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當(dāng)前測(cè)量不確定度評(píng)定中的某些誤區(qū)

發(fā)布時(shí)間:2008-05-26 作者:李慎安 來(lái)源:www.jlbjb.com 瀏覽:2387

  自1991年頒布計(jì)量技術(shù)規(guī)范JJG1027-1991《測(cè)量誤差及數(shù)據(jù)處理》以來(lái),特別是1993年7個(gè)國(guó)際組織聯(lián)合發(fā)表《測(cè)量不確定度表述導(dǎo)則(GUM)》(這個(gè)文獻(xiàn)1995年修訂全文的中文譯文可在《測(cè)量不確定度表達(dá)百問(wèn)》一書中找到)以來(lái),我國(guó)介紹和討論不確定度評(píng)定的文章和書籍逐漸多起來(lái),其中也有不少評(píng)定的算例。這些出版物對(duì)我國(guó)計(jì)量學(xué)界掌握和運(yùn)用測(cè)量不確定度起了極大的推動(dòng)作用。但個(gè)別文章中出現(xiàn)了一些雖非十分重要的趨向,本人認(rèn)為也有必要提出供同行討論:

  1.必須嚴(yán)格區(qū)分A、B兩類標(biāo)準(zhǔn)不確定度,甚至在一篇不確定度評(píng)定中,必須有A、B兩類或是在評(píng)定一開(kāi)始要交代A類有哪些,B類有哪些?

  實(shí)際上,A、B兩類標(biāo)準(zhǔn)不確定度并不存在本質(zhì)上的區(qū)別(見(jiàn)《JJF1059-1999》3.1節(jié)),只是評(píng)定所用方法不同,A類用統(tǒng)計(jì)方法,B類用非統(tǒng)計(jì)方法,并不能因此說(shuō)其中的某一種更優(yōu)越。我們?cè)谠u(píng)定時(shí),純粹按照方便、可靠、簡(jiǎn)單、快捷來(lái)選擇所用的方法。在某些特定條件下,有時(shí)A類方法較可取,有時(shí)B類較可取,評(píng)定的人員有充分的權(quán)力作出采用哪種方法的決定,或不采用哪種方法的決定。
    也存在一些情況,既可作為A類,也可作為B類。例如:國(guó)際純化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)公布的相對(duì)原子質(zhì)量Ar中,給出的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,在其公報(bào)中聲明是按最小二乘法獲得的,很明顯,屬于A類評(píng)定,是A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度,但我們引用Ar作為數(shù)學(xué)模型中的輸入量時(shí),其不確定度應(yīng)劃分為哪一類呢?應(yīng)該說(shuō)均無(wú)不可。又例如在幾個(gè)月以前,按《JJF1059-1999》4.3節(jié),通過(guò)過(guò)去的平行檢驗(yàn)結(jié)果記錄,計(jì)算出來(lái)了單次測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差,合并樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差sp,應(yīng)說(shuō)這是個(gè)按統(tǒng)計(jì)方法評(píng)定的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度。過(guò)了幾個(gè)月再引用sp時(shí),是否仍是A類?還是應(yīng)作為B類?無(wú)疑均無(wú)不可。
    一個(gè)測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定中,完全有可能其中的分量評(píng)定只用到統(tǒng)計(jì)方法,也可能只用到非統(tǒng)計(jì)方法,但并不失為完整的評(píng)定,GUM與《JJF1059-1999》中并沒(méi)有要求兩類方法都必須用到。
    值得注意的是GUM的附錄H所提供的6個(gè)算例中,沒(méi)有任何一個(gè)分量作了A類或B類的劃分說(shuō)明,其他國(guó)家的一些有關(guān)文獻(xiàn)中也都類似。
    指明一下某個(gè)分量是A類或是B類,無(wú)非說(shuō)明所采用的方法是統(tǒng)計(jì)方法或是其他方法,對(duì)評(píng)定合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度以及給出擴(kuò)展不確定度不起任何作用。指明A、B類雖不算錯(cuò)誤,把這一點(diǎn)看成必不可少則是不妥的。
    2.只要是擴(kuò)展不確定度的計(jì)算,必須給出Up(即有給定概率p的置信區(qū)間半寬)。
    在《JJF1059-1999》7.1節(jié)中明確指出擴(kuò)展不確定度分為兩種,其一為U,包含因子k=2,有時(shí)也可取3。另一為Up,包含因子kp,根據(jù)所選用的概率p的大小以及所計(jì)算出的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc的有效自由度νeff的大小自《JJF1059-1999》附錄A的t分布表中查出。
    這是兩種不同的擴(kuò)展不確定度。他們之間的區(qū)別如下表:
    


