測量儀器準(zhǔn)確度、zui大允許誤差和不確定度辨析

國家計(jì)量技術(shù)規(guī)范JJF1033—2001《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》對所采用的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具、配套設(shè)備以及所開展的檢定/校準(zhǔn)項(xiàng)目的準(zhǔn)確度指標(biāo)，要求填寫“不確定度或準(zhǔn)確度等級(jí)或zui大允許誤差"；JJF1069—2000《法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)考核規(guī)范》要求填寫檢定/校準(zhǔn)“準(zhǔn)確度等級(jí)或測量擴(kuò)展不確定度"；實(shí)驗(yàn)室國家認(rèn)可的校準(zhǔn)項(xiàng)目則是填寫“不確定度/準(zhǔn)確度等級(jí)"。以上幾種表述方式，表面看來僅僅在文字上有所區(qū)別，而實(shí)際，在對不確定度如何表達(dá)的問題上，存在不同的理解和誤區(qū)。例如，JJF1033—2001對計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具、配套設(shè)備不確定度的解釋是“已知測量儀器或量具的示值誤差，并且需要對測量結(jié)果進(jìn)行修正時(shí)，填寫示值誤差的測量不確定度"；另JJF1033—2001對所開展的檢定及校準(zhǔn)項(xiàng)目不確定度的解釋是“指用該計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)檢定或校準(zhǔn)被測對象所給出的測量結(jié)果不確定度，其中不應(yīng)包括由被測對象所引入的不確定度分量"（見JJF1033—2001國家統(tǒng)一宣貫教材《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范實(shí)施指南》，中國計(jì)量出版社）。對儀器的不確定度，在同一規(guī)范中，已有不同的理解，在其它規(guī)范中的含義也各有區(qū)別，還有不少專家提出用不確定度表示測量儀器的特性，根本就是不合適。為了對表述測量儀器的準(zhǔn)確度指標(biāo)有統(tǒng)一和清晰的理解，對儀器準(zhǔn)確度等級(jí)、zui大允許誤差和不確定度的意義和內(nèi)在進(jìn)行分析和探討，是十分必要的。
一、準(zhǔn)確度等級(jí)是用符號(hào)表示的準(zhǔn)確度檔次
測量儀器準(zhǔn)確度是定性概念。這個(gè)問題在JJF1001—1998《通用計(jì)量術(shù)語及定義》，JJF1059—1999《測量不確定度的評(píng)定與表示》，BIPM、ISO等7個(gè)計(jì)量組織1993年頒布的《基本和通用計(jì)量名詞術(shù)語》（VIM）、ISO等7個(gè)組織于1993年正式頒布《測量不確定度表示指南》（GUM）已有明確的解釋。JJF1033—2001《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》也已將JJF1033—1992中對計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度賦予一個(gè)定量計(jì)算公式的規(guī)定作出修訂，以測量結(jié)果不確定度取代。明確測量儀器準(zhǔn)確度是定性概念，以和接軌以及和上面規(guī)范保持一致是十分必要的。由于VIM和GUM是以多個(gè)組織的名義聯(lián)合頒布，上各個(gè)組織也在逐漸消除這種不規(guī)范的表述。對于一些不合適的表達(dá)，如“二等活塞壓力計(jì)的準(zhǔn)確度為±0.05%"，只能是對標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等文件的修訂逐步改正。
測量儀器的準(zhǔn)確度等級(jí)的表達(dá)必須依據(jù)計(jì)量檢定規(guī)程、檢定系統(tǒng)表、OIML建議、標(biāo)準(zhǔn)或其它技術(shù)文件。通常按zui大允許誤差表示的測量儀器，其級(jí)別用大寫拉丁數(shù)字、羅馬數(shù)字或阿拉伯?dāng)?shù)字表示，必要時(shí)還可以用字母附以阿拉伯?dāng)?shù)字。例如：砝碼分為E1，E2，F(xiàn)1，F(xiàn)2，M1，M2，M11，M22級(jí)。按引用zui大允許誤差或相對zui大允許誤差表示的測量儀器，用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，而且常用百分?jǐn)?shù)表示而略去百分符號(hào)。例如：彈簧式精密壓力表，分為0.05級(jí)，0.1級(jí)，0.16級(jí)，0.25級(jí)，0.4級(jí)，0.6級(jí)。按等劃分的測量儀器，用中文數(shù)字或阿拉伯?dāng)?shù)字表示，例如，二等活塞壓力計(jì)，3等量塊。
