教學設備產品標準中如何確定產品的技術要求

任偉德

產品標準的基本要求是依據標準能夠全面準確判定產品質量。當前，教學儀器產品標準中存在較多問題。為更好地解決這些問題，需要從產品標準化入手，根據制訂標準的三大原則，進一步明確產品的技術要求，為提升產品質量服務。

制訂標準的三大原則

目的性原則

目的性原則就是要解決對需要標準化的對象的哪些內容進行標準化的問題。編寫標準的目的多種多樣。例如：適用性目的；保障健康、保證安全、保護環境或促進資源合理利用的目的；接口、互換性、兼容性或相互配合的目的；品種控制的目的；相互理解的目的。制訂產品標準的目的就是為了保證產品的適用性。

為了保證產品的適用性，應在標準中規定需要證實的有關特性（例如外形尺寸、機械、物理、力學、聲學、熱學、電學、化學、生物學、人類工效學等）的技術要求，以及對應的證實方法（例如試驗方法、測定方法、測試方法）和取樣方法（例如采樣方法、抽樣方法等）。對于上述特性、證實方法和取樣方法，在產品標準中可以分別選擇技術要素“要求”“試驗方法”和“取樣”等。

性能原則

產品的特性可分為性能特性和描述特性。性能特性是與產品的使用功能有關，在使用中才能體現出來的特性（如速度、亮度、載重量、可靠性、安全性等）；描述特性是與產品的結構、設計相關的，是在實物上或圖紙上顯示出來的特征（如機械產品在圖紙中描述的尺寸、形狀、光潔度等）。

什么情況下應選擇性能原則？條件是可能證實。只有在無法滿足“可證實性原則”時，才可考慮使用性能特性之外的其他方法作出規定。

可證實性原則

可證實性原則指“不論標準的目的如何，標準中應只列入那些能被證實的要求”。就是說，標準中規定的要求應該能夠檢驗、證實。

根據可證實性原則，在標準的“要求”中，應按照下列規則：a) 不應列入沒有證實方法的要求；b) 不必列入無須證實的要求；c) 不宜列入不能在較短時間內證實的要求；d) 不應列入不能量化的要求。

產品標準的基本要求：依據標準能夠全面準確判定產品質量

為了保證產品的適用性，產品標準的基本要求是依據標準能夠全面準確判定產品質量。原國家技術監督局制訂的“無標生產界定”規定：“執行的標準內容不完整，依據標準不能全面、準確地判定質量狀況的屬于‘無標生產的一種情況。”

例如，某旋片式真空泵企業標準（這是一個真實的例子）具體內容只有下面六條：電機轉速：1 400 r/min；絕緣電阻：電源輸入端與機殼外露金屬部件之間絕緣電阻≥20 MΩ；電源輸入端與機殼外露金屬不見之間應能承受50 Hz、1 500 V正弦交流試驗電壓1 min，不應出現飛弧和擊穿現象；產品外觀應整潔，無明顯裂紋、變形、劃傷和銹蝕現象；結構件裝配牢固，標志清晰，作用正常手感平穩無松動現象；字符正確、清晰、指示正確。

真空泵是用來抽真空的，因此真空泵的產品標準中必須有抽真空性能，這是最主要的內容。另外，還涉及極限壓力、抽氣速率、進氣口內徑等很多內容。

其實，旋片式真空泵早就有機械行業標準：JB/T 6533－2005。上述企業標準中缺少以下重要技術指標：抽氣速率、極限壓力、噪聲、進氣口內徑、抽氣效率、泵不應漏油、泵在100 kPa～6 kPa的入口壓力下連續運轉時間不應超過3 min，并在入口通大氣時，1 min內無噴油的現象、泵停止后，不得因返油妨礙重新啟動；泵的最低啟動溫度為12 ℃。

這只是依據企業產品標準不能全面準確判定產品質量的一個例子。即如果依據這個企業產品標準，真空泵如果不能抽氣，也可以是“合格”的，因為標準中沒有要求。如果是因為“最低價”買了這樣的產品，表面看也有“標準”，但是實際上則是一個廢品。所以，我們可以理解為什么“執行的標準內容不完整，依據標準不能全面、準確地判定質量狀況的”要作為“無標”的原因了。

