公路工程仪器设备有效计量确认的探讨

付 涛

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 公路工程仪器设备计量溯源管理的现状和存在的误区

为规范和指导公路工程仪器设备计量管理，提高仪器设备量值溯源工作的有效性和准确性，交通运输部先后于2011年、2013年发布了《公路工程试验检测仪器设备校准指南》和《公路工程试验检测仪器设备检定/校准指导手册》，并于2019年发布了《公路工程试验检测仪器设备服务手册》，将公路工程试验检测仪器设备按通用、专用和工具类三类方式进行溯源，并列出了每种仪器设备的溯源依据和参数，规范了仪器设备的计量管理。但由于专用仪器设备比重较大且种类繁多，检验检测人员对涉及诸多领域的计量专业知识缺乏，导致许多检验检测机构在仪器设备的有效溯源方面存在一些误区，首先是将计量确认与计量确认的验证混为一谈，其次是计量验证流于形式，没有认真导出计量要求，亦即很难做到是否满足仪器设备使用预期用途。仪器设备性能参数的有效溯源是保证试验检测结果可靠性的基础，因此正视计量确认的重要性，规范地开展计量验证，是确保设备量值溯源有效性和准确性的根本保证。

2 计量确认的理念

2.1 计量确认的概念

在GB/T 19022—2003/ISO 10012∶2003《测量管理体系测量过程和测量设备的要求》中，“计量确认”的定义：为确保测量设备符合预期使用要求所需的一组操作。该定义包含两方面的内涵，一是计量确认包括校准和验证以及再校准、再验证以及所要求的封印和标签等；二是完整的计量确认过程是设备经计量符合预期要求并形成有效文件[1]。从这个概念和内涵可以看出计量确认过程包括两个输入项和一个输出项，如图1所示。输入1 是从预期使用要求导出的计量要求；输入2是指仪器设备性能参数中可区分且影响测量结果的计量特性，如准确度、重复性、稳定性、漂移等。输出是经过计量验证得出合格与否的计量确认结论。

图1 计量确认过程

2.2 计量要求的导出

计量要求的导出是计量确认工作的重中之重[2]。检验检测试验室应首先依据合同（委托书）、产品技术规范、技术标准、试验规程、设计文件、仪器说明书等,确认法律法规规定的以及客户要求的性能参数，将这些参数列为计量参数，再将这些计量参数转化为对测量仪器设备的要求，包括测量范围、最大允许误差、分辨力、稳定性等[3]。不同的测量过程对仪器设备的使用要求是不同的，例如土工布和钢材拉伸用的试验机准确度等级要求是不同的（土工布拉伸要求2级或2级以上；钢筋拉伸要求准确度应为1级或优于1级）；水泥胶砂流动度和碱集料反应砂浆流动度的跳桌频率要求是不同的（水泥胶砂流动度为1次/s，集料碱活性检验为10次/6 s）。因此，通过测量过程输出仪器设备的计量要求应遵循以下原则：

①仪器设备的标称范围是测量过程示值范围的1.5～2倍；

②最大允许误差一般取测量过程最大允许误差的1/3～1/10；

③仪器设备的分辨力、稳定性等参数可根据工艺、图纸等要求确定。

3 仪器设备的计量特性

公路工程仪器设备的量值溯源的方式有检定、校准（包括内部校准）、测试和比对等4种。严格来讲，测试和比对不具有溯源性，本文主要介绍检定和校准2种溯源方式。那么公路工程中的仪器设备哪些必须检定，哪些可以校准呢？国家市场监督管理总局2020年第42号文件《市场监管总局关于调整实施强制管理的计量器具目录的公告》规定，列入调整后的《实施强制管理的计量器具目录》且监管方式为“强制检定”和“型式批准、强制检定”的工作计量器具，使用过程应按周期接受强制检定，其他计量器具不再实行强制检定，使用者可自行选择校准、测试、比对等方式，保证量值准确[4]。

3.1 检定

检定是依据检定规程，查明和确认测量仪器符合法定要求的活动，包括检查、加标记和或出具检定证书。检定具有法制性，必须按照检定规程严格执行，所有项目需逐一进行检定，不能做删减。检定的对象是《中华人民共和国依法管理的计量器具目录》中的计量器具，检定的分类具体如图2所示。