但遺憾的是，受習(xí)慣的影響，目前還是有一些人認(rèn)為準(zhǔn)確度等級(jí)既然包含數(shù)量，作為定量表示未嘗不可。誠然，對于某些以引用zui大允許誤差或相對zui大允許誤差表示的測量儀器，準(zhǔn)確度等級(jí)與儀器的zui大允許誤差有比較直接的對應(yīng)關(guān)系，如0.25級(jí)、0.4級(jí)彈簧式精密壓力表的zui大允許誤差分別為測量上限的±0.25%和±0.4%，1級(jí)材料試驗(yàn)機(jī)在測量范圍內(nèi)（量程20%～100%）的zui大允許誤差為±1.0%。所以有人以偏概全，以為都是這種情況，以此出現(xiàn)了諸如“上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度為被檢儀器準(zhǔn)確度1/3"的錯(cuò)誤表達(dá)。這種觀點(diǎn)顯然不具有普遍的意義，比如對于F1級(jí)砝碼，說其準(zhǔn)確度的1/3，會(huì)令人不知所云。以數(shù)字表達(dá)的準(zhǔn)確度等級(jí)和儀器的zui大允許誤差也不一定直接對應(yīng)，如一級(jí)照度計(jì)的zui大允許誤差±4%，二級(jí)照度計(jì)的zui大允許誤差為±8%。等同標(biāo)準(zhǔn)ISO376：1999的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13634：2000《試驗(yàn)機(jī)檢測用測力儀的校準(zhǔn)》，把適合于檢定1級(jí)材料試驗(yàn)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)測力儀定義為1級(jí)測力儀，這種測力儀的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)略高于現(xiàn)行的JJG144—1992標(biāo)準(zhǔn)測力儀檢定規(guī)程中0.3級(jí)測力儀。由此看出，準(zhǔn)確度等級(jí)只是一個(gè)檔次的符號(hào)，不能作為一個(gè)量。
順便說明，不能用精度或精密度代替準(zhǔn)確度，精度只表示隨機(jī)效應(yīng)的影響，與之對應(yīng)的另一個(gè)名詞是正確度，表示系統(tǒng)效應(yīng)的影響，只有準(zhǔn)確度才包含了隨機(jī)效應(yīng)和系統(tǒng)效應(yīng)。
二、不確定度或zui大允許誤差是準(zhǔn)確度的量化
我們回頭再看看準(zhǔn)確度等別和級(jí)別的概念。等是指計(jì)量器具、特別是標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具的實(shí)際值的擴(kuò)展不確定度檔次，以等劃分的儀器使用實(shí)際值或依據(jù)檢定/校準(zhǔn)結(jié)果對示值修正使用；級(jí)則是指計(jì)量器具示值允許誤差大小的檔次，以級(jí)劃分的儀器直接使用示值，不需要修正。
當(dāng)測量儀器沒有劃分準(zhǔn)確度等別，或者考慮給準(zhǔn)確度等別予以量化時(shí)，直接給出實(shí)際值的擴(kuò)展不確定度，即上級(jí)對其檢定/校準(zhǔn)的測量結(jié)果不確定度；當(dāng)測量儀器沒有劃分準(zhǔn)確度級(jí)別，或者考慮給準(zhǔn)確度級(jí)別予以量化時(shí)，直接給出其示值zui大允許誤差。這才是所謂的“準(zhǔn)確度等級(jí)或不確定度或zui大允許誤差"。
有些測量儀器只能按等劃分，例如活塞式壓力計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)硬度塊；有些測量儀器只能按級(jí)劃分，例如經(jīng)緯儀、百分表；有些計(jì)量器具既按等劃分，又按級(jí)劃分，例如量塊、標(biāo)準(zhǔn)電池。對應(yīng)到不確定度或zui大允許誤差的意義為，以等使用的測量儀器可以用準(zhǔn)確度等別表示，也可以用實(shí)際值或修正值的不確定度表示；以級(jí)使用的測量儀器可以用準(zhǔn)確度級(jí)別表示，也可以用zui大允許誤差表示，還可以給出評(píng)定示值誤差的測量不確定度，這時(shí)，測量不確定度對儀器的使用者并沒有直接的意義，只是用于表示對檢定/校準(zhǔn)儀器實(shí)驗(yàn)室的能力和對被檢定/校準(zhǔn)儀器符合zui大允許誤差要求進(jìn)行判定的合理性。
所以填寫測量儀器“準(zhǔn)確度等級(jí)或不確定度或zui大允許誤差"，存在不同的選擇，可填寫其中的一項(xiàng)、兩項(xiàng)或三項(xiàng)。
1. 在存在準(zhǔn)確度等級(jí)的前提下，只填寫準(zhǔn)確度等級(jí)是zui簡單明了。對于多參數(shù)和分部檢定的測量儀器，如經(jīng)緯儀、聲級(jí)計(jì)，填寫準(zhǔn)確度等級(jí)是zui合適的。這類儀器使用時(shí)，必須從計(jì)量檢定規(guī)程等技術(shù)文件中找出該準(zhǔn)確度等級(jí)所對應(yīng)的不確定度或zui大允許誤差。
