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校准和测量能力CMC的表示方式应用指南

校准和测量能力(CMC)的表示方式应用指南

中国合格评定国家认可委员会(CNAS)于2011年2月15日发布了CNAS-CL07:

2011《测量不确定度的要求》,并于2011年5月1日正式实施,该文件中关于校准实验室测量不确定度的要求等同采用了国际实验室认可合作组织(ILAC)ILAC-P14:

2010《校准领域测量不确定度的政策》(2011年11月1日实施)的内容。

目前CNAS认可的部分校准实验室“校准和测量能力”(以下简称CMC)的表示方式不能满足上述文件的要求,因此CNAS秘书处于2011年9月23日发文(认可委(秘)(2011)118号)要求校准实验室对CMC的表示方式进行核查和修改。

为了更好地完成此次CMC核查工作,CNAS秘书处组织编制了本文件,供校准实验室和校准领域评审员参考。

在使用时应注意,本指南中的CMC示例仅作为CMC表示方式的示范,实验室应根据实际评估结果确定表示方式和数值。

一、文件要求

ILAC-P14:

11/2010《校准领域测量不确定度的政策》[注1]相关条款:

5.2ThereshallbenoambiguityontheexpressionoftheCMConthescopesofaccreditationand,consequently,onthesmallestuncertaintyofmeasurementthatcanbeexpectedtobeachievedbyalaboratoryduringacalibrationorameasurement.Particularcareshouldbetakenwhenthemeasurandcoversarangeofvalues.Thisisgenerallyachievedthroughemployingoneormoreofthefollowingmethodsforexpressionoftheuncertainty:

a)Asinglevalue,whichisvalidthroughoutthemeasurementrange.

b)Arange.Inthiscaseacalibrationlaboratoryshouldhaveproperassumptionfortheinterpolationtofindtheuncertaintyatintermediatevalues.

c)Anexplicitfunctionofthemeasurandoraparameter.

d)Amatrixwherethevaluesoftheuncertaintydependonthevaluesofthemeasurandandadditionalparameters.

e)Agraphicalform,providingthereissufficientresolutiononeachaxistoobtainatleasttwosignificantfiguresfortheuncertainty.

Openintervals(e.g.,“U

5.3TheuncertaintycoveredbytheCMCshallbeexpressedastheexpandeduncertaintyhavingaspecificcoverageprobabilityofapproximately95%.Theunitoftheuncertaintyshallalwaysbethesameasthatofthemeasurandorinatermrelativetothemeasurand,e.g.,percent.Usuallytheinclusionoftherelevantunitgivesthenecessaryexplanation.

注1:

ILAC-P14:

11/2010全文可从以下地址下载:

http:

//www.ilac.org/documents/ILAC_P14_12_2010.pdf

CNAS-CL07:

2011《测量不确定度的要求》第7.1条等同转化了ILAC-P14的如上内容:

7.对校准和测量能力(CMC)的要求

7.1校准和测量能力(CMC)是校准实验室在常规条件下能够提供给客户的校准和测量的能力。

其应是在常规条件下的校准中可获得的最小的测量不确定度。

应特别注意当被测量的值是一个范围时,CMC通常可以用下列一种或多种方式表示[注2]:

a)CMC用整个测量范围内都适用[注3]的单一值表示;

b)CMC用范围表示。

此时,实验室应有适当的插值算法以给出区间内的值的测量不确定度。

c)CMC用被测量值或参数的函数表示;

d)CMC用矩阵表示。

此时,不确定度的值取决于被测量的值以及与其相关的其他参数;

e)CMC用图形表示。

此时,每个数轴应有足够的分辨率,使得到的CMC至少有2位有效数字;

CMC不允许用开区间表示(例如“U

一般情况下,CMC应该用包含概率约为95%的扩展不确定度表示。

CMC的单位应当始终与被测量一致,或者使用与被测量的单位相关的其他单位表示,例如用百分比表示。

当CMC的单位与被测量不一致时,应给出必要的说明。

注2:

CNAS-CL07:

2011目前已进行修订,修订后的文件正在审批过程中。

修订内容之一就是将第7.1条中的“CMC通常可以用下列方法之一表示”,按照ILAC-P14的原文修改为“CMC通常可以用下列一种或多种方式表示”。

因此在以下对CMC表示方式的内容中,对一个认可项目或参数,需要时可以采用多种方式表示。

注3:

CNAS-CL07目前在修订中,考虑到便于理解,将“有效”改为“适用”。

二、CMC表示方式选择的原则和应用实例

(一)CMC表示方式选择的原则

1.应符合CNAS-CL07:

2011第7.1条的要求;

2.科学、严谨、合理的选择CMC的表示方式,既简单、明确,便于各方使用,又与国际上协调一致;

