較正

校正の品質を向上させ、外部機関による結果の承認を得るためには、校正およびその後の測定が国際的に定義された測定単位に「トレーサブル」であることが望ましい。トレーサビリティの確立は、国家標準（米国におけるNISTなど）、国際標準、または認証標準物質に直接的または間接的に関連する標準との正式な比較によって行われる。これは、政府が運営する国家標準研究所、または計測サービスを提供する民間企業によって実施される。

品質管理システムでは、すべての測定機器の正式かつ定期的な文書化された校正を含む 効果的な計測システムが求められます。ISO 9000 ^{[ 2 ]}およびISO 17025 ^{[ 3 ]}規格では、これらのトレーサブルなアクションが高レベルで行われることが要求され、それらを定量化する方法も規定されています。

校正の品質を伝えるために、校正値には多くの場合、定められた信頼水準へのトレーサブルな不確かさの記述が添えられます。これは、綿密な不確かさ解析によって評価されます。場合によっては、劣化した状態で機械を稼働させるために、仕様からの逸脱（DFS）が必要となることがあります。このような事態が発生した場合は、必ず書面で記録し、校正技術者の技術支援を受けた管理者の承認を得なければなりません。

測定装置と計測器は、測定するように設計された物理量に応じて分類されます。これらは国際的に異なり、たとえば、米国ではNIST 150-2G ^{[ 4 ]}、インドではNABL -141 ^{[ 5 ]}があります。これらの規格は、電磁放射( RF プローブ)、音(騒音計またはノイズ線量計)、時間と周波数 (インターバル計)、電離放射線(ガイガーカウンター)、光 (照度計) 、機械量 (リミットスイッチ、圧力計、圧力スイッチ)、および熱力学的または熱的特性 (温度計、温度コントローラー) など、さまざまな物理量を測定する機器を網羅しています。各試験装置の標準機器はそれに応じて異なり、たとえば、圧力計の校正にはデッドウェイト テスター、温度計の校正にはドライブロック温度テスターが使用されます。

校正プロセスは、校正が必要な測定機器の設計から始まります。設計は、校正期間を通して「校正を維持」できるものでなければなりません。言い換えれば、設計は、規定された環境条件下で妥当な期間にわたって使用した場合に、 「工学的許容範囲内」の測定値が得られるものでなければなりません。 ^{[ 6 ]}このような特性を持つ設計であれば、実際の測定機器が期待どおりに動作する可能性が高まります。基本的に、校正の目的は、測定の品質を維持するとともに、特定の機器が適切に動作することを保証することです。

許容値を割り当てる正確なメカニズムは、国や業界の種類によって異なります。測定機器メーカーは通常、測定許容値を割り当て、校正間隔 (CI) を提案し、使用および保管の環境範囲を指定します。使用組織は通常、実際の校正間隔を割り当てますが、これはこの特定の測定機器の使用レベルに依存します。校正間隔の割り当ては、以前の校正結果に基づく正式なプロセスである場合があります。規格自体は、推奨される CI 値について明確ではありません。^{[ 7 ]}

ISO 17025 ^{[ 3 ]}

「校正証明書（または校正ラベル）には、顧客との合意がない限り、校正間隔に関する推奨事項を記載してはならない。この要件は、法令によって変更される場合がある。」

ANSI/NCSL Z540 ^{[ 8 ]}

「…許容可能な信頼性を確保するために、定められた定期的な間隔で校正または検証されなければならない…」

ISO-9001 ^{[ 2 ]}

「有効な結果を確保するために必要な場合、測定機器は、指定された間隔で、または使用前に校正または検証されなければならない。」

MIL-STD-45662A ^{[ 9 ]}

「…は、許容可能な精度と信頼性を確保するために設定され維持される定期的な間隔で校正されなければならない。…請負業者は、以前の校正結果から、許容可能な信頼性を維持するためにそのような措置が適切であると判断した場合に、間隔を短縮または延長することができる。」

次のステップは、校正プロセスを定義することです。標準器の選択は、校正プロセスの中で最も目立つ部分です。理想的には、標準器の測定不確かさは、校正対象機器の測定不確かさの 1/4 未満です。この目標が達成されると、最終的な測定も 4:1 の比率で行われる場合、関係するすべての標準器の累積測定不確かさは無視できるとみなされます。^{[ 10 ]}この比率は、おそらく米国国防総省の初期の計測プログラム仕様である MIL-STD-45662A に付属するハンドブック 52 で初めて正式に規定されました。1950 年代の創設から 1970 年代までは 10:1 でしたが、技術の進歩により、ほとんどの電子計測で 10:1 は不可能になりました。^{[ 11 ]}

