利用控制圖技術實現測量標準的質量控制

侯興勃，閆道廣，李健一

（解放軍92493部隊，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引 言

對于一個相對固定的實驗室來講，測量人員、程序、方法等資源基本是穩定不變的，環境條件引起的影響量則可以在測量結果不確定度評定時予以考慮，而測量標準則每年都需要通過送檢進行溯源，間或需要離開實驗室進行現場測試，路途運輸勢必會對測量標準造成一定的影響。另外，由于檢定周期是憑經驗確定的，雖然大多數儀器能夠保證其質量，但不可避免會發生偶然故障或由于預想不到的因素使準確度下降，實驗室不能完全保證測量標準在2次檢定（校準）的間隔期內的性能保持不變。所以實驗室對于測量過程的控制可以直接通過保證測量標準的性能來加以體現。

針對測量標準的以上特點，通過經常核查，利用統計技術監視和分析核查數據，及時發現測量標準的變化并采取糾正措施，使測量標準處于長期、連續的質量控制之中，對于確保檢測/校準數據的質量（可靠性、準確性）有著至關重要的作用。

1 控制圖基礎

控制圖是實驗室內部質量控制常用的統計方法。控制圖法是將過程核查數據畫到有預定控制極限的控制圖上，若數據處于控制極限以內，表明測量過程處于統計控制狀態；反之就是過程失控，應采取糾正措施直到再受控。

1.1 控制圖的種類[1]

1.1.1 平均值控制圖

圖1 平均值控制圖

1.1.2 極差控制圖

每次核查時，一組觀測值中的最大值和最小值之差稱為極差，用R表示。將每次核查得到的極差值Rj畫在控制圖上，如圖2所示。這種控制圖可以控制測量過程因隨機效應引起的變動。當每次核查觀測次數較少時，用極差控制圖比標準偏差控制圖更為直觀有效。

圖2 極差控制圖

1.1.3 標準偏差控制圖

此控制圖主要用于控制測量過程的重復性。由每次核查的有限次觀測值，得到實驗標準偏差稱為組內標準偏差或測量結果的重復性，通常用s表示，該控制圖又稱為s圖。當每次核查的觀測次數超過12次以上時，標準偏差控制圖是一種有效的方法。s控制圖如圖3所示。從圖3可見，在時間tj前測量過程的重復性在控制極限以內，但從tj起測量過程的重復性明顯變壞，說明引入了新的隨機影響，應采取對測量設備重新校準（檢定）等糾正措施。

圖3 標準偏差控制圖

在進行測量過程控制時，必須同時使用平均值控制圖和極差控制圖（或標準偏差控制圖）。由平均值控制圖檢驗系統效應對測量過程的影響是否增大，由極差控制圖檢驗測量過程的隨機影響是否增大，只有在2個控制圖中的變量均在控制極限之內時，才表明測量過程受控制。

1.2 過程參數的建立[2]

式中：xij——第j組測量的第i個測量值；

Rj——第j組測量值的極差；

sj——第j組測量值的實驗標準偏差；

根據國際標準ISO8258“舒沃特控制圖”，平均值控制圖、極差控制圖和標準偏差控制圖的控制中心線及控制上限、控制下限的計算公式見表1，其中計算控制極限的系數A、B、D見表2[3]。

表1 控制圖的極限

表2 控制圖控制極限的系數（部分）

2 應用實例

根據實驗室質量管理體系的要求，對于測量標準送檢回來后和2次送檢之間均要進行核查，以確認運輸、時間因素造成的影響。為利用控制圖技術實現對測量標準的連續質量控制，需要進行經常性的核查，這就意味著增加工作量、提高測量成本。因此，要根據實際情況決定是否需要采取測量過程的控制，對于最高測量標準采用核查和控制圖的方法證實其質量和可靠性是非常必要的。當然，實驗室亦可以利用歷年核查數據對測量標準歷年來的變化情況進行控制[4-7]。

以某計量站一等活塞式壓力計歷年核查數據為例，選用合適的核查標準，每年對測量標準進行4次核查，每次核查對同一個測試點連續測量5次，通過對歷年來核查數據的統計分析，利用平均值控制圖和極差值控制圖，實現測量標準的質量控制。利用Excel電子表格軟件強大的計算功能，可以方便地計算得出控制圖的過程參數及控制極限

表3 核查數據（單位：MPa）

圖4 平均值控制圖

圖5 極差控制圖

（2）R 圖：n=5，查表 2 得 D3=0.000，D4=2.114，則控制上限：D4=0.000090；控制下限：D3=0。具體如表3所示。

用Excel強大的圖表功能，可以方便地得出如圖4所示的平均值控制圖及如圖5所示的極差控制圖[8]。

從圖4和圖5可以看出28組核查數據均在控制線內，證明一等標準活塞式壓力計始終處于受控狀態。當核查數據超出控制限時，適當增加核查后證明其不是偶然現象時，則表明測量過程失控。平均值控制圖失控表明測量過程中有明顯的系統誤差的影響，標準偏差控制圖失控表明測量過程的重復性已經明顯變差。