3.实验室应在对整个测量范围的CMC进行完整的评估和分析的基础上,选择CMC的恰当的表示方式。

4.实验室应根据不同校准参量(项目)的计量标准设备、测量原理、测量方法、数据处理方法等的特点选择CMC的恰当的表示方式,不宜不做区分均采用一种方式,如均使用范围表示。

一般情况下,CMC的表示方式取决于其占绝对优势的不确定度分量与测量范围的关系。

例如当计量标准的最大允差是最大的不确定度分量时,CMC的表示方式宜与该最大允差的表达方式一致。

(二)CMC表示方式的应用示例

1.CMC用整个测量范围内都适用的单一值表示;

CMC用单一值表示时,单一值可以是绝对值,例如U=0.2µm;也可以是相对值,例如Urel=0.15%。

Ø使用单一的绝对值表示的CMC,一般情况下,该CMC的主要不确定度来源较少或单一,且在整个测量范围内不变。

常用于以下几种情况:

(1)整个测量范围内,单一的绝对值可以对整个范围都适用。

这种情况,一般常见于来自计量标准设备或校准方法等占主导作用的测量不确定度分量对应整个测量范围是单一的绝对值。

例如:

示例1.

序号

测量仪器名称

校准

参量

领域代码

规范代号(含年号)名称

测量范围

扩展不确定度(校准和测量能力)

(k=2)

限制说明

备注

1

千分表检定仪

长度

1303

JJG201-2008

指示类量具检定仪规程

(0~2)mm

U=0.2µm

(2)把测量范围分段表示,每个分段的CMC可以使用单一的绝对值表示。

例如:

示例2.

序号

测量仪器名称

校准

参量

领域代码

规范代号(含年号)名称

测量范围

扩展不确定度(校准和测量能力)

(k=2)

限制说明

备注

1

常用玻璃量器

容量

1312

JJG196-2006

常用玻璃量器检定规程

(1~10)ml

U=0.003ml

(10~20)ml

U=0.008ml

(20~100)ml

U=0.018ml

(100~200)ml

U=0.04ml

(200~500)ml

U=0.07ml

(500~1000)ml

U=0.12ml

(1000~2000)ml

U=0.18ml

(3)某些校准项目,校准方法(标准方法)明确规定了2~3个校准点,对于这些校准点较少并固定的,CMC可以直接对应该校准点给出,例如:

示例3.

序号

测量仪器名称

校准

参量

领域代码

规范代号(含年号)名称

测量范围

扩展不确定度(校准和测量能力)(k=2)

限制说明

备注

1

工作用

铂铑10-铂

热电偶

温度

1501

JJG141-2000

工作用贵金属

热电偶检定规程

(419.527~1084.62)℃

419.527℃:

U=0.72℃;

660.323℃:

U=0.70℃;

1084.62℃:

U=0.69℃

2

铂、铜电阻

温度

1501

JJG229-2010

工业铂、铜热电阻检定规程

(-50~300)℃

0℃:

U=0.013℃;

50℃:

U=0.020℃;

100℃:

U=0.023℃

但这种表示方式,一般情况下需谨慎使用,因为这种表示方式对客户有一定的专业知识的要求,如需要其了解校准方法,如果这种表示方式不便于客户使用,不建议使用。

Ø使用单一的相对值表示的CMC,应用范围较为广泛,其原则为,测量范围内不同被测值的CMC与测量范围成线性关系,虽然绝对值不同,但换算为相对值时,基本相同。

例如:

示例4.

序号

测量仪器名称

校准

参量

领域代码

规范代号(含年号)名称

测量范围

扩展不确定度(校准和测量能力)(k=2)

限制说明

备注

1

精密压力表

压力

1320

JJG49-1999

弹簧管式精密压力表及真空表检定规程

(0.04~60)MPa

Urel=0.39%

2

数字压力计

压力

1320

JJG875-2005

数字压力计检定规程

(-0.1~60)MPa

Urel=0.08%

3

二等标准活塞压力计

压力

1320

JJG59-2007

活塞式压力计检定规程

(0.06~60)MPa

Urel=0.07%

4

拉力、压力和万能试验机

力值

1326

JJG139-1999

拉力、压力和万能试验机

(2~5000)kN

Urel=0.41%

5

非金属拉力、压力和万能试验机检定规程

力值

1326

JJG157-2008

非金属拉力、压力和万能试验机检定规程

(100~2500)N

Urel=0.36%

6

数字温度显示调节仪检定规程

温度

1503

JJF617-1996

数字温度显示调节仪检定规程

(0~800)℃

Urel=0.012%

7

水表

流量

1316

JJG686-2006热水表检定规程

JJG162-2009冷水水表检定规程

(0.02~200)m3/h

DN(15-300)mm

Urel=0.4%

8

气体质量流量计

流量

1316

JJG1038-2008

质量流量计检定规程

(8~3160)m³/h

气压:

(2.5~9.6)MPa

Urel=0.25%

(8~12000)m³/h

气压:

(4.5~9.6)MPa

Urel=0.32%

当测量范围可以划分为几个与CMC成线性的分段时,则可以将测量范围分段,然后CMC使用单一的相对值表示。

例如:

示例5.