    因此,如果輸出量估計(jì)值y的分布不能估計(jì)為正態(tài)時(shí),一般是不能按Up的計(jì)算給出Up的。例如:數(shù)字式電壓表一次測(cè)量給出的示值作為輸出量估計(jì)值時(shí)(參閱《JJF1059-1999》附錄B.7)。
    有些技術(shù)規(guī)范(例如量塊的校準(zhǔn))中規(guī)定了校準(zhǔn)值(也就是校準(zhǔn)中的測(cè)量結(jié)果)必須給出Up(量塊校準(zhǔn)規(guī)定為U99),這也必須是按規(guī)范規(guī)定的測(cè)量程序所得結(jié)果能滿足正態(tài)分布要求,才能如此。
    給出Up比給出U麻煩增加許多。最好是:必須給出而又可能給出Up時(shí),才算出Up。否則只給U是完全可以的。雖輸出量估計(jì)值y是正態(tài)分布,也可以給U而不一定是Up
    3.所有不確定度的分量,全部按不確定度傳播律進(jìn)行合成,明顯可忽略的分量也不例外。
    在《JJF1059-1999》3.5節(jié)中,明確指出當(dāng)某些不確定度分量對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)的情況下,可不予考慮。
    在上述規(guī)則中,沒(méi)有定量地指出小于多少才是可忽略的。本文認(rèn)為,可以一般地掌握為十分之一。也就是說(shuō),由全部不確定度的分量所得出的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度如果是uc,那么,如果忽略其中一部分后,剩下的分量合成為uc,在(uc-uc)/uc≤0.1的情況下,這種忽略是可以的。例如:3個(gè)分量,其中兩個(gè)較大者十分接近,均等于1,而第3個(gè)較小,只有他們的約二分之一。這時(shí),3個(gè)分量合成的uc==1.5。但如忽略了其中較小的第3個(gè)分量,則uc′=≈1.4。兩者相差0.1,為uc的十五分之一,這種忽略對(duì)uc并不造成明顯影響。
    全部分量進(jìn)行合成導(dǎo)致評(píng)定過(guò)程的復(fù)雜化。
    4.所報(bào)告的擴(kuò)展不確定度UUp或是Urel,Uprel都必須修約成兩位有效數(shù)。
    在GUM和JJF1059-1999中,都明確地規(guī)定“最多兩位有效數(shù)”。無(wú)疑,只給出一位有效數(shù)是完全可以的,特別是當(dāng)準(zhǔn)確度要求不是很高的情況下,或是這些擴(kuò)展不確定度的第一位有效數(shù)大于3的情況下,修約成一位是充分可靠的了。國(guó)際純化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)IUPAC公布的原子量Ar的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,不論其第一位有效數(shù)值是1還是2,還是大于3,一律只給出一位,這也未必不可。咱們?yōu)槭裁幢仨氁宦蔀閮晌荒兀?br>    如果把擴(kuò)展不確定度給成兩位有效,那么,輸出量的最佳估計(jì)(測(cè)量結(jié)果),據(jù)此也會(huì)多出一位,有時(shí),甚至為此還要補(bǔ)加一個(gè)零,未必恰當(dāng)。
    5.當(dāng)按韋爾奇-薩特思韋特公式計(jì)算出的有效自由度從《JJF1059-1999》中的附錄A查不出時(shí),必須按該附錄之注所提示的方法計(jì)算包含因子kp
    當(dāng)有效自由度出現(xiàn)小數(shù)或是等于24、80、300等,在附錄A中查不出,但是,并不一定要采用插入法計(jì)算出相應(yīng)包含因子。特別當(dāng)自由度之值比較大的情況下,例如ν>10,可以用一個(gè)鄰近的較小值代替,例如:ν=24≈20;ν=80≈50;ν=300≈100等。因?yàn)樽魃鲜鲞@種近似處理所給出的kp雖比插入法稍大,但這點(diǎn)差別可以忽略不計(jì)。而是當(dāng)ν≤6的情況下,出現(xiàn)小數(shù)時(shí),才需按附錄A之注計(jì)算kp值。
    6.輸入量xi與輸出量y之間的函數(shù)關(guān)系在非線性的情況下,也必須按《JJF1059-1999》式(18)或式(19),按偏導(dǎo)數(shù)計(jì)算出靈敏系數(shù)來(lái)合成,而不去采用通過(guò)輸入量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度簡(jiǎn)單地合成。
    例如:電阻器的損耗功率P是通過(guò)其兩端電壓V與電阻R得出時(shí),
    設(shè):P=V2/R
        V=100V,u(V)=0.1V
        R=100Ω,u(R)=0.1Ω
    通過(guò)求偏導(dǎo)靈敏系數(shù)分別為:
    C1=P/V=2V/R==2V/Ω
    c2=P/R=-V2/R2=-(100V)2/(100Ω)2=-1V22
    合成方差:
    (P)=[c1u(V)]2+[c2u(R)]2
            =[2V/Ω×0.1V]2+[(-1V22)×0.1Ω]2
            =[0.2W]2+[-0.1W]2
            =0.05W2
    uc(P)=0.22W
    但如果采用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成,就不必求偏導(dǎo),運(yùn)算也簡(jiǎn)單得多。按《JJF1059-1999》式(20),
    由于功率P=(100V)2/100Ω=100W
    urel(V)=0.1V/100V=10-3
    urel(R)=0.1Ω/100Ω=10-3
    (P)=[2×10-3]2+[10-3]2=5×10-6
    ucrel=2.2×10-3
    uc(P)=2.2×10-3×100W=0.22W
    可以看出,按《JJF1059-1999》式(20)計(jì)算較為便捷。
    綜上所述,由于以上誤區(qū)的存在,不確定度的評(píng)定本可以較簡(jiǎn)單的而變的復(fù)雜化了。

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