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计量基准、标准、溯源性

发布时间:2016-04-05来源:阅读:

国家计量技术规范JJF1001-1998《通用计量术语及定义》(以下简称本规范)第八章对计量基准、标准等作了明确的定义和分类,由于本规范绝大部分词条采用《International Vocabulary of Basic and General Terms in Metrology》(国际通用计量学基本术语)的词条,有些定义在与“国际接轨”上很难一步到位,特别是对测量基准、标准的分类与我国现行的分类差异甚大,本规范中将〔测量〕标准与〔计量〕基准、标准视为同义词而并列,方括号中的词,规范规定使用时可省略。现介绍如下:    

一、〔测量〕标准

〔计量〕基准、标准是指“为了定义、实现、保存或复现量的单位或一个或多个量值,用作参考的实物量具、测量仪器、参考物质或测量系统。”(本规范8.1条)
  本术语与英文词〔measuremant〕standard,etalon相对应,其中etalon来自法文。
  “Standard”在科技领域里有两个含义:一是通常被人们理解的文字性技术标准、规范以及类似文件(法文词为“norme”);二是以实物形式出现的基准器和标准器(法文词为“etalon”)。在此,显然属第二种含义,且把“器”省略了。
  〔measurement〕Standard〔测量〕标准是计量基准和标准的统称,并又可细分为若干种(见8.2~8.7条)。在我国测量标准明确地分计量基准、计量标准两大类,其地位和作用在《计量法》中已分别阐明。

该定义有三层意思:(1)研制、建立基准、标准的目的是:为了定义、实现、保存或复现量的单位或一个或多个量值;(2)其作用是在测量领域里作为定值的依据和测量用标准器;(3)其存在的形式有实物量具、测量仪器、参考物质或测量系统。8.1条例a)-f)即1kg质量标准、100Ω标准电阻、标准电流表、铯频率标准、标准氢电极、有证的血浆中可的松浓度的参考溶液。分别体现了这些形式。
    为理解上述定义,在此以国际单位制SI七个基本单位中的质量单位“千克”和长度单位“米”为例,加以说明:(1)1960年第十一届国际计量大会决定采用以米制为基础发展起来的国际单位制(SI),而“千克”(kg)作为质量单位远早于国际单位制的确定。“千克”的定义几经变迁,于1901年第三届国际计量大会上明确给出:千克是质量单位,等于国际千克原器的质量。这个国际千克原器就是国际质量标准(基准),全世界只有一个,它是用90%铂和10%铱合金精心制成的形状为高度和直径均为39毫米的圆柱体,铂铱合金的密度为21.5克/厘米3,它被放在多层玻璃罩内。“千克”的实现就是用这个国际质量标准(基准)也即这一实物量具:国际千克原器,它很稳定地保存“千克”量值近100年,估计其质量的变化约为50微克,相对变化量为5×10-8。“千克”是通过千克原器和原器天平来复现的。为了全世界质量量值的统一,也即实现质量单位量值的传递和溯源,国际计量局根据千克原器的材质、形状和要求,先后加工复制了一些副原器发售给米制公约的各成员国,作为这些国家的质量标准(基准),放在三层玻璃罩内。我国于1965年引进了国际计量局编号为“No60”的直径与高度均为39毫米的铂铱合金圆柱体砝码,该砝码作为国家公斤原器,其质量标称值为1kg,在最近的一次与国际千克原器的比对中,其质量被确定为1kg+0.295mg,复现量值的不确定度为2.3μg(k=1)(这种比对每隔三四十年进行一次,最近的一次是在1989~1994年间进行的),当时已称它为国家质量基准,而正式批准是由原国家计量局于1986年批准。国家公斤原器批准时称为千克基准砝码,它和秤量为1kg、分度值不大于0.04mg的原器天平实现、复现和保存了与国际千克原器比对结果所获得的质量单位量值。按照质量计量器具检定系统,我国研制、建立的国家千克副基准、工作基准、各等级砝码及各等级标准天平和标准秤都是以不同的准确度等级来实现、复现、保存质量单位量值,以达到全国质量单位量值的统一及在规定的允许误差范围内的准确可靠。这个在七个基本量中唯一剩下没有建立自然基准的量,在21世纪将成为科学计量的重要课题。(2)“米”是国际单位制(SI)中表示“长度”的基本单位,用“m”表示,“米”定义经多次沿革,在1983年第17届国际计量大会上将“米”定义为:光在真空中于(1/299792458)秒时间间隔内所经路径的长度。国际计量委员会推荐新定义的米可以通过时间法、频率法和辐射法来实现。这些方法都是建立在光速是常数的基础上。在辐射法方面,1993年国际计量委员会推荐了8种稳频激光器辐射的标准谱线频率(波长)值,作为复现“米”定义的国际标准。目前常用的是碘吸收633纳米氦氖稳频激光器,它的复现性可达1×10-11。这种激光器以米定义为基础,实现、保存或复现了长度单位量值。我国国家的长度基准中最稳定的是633纳米基准,不确定度为2.5×10-11,它是由一套以氦氖激光器为主体的复杂的测量仪器所组成。它对上复现国际“米”定义,对下把其所复现的长度量值经由拍频或其他比较方法传递到下一级标准。根据已建立的线纹计量器具检定系统和长度计量器具(量块)检定系统,长度量值的传递和溯源又分为线纹和量块两大体系,其标准器分别为线纹尺和量块等,它们都是实物量具。量块是单值量具,两块量块可以研合在一起复现一个新的量值。量块研合后的量值就等于各个量块中心长度之和。通常将若干块长度不同的量块组成标准组,提供一系列长度量值。标准线纹尺是多值量具,一般每1mm有一条刻线,当然,还有由显微镜来读数的刻线,有可估误到0.1μm的线纹尺。
  本定义的两个注释,其一:集合标准是通过联合使用而起标准器作用的一组相似的实物量具或测量仪器。例如由一组相似的标准灯组成的发光强度集合标准。集合标准所提供的值是该集合内单个测量器具所提供之值的适当的平均值。其二:标准组是其值经过选择的标准,它们可单个地或适当地组合以复现给定范围内的一系列同种量的值,例如1kg~20kg标准砝码组称为千克组,1g~500g标准砝码组称克组,1mg~500mg标准砝码组称为毫克组。
  定义中的实物量具是指“使用时以固定形态复现或提供给定量的一个或多个已知值的器具”(见本规范6.9条)。
  定义中的测量仪器是指“单独地或连同辅助设备一起用以进行测量的器具”(见本规范6.1条)。
  定义中的参考物质是指“具有一种或多种足够均匀和很好地确定了的特性,用以校准测量装置、评价测量方法或给材料赋值的一种材料或物质”(见本规范8.13条)。此外,附有证书的参考物质称为有证参考物质(详见本规范8.14条)在我国作为统一量值用的参考物质,均进行定级鉴定,并经评审取得证书。在本规范中,为结合国情,将参考物质与标准物质,有证参考物质与有证标准物质视为同义词。
  定义中的测量系统是指“组装起来以进行特定测量的全套测量仪器和其他设备”(见本规范6.5条)。   