當前，這是一個帶有普遍性的問題，要尋找這樣的例子非常容易，比比皆是。相反，要尋找一個符合要求的企業產品標準，倒是一件很困難的事情。因此必須引起高度重視。

怎樣確定產品標準“要求”一章的內容

“要求”一章中規定了產品應達到的各項技術指標，因此在產品標準中都應有要求一章。總的說，產品標準“要求”的內容應視情況包含下列諸方面：對產品適用性有影響的性能和指標；產品基本性能和安全衛生等指標。

一般說，有以下這些：a）環境適應性；b）使用性能；c）理化性能；d）穩定性；e) 健康、安全、電磁兼容和環境保護；f）耗能指標；g）外觀和感官要求；h）材料和工藝要求；i）其他要求。

教學儀器產品是為了在教學中使用的，因此起草人在編制產品標準以前，必須首先把該產品在教學中的具體用途、使用要求、產品應有的功能、應有的技術指標弄得非常清楚。只有這樣，編制的標準才可能符合在教學中適用、好用的目的。

從標準內容也可看出標準起草人是否充分了解產品在教學中是怎么用的，是否懂得教學。不懂教學的企業，不可能生產出符合教學需要的教學儀器產品。

確定產品標準技術內容的實例

以下舉3個實例，用以說明如何確定產品標準的技術內容。

例1：分子間隔演示器

把一體積的純水和一體積的95%酒精混合后，總體積小于二體積。解釋是小的分子到大的分子空隙中去了，因此總體積減小。但是這個實驗中總體積的減小并不明顯。因此，有人設計了一種特殊的玻璃容器，如圖1所示，目的是在細頸部分液面的高度差與總體積的變化比較明顯。

了解實驗過程。首先加入約1/2瓶的純水，然后滴入1～2滴油酸，再用注射器沿瓶壁緩緩加入95%的酒精，加到瓶口刻度線處，塞上瓶塞。酒精浮在水面上，因為中間有油膜隔離，所以酒精與水不會混合。塞上瓶塞，搖動瓶，混合以后瓶中溶液變成乳白色（油酸的乳濁液），可以見到總體積減小。

現在要制訂這個產品的標準，應該規定什么內容呢？

1）規定一個特殊的瓶，可以畫圖，規定瓶各部分尺寸、瓶壁厚，無色透明，材料為普通玻璃（不必規定玻璃牌號或成分），規定壁厚均勻度，消除內應力，玻璃容器的允許缺陷。

2）規定附件：瓶塞（規格或尺寸）、注射器（規格）、一小瓶油酸（規格和容積）。

這個標準基本是對現有產品的描述，產品是比較簡單的。但是，需要注意的是對現有產品的描述并非僅僅限于外形尺寸和外觀工藝。

例2：溶液導電演示器

溶液導電性演示器用于初、高中化學教學中電解質導電能力（導電率）的教學，比較幾種強、弱電解質的導電性。本教具要求能夠定性比較，區分強、弱電解質的導電能力。

作為一種通用的溶液導電性演示器，應該能區分各種電解質，并且作為批量生產的產品，應穩定可靠。

這個教具歷來有幾種方案：一種是用白熾燈泡顯示，另一種是用發光二極管分段顯示。用燈泡顯示的，又有使用2.5 V小燈泡（使用干電池作電源）和使用220 V白熾燈泡（使用220 V電網電源）。

上述各方案的問題是：用白熾燈泡顯示的，理論上燈泡亮度可以連續變化，但是實際上存在的問題是第一，同一規格2.5 V白熾燈泡的亮度相差較大；用220 V燈泡雖然亮度一致性較好，但是不安全。第二，人眼對白熾燈泡發光亮度的感覺并不能區分通過燈泡電流強度的較小變化。經試驗，2.5 V/0.3 A的白熾燈泡，當電流下降到90％（0.27 A）時，看不出亮度變化，電流下降到80％～40％（0.25～0.125 A）時亮度變化明顯，電流下降到30％（0.1 A）時燈絲不發光。因此實際可用的區域是90％～40％。

