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[連載]測(cè)量不確定度評定與表示的其它問(wèn)題(tí)

發布(bù)時間(jiān):2007-04-02 作者:李慎安 來源:www.jlbjb.com 瀏覽:5551

  1.在JJF1059-1999中的7.3節指出:如(rú)果(guǒ)可以確定輸出量(liàng)Y可能值的分布不是正態分布,而是接近其他某種分布,則決不應(yīng)按包含因子k=(2~3)來計算擴展不確定度U。例如,Y可(kě)能值近似為矩形分布,則包含因子kpUp之間存在:
    對於U95:kp=k95=1.65≈1.6
        U99:kp=k99=1.71≈1.7
    那麽,在給出擴展不確定度U時,是否必須有“輸出量Y可能(néng)值(zhí)的分布並不接近其它某種分布”的論證,然(rán)後(hòu)才可(kě)以作k=2或k=3的選擇?
    一般來說(shuō)無此必要。
    這一條中所提(tí)到的問題雖然是正確的。其中所指的“某種(zhǒng)其他分布”指那些常見的簡單(dān)規則分布,例如三角分布、梯形分布、均勻(yún)分布、U形分布等,而非不規則的複雜形狀分布(bù)。在這樣的前提下,選取包含因子k=2或k=3顯然會使得(dé)所得出的擴展不確定度U過分地(dì)偏(piān)大。
    在(zài)按JJF1059的7.1節a)來(lái)確定U時(shí),並沒有要求先作出分布形狀的分析,然後作出k取多少的決定。我們可以認為,在這裏是不去(qù)考慮分布的,也就是說當我們要給(gěi)出U時,用合成(chéng)標準(zhǔn)不確定度uc乘以2或3就行了,正態分(fèn)布也好,非正態(tài)分布(bù)也好,不規則的分(fèn)布也好全不必考慮。GUM就是這樣規定的。這是否有漏洞呢?應該說是存在(zài)不太(tài)會出(chū)現的漏洞。因為:uc一般由若幹(gàn)分量合成,Y的(de)最佳估計值y一般由若幹輸入量Xi的估計值xi計算出(chū)來。y的分布不可能出現一種簡單的規則分布而倒是有可能趨近正態分(fèn)布。因此,在不確定(dìng)度的實際(jì)評定和計算中,可不去考慮7.3節所指出的問(wèn)題而按7.1節去計算U
    2.零修正在不確定度評定中多(duō)用於哪些場合?
    在JJF1059中第5章講到標準不確定(dìng)度的B類評定(dìng)時,5.6節中(zhōng)提到了兩個例子,這也都是GUM所引用的,其(qí)中的例2在6.5節中再次(cì)出現將(jiāng)所得出的兩個(gè)分量合成。即所測電壓平均值V的重複(fù)性標準偏差u(V)與數(shù)字式電壓表(biǎo)示值(zhí)的修正值ΔV的標準偏差(chà)u(ΔV)兩個分量的合成。這裏引用了數(shù)學模型:

   
    式中:V——被測(cè)量(輸出量)電壓;——被測量獨立觀測若(ruò)幹次(cì)的(de)算術平均值。這裏的修正值ΔV實際是零(líng),ΔV=0。相當大量(liàng)的測量儀器示值(zhí)都沒有給出修正值,也就是不加修正(zhèng),其(qí)實質是修正值(zhí)為零。這就是我們(men)習慣上一般所說的“零修正”,而這個零代表了從某(mǒu)個下界到某個上界所形成分散區間中(zhōng)的各個可能值,對測量儀器來說即其最大允許誤差(MPE)所(suǒ)構成的分散區(qū)間,其半(bàn)寬a可(kě)通過與本(běn)文報(bào)道之四(本刊2003年第1期)所提出的轉換係數b相(xiàng)乘,得出其分散性的標準不確定度u,這就是ΔV的標準不確定(dìng)度u(ΔV)。一般來說,由於測量儀器MPE所導致的不能(néng)加以修正(修正值為零)的情況下,均可采用本例的作法。因此,可能出現:
    