現代の機器で精度比を 4:1 に維持することは困難です。校正対象の試験機器は、作業標準と同等の精度を持つ場合があります。^{[ 10 ]}精度比が 4:1 未満の場合、校正許容値を小さくして補正することができます。1:1 に達すると、標準と校正対象機器が完全に一致する場合のみ、完全に正しい校正となります。この能力の不一致に対処するもう 1 つの一般的な方法は、校正対象機器の精度を下げることです。

例えば、メーカー公称精度が 3% のゲージを 4% に変更することで、1% 精度の標準を 4:1 の比率で使用できるようになります。ゲージが 16% の精度を必要とする用途で使用される場合、ゲージの精度を 4% に下げても最終測定の精度には影響しません。これは限定校正と呼ばれます。しかし、最終測定で 10% の精度が必要な場合、3% のゲージは 3.3:1 を超える精度にはなりません。その場合は、ゲージの校正許容値を調整する方がより良い解決策となるでしょう。校正が 100 単位で行われる場合、1% 標準は実際には 99 から 101 単位の間のどこかになります。試験装置が 4:1 の比率で使用されている場合の校正の許容値は 96 から 104 単位です。許容範囲を 97 から 103 単位に変更すると、すべての標準の潜在的な影響がなくなり、3.3:1 の比率が維持されます。さらに、許容範囲を98～102に変更することで、最終的な比率は4：1以上になります。

これは簡略化された例です。この例の数学的妥当性については異論があるかもしれません。実際の校正において、このプロセスを導いた思考過程を記録し、アクセス可能にしておくことが重要です。非公式な手順は、許容誤差の蓄積や、校正後の診断が困難なその他の問題を引き起こす原因となります。

上記の例でも、理想的には、100単位の校正値が、ゲージの測定範囲内で一点校正を行うのに最適なポイントとなります。これはメーカーの推奨値である場合もあれば、類似機器の校正方法が既に確立されている場合もあります。多点校正も用いられます。機器によっては、測定対象現象が存在しない状態であるゼロ単位の状態も校正ポイントとなる場合があります。あるいは、ゼロをユーザーがリセットできる場合もあります。いくつかのバリエーションが考えられます。いずれの場合も、校正時に使用するポイントは記録しておく必要があります。

標準器と校正対象機器間の接続方法によっては、校正結果に影響を与える場合があります。例えば、アナログ現象を伴う電子校正では、ケーブル接続のインピーダンスが結果に直接影響を与える可能性があります。

現代の機器の校正方法は、手動式と自動式がある。

例えば、圧力計の校正には手動プロセスが用いられることがある。この手順には複数のステップが必要で、^{[ 12 ]}試験対象の圧力計を基準マスターゲージと調整可能な圧力源に接続し、圧力計の範囲の特定の位置で基準圧力計と試験対象圧力計の両方に流体圧力を加え、両者の読み取り値を比較する。試験対象の圧力計は、ゼロ点と圧力に対する応答が意図した精度にできるだけ近づくように調整される。このプロセスの各ステップでは、手動で記録を残す必要がある。

自動圧力校正器^{[ 13 ]}は、電子制御ユニット、窒素などのガスを圧縮するために使用される圧力増圧器、油圧アキュムレータ内の所望のレベルを検出するために使用される圧力変換器、および液体トラップやゲージ継手などのアクセサリを組み合わせた装置です。自動システムには、記録保持のためのデータ収集を自動化するデータ収集機能も含まれる場合があります。

上記の情報はすべて、特定の試験方法である校正手順で収集されます。これらの手順には、校正を成功させるために必要なすべてのステップが網羅されています。製造元が提供する場合もあれば、組織が独自の要件もすべて網羅した手順を作成する場合もあります。米国には、政府・産業データ交換プログラム（GIDEP）など、校正手順に関する情報交換機関が存在します。

この手順は、伝達標準、認証標準物質、および／または自然物理定数といった、実験室における測定基準のうち不確かさが最も小さい基準に到達するまで、使用する各標準に対して繰り返されます。これにより、校正のトレーサビリティが確立されます。

校正プロセス開発時に考慮されるその他の要素については、「計測学」の項を参照してください。

これらすべての手順を終えると、上述の特定の種類の個々の計測器を最終的に校正することができます。このプロセスは通常、基本的な損傷チェックから始まります。原子力発電所などの一部の組織では、定期メンテナンスを実施する前に「現状」の校正データを収集します。定期メンテナンスと校正中に検出された不具合に対処した後、「メンテナンス終了時」の校正が実施されます。

