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當(dāng)前測量不確定度評定中的某些誤區(qū)

發(fā)布時間:2008-05-26 作者:李慎安 來源:www.jlbjb.com 瀏覽:2586

  自1991年頒布計量技術(shù)規(guī)范JJG1027-1991《測量誤差及數(shù)據(jù)處理》以來,特別是1993年7個國際組織聯(lián)合發(fā)表《測量不確定度表述導(dǎo)則(GUM)》(這個文獻1995年修訂全文的中文譯文可在《測量不確定度表達百問》一書中找到)以來,我國介紹和討論不確定度評定的文章和書籍逐漸多起來,其中也有不少評定的算例。這些出版物對我國計量學(xué)界掌握和運用測量不確定度起了極大的推動作用。但個別文章中出現(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定中,必須有A、B兩類或是在評定一開始要交代A類有哪些,B類有哪些?

  實際上,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《JJF1059-1999》3.1節(jié)),只是評定所用方法不同,A類用統(tǒng)計方法,B類用非統(tǒng)計方法,并不能因此說其中的某一種更優(yōu)越。我們在評定時,純粹按照方便、可靠、簡單、快捷來選擇所用的方法。在某些特定條件下,有時A類方法較可取,有時B類較可取,評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:國際純化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會公布的相對原子質(zhì)量Ar中,給出的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,在其公報中聲明是按最小二乘法獲得的,很明顯,屬于A類評定,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,其不確定度應(yīng)劃分為哪一類呢?應(yīng)該說均無不可。又例如在幾個月以前,按《JJF1059-1999》4.3節(jié),通過過去的平行檢驗結(jié)果記錄,計算出來了單次測量結(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)說這是個按統(tǒng)計方法評定的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度。過了幾個月再引用sp時,是否仍是A類?還是應(yīng)作為B類?無疑均無不可。
    一個測量結(jié)果的不確定度評定中,完全有可能其中的分量評定只用到統(tǒng)計方法,也可能只用到非統(tǒng)計方法,但并不失為完整的評定,GUM與《JJF1059-1999》中并沒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個算例中,沒有任何一個分量作了A類或B類的劃分說明,其他國家的一些有關(guān)文獻中也都類似。
    指明一下某個分量是A類或是B類,無非說明所采用的方法是統(tǒng)計方法或是其他方法,對評定合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度以及給出擴展不確定度不起任何作用。指明A、B類雖不算錯誤,把這一點看成必不可少則是不妥的。
    2.只要是擴展不確定度的計算,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)中明確指出擴展不確定度分為兩種,其一為U,包含因子k=2,有時也可取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,如果輸出量估計值y的分布不能估計為正態(tài)時,一般是不能按Up的計算給出Up的。例如:數(shù)字式電壓表一次測量給出的示值作為輸出量估計值時(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,才算出Up。否則只給U是完全可以的。雖輸出量估計值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合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的貢獻可忽略不計的情況下,可不予考慮。
    在上述規(guī)則中,沒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,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個分量,其中兩個較大者十分接近,均等于1,而第3個較小,只有他們的約二分之一。這時,3個分量合成的uc==1.5。但如忽略了其中較小的第3個分量,則uc′=≈1.4。兩者相差0.1,為uc的十五分之一,這種忽略對uc并不造成明顯影響。
    全部分量進行合成導(dǎo)致評定過程的復(fù)雜化。
    4.所報告的擴展不確定度U,Up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。國際純化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會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>    如果把擴展不確定度給成兩位有效,那么,輸出量的最佳估計(測量結(jié)果),據(jù)此也會多出一位,有時,甚至為此還要補加一個零,未必恰當(dāng)。
    5.當(dāng)按韋爾奇-薩特思韋特公式計算出的有效自由度從《JJF1059-1999》中的附錄A查不出時,必須按該附錄之注所提示的方法計算包含因子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,可以用一個鄰近的較小值代替,例如:ν=24≈20;ν=80≈50;ν=300≈100等。因為作上述這種近似處理所給出的kp雖比插入法稍大,但這點差別可以忽略不計。而是當(dāng)ν≤6的情況下,出現(xiàn)小數(shù)時,才需按附錄A之注計算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)計算出靈敏系數(shù)來合成,而不去采用通過輸入量的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度簡單地合成。
    例如:電阻器的損耗功率P是通過其兩端電壓V與電阻R得出時,
    設(shè):P=V2/R
        V=100V,u(V)=0.1V
        R=100Ω,u(R)=0.1Ω
    通過求偏導(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
    但如果采用相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成,就不必求偏導(dǎo),運算也簡單得多。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,不確定度的評定本可以較簡單的而變的復(fù)雜化了。

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