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[连载]测量不确定度评定与表示的其它问题

发布时间:2007-04-02 作者:李慎安 来源:www.jlbjb.com 浏览:4232

  1.在JJF1059-1999中的7.3节指出:如果可以确定输出量Y可能值的分布不是正态分布,而是接近其他某种分布,则决不应按包含因子k=(2~3)来计算扩展不确定度U。例如,Y可能值近似为矩形分布,则包含因子kpUp之间存在:
    对于U95:kp=k95=1.65≈1.6
        U99:kp=k99=1.71≈1.7
    那么,在给出扩展不确定度U时,是否必须有“输出量Y可能值的分布并不接近其它某种分布”的论证,然后才可以作k=2或k=3的选择?
    一般来说无此必要。
    这一条中所提到的问题虽然是正确的。其中所指的“某种其他分布”指那些常见的简单规则分布,例如三角分布、梯形分布、均匀分布、U形分布等,而非不规则的复杂形状分布。在这样的前提下,选取包含因子k=2或k=3显然会使得所得出的扩展不确定度U过分地偏大。
    在按JJF1059的7.1节a)来确定U时,并没有要求先作出分布形状的分析,然后作出k取多少的决定。我们可以认为,在这里是不去考虑分布的,也就是说当我们要给出U时,用合成标准不确定度uc乘以2或3就行了,正态分布也好,非正态分布也好,不规则的分布也好全不必考虑。GUM就是这样规定的。这是否有漏洞呢?应该说是存在不太会出现的漏洞。因为:uc一般由若干分量合成,Y的最佳估计值y一般由若干输入量Xi的估计值xi计算出来。y的分布不可能出现一种简单的规则分布而倒是有可能趋近正态分布。因此,在不确定度的实际评定和计算中,可不去考虑7.3节所指出的问题而按7.1节去计算U
    2.零修正在不确定度评定中多用于哪些场合?
    在JJF1059中第5章讲到标准不确定度的B类评定时,5.6节中提到了两个例子,这也都是GUM所引用的,其中的例2在6.5节中再次出现将所得出的两个分量合成。即所测电压平均值V的重复性标准偏差u(V)与数字式电压表示值的修正值ΔV的标准偏差u(ΔV)两个分量的合成。这里引用了数学模型:

   
    式中:V——被测量(输出量)电压;——被测量独立观测若干次的算术平均值。这里的修正值ΔV实际是零,ΔV=0。相当大量的测量仪器示值都没有给出修正值,也就是不加修正,其实质是修正值为零。这就是我们习惯上一般所说的“零修正”,而这个零代表了从某个下界到某个上界所形成分散区间中的各个可能值,对测量仪器来说即其最大允许误差(MPE)所构成的分散区间,其半宽a可通过与本文报道之四(本刊2003年第1期)所提出的转换系数b相乘,得出其分散性的标准不确定度u,这就是ΔV的标准不确定度u(ΔV)。一般来说,由于测量仪器MPE所导致的不能加以修正(修正值为零)的情况下,均可采用本例的作法。因此,可能出现:
    
    这样的数学模型,式中Δi为用不同测量仪器测量其中的输入量Xi所导致的“零修正”。而这一部分不确定度分量,通常是测量程序中的系统效应导致的分量。当u()包含了整个测量程序各个环节的随机效应导致的不确定度分量时(例如:通过平行试验结果得出的合并样本标准偏差sp),上述数学模型就能大大简化uc的评定与计算。
    3.在输入量Xi估计值xi彼此独立的情况下,如果函数f的形式表现为:
    Y=f(X1X2,…,Xn)
    
    则可按:
    
    来给出输出量的相对合成方差,其中指数pi是否应按灵敏系数ci对待?
    在采用上述相对标准不确定度urel(xi)来进行合成时,pi实质是上灵敏系数cipi也有正负号的问题,而且当出现输入量估计值xi之间相关的情况下(相关系数r≠0),合成方差就会出现:
    
    在所有输入量估计值xi都相关而且r=1的特殊情况下,出现以下合成方差:
    