一般的には、校正技術者が全工程を担当し、校正が完了したことを証明する校正証明書に署名します。上記のような基本的なプロセスは、困難かつ費用のかかる作業です。一般的な機器のサポート費用は、一般的に年間購入価格の約10%程度とされています。走査型電子顕微鏡、ガスクロマトグラフ、レーザー干渉計などの特殊な機器は、さらに高額な維持費がかかる場合があります。

上記の基本的な校正プロセスの説明で使用されている「単一測定」装置は確かに存在します。しかし、組織によっては、校正が必要な装置の大部分は、1台の機器に複数の測定範囲と多くの機能を備えている場合があります。良い例は、一般的な最新のオシロスコープです。完全に校正するには、簡単に20万通りもの設定の組み合わせが必要になる可能性があり、包括的な校正をどの程度自動化できるかには限界があります。

機器への不正アクセスを防ぐため、通常は校正後に改ざん防止シールが貼られます。オシロスコープラックの写真にはこれらのシールが写っており、機器が前回の校正以降取り外されていないことを証明しています。シールが貼られていると、機器の調整要素に不正にアクセスされる可能性があるからです。また、前回の校正日と、次回の校正が必要となる校正間隔を示すラベルも貼られています。一部の組織では、記録管理を標準化し、特定の校正条件に不可欠な付属品を追跡するために、各機器に固有の識別番号を割り当てています。

校正対象の機器がコンピュータと統合されている場合、統合されたコンピュータプログラムおよび校正補正も管理下に置かれる。

「calibrate」と「calibration」という言葉は、南北戦争の頃に大砲の説明の中で英語に取り入れられ、^{[ 14 ]}銃の口径の測定に由来すると考えられています。

最も初期の測定および校正システムのいくつかは、古代エジプト、メソポタミア、インダス文明の間で作られたようで、発掘調査では建設に角度目盛が使用されていたことが明らかになっています。^{[ 15 ]}「校正」という用語は、おそらく最初に分割機を使用して直線距離と角度を正確に分割すること、および秤を使用して重力質量を測定することに関連付けられました。これら 2 つの測定形式とそれらの直接的な派生は、最も初期の文明から紀元 1800 年頃まで、ほぼすべての商業と技術開発を支えました。^{[ 16 ]}

初期の測定機器は直接的であり、つまり測定対象量と同じ単位を持っていた。例としては、ヤードスティックを使った長さの測定や、秤を使った質量の測定などがある。12世紀初頭、ヘンリー1世の治世（1100～1135年）には、ヤードは「国王の鼻先から伸ばした親指の先までの距離」と定められた。^{[ 17 ]}しかし、文書による証拠が見つかるのはリチャード1世の治世（1197年）になってからである。^{[ 18 ]}

措置の規模

「王国全土において、同一の大きさの同一のヤードが設けられ、それは鉄製でなければならない。」

その後、液量単位に関するマグナ・カルタ（1225年）など、他の標準化の試みが続き、フランスのメートル・デ・アルシーヴとメートル法の確立に至った。

最も初期の圧力測定装置の1つは、トリチェリ（1643年）^{[ 19 ]}が考案した水銀気圧計で、水銀を用いて大気圧を測定した。その後まもなく、水で満たされたマノメーターが設計された。これらはすべて、重力測定原理を用いた線形校正を備えており、液面の差は圧力に比例する。通常の測定単位は、便利な水銀柱または水柱のインチであった。

左側の直読式静水圧マノメーターでは、加えられた圧力 P _{a によって}液体がマノメーターの U 管の右側に押し下げられ、管の横にある長さ目盛で液面の差が測定されます。結果として生じる液面の高さの差「H」は、大気圧に対する圧力または真空度を直接測定した値となります。差圧がない場合、両方の液面は同じ高さになり、これがゼロ点として使用されます。

産業革命では、マノメーターよりも実用的な「間接」圧力測定装置が採用されました。^{[ 20 ]} 例えば、高圧（最大50psi）蒸気機関では、目盛の長さを約60インチに短縮するために水銀が使用されていましたが、このようなマノメーターは高価で破損しやすかったのです。^{[ 21 ]}このことが間接読み取り式計器の開発を促し、ウジェーヌ・ブルドンが発明したブルドン管はその代表的な例です。

ブルドン管を正面（左）と背面（右）から見た間接的な読み取り図。

右側のブルドン管圧力計の前面図と背面図では、底部継手に圧力を加えると、平らな管の湾曲が圧力に比例して減少します。これにより、指針に連結された管の自由端が動きます。この計器は、校正基準となるマノメーターを用いて校正されます。単位面積あたりの圧力の間接的な量を測定する場合、校正の不確かさは、マノメーター液の密度と高さの差を測定する方法に依存します。このことから、平方インチあたりのポンドなどの他の単位を推測し、目盛りに表示することができます。