用發光二極管分段顯示的，都用5個發光二極管，有5個貯液槽，區分5種不同溶液，第一種溶液使1個發光二極管亮，第二種溶液使2個發光二極管亮，……

圖2中斜線是連續變化的模擬量，階梯是數字量，把連續的斜線變成了5個臺階。

圖中3種溶液A、B、C，在某種條件下電流分別為I1、I2和I3。溶液A和B的導電能力同在第2臺階上（有二個發光二極管亮），無法區分。但是實際上它們的導電能力是不同的。解決方案是增加臺階數。量化得越細，分辨率越高，但是成本也越高。

用5個發光二極管顯示的方案，原來是根據高中第三冊化學實驗要求的5種特定溶液（0.5 mol/L的鹽酸、氨水、醋酸、氫氧化鈉和氯化鈉的水溶液）設計的。原初中教材中的酸堿鹽溶液的導電性實驗中并沒有規定濃度，要求依次加入10多種溶液。再按照上述湊好的5個發光二極管，就不難以達到所需實驗效果。

目前人教版初中化學第二冊要求分別試驗鹽酸、硫酸、氫氧化鈉溶液、氫氧化鈣溶液蒸餾水和乙醇的導電性。高中新教材中要求分別試驗氯化鈉溶液、氫氧化鈉溶液、稀鹽酸、酒精溶液和蔗糖溶液的導電性。在離子反應部分，要求在4只相同的小燒杯中分別加入0.1 mol/L的鹽酸、醋酸溶液、氫氧化鈉溶液和氨水，比較導電能力強弱。

因此，本教具面臨著較廣泛的適應性問題，無法按照幾種特定的溶液設計一個都能適應的分五級發光電路。

為了解決這個“普適性”問題，本標準規定了采用電流表指示的方案。用一個電流表，加轉換開關，依次測量在相同條件下通過每種溶液的電流值。實驗中不需要同時觀察5個電流表，依次記錄電流表的示值即可。

為了達到相同條件，本標準規定了5個貯液槽的大小、電極間距和伸入貯液槽長度，以及貯液槽中盛液體量都相同。

采用碳棒做電極，是為了避免在通電時腐蝕，產生極化電動勢。

因為需要觀察貯液槽內溶液量，因此規定了貯液槽材料的透光率。

本標準規定了電流表的標度盤應該是線性的。規定應有外接演示電表的接線柱，不接外接電表時將接線柱短接。

關于電源電壓和電流表量程：經過多次試驗，當電壓為6 V時，在本產品的貯液槽中，流過0.1 mol/L的強電解質的電流都在5 mA以內。因此，電壓定為6 V，電流表量程定為5 mA。

在標準中還規定了使用條件、產品構成、電路連接、穩度、外觀和工藝、環境試驗。并且逐個具體規定了貯液槽、電流表、電極、轉換開關、電池盒、底座連面板的具體要求。

這個標準并不是對現有產品的簡單描述，而是針對現有產品存在的問題，進行改進優化。這種情況是常見的（這是一個正在制訂中的標準）。

例3：演示用數字多用電表

1）“演示用數字多用電表”在教學中的用途。在JY/T 0386-2006、JY/T 0387-2006中增加了初中數字演示電表（編號：15002）；在JY/T 0406-2010中增加了高中數字演示電表（編號：15003）。

數字演示電表在教學中的用途：用在需要較準確測量以及有較高分辨力的實驗中。因為輸入阻抗高，特別在電子電路中測量時對電路的狀態影響小，是準確度較高、量程較寬的常用電學量通用測量儀表。

初中對數字演示電表的要求是測量直流電壓、電流和做檢流計（顯示正負極，指示微安級電流），以及較準確測量電阻值。測量電流時可能需要測量較大電流。

高中數字演示電表的要求是：測量直流電壓、電流和做檢流計，需要測量較高電壓和較大電流，以及較準確測量電阻值，測量電容量、電感量、頻率、晶體管直流小信號放大倍數和二極管正向壓降。

