公路工程儀器設備有效計量確認的探討

付 濤

（甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 公路工程儀器設備計量溯源管理的現狀和存在的誤區

為規范和指導公路工程儀器設備計量管理，提高儀器設備量值溯源工作的有效性和準確性，交通運輸部先后于2011年、2013年發布了《公路工程試驗檢測儀器設備校準指南》和《公路工程試驗檢測儀器設備檢定/校準指導手冊》，并于2019年發布了《公路工程試驗檢測儀器設備服務手冊》，將公路工程試驗檢測儀器設備按通用、專用和工具類三類方式進行溯源，并列出了每種儀器設備的溯源依據和參數，規范了儀器設備的計量管理。但由于專用儀器設備比重較大且種類繁多，檢驗檢測人員對涉及諸多領域的計量專業知識缺乏，導致許多檢驗檢測機構在儀器設備的有效溯源方面存在一些誤區，首先是將計量確認與計量確認的驗證混為一談，其次是計量驗證流于形式，沒有認真導出計量要求，亦即很難做到是否滿足儀器設備使用預期用途。儀器設備性能參數的有效溯源是保證試驗檢測結果可靠性的基礎，因此正視計量確認的重要性，規范地開展計量驗證，是確保設備量值溯源有效性和準確性的根本保證。

2 計量確認的理念

2.1 計量確認的概念

在GB/T 19022—2003/ISO 10012∶2003《測量管理體系測量過程和測量設備的要求》中，“計量確認”的定義：為確保測量設備符合預期使用要求所需的一組操作。該定義包含兩方面的內涵，一是計量確認包括校準和驗證以及再校準、再驗證以及所要求的封印和標簽等；二是完整的計量確認過程是設備經計量符合預期要求并形成有效文件[1]。從這個概念和內涵可以看出計量確認過程包括兩個輸入項和一個輸出項，如圖1所示。輸入1 是從預期使用要求導出的計量要求；輸入2是指儀器設備性能參數中可區分且影響測量結果的計量特性，如準確度、重復性、穩定性、漂移等。輸出是經過計量驗證得出合格與否的計量確認結論。

圖1 計量確認過程

2.2 計量要求的導出

計量要求的導出是計量確認工作的重中之重[2]。檢驗檢測試驗室應首先依據合同（委托書）、產品技術規范、技術標準、試驗規程、設計文件、儀器說明書等,確認法律法規規定的以及客戶要求的性能參數，將這些參數列為計量參數，再將這些計量參數轉化為對測量儀器設備的要求，包括測量范圍、最大允許誤差、分辨力、穩定性等[3]。不同的測量過程對儀器設備的使用要求是不同的，例如土工布和鋼材拉伸用的試驗機準確度等級要求是不同的（土工布拉伸要求2級或2級以上；鋼筋拉伸要求準確度應為1級或優于1級）；水泥膠砂流動度和堿集料反應砂漿流動度的跳桌頻率要求是不同的（水泥膠砂流動度為1次/s，集料堿活性檢驗為10次/6 s）。因此，通過測量過程輸出儀器設備的計量要求應遵循以下原則：

①儀器設備的標稱范圍是測量過程示值范圍的1.5～2倍；

②最大允許誤差一般取測量過程最大允許誤差的1/3～1/10；

③儀器設備的分辨力、穩定性等參數可根據工藝、圖紙等要求確定。

3 儀器設備的計量特性

公路工程儀器設備的量值溯源的方式有檢定、校準（包括內部校準）、測試和比對等4種。嚴格來講，測試和比對不具有溯源性，本文主要介紹檢定和校準2種溯源方式。那么公路工程中的儀器設備哪些必須檢定，哪些可以校準呢？國家市場監督管理總局2020年第42號文件《市場監管總局關于調整實施強制管理的計量器具目錄的公告》規定，列入調整后的《實施強制管理的計量器具目錄》且監管方式為“強制檢定”和“型式批準、強制檢定”的工作計量器具，使用過程應按周期接受強制檢定，其他計量器具不再實行強制檢定，使用者可自行選擇校準、測試、比對等方式，保證量值準確[4]。

3.1 檢定

檢定是依據檢定規程，查明和確認測量儀器符合法定要求的活動，包括檢查、加標記和或出具檢定證書。檢定具有法制性，必須按照檢定規程嚴格執行，所有項目需逐一進行檢定，不能做刪減。檢定的對象是《中華人民共和國依法管理的計量器具目錄》中的計量器具，檢定的分類具體如圖2所示。

圖2 檢定的分類

3.2 校準

校準是指利用測量標準提供的量值與相應示值之間的關系確定示值與測量結果的關系的活動[5]。校準結果可以由校準值、修正值、校準圖、校準曲線、修正曲線等多種形式表示。校準還必須給出校準值或修正值的不確定度，校準證書不給合格與否的結論。

