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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)于某些以引用zui大允許誤差或相對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)儀器的使用者并沒有直接的意義，只是用于表示對(duì)檢定/校準(zhǔn)儀器實(shí)驗(yàn)室的能力和對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)于用相對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)儀器帶來的不確定度進(jìn)行計(jì)算。
3. 對(duì)于使用實(shí)際值或者依據(jù)示值誤差對(duì)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(duì)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(duì)儀器使用的準(zhǔn)確度影響是zui直接的。
對(duì)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(duì)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(duì)測量結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，對(duì)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(duì)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(duì)象對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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)。