二、基准

本规范把基准、标准与标准视为同义词,8.1条是其统称的定义,为区分基准、标准,我们可将8.2条~8.5条作为基准类的词条,分别阐述如下:

1.国际〔测量〕标准
  国际〔计量〕基准
  是指“经国际协议承认的测量标准,在国际上作为对有关量的其他测量标准定值的依据。”(本规范8.2条)经国际协议承认的主要途径是经国际米制公约组织下设的国际计量委员会(CIPM)和国际计量局(BIPM)两个机构,它们研究、建立、组织和监督国际测量标准的工作。“米制公约”是在1875年由俄、法、德、美、意等17个国家在巴黎签署的,现经历了125年,已有48个成员国。其最高权力机构是国际计量大会,BIPM是其执行机构,是一个常设的世界计量科学研究中心,它的主要任务是保证世界范围内测量的统一,具体负责建立主要测量单位的标准,保存国际原器,组织国家标准与国际标准的比对,协调有关基本物理常数的测量工作及有关测量技术。
  BIPM拥有质量及其相关量、频率标准和时标,激光波长和频率标准、电学标准、光度和辐射度标准、热力学、电离辐射标准等学科的实验室,它们研制、建立和保存了有关的国际原器及上述组织协议承认的国际标准。如根据第18届国际计量大会及第77届国际计量委员会的决议,“自1990年1月1日起国际上将同时正式启用以约瑟夫森常数和冯·克里青常数的国际公认值为基础的电学测量新标准复现电压单位和电阻单位”这些国际标准就保存在BIPM的电学标准实验室内。从这天起,世界各国应按照新的单位量值一致的原则,调整并保存各自国家的“电压单位量值”和“电阻单位量值”。
  国际标准在我国称为国际基准,它们必须经国际协议承认,并在国际范围内,具有最高计量学特性,它是世界各国测量单位量值定值的最初依据,也是溯源的最终终点。