校準屬機構自愿的溯源行為，大多數儀器設備需要校準來溯源，但并非試驗室的每臺設備都需要校準，應進行校準的設備有：一是設備數據用于得出校準結果的，即對校準結果產生直接影響的測量儀器；二是對測量不確定度有重要影響的測量儀器，如某些高穩電源；三是用于測量環境條件的設備等對測量結果的準確性或有效性有顯著影響的輔助測量儀器。儀器設備校準時，依據使用場合實際需要，儀器設備可選擇檢驗必要的全部、或部分計量參數以及需要的量值點[6]。

校準可分為外部校準和內部校準，外部校準可委托具有資質的計量技術機構進行，通常是通過中國合格評定國家認可委員會（CNAS）認可的實驗室或法定計量技術機構，主要針對Ⅱ類公路工程專用試驗檢測儀器設備。如果檢驗檢測機構要開展內部校準，例如標準篩、試模等的校準，首先其最高計量標準必須由有關計量行政部門考核合格（目前，北上廣6城市開始試點，企業內部使用的最高計量標準器具，由企業自主管理，不需要計量行政部門考核發證，不再實行強制檢定）；其次在人員、環境和設施、方法等滿足要求的條件下，在本檢驗檢測機構內部開展非強制檢定或校準。為便于理解檢定與校準的概念，現將2種溯源方式做一比較，見表1。

表1 檢定和校準的區別

3.3 計量驗證

計量驗證就是將儀器設備的計量特性與計量要求做比較，輸出驗證合格、不能驗證或不符合計量要求的驗證記錄和結論。不同的被測對象、不同的測量過程，使用同一臺溯源“合格”的儀器設備時，由于計量要求不同，得出的計量驗證結論有可能不同[7]。經驗證儀器設備適用于預期的使用過程，并形成文件后，儀器設備才可以張貼綠、黃、紅、三色狀態標識，而不是拿到檢定/校準證書就直接去張貼狀態標識。

計量驗證的依據是預期的使用要求，首先是相應的試驗規程或技術規范等檢測標準，若檢測標準沒有明確的要求，可依據儀器使用說明書和計量檢定規程或校準規范二者較嚴的要求執行。計量驗證的內容包括基本信息確認和技術信息確認2個部分。

3.3.1 檢定結果的計量驗證

檢定結論為“合格”與“不合格”。對檢定“合格”的儀器設備也需要進行計量驗證，因為檢定結論的合格與否是針對儀器設備是否滿足檢定規程中計量性能的要求，而不是是否滿足生產測量過程的計量要求。對于“檢定”合格的儀器設備應按照以下步驟進行計量驗證，首先根據預期使用要求進行基本信息的驗證；其次驗證證書中給出的檢定精度與范圍、檢定點是否符合檢測要求；最后驗證檢定證書中涉及的參數是否覆蓋了使用要求的所有參數。

3.3.2 校準結果的計量驗證

（1）基本信息的驗證。首先是校準機構資質和能力的確認，核查該校準機構是否經過授權，其能力附表是否有相應參數；其次是委托單位地址、名稱、校準設備名稱、型號/規格、出廠編號、制造單位等信息的驗證；再次核查校準的日期是否在標準器的證書有效期內，接受日期和批準日期是否符合邏輯；最后是校準依據是否正確、是否與校準機構能力附表中的依據一致。

（2）技術信息的驗證。由于校準規范一般對計量性能要求不做規定，因此校準證書僅給出計量特性的值和不確定度，沒有合格與否的結論。檢驗檢測機構需要將校準證書的內容與實際檢測需要的計量性能要求進行比較，判斷是否達到使用要求，進行計量驗證。由于校準結果包含測量不確定度，故對校準結果的合格評定（又稱符合性評定）不單是將示值誤差Δ與最大允許誤差MPEV相比較，還要考慮不確定度（U95或k=2時的U）的影響。

式中：|Δ|——被校儀器示值誤差的絕對值；

MPEV——被校儀器示值的最大允許誤差的絕對值；

U95——被校儀器示值誤差的包含概率為95%的擴展不確定度；

k——包含因子。

求值誤差的符合性評定如圖3所示。

圖3 示值誤差的符合性評定（U95＞1/3MPEV）

當處于待定區時，無法驗證儀器設備合格還是不合格時，可以通過采用準確度更高的計量器具、增加測量次數、改善環境條件和測量方法等措施降低示值誤差的測量不確定度U95，然后再進行符合性評定。