    必须注意上式等号右边pi的符号是有重要作用的,类似于灵敏系数ci的符号。他可能导致某些不确定度分量在合成时相减而消失或减少。

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    4.JJF1059附录A之中,给出了如何用插入法计算在该表中查不出相应包含因子kp时采用,是否有必要在任何这类情况下如此处理?
    附录A所提供的kp用于通过合成标准不确定度给出扩展不确定度Up。当然,还必须满足一个前提,即被测量可能值的分布可以按中心极限定理估计接近正态分布。很明显,kp之值除与概率p有关(p越大时k值越大)之外,还与uc的自由度νeff有关(νeff越大,k值越小,当νeff接近无穷大时k值最小)。但可以发现,当νeff<6时,kp变化很快,随ν的增大,kp减小的趋势很快变慢,越来越慢,而大于30之后几乎没有多大的变化了。因此,该附录之注主要用于ν<6,这时,即令相差0.1所导致的kp变化都是不可忽略的。
    一般可分成以下几个处理方式:
    

例如:当计算出的νeff等于9.5,可以化整为k95=t95(10)=2.23;k99=t99(10)=3.17。当νeff为10.9时,可按νeff≈10查表取kp,当νeff=49时,可按νeff≈45查表取kp,当νeff=99时,可按νeff≈50查表取kp
    5.关于按测量仪器示值误差Δ决定仪器是否合格时,Δ的不确定度不得大于多少?在据以评定是否合格时,是否也存在一个不确定区(uncertainty range)?
    按计量技术规范JJF1094-2002《测量仪器特性评定》(该规范已由国家质检总局于2002年11月4日发布,并将于2003年2月4日实施)评定示值误差Δ的不确定度U95与被评定测量仪器的最大允许误差的绝对值MPEV之比,应小于或等于1:3,即
    U95≤1/3MPEV
    被评定测量仪器的示值误差Δ在其最大允许误差限内时,可判为合格,即
    Δ≤MPEV为合格
    被评定测量仪器的示值误差超出其最大允许误差时,可判为不合格,即
    Δ>MPEV为不合格
    对于型式评价和仲裁鉴定,必要时U99与MPEV之比也可取小于或等于1:5;在一定情况下,评定示值误差的不确定度U95,可取包含因子k=2的扩展不确定度U代替。
    例:用一台多功能校准源标准装置,对数字电压表测量范围(0~20)V的10V电压值进行检定,测量结果是被校数字电压表的示值误差为+0.0007V,需评定被检数字电压表10V点示值误差是否合格。
    经分析得知,包括多功能标准源提供的直流电压,以及被校数字电压表重复性等因素引入的不确定度分量在内,示值误差的扩展不确定度为U95=0.25mV。
    根据要求,被检数字电压表的最大允许误差为±(0.0035%×读数+0.0025%×量程),所以在(0~20)V测量范围内,10V指示值的最大允许误差为±0.00085V,满足U95≤1/3MPEV的要求。且被检数字电压表示值误差的绝对值小于最大允许误差,所以被检数字电压表判为合格。
    依据计量检定规程对测量仪器进行评定,由于规程对评定方法、计量标准、环境条件等已作出规定,并满足检定系统表量值传递的要求,当被评定测量仪器处于正常状态时,对示值误差评定的测量不确定度将处于一个合理的范围内,所以当规程要求的各个检定点的示值误差不超出某一级别的最大允许误差的要求时,测量仪器的示值误差判为符合该准确度级别的要求,不需要考虑对示值误差评定的测量不确定度影响,即不必考虑U95导致的不确定区。
    例:依据规程检定1级材料试验机,材料试验机的最大允许误差为±1.0%,某一检定点的示值误差为-0.9%,可以直接判定该点的示值误差合格,而不必考虑示值误差评定的不确定度U95rel=0.3%的影响。