在教學中使用時，要求正、反雙面都有測量數值顯示（背面數字方便教師觀看，數碼管尺寸可以較小），并且應讓學生看到當前的量程，教師也應方便操作（調節不同量程）。

教學中使用電表需要加強誤操作時的自動防護，盡量避免電表損壞。

演示電表還應有較好的可見度。

2）收集樣品和資料的情況。①位數，3-1/2位不夠，需要4-1/2位。②面板，某樣品兩面都有量程是好的，教師便于觀看。但是轉換量程應在正面，不是背面。學生不僅是觀看示值，同時也需了解當前的量程。③不確定度，因為是3－1/2位表，最高只能可以做到0.5級。④數字電表不必設“檢流計”量程，數字電表自動顯示正、負，再設檢流計是多余的。⑤量程設置不合理，大小不一。有的樣品按照初中學生用直流電壓表、直流電流表和檢流計設量程是不行的。⑥功能單一，一些不難實現的擴展功能沒有加上。⑦表筆和插孔，測量表筆是需要的，但是僅有表筆不夠，還需要夾子，有時需要連接在電路中；或者需要用導線連接，需要通用的接線柱。插孔數量最好只有2個，不要換插孔。換插孔在測量電流、大電流或高壓時。但是很容易誤操作，損壞電表。最好轉換電路的步驟由換檔開關聯動完成。⑧面板顯示單位，面板顯示的單位不準確（如某樣品，單位為“kΩ”時顯示的也是“Ω”），或者不明顯（符號和文字太小）。

3）演示用數字多用電表標準應有的技術內容。根據上述用途和樣品存在的問題，確定演示用數字多用電表標準應有的技術內容。

教學演示用數字多用電表應在符合GB/T 13978－2008《數字多用電表》國家標準的一般要求基礎上，在設置量程、確定分辨力和電表的位數以及某些方面應符合教學的特殊要求。應規定的技術內容是：a）安全要求；b）機械要求；c）電磁兼容性要求；d）過載能力；e）分辨力；f）預熱時間和調零時間；g）穩定性；h）可靠性；i）功能要求；j）接口；k）測量范圍；l）不確定度要求；m）不同測量功能的技術要求。

本標準規定的技術內容除了上述方面，還規定了以下內容：a）電表的位數；b）面板；c）過載保護；d） 外觀和工藝；e）環境試驗。

4）關于演示用數字多用電表標準的技術指標的考慮。

Δ位數。本標準規定采用4-1/2位。因為3-1/2位表用在教學上分辨率不夠。在很多場合要求較準確，例如整數有三位數時，還希望準確到小數點后一位，3-1/2表就不能滿足要求。沒有用3/4位表，因為現在基本都是1/2位表。

Δ量程。直流電流：0～200 μA、0～2 mA、0～20 mA、0～200 mA、0～20 A。測量到20 A主要是因為電磁學實驗中測量大電流較多。

直流電壓：0～200 mV、0～2 V、0～20 V、0～200 V、0～1 000 V，其中初中用表沒有1 000 V量程。

電阻：0～200 Ω、0～2 kΩ、0～20 kΩ、0～200 kΩ、0～2 MΩ、0～20 MΩ。

交流電壓：0～2 V、0～20 V、0～200 V、0～700 V。交流電壓測量功能用在高中。

交流電流：0～2 mA、0～20 mA、

0～200 mA、0～20 A，其中初中用表沒有20 A量程。

交流電流電壓按平均值響應。具有線性好、準確度高、電路簡單、成本低廉等優點。缺點：測量非正弦波電壓（或電流）誤差大。但是教學中不涉及測量非正弦波電壓（或電流）。

電容量：2 000 pF、20 nF、200 nF、2 μF、20 μF，分辨率1 pF。最小量程

2 000 pF檔，可用于小容量電容器測量，例如用于平行板電容器（電容量在10 pF以上）實驗效果比較明顯。

電感量：2 mH、20 mH、200 mH、2 H、20 H。一般變壓器的繞組電感（有鐵芯時）約在幾個亨利。增加測量電感量程是因為現在沒有配備電感量測量儀器。作為試驗或制作、維修教具時的工具，在數字多用表中增加測量電感量比較方便。

