

试选择10位PLC模块以满足分辨力1℃的要求。

则其转换误差MPE2为：

MPE2=800×1/210=±0.78℃

2）热电偶的最大允许误差MPE1可由上述结果计算：

MPE1≤

=±4.57℃

查JJG351-1996工作用廉金属的检定规程可知K型,II级热电偶在测量端温度为465℃时的最大允许误差MPE=±0.75%*t=±3.49℃，＜MPE1，所以选择K型,II级热电偶可满足要求。

2.2.4测量设备分辨力的选择

1）当被测参数对计量器具分辨力有明确要求时，应保证所选测量设备的分辨力小于等于要求的分辨力。

。

2）当被测参数未明确分辨力要求，但对测量结果的保留位数有要求时，应保证所选测量设备的分辨力小于等于拟保留位数的末位。

3）对于指针/刻度指示仪器原则上没有分辨力的概念。

但需要时可以其估读能力与要求的分辨力比较。

4）一般可选择分辨力为T/10。

2.2.5测量设备重复性的选择

当被测参数对测量设备的重复性有要求时，应保证所选测量设备的重复性限小于等于要求的重复性，若该测量设备的检定/校准规范中没有重复性参数的检查项目，应与校准机构商议重复性的校准及方法。

2.2.6测量设备其他计量特性的选择

应根据被测参数及拟选用测量方法的特点，确定是否需规定所必须限制的计量特性要求，并依此要求选择测量设备。

2.2.7测量过程控制要求

2.2.7.1操作者

根据被测参数的重要性及测量过程的难易程度及特点规定操作者的能力或资质要求。

2.2.7.2对被测参数的限定条件

针对诸如测量时机、取样规定、样品温度、测量部位、样品安放等影响测量结果的因素做出规定。

2.2.7.3方法

规定测量操作程序。

2.2.7.4环境

对影响测量结果的或测量设备正常运行的环境条件做出规定。

2.3有效确认

1）所设计测量方法的测量结果x1与其他已经确认的方法的测量结果x2进行比较，当：

|x1-x2|≤

成立时，可判定测量结果有效。

2）所设计测量方法的测量结果x1与采用准确度等级更高的测量设备所得测量结果x2进行比较，当：

|x1-x2|≤U1

成立时，可判定测量结果有效。

3）所设计测量结果x1其他多台等精度测量设备所得测量结果的均值比较，当：

成立时，可判定测量结果有效。

4）利用统计技术进行测量系统分析（多用于机械制造中的几何量测量）。

5）通过生产效果验证，检查测量参数所对应产品相关指标是否达到设计、工艺等技术要求（通过过程特征的连续分析方法来确认有效的测量过程）。

3监视

3.1监视方法

测量过程的监视包含对所有过程要素是否按照测量过程规范的要求实施并满足预期要求的检查。

“测量过程应设计成能防止出现错误的测量结果，并确保能迅速检测出存在的问题……”（GB/T19022-20037.2.2）。

“确保迅速发现存在的问题……”（8.2.4）这是设计监视方法基本原则。

一个合理的监视方法应确保迅速发现错误的测量结果（即测量结果失准）。

监视一般采用以下方法：

1）定性监视

对管理性要求（如人员资质、测量设备、环境条件等过程要素的控制及测量记录填写等是否符合相关规定要求）采用定性监视；监视频次为不定期抽查，每个应监视的过程每年至少抽查一次。

2）定量监视

对技术性要求（如测量数据的质量是否满足预期要求、测量设备的计量特性是否持续保持等）采用定量监视,可根据测量过程的特点及现场情况，规定一种或多种监视方法。

常用定量监视方法有（不限于）：

A.测量前后检查测量设备的相关参数变化是否超出允许范围；

B.控样测试；

C.不同测量方法/设备之间测量结果的比对；

D.互检、抽检；

E.比较相关联同类参数测量数据之间是否符合规律；

F.比较相关联不同类参数测量数据之间是否符合规律；

G.利用统计分析方法（如绘制控制图、回归曲线等）；

H.参加实验室间的比对

I.期间核查（可与其他方法结合使用）；

J.与操作工的经验判断估计值比较。

选用监视方法及监视频次的原则是确保能及时发现/或怀疑失准的测量数据，及时时限的规定应与测量不符合规定要求所产生的风险相匹配。

如规定了多种监视方法，则应明确各方法的使用时机。

注：

a不要苛求所采用的监视方法能够准确判定出测量结果出现错误的原因、大小、方向等，重点是保证及时发现（或怀疑）。

b当采用监视方法J时，应对操作工的技能、经验有特定要求（在过程要素及岗位说明书中规定）。

3.2监视频次

监视频次的确定应根据测量数据的重要性及企业能承受的失控时间确定。

如：

A对过程控制的测量过程，其监视频次可能是实时或1次/10min、1次/h；

B对原材料检验的测量过程，假设原料进厂后均在一周后才投入使用，与供方异议提出时限也大于一周，则其监视频次可能是1次/周。