图2 检定的分类

3.2 校准

校准是指利用测量标准提供的量值与相应示值之间的关系确定示值与测量结果的关系的活动[5]。校准结果可以由校准值、修正值、校准图、校准曲线、修正曲线等多种形式表示。校准还必须给出校准值或修正值的不确定度，校准证书不给合格与否的结论。

校准属机构自愿的溯源行为，大多数仪器设备需要校准来溯源，但并非试验室的每台设备都需要校准，应进行校准的设备有：一是设备数据用于得出校准结果的，即对校准结果产生直接影响的测量仪器；二是对测量不确定度有重要影响的测量仪器，如某些高稳电源；三是用于测量环境条件的设备等对测量结果的准确性或有效性有显著影响的辅助测量仪器。仪器设备校准时，依据使用场合实际需要，仪器设备可选择检验必要的全部、或部分计量参数以及需要的量值点[6]。

校准可分为外部校准和内部校准，外部校准可委托具有资质的计量技术机构进行，通常是通过中国合格评定国家认可委员会（CNAS）认可的实验室或法定计量技术机构，主要针对Ⅱ类公路工程专用试验检测仪器设备。如果检验检测机构要开展内部校准，例如标准筛、试模等的校准，首先其最高计量标准必须由有关计量行政部门考核合格（目前，北上广6城市开始试点，企业内部使用的最高计量标准器具，由企业自主管理，不需要计量行政部门考核发证，不再实行强制检定）；其次在人员、环境和设施、方法等满足要求的条件下，在本检验检测机构内部开展非强制检定或校准。为便于理解检定与校准的概念，现将2种溯源方式做一比较，见表1。

表1 检定和校准的区别

3.3 计量验证

计量验证就是将仪器设备的计量特性与计量要求做比较，输出验证合格、不能验证或不符合计量要求的验证记录和结论。不同的被测对象、不同的测量过程，使用同一台溯源“合格”的仪器设备时，由于计量要求不同，得出的计量验证结论有可能不同[7]。经验证仪器设备适用于预期的使用过程，并形成文件后，仪器设备才可以张贴绿、黄、红、三色状态标识，而不是拿到检定/校准证书就直接去张贴状态标识。

计量验证的依据是预期的使用要求，首先是相应的试验规程或技术规范等检测标准，若检测标准没有明确的要求，可依据仪器使用说明书和计量检定规程或校准规范二者较严的要求执行。计量验证的内容包括基本信息确认和技术信息确认2个部分。

3.3.1 检定结果的计量验证

检定结论为“合格”与“不合格”。对检定“合格”的仪器设备也需要进行计量验证，因为检定结论的合格与否是针对仪器设备是否满足检定规程中计量性能的要求，而不是是否满足生产测量过程的计量要求。对于“检定”合格的仪器设备应按照以下步骤进行计量验证，首先根据预期使用要求进行基本信息的验证；其次验证证书中给出的检定精度与范围、检定点是否符合检测要求；最后验证检定证书中涉及的参数是否覆盖了使用要求的所有参数。

3.3.2 校准结果的计量验证

（1）基本信息的验证。首先是校准机构资质和能力的确认，核查该校准机构是否经过授权，其能力附表是否有相应参数；其次是委托单位地址、名称、校准设备名称、型号/规格、出厂编号、制造单位等信息的验证；再次核查校准的日期是否在标准器的证书有效期内，接受日期和批准日期是否符合逻辑；最后是校准依据是否正确、是否与校准机构能力附表中的依据一致。

（2）技术信息的验证。由于校准规范一般对计量性能要求不做规定，因此校准证书仅给出计量特性的值和不确定度，没有合格与否的结论。检验检测机构需要将校准证书的内容与实际检测需要的计量性能要求进行比较，判断是否达到使用要求，进行计量验证。由于校准结果包含测量不确定度，故对校准结果的合格评定（又称符合性评定）不单是将示值误差Δ与最大允许误差MPEV相比较，还要考虑不确定度（U95或k=2时的U）的影响。

式中：|Δ|——被校仪器示值误差的绝对值；

MPEV——被校仪器示值的最大允许误差的绝对值；

U95——被校仪器示值误差的包含概率为95%的扩展不确定度；

k——包含因子。

求值误差的符合性评定如图3所示。

图3 示值误差的符合性评定（U95＞1/3MPEV）

当处于待定区时，无法验证仪器设备合格还是不合格时，可以通过采用准确度更高的计量器具、增加测量次数、改善环境条件和测量方法等措施降低示值误差的测量不确定度U95，然后再进行符合性评定。