頻率：10 Hz～20 kHz。可以測量音頻范圍，這也是一般4-1/2位數字多用表頻率量程所具有的。教學儀器中沒有配備頻率表。

晶體管：PNP、NPN，hFE。可以測量晶體管。這個功能主要用來鑒別三極管是否良好。

二極管正向壓降UF:可以測量硅二極管和鍺二極管的正向壓降，也可測量發光二極管的正向壓降，此功能還可作為測量通斷用。

溫度：測量范圍定為20～150 ℃，該測量范圍已能滿足一般測量需要。設立溫度量程是因為學校中現在缺乏一個準確度較高的溫度計。

Δ不確定度

直流電流、直流電壓、直流電阻、交流電流和交流電壓的不確定度按GB/T 13978－2008。電容量、電感量和頻率三量程參照4－1/2位數字多用表。溫度測量參照數字溫度測量儀，按照JJG（機械）94－1992，熱電阻型。

分為基本不確定度極限值和工作不確定度。工作不確定度是在標準規定的影響量條件下可能的不確定度，大于基本不確定度。基本不確定度按照GB/T 13978－2008規定的4-1/2位數字表的不確定度極限。

根據GB/T 13978－2008規定，本標準以基本不確定度極限作為等級指數。

Δ分辨力

分辨力是與不確定度相聯系的，因此由產品標準規定，并應分別標明。

Δ預熱時間

按GB/T 13978-2008。

Δ面板

雙面字符、雙面量程顯示，單位顯示和可見度要求。顯示的被測量值應與相應的單位符號一致。儀表應具有對被測量范圍內連續變化的不間斷顯示能力。儀表的不同功能、不同量程可以有不同的顯示位數。

本標準還規定了各量程在無激勵時顯示。

為了保障數字的可見度，也兼顧了外殼的尺寸，標準規定了數碼顯示最小尺寸要求。本標準規定數碼管高度不小于44 mm。

根據人眼對綠光的分辨率極限，一般只能達到3′～5′。數碼管的筆劃寬度約占高度的1/7，約6.3 mm。如果最后一排距離講桌7 m，則在最后一排看數碼管筆劃的視角約3.1′，看數碼管的視角約為17′，所以應該能看清楚。

亮度要求數據是根據手冊，數碼管一般能夠達到。

Δ輸入端

表筆、線夾、接線柱（統一規格）。顏色：正極用紅色，負極用黑色，便于檢查線路。并且根據逐步統一接線柱的決定，本標準規定了接線柱的要求。

Δ過載保護

標準規定了小電流（200 mA以下）熔斷器保護，這是一般數字多用表的保護方法。一般數字多用表的20 A大電流是沒有保護的，本標準規定了大電流斷路器（空氣開關）保護。

Δ安全要求

首先，按照GB/T 13978-2008，引用GB 4793.1-2007第6、9、10、14和16章有關防電擊、防止火焰蔓延、溫度極限值和耐熱、元器件、電流測量電路以及多功能儀表和類似設備的規定。

Δ其他

機械要求、電磁兼容性要求、過載能力、穩定性和可靠性引用GB/T 13978-2008標準的有關要求。

Δ外觀和工藝

按照JY 0001－2003，引用了涉及的有關條文。

Δ環境試驗

環境試驗按照JY 0009-1990，進行全部項目環境試驗。

Δ關于溫度量程

可以使用集成溫度傳感器（例如AD590），工作溫度為－55～150 ℃，或者鉑電阻。因此，滿足本產品的溫度傳感器沒有問題。

這個例子是在還沒有現成成熟產品情況下編制標準，編制過程中經過對教學需求和現有產品的詳細分析，進行優化和改進，提出了具體的要求（注：這是一個已經通過審查的標準）。當前，這種體現 “前導性”的標準在教學儀器標準化中也是經常會遇到的，其前提是使用要求已經明確，并且涉及的技術是可以實現的。這種超前標準化的優點是可以及早引導產品發展，而不是任其自由發展。到了產品五花八門，并且已經較普遍地配備了再來制訂標準。如果那樣，標準制訂出來了作用也不大。但是，超前標準化往往是需要根據產品發展情況及時修訂的。

（作者單位：浙江省教育技術中心）