較正

計測技術と計測学において、校正とは、テスト対象のデバイスによって生成された測定値を、精度が既知の校正標準の測定値と比較することです。このような標準には、精度が既知の別の測定デバイス、電圧、音色などの測定対象量を生成するデバイス、またはメートル定規などの物理的アーティファクトなどがあります。

比較の結果は次のいずれかになります。

• テスト対象デバイスに重大なエラーは確認されていない
• 重大な誤りが指摘されているが、調整は行われていない
• 誤差を許容できるレベルまで修正するために行われる調整

厳密に言えば、「キャリブレーション」という用語は比較行為のみを意味し、その後の調整は含まれません。

校正標準は通常、計量機関が保持する国家標準または国際標準にトレーサブルです。

国際度量衡局（BIPM）による校正の正式な定義は次のとおりです。「指定された条件下で、第1段階では、測定標準によって提供される測定不確かさを伴う量の値と、関連する測定不確かさを伴う対応する指示値（校正された機器または二次標準の）との関係を確立し、第2段階では、この情報を使用して指示値から測定結果を取得するための関係を確立する操作。」^[1]

この定義では、校正プロセスは純粋に比較であると述べられていますが、テスト対象デバイスと標準の精度を関連付ける際に 測定の不確実性の概念が導入されています。

精度と不確実性を知る必要性が高まり、国際的に一貫性があり比較可能な標準を持つ必要性が高まったため、国立研究所が設立されました。多くの国では、校正によって顧客の機器にトレーサビリティを提供するために使用される測定の主要標準 (主要なSI 単位といくつかの派生単位)を管理する国立計量標準機関 (NMI) が存在します。

NMI は、最高レベルの標準から測定に使用する機器まで切れ目のないチェーンを確立することで、その国 (および多くの場合他の国) の計量インフラストラクチャをサポートします。国立計量標準研究所の例としては、英国のNPL、米国のNIST、ドイツのPTBなどがあります。相互承認協定が締結されて以来、参加しているどの NMI からでもトレーサビリティを取得することは容易であり、企業が英国の 国立物理学研究所など、所在国の NMI から測定のトレーサビリティを取得する必要はなくなりました。

校正の品質を向上させ、その結果を外部の組織に受け入れてもらうには、校正と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。トレーサビリティを確立するには、国家標準 (米国のNISTなど)、国際標準、または認定された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を行う。これは、政府が運営する国家標準研究所または計量サービスを提供する民間企業によって行われる。

品質管理システムには、すべての計測機器の正式な定期的な校正と文書化を含む 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、これらの追跡可能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、規定された信頼レベルまでの追跡可能な不確実性ステートメントが付属していることがよくあります。これは、慎重な不確実性分析によって評価されます。機械を劣化状態で操作するには、DFS (仕様からの逸脱) が必要になる場合があります。これが発生する場合は、必ず書面で、校正技術者の技術支援を受けて管理者が承認する必要があります。

測定装置および計測器は、測定対象とする物理量に応じて分類されます。これらは国際的に異なり、例えば米国のNIST 150-2G ^[4]やインドのNABL -141 ^[5]などがあります。これらの規格は、電磁放射( RF プローブ)、音(騒音計または騒音線量計)、時間と周波数 (インターバルメーター)、電離放射線(ガイガーカウンター)、光 (照度計)、機械的量 (リミットスイッチ、圧力計、圧力スイッチ)、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計測器を対象としています。各試験装置の標準計測器もそれに応じて異なり、例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。

次の理由によりキャリブレーションが必要になる場合があります。

• 新しい楽器
• 楽器が修理または改造された後
• ある場所から別の場所に移動する
• 指定された期間が経過したとき
• 指定された使用時間（稼働時間）が経過したとき
• 重要な測定の前および/または後
• 例えばイベントの後
  • 機器が衝撃、振動、または物理的損傷にさらされ、校正の完全性が損なわれる可能性がある場合
  • 天候の急激な変化
• 観測結果が疑わしい場合や機器の表示が代替機器の出力と一致しない場合
• 要件によって指定されます（例：顧客の仕様、機器メーカーの推奨事項）。

一般的に、校正は、指定された精度内で、適用された標準の値と一致するように計測機器の出力または表示を調整するプロセスを含むと見なされることがよくあります。たとえば、温度計は、表示の誤差または補正が決定され、スケールの特定のポイントで摂氏での実際の温度が表示されるように調整 (たとえば、校正定数を使用)されるように校正できます。これは、機器のエンド ユーザーの認識です。ただし、比較対象の標準と正確に一致するように調整できる機器はほとんどありません。校正の大部分では、校正プロセスは実際には未知のものを既知のものと比較し、結果を記録することです。