    依据计量检定规程以外的技术规范对测量仪器示值误差进行评定,并且需要对示值误差是否符合某一最大允许误差做出符合性判定时,必须采用合适的方法、计量标准和环境条件进行评定。选取有效覆盖被评定测量仪器测量范围的足够多的点,如果各个点均不超出最大允许误差的要求,则得出被评定测量仪器整个测量范围符合要求。同时考虑对示值误差评定的测量不确定度影响(参阅本系列报道之四)。如示值误差的测量不确定度不符合小于1/3MPEV的要求,必须考虑以下判据。
    a)合格判据
    被评定测量仪器的示值误差Δ的绝对值小于或等于其最大允许误差的绝对值MPEV与示值误差的扩展不确定度U95之差时可判为合格,即:
Δ
≤MPEV-U95
    例:用高频电压标准装置检定一台最大允许误差为±2.0%的高频电压表,测量结果得到被检高频电压表在1V时的示值误差为-0.008V,需评定该电压表1V点的示值误差是否合格。
    经分析示值误差评定的相对扩展不确定度为U95rel=0.9%,由于最大允许误差为±2%,不满足1:3的要求,故符合性评定中应考虑测量不确定度的影响。由于被检高频电压表的示值误差绝对值(0.008V)小于最大允许误差绝对值(2%×1V=0.020V)与测量不确定度(0.9%×1V=0.09V)之差(0.011V),因此,该被检高频电压表的在1V点的示值误差可判为合格。
    b)不合格判据
    被评定测量仪器的示值误差Δ的绝对值大于或等于其最大允许误差的绝对值MPEV与示值误差的扩展不确定度U95之和时,可判为不合格,即:
Δ
≥MPEV+U95
    c)待定区(在ISO14251-1:1998中称为uncertainty range)
    当被评定测量仪器的示值误差既不符合合格判据又不符合不合格判据时,为处于待定区。这时不能下合格或不合格的结论,即:
    MPEV-U95<|Δ
<MPEV+U95(参阅本刊2003年第1期)
    当测量仪器示值误差的评定处在不能做出符合性判定时,可以通过采用准确度更高的测量标准、改善环境条件、增加测量次数和改变测量方法等措施,以降低测量不确定度评定的不确定度U95,使满足与最大允许误差绝对值MPEV之比小于或等于1:3的要求,然后对测量仪器的示值误差重新进行评定。
    6.误差分析和不确定度分析有何区别?是否还有“误差传播律”?
    误差与不确定度是两个完全不同的概念,不能相互代替,也不能混淆使用,他们在计量学中各有自己十分确切的定义。其突出的不同之处还在于其分量的合成。不确定度传播律规定了输出量的若干个输入量的不确定度如何转变成为输出量不确定度的分量以及这些分量如何合成为输出量的不确定度。
    我国原来的技术规范JJG1001-1991(为JJF1001-1998所代替)中,曾把系统误差Δxi的合成用以下公式给出:
    
    以及实验标准偏差的合成用:
    
    均称之为测量误差合成定律。
    实际上上述两种合成,只有其第一种才是误差的合成,第二种是标准不确定度的合成。前者恒为误差分量的代数和,Δxi各有其符号,也各有其符号,导致各分量各有其符号,测量结果y的误差Δy无例外地为它们的代数和。在新的技术规范中,参照国际上新的《国际通用计量学基本名词》(International Vocabulary of Basic and General Terms in Metrology,1993)以及《国际法制计量学名词》(International Vocabulary of Terms in Legal Metrology)(1997),上述两种合成均未再提及,而只有GUM(1995)中给出了“不确定度传播律”。因此,是否存在“误差传播律”,当前国际上以及我国现行技术规范中均未明确,以不使用为好,以免造成误解。至于有些文件或专家的文章中,用“误差分析”代替“不确定度分析”,虽不妥当,但不致导致误解的情况下,也不必过于指责,特别是在1999年1月1日实施的现行计量技术规范JJF1002-1998中(请注意这个规范批准实施在JJF1059之前),把不确定度的分析称之为误差分析,把不确定度来源与误差来源混在一起认为是相同的一个概念。

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