检测实验室中的不确定度

在国家计量技术规范JJF1001-2011《通用计量术语及定义》第9.46款中,检测(testing)被定义为“对给定产品,按照规定程序确定某一种或多种特性、进行处理或提供服务所组成的技术操作。”可见检测实验室的对象是给定的产品;而检测所用的仪器设备或测量设备至关重要,其正确与否需要用测量标准进行校准(参见JJF1001-2011第4.10款),其合格与否则需要进行检定(参见JJF1001-2011第9.17款),可见校准/检定实验室的对象是测量设备或计量器具。

众所周知,评价检测数据或者校准/检定数据品质高低的重要指标之一是测量不确定度。它是根据所用到信息,表征赋予被测量值分散性的非负参数。鉴于检测实验室与校准实验室所用到的信息来源不同,因而对测量不确定度评定的要求显然有所不同。

ISO/IEC指南98-3-2008《测量不确定度-第三部分:测量不确定度表示指南》(GUM)即我国JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》,为不确定度的评定或评估提出了通用方法。同时,针对不同特点、量大面广的检验检测机构,我国颁布了GB/T27411-2012《检测实验室中常用不确定度评定方法与表示》、GB/T27415-2013《分析方法检出限和定量限的评估》等相关国家标准。

中国合格评定国家认可委员会(CNAS)则按不同领域的需求,颁布了一系列专业性的认可指南(GL),诸如《化学分析中不确定度的评估指南》、《电器领域不确定度的评估指南》、《电磁干扰测量中不确定度的评定指南》、《材料理化检验测量不确定度评估指南及实例》、《石油石化领域理化检测测量不确定度评估指南及实例》、《基于质控数据环境检测测量不确定度评定指南》、《汽车和摩托车检测领域典型参数的测量不确定度评估指南》等。

同时,CNAS还以实验室技术报告(TRL)的方式,发布了《医学实验室-测量不确定度的评定与表达》、《纺织品检测测量不确定度的评估及实例》等行业检测实验室中不确定度的评定方法与实例。

按照CNAS实验室认可准则与CNCA资质认定评审准则,大体上可将检测实验室对测量不确定度的要求归纳为以下9条:

(1)检测实验室应制定与检测工作特点相适应的测量不确定度评估程序,并将其用于不同类型的检测工作。

(2)检测实验室应有能力对每一项有数值要求的测量结果进行测量不确定度评估。当不确定度与检测结果的有效性或应用有关,或在用户有要求时,或当不确定度影响到对规范限度的符合性时,当测试方法中有规定时和CNAS或CNCA有要求时(如认可准则在特殊领域的应用说明中有规定),检测报告必须提供测量结果的不确定度。

(3)检测实验室对于不同的检测项目和检测对象,可以采用不同的评估方法。

(4)检测实验室在采用新的检测方法时,应按照新方法重新评估测量不确定度。

(5)检测实验室对所采用的非标准方法、实验室自己设计和研制的方法、超出预定使用范围的标准方法以及经过扩展和修改的标准方法重新进行确认,其中应包括对测量不确定度的评估。

(6)对于某些广泛公认的检测方法,如果该方法规定了测量不确定度主要来源的极限值和计算结果的表示形式,实验室只要按照该检测方法的要求操作,并出具测量结果报告,即被认为符合本要求。

(7)由于某些检测方法的性质,决定了无法从计量学和统计学角度对测量不确定度进行有效而严格的评估,这时至少应通过分析方法,列出各主要的不确定度分量,并作出合理的评估。同时应确保测量结果的报告形式不会使客户造成对所给测量不确定度的误解。

(8)如果检测结果不是用数值表示或者不是建立在数值基础上(如合格/不合格,阴性/阳性,或基于视觉和触觉等的定性检测),则不要求对不确定度进行评估,但鼓励实验室在可能的情况下了解结果的可变性。

(9)检测实验室测量不确定度评估所需的严密程度取决于检测方法的要求、用户的要求以及用来确定是否符合某规范所依据的误差限的宽窄。

JJF1059.1-2012第4.2.4款指出:“物理量测量的测量模型一般根据物理原理确定。非物理量或不能用物理原理确定的情况下,测量模型也可以用实验方法确定,或仅以数值方程给出,在可能情况下,尽可能采用按长期积累的数据建立的经验模型。用核查标准和控制图的方法表明测量过程始终处于统计控制状态时,有助于测量模型的建立。”第5.2.5款又指出:“如果数据表明测量函数没有能将测量过程模型化至测量所要求的准确度,则要在测量模型中增加附加输入量来反映对影响量的认识不足。”