校正プロセスは、校正が必要な計測機器の設計から始まります。設計は、校正間隔を通じて「校正を維持」できなければなりません。言い換えれば、設計は、指定された環境条件下で、ある程度の妥当な期間にわたって使用された場合、 「エンジニアリング許容範囲内」の測定が可能でなければなりません。 ^[6]これらの特性を備えた設計にすることで、実際の計測機器が期待どおりに機能する可能性が高まります。基本的に、校正の目的は、測定の品質を維持し、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。機器の測定では、製造業者が一般的に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、これは特定の測定機器の想定される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。標準自体は、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、顧客と合意した場合を除き、校正間隔に関する推奨事項を含めないでください。この要件は、法的規制によって置き換えられる場合があります。」

ANSI/NCSL Z540 ^[8]

「許容できる信頼性を保証するために確立され維持される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]

「...許容可能な精度と信頼性を保証するために確立され維持される定期的な間隔で校正されるものとします...以前の校正の結果から、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ことが示された場合、請負業者は間隔を短縮するか、または延長することができます。」

次のステップは、校正プロセスを定義することです。校正プロセスで最も目立つのは、標準の選択です。理想的には、標準の測定不確かさは、校正対象デバイスの 1/4 未満です。この目標が達成されると、最終測定も 4:1 の比率で行われた場合、関係するすべての標準の累積測定不確かさは重要ではないとみなされます。^[10]この比率は、おそらく、初期の米国国防総省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 で初めて公式化されました。1950 年代に開始されてから 1970 年代まで 10:1 でしたが、技術の進歩により、ほとんどの電子測定で 10:1 は不可能になりました。^[11]

現代の機器で 4:1 の精度比を維持するのは困難です。校正対象の試験機器は、作業標準と同等の精度を持つことができます。^[10]精度比が 4:1 未満の場合は、校正許容値を減らして補正することができます。1:1 に達すると、標準と校正対象デバイスが完全に一致した場合のみ、完全に正しい校正となります。この機能の不一致に対処するためのもう 1 つの一般的な方法は、校正対象デバイスの精度を下げることです。

たとえば、メーカーが規定する精度が 3% のゲージを 4% に変更して、精度 1% の標準を 4:1 で使用できます。ゲージが 16% の精度を必要とするアプリケーションで使用される場合、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。ただし、最終測定で 10% の精度が必要な場合、3% ゲージは 3.3:1 より良くなることはありません。その場合、ゲージの校正許容値を調整する方がよい解決策になるかもしれません。校正が 100 単位で実行される場合、1% 標準は実際には 99 から 101 単位の間になります。テスト機器が 4:1 の比率である場合の校正の許容値は、96 から 104 単位までです。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 に変更すると、最終比率は 4:1 以上に戻ります。

これは単純化された例です。この例の数学的な意味は疑問視される可能性があります。実際のキャリブレーションでこのプロセスを導いた考え方が何であれ、記録してアクセスできるようにすることが重要です。非公式な記述は、許容誤差の積み重ねや、キャリブレーション後の診断が難しいその他の問題の原因となります。

また、上記の例では、理想的には、100 単位の校正値が、ゲージの範囲内で単一点校正を実行するための最適なポイントになります。これは、メーカーの推奨値である場合もあれば、同様のデバイスがすでに校正されている方法である場合もあります。複数点校正も使用されます。デバイスによっては、ゼロ単位状態、つまり測定対象の現象がない状態も校正ポイントになる場合があります。または、ゼロはユーザーがリセットできる場合もあります。さまざまなバリエーションが可能です。ここでも、校正中に使用するポイントを記録しておく必要があります。

標準と校正対象デバイスの間には、校正に影響を与える特定の接続方法がある場合があります。たとえば、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。

最新のデバイスのキャリブレーション方法は、手動または自動です。

一例として、手動プロセスは圧力計の校正に使用できます。この手順には複数のステップが必要です。^[12]試験対象のゲージを基準マスターゲージと調整可能な圧力源に接続し、基準ゲージと試験ゲージの両方にゲージのスパン上の特定のポイントで流体圧力を適用し、2つの測定値を比較します。試験対象のゲージは、ゼロ点と圧力への応答が意図した精度に可能な限り近くなるように調整される場合があります。プロセスの各ステップでは、手動で記録を保持する必要があります。

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強器、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トランスデューサー、および液体トラップやゲージフィッティングなどの付属品を組み合わせた装置です。自動システムには、記録保存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。

上記のすべての情報は、特定のテスト方法である校正手順で収集されます。これらの手順には、校正を正常に実行するために必要なすべての手順が含まれています。製造元が手順を提供する場合もあれば、組織が組織の他のすべての要件も含む手順を準備する場合もあります。米国の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センターがあります。

このプロセスは、使用される各標準に対して繰り返され、最終的に、実験室で最も不確実性が少ない測定標準であるトランスファー標準、認証済み参照物質、および/または自然物理定数が決定されます。これにより、校正の トレーサビリティが確立されます。