4 公路工程計量確認實例

4.1 檢定結果的計量確認實例

以WAW-600微機控制電液伺服萬能試驗機（0.5級）計量確認為例進行闡述。鋼筋拉伸試驗配備的萬能試驗機，測量范圍（0～600）kN，準確度等級0.5級，經檢定合格，請確認該萬能試驗機是否滿足試驗要求。

（1）設備的計量特性。已知該萬能試驗機依據JJG 1063—2010《電液伺服萬能試驗機》檢定合格，計量特性為：測量范圍（0～600）kN，準確度等級0.5級，具體檢定結果見表2。

表2 WAW-600微機控制電液伺服萬能試驗機檢定結果

因本次檢定是后續檢定，依據JJG 1063—2010《電液伺服萬能試驗機》對該萬能試驗機測力系統的試驗力示值誤差、示值重復性、同軸度（僅限0.5級）、零點漂移、進回程相對誤差（需要時測定）共5項計量性能進行了檢定，如果是首次檢定，還需要檢定零點誤差、相對分辨力。

由于該萬能試驗機外觀結構、操作的適應性和安全性等通用技術要求和所檢各項計量性能均滿足JJG 1063—2010《電液伺服萬能試驗機》0.5級的要求，故結論為“0.5級合格”。其中測力系統相關指標的最大允許值列于表3。

表3 萬能試驗機測力系統各項技術指標要求

（2）計量要求導出。GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》中“9 試驗設備的準確度”規定了對試驗機的要求：“試驗機測力系統的準確度應為1級或優于1級”。

（3）計量驗證。將萬能試驗機的計量特性與計量要求比較，因該萬能試驗機檢定結果滿足0.5級要求，是優于1級的，所以計量確認結論為“合格”,亦即可粘貼計量確認合格狀態標識。

4.2 校準結果計量確認實例

以路面綜合檢測車配備的ZY-IRI-2008車載式路面激光平整度儀的校準確認為例，校準后的示值誤差、不確定度、測量重復性等見表4，確認該設備是否滿足要求。

（1）設備的計量特性。依據JJG（交通）075—2010《車載式路面激光平整度儀》的計量特性包括縱向測距傳感器誤差、垂直測距示值誤差、檢測速度影響誤差、路面國際平整度指數（以下簡稱IRI）測量重復性和IRI測量相對誤差，具體結果見表4。

（2）計量要求導出。JJG（交通）075—2010《車載式路面激光平整度儀》的“5 計量性能要求”和“6 通用技術要求”中對上述5個指標規定了要求，JTG 3450—2019《公路路基路面現場測試規程》對距離標定誤差也有同樣的要求，具體見表4。

表4 ZY-IRI-2008車載式路面激光平整度儀計量確認表

（3）計量驗證。將所有校準項目的計量特性與計量要求逐一進行比較。從表4可以看出，設備左、右側各校準項目的校準結果均小于允許誤差值，并且均小于Ⅰ級標準的要求。但IRI測量相對誤差還要考慮其不確定度的影響，左、右兩側的相對測量不確定度Ur均為5.0%，對Ⅰ級來說，不滿足U≤1/3MPEV的條件，要考慮測量不確定度對符合性評定的影響，取瀝青路面IRI=2.0 m/km，將IRI測量示值誤差、示值誤差的擴展不確定度以及最大允許誤差在此點的相對值分別換算為相應絕對值，具體數據列于表4。由于|Δ|=0.02 m/km或0.06 m/km，介于MPEVUr（0.1 m/km-0.1 m/km=0）和MPEV+Ur（0.1 m/km+0.1 m/km=0.2 m/km）之間，處于待定區，無法判定合格或不合格；但對于Ⅱ級來說，滿足U≤1/3MPEV的條件，不考慮測量不確定度的影響，|Δ|=（0.02 m/km或0.06m/km）≤MPEV=0.3 m/km，所以校準結果確認Ⅱ級合格。

但由于此校準證書的校準依據是檢定規程JJG（交通）075—2010《車載式路面激光平整度儀》，根據JJF 1094—2002《測量儀器特性評定》中5.3.1.5的規定，在IRI測量重復性滿足檢定規程要求時，不考慮測量不確定度的影響，只要示值誤差小于允許誤差就可判定合格，盡管其不確定度超出了Ⅰ級的1/3MPEV，但其校準項目IRI測量相對誤差滿足Ⅰ級、Ⅱ級要求，均為合格。

5 結語

計量確認是保證儀器設備量值溯源準確的前提，因此，理解并實施有效的計量確認，確保試驗室及現場使用儀器設備的計量性能符合預期使用要求，進一步提升試驗檢測結果的科學性和準確性，為公路建設和運營維護質量、安全管理提供堅實的技術支撐。