什么是计量溯源？

什么是计量溯源？

2024/05/15

我们生活在一个经济全球化的时代，产品、零件和服务在各国之间流动。为了无缝地实现此类经济活动，用于产品质量控制和性能评估的测量必须能够产生与测量仪器性能相匹配的结果，无论在哪里、由任何人或使用任何测量仪器。这不是理所当然的事情；它以全球合作关系和各国国家计量机构（日本的 AIST）为基础。公制标准中心) 的研究和开发而实现的。计量溯源就是实现这种我们认为理所当然的情况的机制。我们向计量中心工程计量标准研究部首席研究员仓本直树询问了计量溯源的问题。

什么是计量溯源

　质量测量是各个领域不可或缺的评价技术。例如，可以通过测量1公斤重物的质量并找出测量装置上的显示值与1公斤的偏差多少来评估其可靠性。澄清测量标准（重量）与测量仪器刻度之间关系的行为称为“校准”。

　那么，如何检查用于校准的1公斤砝码的质量是否真的是1公斤呢？为了避免担心这个问题，使用更准确的重量作为参考来校准砝码的质量。更准确的重量是根据更准确的重量进行校准的。回顾这一校准链，我们得出了由每个国家的国家测量标准组织制定和维护的国家质量测量标准。

　“计量溯源”一词意味着测量结果可以通过这一校准链追溯到国家计量标准。通过使用基于该校准链的砝码，可以实现具有计量可追溯性的质量测量。当然，还有“计量溯源系统”，不仅可以确保质量的计量溯源，还可以确保长度、时间、物质浓度等的计量溯源。（AIST杂志“什么是标准材料？」）

计量标准中心，制定和管理国家计量标准

　日本的质量国家计量标准是由 AIST 国家计量中心 (NMIJ) 管理的“标准重量组”。标准重量组由1毫克到20公斤的各种质量的砝码组成，每个质量都是根据国际单位制（SI）建立的公斤定义确定的。

　我们根据这组标准砝码，在计量溯源系统下对校准公司拥有的“标准砝码”进行校准。此外，还向用户提供使用该标准重量校准的砝码和秤。通过使用这些重量和秤，用户可以进行具有计量可追溯性的质量测量。

　为了确保计量可追溯性，单独校准的不确定度^*1必须进行评估。不确定度是衡量测量结果可靠性的指标，其评估采用国际标准化方法进行。

　计量追溯系统不仅限于日本。米惯例^*2成员国的国家计量机构根据国际单位制 (SI) 制定国家计量标准，并作为其国家计量追溯系统的顶峰。各国国家计量标准的等效性是通过定期的国际比较来确定的。该系统使我们即使在不同的国家也能获得相同的测量结果。 (点击此处查看国际单位制 (SI) 的详细说明）

质量单位“千克”的历史

　国家计量标准是各国追溯体系的巅峰，由各国国家计量标准组织根据国际上既定的公斤、米等单位定义制定。为了实现更精确的测量，每个时代最先进的技术被用来定义测量所使用的单位，并且它们随着科学技术的进步而演变。

	千克的定义	导致定义的研究和开发/问题
18 世纪之前		·根据国家和地区使用不同的单位，难以准确共享信息和顺利交易
18世纪末~	1升水的质量	·导致定义的研究和开发：拉瓦锡等人对水密度的高精度测量
1889～	国际原型千克的质量	·导致定义的研究和开发：采用当时最先进的冶金技术生产由铂铱合金制成的“国际原型公斤”砝码
1990年左右~		·据报道，随着质量测量设备变得更加精确，国际原型千克的质量可能会发生变化 ·利用物理常数定义千克的研发进展
2011		·将达成一项国际协议，废除国际公斤原型，并转向基于与原子质量相关的物理常数“普朗克常数”的新定义
2019 年起	普朗克常数	·导致定义的研究和开发：使用 NMIJ 等国家计量机构的尖端技术测量普朗克常数

这里我们以千克为例介绍单位定义的演变。

　千克的起源可以追溯到18世纪末的法国。当时，使用了许多不同的质量单位，阻碍了准确的信息共享和顺利的商业。为了从根本上解决这个问题，法国提出创建国际统一的质量单位的建议。选择水作为计量单位是为了使其更容易被世界各地的每个人接受。法国大革命期间，化学家拉瓦锡等人利用当时的科学技术测量了水的密度，并将千克定义为1升水的质量。然而，为了测量方便，人们创造了一种称为最终千克原型的铂金砝码，其质量约等于1升水，并用作事实上的标准。

　千克在法国使用的优点得到了其他国家的认可，从1889年开始被用作国际质量单位。当时，新定义的标准是国际原型千克，这是一种由铂和铱合金制成的重量，采用当时最先进的技术制成。换句话说，世界上唯一的某个“重量”的质量恰好是1公斤。

　国际公斤原型在法国巴黎郊区的国际计量局受到严格控制。然而，1990年左右进行的研究结果发现，由于表面污染，国际公斤原型机的质量可能会出现波动，尽管波动幅度很小。因此，大约在这个时候，有人开始建议使用物理重量以外的东西来定义千克。新定义的候选者是在世界任何地方都不会改变且不会随时间变化的通用物理常数，例如阿伏加德罗常数和普朗克常数。但当时这些物理常数的测量精度比国际原型公斤的质量稳定性差，不足以作为新定义的标准。换句话说，当时最先进的测量技术无法超越19世纪末创建的砝码。

　包括NMIJ在内的各国国家计量机构接受了精确测量这些物理常数的挑战。通过多次国际研究合作，测量精度逐渐提高，并于2011年达成国际协议，未来废除公斤原型，转而采用基于普朗克常数的新定义。协议签订后，更多的国家计量机构冒着国家声誉的风险，开始致力于普朗克常数的精确测量。到 2017 年，已有八次高精度普朗克常数测量结果被报道。其中一些精度超过了国际公斤原型机的质量稳定性。对此，从2019年5月20日起，根据这8个普朗克常数的测量值确定的“普朗克常数的定义值”，实施了新的千克定义。 (基于 NMIJ 普朗克常数的千克新定义的说明页）

　NMIJ 参与了定义修订中采用的八个普朗克常数测量中的四个测量。其中一项几乎是由 NMIJ 独立测量的。我们能够为确定将留在科学史上的重要价值做出贡献，使日本研究机构及其研究人员的名字在未来清晰可见，这一事实证实了日本的科学技术能力处于世界最高水平。此外，通过传播可以使用新定义精确测量质量的技术，新的技术开发将在各个领域取得进展。

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*1：“不确定性”
这是一个相对较新的指标，于 1993 年推出，用于表达测量结果的可靠性。有一个“错误”一词表达了类似的概念，但根据国家和技术领域的不同，对于如何评估错误有几种不同的思考方式，从而造成混乱。因此，多个国际组织合作定义了新的不确定度指标及其评估方法，以统一国际上测量结果可靠性评估的方法。通过使用国际标准化方法评估的不确定性，可以准确地比较例如任何国家使用任何制造商的测量仪器的测量结果。[返回来源]
*2：米约定
这是一项于 1875 年 5 月 20 日缔结的国际条约，旨在建立基于公制的通用单位制并在国际上传播。为纪念这一协议，5月20日被定为世界计量日，每年都会举办许多与计量相关的国际活动。该国际条约的秘书处是位于法国巴黎郊区的国际计量局，负责管理国际公斤原型。作为其现代化努力的一部分，日本于 1885 年（明治 18 年）加入了米制公约。截至 2024 年 5 月，米表公约有 64 个成员国，有 36 个准成员国。 （NMIJ 说明页“米约定」）[返回来源]