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

これらすべてが終わると、上で説明した特定のタイプの個々の機器を最終的に校正できます。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、定期的なメンテナンスを実行する前に「現状のまま」の校正データを収集します。定期的なメンテナンスと校正中に検出された欠陥に対処した後、「現状のまま」の校正を実行します。

より一般的には、校正技術者がプロセス全体を委託され、校正証明書に署名します。校正証明書には、校正が正常に完了したことが記録されます。上記の基本的なプロセスは、困難で費用のかかる課題です。一般的な経験則によると、通常の機器のサポートにかかる費用は、通常、年間で元の購入価格の約 10% です。走査型電子顕微鏡、ガスクロマトグラフシステム、レーザー 干渉計などの特殊な機器の維持には、さらに費用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した「単一測定」デバイスは存在します。ただし、組織によっては、校正を必要とするデバイスの大半は、1 つの機器に複数の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 200,000 通りの設定の組み合わせがあり、包括的な校正をどの程度自動化できるかには制限があります。

機器への不正アクセスを防ぐために、校正後には通常、改ざん防止シールが貼られます。オシロスコープのラックの写真には、このシールが貼られています。このシールは、機器が前回の校正以降に取り外されていないことを証明しています。取り外すと、機器の調整要素が不正に操作される可能性があります。また、前回の校正日と、次回の校正が必要な校正間隔を示すラベルもあります。組織によっては、記録の保存を標準化し、特定の校正条件に不可欠なアクセサリを追跡するために、各機器に固有の ID を割り当てることもあります。

校正対象の機器がコンピューターと統合されている場合、統合されたコンピューター プログラムと校正修正も制御されます。

「calibrate」と「calibration」という言葉は、アメリカ南北戦争の頃に大砲の説明で英語に登場し^[14]、銃の口径の測定に由来すると考えられています。

最も古い計測システムと較正システムは、エジプト、メソポタミア、インダス文明の間で作られたと思われ、発掘調査により建築に角度の段階的使用が明らかになっています。^{[15] 「較正」という用語は、おそらく最初に}除算機を使用した直線距離と角度の正確な除算と、重量計を使用した重力質量の測定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の派生は、最も古い文明から西暦1800年頃までのほぼすべての商業と技術の発展を支えました。^[16]

初期の計測機器は直接的なものであり、つまり、計測される量と同じ単位を使用していました。例としては、長さを測るヤード棒や質量を測る秤などがあります。12世紀初頭、ヘンリー1世（1100-1135）の治世中に、ヤードは「王の鼻先から伸ばした親指の先までの距離」と定められました。 ^[17]しかし、文書化された証拠が見つかるのはリチャード1世（1197）の治世になってからでした。^[18]

法廷の規模

「王国全体に同じ大きさの同じ庭があり、それは鉄でできているべきだ。」

液体の測定に関するマグナ・カルタ（1225年）などの他の標準化の試みが続き、フランスのメートル・デ・アーカイブスによってメートル法が確立されるまで続きました。

最も初期の圧力測定装置の一つは、トリチェリ（1643年）^[19]が考案した水銀気圧計で、水銀を使って大気圧を測定した。その後すぐに、水を満たした圧力計が設計された。これらはすべて、重力測定原理を使用した線形較正を備えており、レベル差が圧力に比例していた。通常の測定単位は、便利な水銀または水銀インチであった。

右側の直接読み取り式静水圧マノメーターの設計では、加えられた圧力 P _{a が液体をマノメーターの U 字管の右側に押し下げ、管の横にある長さ目盛りがレベル差を測定します。結果として生じる高さの差「H」は、}大気圧に対する圧力または真空の直接測定値です。差圧がない場合、両方のレベルは等しくなり、これがゼロ点として使用されます。

産業革命により、圧力計よりも実用的な「間接的な」圧力測定装置が採用されました。^[20] 一例として、高圧（最大 50 psi）蒸気機関が挙げられます。この蒸気機関では、目盛りの長さを約 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、このような圧力計は高価で破損しやすかったです。^[21]これにより間接的な読み取り装置の開発が促進され、ウジェーヌ・ブルドンが発明したブルドン管はその顕著な例です。

右のブルドン圧力計の正面図と背面図では、下部のフィッティングに加えられた圧力によって、平らなパイプの曲がりが圧力に比例して減少します。これにより、指針にリンクされているチューブの自由端が移動します。この計器は、校正基準となるマノメーターに対して校正されます。単位面積あたりの圧力の間接的な量を測定する場合、校正の不確実性は、マノメーターの流体の密度と、高さの差を測定する手段に依存します。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、スケールにマークすることができます。

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• Crouch, Stanley & Skoog, Douglas A. (2007).機器分析の原理. パシフィックグローブ: Brooks Cole. ISBN 0-495-01201-7 .