    這樣(yàng)的數(shù)學模型,式中Δi為用不同測(cè)量儀器測量其中的輸入(rù)量Xi所導致的“零修正”。而這一部分不確定度分量,通常是測(cè)量程序中(zhōng)的係(xì)統(tǒng)效應導致的分量。當u()包含(hán)了整個測量程序各個環節的隨機效應導致的(de)不確定度分量時(例如:通過平行試驗結(jié)果得出的合並樣(yàng)本標準偏差sp),上述數學模型就(jiù)能大大簡化uc的評定與計(jì)算。
    3.在輸入(rù)量Xi估計值(zhí)xi彼此獨立的情況下,如果函數(shù)f的形式表現為:
    Y=f(X1X2,…,Xn)
    
    則可按:
    
    來給(gěi)出輸出(chū)量的相對合成方差,其(qí)中指數(shù)pi是否應按靈敏係(xì)數ci對待?
    在采用上述相(xiàng)對標準不確(què)定度urel(xi)來進行合成時,pi實質是上靈敏係數cipi也有正(zhèng)負號的問題,而且當出現輸入量估計值xi之間(jiān)相(xiàng)關(guān)的情況下(相關係數r≠0),合成方差(chà)就會出現:
    
    在所有輸入量估計值xi都相關而且r=1的特殊情況下,出現以下合成方差:
    
    必須注意上式等號右邊pi的符號是有重要作用的,類似於靈敏(mǐn)係數ci的符號。他可能導致某些不(bú)確定度分量在合成時相(xiàng)減而消失或減少。

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    4.JJF1059附錄A之中,給出了如何用插入法計算(suàn)在該表中查不(bú)出相應包含因子kp時采用,是否有(yǒu)必要在任(rèn)何這類情況下如此處理?
    附錄A所提(tí)供的kp用於通過(guò)合成標準不確定度給出擴展不確定度Up。當然,還必(bì)須滿足一個前提,即被測量可(kě)能值的分布(bù)可以按中心極限(xiàn)定理估計接近正(zhèng)態(tài)分布。很明顯,kp之值除與概率p有關(p越大時k值越大(dà))之外,還與uc的自(zì)由度νeff有(yǒu)關(guān)(νeff越大,k值越小,當νeff接近(jìn)無窮大時k值最小)。但(dàn)可以發現,當νeff<6時,kp變化很快,隨ν的增大,kp減小的趨勢很快變慢,越(yuè)來越慢,而大(dà)於30之後幾乎沒有多大(dà)的變化了。因此,該附錄之注主要用於(yú)ν<6,這時(shí),即令相差0.1所導致的kp變化都(dōu)是不可忽略的。
    一般可分(fèn)成以下(xià)幾個處理方式:
    