2.国家〔测量〕标准
  国家〔计量〕基准
  是指“经国家决定承认的测量标准,在一个国家内作为对有关量的其他测量标准定值的依据。”(见本规范8.3条)
  国家标准必须是国家决定承认的,这就确立了它的法定地位。同时,它是一个国家科学计量水平的体现,能以国内最高的准确度复现和保存给定的计量单位,在给定的计量领域中,所有计量器具进行的一切测量均可追溯到国家标准所复现和保存的计量单位量值,从而保证这些测量结果准确可靠和具有实际的可比性。
  国家标准在我国称为国家基准,我国《计量法》第五条规定:“国务院计量行政部门负责建立各种计量基准器具,作为统一全国量值的最高依据”,计量基准管理办法第二条规定:“计量基准是指用以复现和保存计量单位量值,经国务院计量行政部门批准,作为统一全国量值最高依据的计量器具”。
  申报作为国家基准必须经国家鉴定合格并经国务院计量行政部门(现在是国家质量监督检验检疫总局)审查认可;要有正常工作所需要的环境条件;有考核合格的保存、维护、使用人员;有完善的管理制度。符合上述条件的,经审批颁发计量基准证书后,方可正式使用。根据需要它可以代表国家参加国际比对,使其量值与国际基准保持一致。
  随着科学技术的发展,国家基准由“人工基准”向“自然基准”发展是当前的重要课题。

3.原级标准
  基准
  英文为primary standard,是指“具有最高的计量学特性,其值不必参考相同量的其他标准,被指定的或普遍承认的测量标准。”(见本规范8.4条)
  基准,它具有最高的计量学特性,当被国家承认后,就称之为国家基准。但还有那些没被国家承认的,却被一些部门指定的或公众普遍承认的基准,正如本条注中所述:基准的概念等同地适用于基本量和导出量。在我国目前的计量基准体系中,原级标准一直被称之为主基准,都是由国家承认批准的国家基准,而其他一些符合该定义的原级标准,则可能被列入社会公用计量标准或部门、企业、事业单位的最高标准。

4.次级标准
  是指“通过与相同量的基准比对而定值的测量标准。”(见本规范8.5条)
  为区别原级标准,且它的量值是通过与相同量的基准比对确定的,在计量学特性上要稍低于原级标准,但又高于日常用的工作标准,在我国将副基准与工作基准与其对应。   

三、标准

如上所述,本规范把基准、标准与标准视为同义词,为区分基准、标准,除参考物质,有证参考物质外我们将标准类的词条,分别阐述如下:

1.参考标准
  是指“在给定地区或在给定组织内,通常具有最高计量学特性的测量标准,在该处所做的测量均从它导出。”(见本规范8.6条)
  该定义给出参考标准存在的范围及其性质和作用。在我国它是与社会公用计量标准、部门和企业、事业单位的最高计量标准相当。在我国,它们属于应进行强制检定的计量标准,要进行考核。

2.工作标准
  是指“用于日常校准或核查实物量具、测量仪器或参考物质的测量标准。”(见本规范8.7条)
  该定义给出了它的用途及工作对象。工作标准通常用参考标准校准。当其用于确保日常测量工作正确进行的工作标准称为核查标准。
  工作标准是实现量值溯源的重要环节,它的数量很大。

3.传递标准
  是指“在测量标准相互比较中用作媒介的测量标准。”(见本规范8.8条)
  它是在测量标准相互比较中,也即包括同级标准间的相互比对或上一级标准向下一级标准传递量值中间作媒介的测量标准。如国际间大力值的几次比对,其媒介就是高准确度高稳定的力传感器,它就是传递标准。传递标准应用非常广泛,在实施计量保证方案(MAP)中也必须具备作为媒介的传递标准。

4.搬运式标准
  是指“供运输到不同地点有时具有特殊结构的测量标准。”(见本规范8.9条)
  这种标准的特点是可在实验室或测试场地间来回搬运的。本定义仅在该标准是否能方便地来回搬运上将标准器加以分类,不可搬运的也就是固定式的标准器。检定硬度计的标准硬度块是结构简单的搬运式标准,而绝对重力仪是具有特殊结构的搬运式标准。   

四、溯源性

是指“通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链,使测量结果或测量标准的值能够与规定的参考标准,通常是与国家测量标准或国际测量标准联系起来的特性。”(见本规范8.10条)
  溯源性是指用测量器具测得的量值或测量标准的值,在误差允许的范围内,通过不间断的比较链与参考标准、国家基准或国际基准相联系的特性。
  量值溯源是一种自下而上追溯的自愿行为,可通过检定、校准、比对、测试等形式,将测量结果与计量基准相联系,以保证被测量值的统一和准确。它与我国传统的按照国家计量检定系统表,自上而下将计量基准复现的单位量值通过计量标准,工作计量器具逐级传递的法制行为相比要优越、灵活得多。有时也可将其理解为量值传递的逆过程。但应该注意溯源的起点是测量结果或测量标准的值,终点是国家基准或国际基准。此外,量传是逐级传递,而溯源是自主行为,可根据需要和经济合理的原则在不间断的比较链中选择向上溯源的标准器,可以跨地区,跨国界进行。随着量传体制的改革,量值溯源越来越为人们所接受并广泛使用。