3 實施要點

3.1 核查標準的選擇

核查標準一般要求與測量標準設備性能相似、長期穩定性好、隨機誤差小的儀器、產品或其他物體。它的量限、準確度等級都應接近于被測對象，而它的穩定性要比實際的被測對象好。對于該地區或該部門的最高測量標準，一般情況下不容易在該單位找到具有更高計量學特性的測量設備作為核查標準，只能選擇不確定度相同或者接近的測量設備作為核查標準。除了測量不確定度之外，核查標準的穩定性尤為重要。根據具體情況，可以選擇以下測量設備作為核查標準使用：同準確度等級的同種類型的最高測量標準器，例如2支一等標準鉑銠10-鉑熱電偶，可以互相作為核查標準；有足夠穩定度的、不確定度與被核查對象相近的測量設備；具有足夠穩定度的實物測量器具；標準物質。在條件允許的情況下，核查標準應當只作為核查使用，不作為一般測量設備使用，在規定的條件下保存，以保持其性能參數的穩定[9-10]。

3.2 初始過程參數的建立

繪制控制圖最重要也是最基礎的工作就是建立過程參數，在確定控制極限之前至少要對核查標準進行7～12組測量。每組重復測量的次數可根據實際情況確定，但每個測試點數據總量一般＞100個。確定過程參數時對核查標準的測量可在任意時間進行，選擇的時間跨度要盡可能長，核查的時機盡可能反映出各種因素，如溫濕度變化、儀器穩定性、設備老化、人員變動等對測量過程的影響，以使確定的過程參數能反映真實情況。在核查進行一段時間后，應利用積累的核查數據重新修訂過程參數，并根據修訂的過程參數確定新的控制極限。

3.3 過程參數的調整

在核查實施一年或更長時間或核查數據積累到一定量后，應利用已獲得的數據來修訂過程參數和更新控制圖的基線和上下限。

以下情況時，若懷疑過程參數不合適，則需要重新計算過程參數和控制極限：

（1）平均值控制圖上核查數據超出或即將超出控制限；

（2）標準偏差控制圖上核查的標準偏差數據超出或即將超出控制限。

修訂過程參數的方法是：將核查標準建立的初始參數值與以后積累的大量數據進行比較，如果數據基本一致，則可根據核查的全部測量數據重新計算過程參數，得出經修訂的過程參數，修訂后的過程參數具有更高的置信度。如果發現初始數據與以后積累的大量數據不一致，則過去的歷史數據作廢，由核查標準重新測量獲得的數據，計算出新的過程參數。

3.4 失控后的處置

核查應由指定人員負責對獲得的數據進行檢查，并給出測量過程控制的結論。如果發現核查數據單方向偏移或有趨勢可能超差，應及時進行原因分析，采取預防措施。如果發現核查數據個別點超出控制極限，應增加核查次數，驗證測量過程是否確實失控。確認測量過程失控后，實驗室應按核查程序的規定進行處理。包括停止測試、檢定或校準工作，對測量過程失控的原因進行分析，針對發現的問題根源應及時采取糾正措施。通常情況下，測量過程失控的原因可能有：

（1）測量系統的連接有問題，需重新正確連接；

（2）環境或其他測試條件發生變化，需要采取措施；

（3）人員對測量方法不熟悉或操作不當，需要進一步培訓和教育；

（4）初始確定的控制限不完全代表實際情況，需要利用更多的數據重新修訂過程參數；

（5）核查標準不穩定；

（6）測量設備發生變化，需要重新校準或檢定；

（7）測量儀器老化或磨損使重復性變壞，需要更新；

（8）其他可能發生的原因。

在完成糾正措施后，應重新對核查標準進行測量，如果核查測量數據回到控制限之內，就驗證了存在的問題已經克服。如果數據仍超出控制限，則可判斷以前的糾正無效，應進一步查找原因并采取新的必要的糾正措施。如果發現控制限有誤，應修訂過程控制參數，如果懷疑核查標準有變，則需另選核查標準，重新建立測量過程參數，并建立新的測量過程控制等。

4 結束語

實驗室在使用測量標準開展量值傳遞的工作過程中，根據各實驗室的要求，要不同程度地對測量標準進行維護，但無論是定期送檢、重復性測試、穩定性測試還是現有的標準核查測試都不是對測量標準的連續質量控制，利用控制圖技術則可以隨時監控測量標準的狀態。隨著自動化測試技術的廣泛普及，不少測試工作都可實現計算機自動控制，所以實際增加的測試工作量并沒有到不可接受的程度，只要肯踏實地做好經常性核查，控制圖技術不難實現。

[1] 李志強，楊鐵忠.軍事裝備技術保障中的計量確認和測量過程控制方法研究[J].電子測量與儀器學報，2004，18（3）：1-7.

[2] 施昌彥，虞惠霞.實驗室質量管理[M].北京：化學工業出版社，2006.

[3] 戚健民，管錫良.期間核查中“休哈特Shewhart控制圖”的應用[J].中國計量，2006（7）：39-41.

[4] 劉星.軍事裝備試驗計量技術與管理[M].北京：國防工業出版社，2005.

[5]國防科工委科技與質量司.計量管理基礎[M].原子能出版社，2002.

[6] 朱健.談計量標準設備期間核查的實施[J].石油工業技術監督，2006（7）：19-22.

[7] 呂書婷，姬文紅，李海潮.基于核查標準的關鍵測量過程控制分析[J].中國計量，2008（5）：27-28.

[8] 閆道廣，白旭.利用Excel實現測試數據的分析及控制圖的繪制[J].計量與測試技術，2009，36（4）：29-31.

[9]劉彩云，崔祥柱，謝東.關于實驗室儀器設備的期間核查[J].現代測量與實驗室管理，2008（2）：53-54.

[10]JJF1033-2008，計量標準考核規范[S].北京：中國計量出版社，2008.