例(lì)如:當計算出的νeff等於9.5,可以化整為(wéi)k95=t95(10)=2.23;k99=t99(10)=3.17。當νeff為10.9時,可按νeff≈10查表取(qǔ)kp,當νeff=49時,可(kě)按νeff≈45查表取(qǔ)kp,當νeff=99時,可按(àn)νeff≈50查表取kp
    5.關於按測量儀器示值誤差Δ決定儀器是否合格時,Δ的不確定度不得大於多少?在據以評定是(shì)否合格時,是否也存在一個不確定區(uncertainty range)?
    按計量技術規範JJF1094-2002《測量儀器特(tè)性評定》(該規範已由國家質檢總局於2002年11月(yuè)4日發布,並將於2003年2月4日實施)評定示值誤差Δ的不確定度U95與被評(píng)定測量儀器的最大允許誤差(chà)的絕對值MPEV之比,應小於或等於1:3,即
    U95≤1/3MPEV
    被評定測量儀器的(de)示值誤差Δ在其最大允許誤差限內時,可判為合格,即
    Δ≤MPEV為合格
    被評定測(cè)量(liàng)儀器的示值誤差超出其最大允許誤差時,可(kě)判為不合格,即
    Δ>MPEV為不合格
    對(duì)於型式評價和仲裁鑒定,必要時U99與MPEV之比也可取小(xiǎo)於或等於1:5;在一定情況下,評定示值(zhí)誤差的不確定度U95,可取包含因子k=2的擴展不確定度U代替。
    例:用一台多(duō)功能(néng)校準源標準裝置,對數字(zì)電壓(yā)表測量範圍(0~20)V的10V電壓值(zhí)進行檢定,測量(liàng)結果是被(bèi)校數(shù)字電壓表的(de)示值誤差為+0.0007V,需評定被檢數字電壓表10V點示值(zhí)誤差是否合格。
    經分析得知,包括多功能(néng)標準源提供的直流電壓,以及被校數字電壓表重複性等因素引入的不確定度分量(liàng)在內,示值誤差的(de)擴展不確定度為U95=0.25mV。
    根據(jù)要求,被檢數字電壓表的最大允許誤差為±(0.0035%×讀數+0.0025%×量程),所以在(0~20)V測(cè)量範圍內,10V指示值的最大允許誤差為±0.00085V,滿(mǎn)足U95≤1/3MPEV的要求。且(qiě)被(bèi)檢數(shù)字(zì)電壓表示值誤差的絕對值小於最大允許誤差,所(suǒ)以被檢數(shù)字電壓表判為合格。
    依據計量檢定規程對(duì)測量儀器進(jìn)行評定,由(yóu)於規程對評定方法、計量標準、環境條件等已作出規定,並滿足檢定係統表量值傳(chuán)遞的要求,當(dāng)被(bèi)評定測(cè)量儀器處於正常狀態時,對(duì)示值誤差評定的測量不確(què)定度將處於一個合理的範圍內,所以當規程要(yào)求的各個檢定(dìng)點的示值誤差不超出(chū)某一(yī)級別的最大允許誤差的要(yào)求時,測量儀器的示值誤差判(pàn)為符合(hé)該準(zhǔn)確(què)度級別的要求,不需(xū)要考慮對示值誤差(chà)評定的測量不確定(dìng)度影響,即不必考慮U95導致的不確定區(qū)。
    例:依據規程檢定1級材料試驗機,材料試驗機的(de)最(zuì)大允許誤差(chà)為±1.0%,某一檢定點的示值誤(wù)差為-0.9%,可以直接判(pàn)定該點(diǎn)的示值誤差合格,而不必考慮示值誤差評定的不確(què)定(dìng)度U95rel=0.3%的(de)影響。
    依據計量檢定規程以外的技術規範對測量儀器示值誤差進行評定,並且需要對示值誤(wù)差是否符合某一最大允許誤差做出符合性判定時,必須采用合適的方法、計量標準和環(huán)境條件進行評定。選取有效覆蓋被評定測量儀器測量(liàng)範圍的足夠多的點,如果各個點均不超出最大允許誤差的(de)要求,則得出被評定測量儀器整個測量範圍符合要求。同(tóng)時考慮對示值(zhí)誤差評定的測量不(bú)確定度影響(參閱本(běn)係列報道之四)。如示(shì)值誤差的測量不確定度(dù)不符合小於1/3MPEV的要求,必須考慮(lǜ)以下判據。
    a)合格判據
    被評定測量儀器的示值誤差Δ的絕對值小於或等(děng)於其最大允許誤差的絕對值(zhí)MPEV與示值誤差的擴(kuò)展不確定度U95之差(chà)時可判為合格(gé),即:
Δ
≤MPEV-U95
    例:用高(gāo)頻電壓標準裝置檢(jiǎn)定一台最大允許誤差為±2.0%的高頻電壓(yā)表,測(cè)量結果得到被檢高頻電(diàn)壓表在1V時的示值誤差為-0.008V,需評定該電壓表1V點的示值誤差是否(fǒu)合格。
    經分析示值(zhí)誤差評定的相對擴展不確定度為U95rel=0.9%,由於最大允許誤差為±2%,不滿足1:3的要求,故符合性評定中應考慮測量不確定(dìng)度的影響。由於被檢高頻電壓表的示值誤差絕對(duì)值(zhí)(0.008V)小於(yú)最(zuì)大允許誤差絕(jué)對值(2%×1V=0.020V)與測量不確定度(0.9%×1V=0.09V)之差(0.011V),因此,該被檢高頻電壓表的在1V點的示值誤差可判為合格。
    b)不(bú)合格(gé)判據
    被評定測量儀器的示值誤差Δ的絕對值大於或等於(yú)其最大允許誤差的絕對值MPEV與示值誤差的擴展不確定(dìng)度U95之和時,可判為不合格,即:
Δ
≥MPEV+U95
    c)待定(dìng)區(在ISO14251-1:1998中稱(chēng)為uncertainty range)
    當被評定測量儀器的(de)示(shì)值(zhí)誤(wù)差既不符合合格判據(jù)又不符合不合格判(pàn)據時,為處於待定區。這時(shí)不能下合格(gé)或不合格的結論,即(jí):
    MPEV-U95<|Δ
<MPEV+U95(參(cān)閱(yuè)本刊(kān)2003年第(dì)1期)
    當測量儀器示值誤差的評定處在不能做出符合性判定時,可(kě)以通過采用準確度更(gèng)高(gāo)的測量標準、改善環境條件、增加測量次數和改變測量方(fāng)法等措施,以降低測量不確定度評定的不確定(dìng)度U95,使滿足與最大允許(xǔ)誤差絕對值MPEV之比小於或等於1:3的要求,然後對測量儀器的示值誤差(chà)重新進行評定。
    6.誤差分析和不確定度分析有何區別?是否還有“誤(wù)差(chà)傳播(bō)律”?
    誤差與不確定度是兩個完全不同的概念,不能相互代替,也不能混淆使用,他們在計量學中各有自己(jǐ)十(shí)分確切的定義。其突出(chū)的不同之處(chù)還(hái)在於其分量的合成。不確定度傳(chuán)播律規定(dìng)了輸出量的若幹個輸入量的不確定度(dù)如(rú)何轉變成為輸出量不確定度的(de)分量以及這些分量如何合成為輸出量(liàng)的不確定度。
    我(wǒ)國原來的技術規範JJG1001-1991(為JJF1001-1998所代替)中,曾把係統誤差Δxi的合成用以下公式給出:
    