鉴于检测领域的多样性与特殊性,致使JJF1059.1-2012直接用于不同性质的检测实验室有时会显得缺乏可操作性与实用性。为此,CNAS发布了化学分析、电器、电磁干扰、材料理化、石油石化、环境、纺织、医学、汽车和摩托车等领域不确定度的评估指南及实例,其中CNAS-GL06《化学分析中不确定度的评估指南》实际上等同采用了欧洲EURACHEM与CITAC联合发布的指南文件《分析测量中不确定度的量化》。CNAS根据需要,将继续组织发布其他检测领域的相关评估指南及实例。

国家标准GB/T27411《检测实验室常用不确定度评定方法与表示》,给出了不同条件下检测项目的4种不确定度评定方法:精密度法、控制图法、线性拟合法、经验模型法。现简述如下。

精密度法适用于排除或修正了系统效应的情况下,即测量过程偏倚受控并且精密度控制有效情况下,相关检测项目不确定度的评定。偏倚受控可通过标准物质或能力验证予以确认;精密度控制有效可通过使用95%包含概率的F检验,计算实验室给出的标准偏差与方法或能力验证给出标准偏差的比值,如果比值小于F检验临界值,则视为精密度控制有效。详见该国标“5.精密度法”及其附录A“肉含量测定的不确定度评定”。

控制图法适用于质控样品测量结果呈正态分布情况下,以期间精密度表示的测量不确定度的评定。JJF1059.1-2012第4.3.2.4款指出:“对一个测量过程,采用核查标准和控制图的方法使测量过程处于统计控制状态……,则统计控制下的测量过程的A类标准不确定度可以用合并实验样本标准偏差sp表征。”详见该国标“6.控制图法”及其附录B“汽油爆震特性研究法辛烷值测定的不确定度评定”。

线性拟合法适用于线性拟合函数失拟误差受控的情况下,即通过不同水平的标准物质建立工作曲线,并利用方差分析方法确定在此过程中的偏倚受控;然后建立控制图,确保其数据排列呈随机状态,在期间精密度测量条件下给出的2倍标准偏差即可视为实验室获得的扩展不确定度。JJF1059.1-2012第4.3.2.7款指出:“当输入量的估计值是由实验数据用最小二乘法拟合的曲线上得到时,曲线上任何一点和表征曲线拟合参数的标准不确定度,可用有关的统计程序评定。如果被测量估计值在多次观测中呈现与时间有关的随机变化,则应采用专门的统计分析方法。”详见该国标“7.线性拟合法”及其附录C“光学成像系统下集成线路光掩模线距的不确定度评定”。

经验模型法适用于测量过程受控和排除偏倚情况下,通过长期、大量的数据积累,建立一个目标不确定度,并基于此进行评定。该标准给出的模型系根据Horwitz函数式通过ISO TC17和ASTME01多次能力验证的数据(钢铁、金属和矿产等相关领域)拟合而成。化学检测实验室可借鉴Horwitz函数式的拟合路线,给出自己的经验模型,并通过F检验,判定经验模型是否有效。详见该国标“8.经验模型法”及其附录D“钢铁与矿产化学分析测量中的不确定度评定”。

上述4种评定方法集中代表了“top-down”(自上而下)的技术路线,在欧美的检测实验室已广泛使用,可以认为它们是在满足特定条件下对GUM的简化和延伸应用。它们各有特点,但又有交叉与关联,其核心要求或理念是“统计受控”,即测量不确定度评定应该与测量过程的质量保证(QA)及质量控制(QC)结合起来。如果测量过程处于受控状态,就可不必关注每个不确定度来源及其交互影响,控制图其实是变“事后检验”为“事前预防”的最为便捷的监控手段之一,参见CNAS-GL39《化学分析实验室内部质量控制指南-控制图的应用》。

在CNAS-TRL-001《医学实验室-测量不确定度的评定与表达》以及CNAS-GL34《基于质控数据环境检测测量不确定度评定指南》中,均描述了如何利用“topdown”来评定与测量过程相关的不确定度。

在ISO/IEC17025修订工作组(ISO/CASCO/WG44)2016年年底发布的标准草案DIS稿中,将“测量不确定度评定”列于“7.过程要求”的第7.6款,不再强调必须有程序,而是要求进行评定并增加注释,明确只要关键影响因素受控就无需对每次得到的结果都重新评定。DIS首次提出抽样不确定度评定问题,但考虑到抽样结果是获得有代表性的样品而非测量数据,对如何评定尚有争议,比方对如何将抽样不确定度反映到最终不确定度中的问题,尚无统一方法。因此,是否有必要提出抽样不确定度评定的要求,还在进一步研讨之中。