序号

测量仪器名称

校准

参量

领域代码

规范代号(含年号)名称

测量范围

扩展不确定度(校准和测量能力)

(k=2)

限制说明

备注

1

数字压力计

压力

1320

JJG875-2005

数字压力计检定规程

(-0.1~0)MPa

Urel=0.085%

(0~60)MPa

Urel=0.080%

2

直流数字电压表

直流电压

0409

JJG315-1983

直流数字电压表试行检定规程

2mV~20mV

Urel=0.012%

20mV~200mV

Urel=0.0096%

200mV~2V

Urel=0.0040%

2V~20V

Urel=0.0087%

20V~200V

Urel=0.013%

200V~1100V

Urel=0.016%

对于计量标准设备的技术指标对应其整个测量范围或分量程后相对成线性关系的,由于该技术指标在整个测量范围或不同量程内在可以用单一的相对值表示。

这些校准项目的CMC一般适合对整个测量范围或分段(量程)使用单一相对值表示。

当然,对于不适用这一关系的项目,应根据实际情况采用其他方式表示CMC。

例如有些项目的计量标准设备的技术指标虽然可以用单一相对值表示,但该项目的CMC有一个不确定度分量在整个测量范围内是一个固定的值,此时,CMC可能需要使用公式表示。

2.CMC用范围表示:

用范围表示CMC的原则:

⏹确定该CMC不适合用单一值或公式表示;

⏹用范围表示CMC时,应易于客户使用。

⏹CMC的范围应与测量范围前后对应。

对易于客户使用的理解是:

CMC应尽量完整,并应包含测量范围内常用的区段的CMC。

用范围表示的CMC与测量范围通常不是线性关系,但其与测量范围一般有相对一致的趋势,例如:

示例6.

序号

测量仪器名称

校准

参量

领域代码

规范代号(含年号)名称

测量范围

扩展不确定度(校准和测量能力)

(k=2)

限制说明

备注

1

压力式温度计

温度

1501

JJG310-2002

压力式温度计检定规程

(0~100)℃

U=0.3℃~0.5℃

2

双金属温度计

温度

1501

JJG226-2001

双金属温度计检定规程

(0~300)℃

U=0.3℃~0.6℃

3

工作用廉金属热电偶

温度

1501

JJG351-1996

工作用廉金属热电偶检定规程

(300~1100)℃

U=0.6℃~1.5℃

4

工作用贵金属热电偶

温度

1501

JJG141-2000

工作用贵金属热电偶检定规程

(300~1100)℃

U=0.4℃~0.9℃

示例6中的工作用贵金属热电偶,当不同型号的贵金属热电偶的CMC不同时,应分别给出,例如:

示例7.

序号

测量仪器名称

校准

参量

领域代码

规范代号(含年号)名称

测量范围

扩展不确定度(校准和测量能力)

(k=2)

限制说明

备注

1

工作用

贵金属

热电偶

温度

1501

JJG141-2000

工作用贵金属热电偶检定规程

铂铑10-铂热电偶:

(300~1300)℃

U=0.65℃~0.85℃

铂铑13-铂热电偶:

(300~1300)℃

U=0.65℃~0.85℃

铂铑30-铂铑6热电偶:

(600~1700)℃

U=0.70℃~1.2℃

当整个测量范围需要分段,才能满足“CMC的范围应与测量范围前后对应”这一原则时,可以把测量范围按照符合上述原则进行分段后表示,例如:

示例8.

序号

测量仪器名称

校准

参量

领域代码

规范代号(含年号)名称

测量范围

扩展不确定度(校准和测量能力)

(k=2)

限制说明

备注

1

标准水银温度计

温度

1501

JJG161-2010

标准水银温度计检定规程

(-50~0)℃

U=(0.06~0.04)℃

(0~300)℃

U=(0.04~0.08)℃

2

工作用玻璃液体温度计

温度

1501

JJG130-2004

工作用玻璃液体温度计

检定规程

(-60~0)℃

U=(0.5~0.3)℃

(0~300)℃

U=(0.3~0.6)℃

3

半导体点温计

温度

1501

JJG363-1984

半导体点温计检定规程

(-60~0)℃

U=(0.5~0.3)℃

(0~300)℃

U=(0.3~0.6)℃

注意这种表示方式的原则“CMC的范围应与测量范围前后对应”,并不是CMC的最小值要对应测量范围的最小值,例如上表中半导体点温计测量范围(-60~0),对应CMC为U=(0.5~0.3)℃,其中-60℃点对应U=0.5℃,0℃点对应U=0.3℃。