2. 用zui大允許誤差表示時(shí)，對于用相對誤差或引用誤差表示的儀器，其整個(gè)量程zui大允許誤差一般是相同的；而對于用誤差表示的儀器，其整個(gè)量程zui大允許誤差是不同的，這樣，只能給出儀器測量上下限對應(yīng)的允許誤差。這類儀器使用時(shí)，由于不進(jìn)行修正，儀器帶來的不確定度主要是儀器的示值誤差引起的。所以zui大允許誤差對應(yīng)于儀器的使用的準(zhǔn)確度，通?？梢约僭O(shè)儀器的示值誤差在zui大允許誤差范圍內(nèi)均勻分布對儀器帶來的不確定度進(jìn)行計(jì)算。
3. 對于使用實(shí)際值或者依據(jù)示值誤差對指示值進(jìn)行修正的儀器，必須填寫實(shí)際值不確定度。這類儀器由于修正使用，儀器帶來的不確定度主要是對該儀器進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)的測量不確定度。所以不確定度這個(gè)參數(shù)對儀器使用的準(zhǔn)確度影響是zui直接的。
對于校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室所開展的項(xiàng)目，因?yàn)樾?zhǔn)不一定作出符合性判斷，這時(shí)測量不確定度成為衡量和比較實(shí)驗(yàn)室能力的惟一指標(biāo)。填寫測量不確定度表示的校準(zhǔn)測量能力，是有必要的，但校準(zhǔn)測量能力并不是簡單的不包括由被測對象所引入的不確定度分量的測量不確定度。測量不確定度是針對測量結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，對其簡單粗暴的肢解，無論在理論還是實(shí)際都是行不通的。如GUM中關(guān)于比較法校準(zhǔn)量塊的zui典型例子，其中一個(gè)分量是以量塊長度乘以被校量塊與參考溫度偏差值為靈敏系數(shù)，再乘以被校量塊與標(biāo)準(zhǔn)量塊間熱膨脹系數(shù)差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；另一個(gè)分量是以量塊長度乘以標(biāo)準(zhǔn)量塊的熱膨脹系數(shù)為靈敏系數(shù)，乘以被校量塊與標(biāo)準(zhǔn)量塊間溫度差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。被檢定/校準(zhǔn)對象和各個(gè)不確定度分量之間的關(guān)系是剪不斷的，被檢定/校準(zhǔn)對象對于不確定度的計(jì)算不能排除在外，只是可以計(jì)算被測對象處于一個(gè)正常而影響zui小的狀態(tài)，這時(shí)就是校準(zhǔn)測量能力。
對于檢定工作，由于依據(jù)檢定規(guī)程開展工作時(shí)，測量不確定度必然不超出一個(gè)合理的控制范圍，填寫的測量不確定度是表示可以符合檢定系統(tǒng)的要求。
另外，對于比較簡單的檢定系統(tǒng)，除了基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)器具可能只有一個(gè)等級(jí)，工作器具也可能只存在一個(gè)等級(jí)，如金屬布氏硬度計(jì)，是用國家基準(zhǔn)（包括國家基準(zhǔn)、副基準(zhǔn)、工作基準(zhǔn)）檢定標(biāo)準(zhǔn)硬度塊，再用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊檢定工作硬度計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)塊和工作硬度計(jì)分別只有一個(gè)等別和級(jí)別，由于標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的測量不確定度和工作硬度計(jì)zui大允許誤差和壓頭、試驗(yàn)力等有關(guān)，只能給出一個(gè)范圍，表述起來相當(dāng)復(fù)雜和不方便，對這種情況，只要在不會(huì)引起混淆，硬度塊的準(zhǔn)確度等級(jí)可用“標(biāo)準(zhǔn)級(jí)"表示，硬度計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)可用“工作級(jí)"表示，而不一定要填寫硬度塊的不確定度以及硬度計(jì)的zui大允許誤差。
由此可以看出，測量儀器不確定度指標(biāo)在法定計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核、機(jī)構(gòu)考核，實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可中的涵義應(yīng)該是統(tǒng)一的，雖然有不同的側(cè)重點(diǎn)。