    以及實驗標準偏差的合成用:
    
    均稱之為測量誤差合成定律。
    實際上上述兩種合成,隻有其第一種才是誤差(chà)的合成,第(dì)二種(zhǒng)是標準不(bú)確(què)定度的合成。前者恒為誤差分量的代數和,Δxi各有其符號,也各有其符號,導致各分量各有其符號,測(cè)量結果y的誤差Δy無例外地為它們(men)的(de)代(dài)數和。在新的技術規範中,參照國際上新的《國際通用計量(liàng)學基本名詞》(International Vocabulary of Basic and General Terms in Metrology,1993)以及《國際法製計量學名詞》(International Vocabulary of Terms in Legal Metrology)(1997),上述(shù)兩種合成均未再提及(jí),而隻有GUM(1995)中給出了“不確(què)定度傳播律”。因此(cǐ),是否存在“誤差(chà)傳播(bō)律”,當前國(guó)際上以及我國現行技術規範中均未明確,以不使用為好,以免造成誤解。至於有些文件或專家的文章中,用“誤差分析(xī)”代替“不確定度分析”,雖不妥當(dāng),但不致導致誤解的情況下,也不必過於指責,特別(bié)是(shì)在1999年1月1日實施的現行計量技術規範(fàn)JJF1002-1998中(zhōng)(請注意這個規範批準實施在JJF1059之前),把不確(què)定(dìng)度的分析稱之為誤差分析,把不確定度來源與誤差來(lái)源混在一起認為是相同(tóng)的一個概念。

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