这一原则是为了避免对CMC需要补充额外的说明。

用这一方式可以直观的表明CMC与测量范围的关系。

用范围表示时,对于实验室有一个要求,就是实验室应有适当的插值算法以给出区间内的值的测量不确定度。

在实际中,不一定必须是一个“插值算法”的形式,但实验室必须能够给出CMC的中间值。

例如对每一个被测值的CMC均进行了评估。

同时注意,在校准证书中不得用测量不确定度范围的形式报告校准结果的测量不确定度(CNAS-CL07第5.3条)。

3.CMC用被测量值或参数的函数表示:

当CMC评估的主要不确定度分量与被测量具有函数关系时,CMC与被测量的关系通常也服从该函数,此时,CMC可以使用被测量值或参数的函数表示。

例如使用3等量块作为主要计量标准设备校准长度量具时,主要测量不确定度来源:

年长度稳定度允许值:

±(0.05+0.5×10-6Ln)μm

3等量块校准结果的不确定度:

U=(0.10+1×10-6Ln)μm

则校准结果的测量不确定度(CMC)通常可用类似于以上公式的函数表示。

例如:

U=(0.12+1.4×10-6Ln)μm

用函数表示的情况还可见于一些数字显示仪表,例如电学领域:

直流电压:

1V~10V:

U=0.015%U+2d

式中U表示被测电压值,d表示被校仪器的示值分辨力。

示例9.

序号

测量仪器名称

校准

参量

领域代码

规范代号(含年号)名称

测量范围

扩展不确定度(校准和测量能力)(k=2)

限制说明

备注

1

量块

端度

1308

JJG146-2003

量块检定规程

(0.5~1000)mm

U=0.13µm+0.7×10-6L

L–mm

2

量块

端度

1308

JJG146-2003

量块检定规程

(0.5~1000)mm

U=(0.02+0.2L)µm,

L-m

3

标准

环规

直径

1308

JJG894-1995

标准环规检定规程

≤200mm

U=(0.17+0.001L)µm,

L-mm

4.CMC用矩阵表示。

此时,不确定度的值取决于被测量的值以及与其相关的其他参数:

矩阵是指纵横排列的二维数据表格。

使用矩阵表示的典型应用就是交流电压的CMC,由于交流电压值与频率相关,因此CMC很难用以上的其他方式表示。

下表是国外用矩阵表示交流电压的CMC的实例:

类似的具有辅助或相关参量的被测量的CMC也适合用矩阵表示。

例如交流功率、声强等。

以下以交流电流表为例,分别用两种方式表示其CMC。

1) 不使用矩阵,灵活调整修改认可表格中的测量范围栏,表示CMC。

如下表:

示例10.[注3]

序号

测量仪器名称

校准

参量

领域代码

规范代号(含年号)名称

测量范围

扩展不确定度(校准和测量能力)

(k=2)

限制说明

备注

1

交流数字电流表

交流电流

0409

JJG(航天)35-1999交流数字电流表检定规程

(22~220)A

10Hz-20Hz

0.025%+16nA

20Hz-40Hz

0.016%+10nA

40Hz-1kHz

0.012%+8nA

1kHz–5kHz

0.028%+12nA

5kHz–10kHz

0.11%+65nA

(0.22~2.2)mA

10Hz-20Hz

0.025%+40nA

20Hz-40Hz

0.016%+35nA

40Hz-1kHz

0.012%+35nA

1kHz-5kHz

0.020%+0.11A

5kHz-10kHz

0.11%+0.65A

(2.2~22)mA

10Hz-20Hz

0.025%+0.40A

20Hz-40Hz

0.016%+0.35A

40Hz-1kHz

0.012%+0.35A

1kHz-5kHz

0.020%+0.55A

5kHz-10kHz

0.11%+5A

(22~220)mA

……

……略

2

数字压力计

压力

1320

JJG875-2005数字压力计检定规程

(-0.1~60)MPa

Urel=0.08%

该表示方式是基于校准交流电流表使用的计量标准设备(FLUKE5720A)的技术指标的表示方式,见表1。

表1.FLUKE5720A交流电流技术指标(95%的置信度)

量程

分辨率

频率

绝对不确定度

(×10-6输出+nA)

220A

1nA

10Hz~20Hz

20Hz~40Hz

40Hz~1kHz

1kHz~5kHz

5kHz~10kHz

250+16

160+10

120+8

280+12

1100+65

2.2mA

10nA

10Hz~20Hz

20Hz~40Hz

40Hz~1kHz

1kHz~5kHz

5kHz~10kHz

250+40

160+35

120+35

200+110

1100+650

22mA

100nA

10Hz~20Hz

20Hz~40Hz

40Hz~1kHz

1kHz~5kHz

5kHz~10kHz

250+400

160+350

120+350

20

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