4 公路工程计量确认实例

4.1 检定结果的计量确认实例

以WAW-600微机控制电液伺服万能试验机（0.5级）计量确认为例进行阐述。钢筋拉伸试验配备的万能试验机，测量范围（0～600）kN，准确度等级0.5级，经检定合格，请确认该万能试验机是否满足试验要求。

（1）设备的计量特性。已知该万能试验机依据JJG 1063—2010《电液伺服万能试验机》检定合格，计量特性为：测量范围（0～600）kN，准确度等级0.5级，具体检定结果见表2。

表2 WAW-600微机控制电液伺服万能试验机检定结果

因本次检定是后续检定，依据JJG 1063—2010《电液伺服万能试验机》对该万能试验机测力系统的试验力示值误差、示值重复性、同轴度（仅限0.5级）、零点漂移、进回程相对误差（需要时测定）共5项计量性能进行了检定，如果是首次检定，还需要检定零点误差、相对分辨力。

由于该万能试验机外观结构、操作的适应性和安全性等通用技术要求和所检各项计量性能均满足JJG 1063—2010《电液伺服万能试验机》0.5级的要求，故结论为“0.5级合格”。其中测力系统相关指标的最大允许值列于表3。

表3 万能试验机测力系统各项技术指标要求

（2）计量要求导出。GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第一部分：室温试验方法》中“9 试验设备的准确度”规定了对试验机的要求：“试验机测力系统的准确度应为1级或优于1级”。

（3）计量验证。将万能试验机的计量特性与计量要求比较，因该万能试验机检定结果满足0.5级要求，是优于1级的，所以计量确认结论为“合格”,亦即可粘贴计量确认合格状态标识。

4.2 校准结果计量确认实例

以路面综合检测车配备的ZY-IRI-2008车载式路面激光平整度仪的校准确认为例，校准后的示值误差、不确定度、测量重复性等见表4，确认该设备是否满足要求。

（1）设备的计量特性。依据JJG（交通）075—2010《车载式路面激光平整度仪》的计量特性包括纵向测距传感器误差、垂直测距示值误差、检测速度影响误差、路面国际平整度指数（以下简称IRI）测量重复性和IRI测量相对误差，具体结果见表4。

（2）计量要求导出。JJG（交通）075—2010《车载式路面激光平整度仪》的“5 计量性能要求”和“6 通用技术要求”中对上述5个指标规定了要求，JTG 3450—2019《公路路基路面现场测试规程》对距离标定误差也有同样的要求，具体见表4。

表4 ZY-IRI-2008车载式路面激光平整度仪计量确认表

（3）计量验证。将所有校准项目的计量特性与计量要求逐一进行比较。从表4可以看出，设备左、右侧各校准项目的校准结果均小于允许误差值，并且均小于Ⅰ级标准的要求。但IRI测量相对误差还要考虑其不确定度的影响，左、右两侧的相对测量不确定度Ur均为5.0%，对Ⅰ级来说，不满足U≤1/3MPEV的条件，要考虑测量不确定度对符合性评定的影响，取沥青路面IRI=2.0 m/km，将IRI测量示值误差、示值误差的扩展不确定度以及最大允许误差在此点的相对值分别换算为相应绝对值，具体数据列于表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）之间，处于待定区，无法判定合格或不合格；但对于Ⅱ级来说，满足U≤1/3MPEV的条件，不考虑测量不确定度的影响，|Δ|=（0.02 m/km或0.06m/km）≤MPEV=0.3 m/km，所以校准结果确认Ⅱ级合格。

但由于此校准证书的校准依据是检定规程JJG（交通）075—2010《车载式路面激光平整度仪》，根据JJF 1094—2002《测量仪器特性评定》中5.3.1.5的规定，在IRI测量重复性满足检定规程要求时，不考虑测量不确定度的影响，只要示值误差小于允许误差就可判定合格，尽管其不确定度超出了Ⅰ级的1/3MPEV，但其校准项目IRI测量相对误差满足Ⅰ级、Ⅱ级要求，均为合格。

5 结语

计量确认是保证仪器设备量值溯源准确的前提，因此，理解并实施有效的计量确认，确保试验室及现场使用仪器设备的计量性能符合预期使用要求，进一步提升试验检测结果的科学性和准确性，为公路建设和运营维护质量、安全管理提供坚实的技术支撑。