一评不确定度评定样板的实例
史锦顺 · 2011-01-06 15:53 · 69906 次点击
一评不确定度评定样板的实例
评论对象:国家计量技术法规统一宣贯教材《测量不确定度评定与表征指南》
有下划线的是原文,无下划线的是史锦顺的评论。
原书抄录(因网上格式所限,录大意)
例用电子计数器测量信号频率
频率是指单位时间内周期现象重复出现的次数。信号频率用电子计数器测量,其原理简述如下。
由晶振频率分频产生1ms到10s的一系列时基信号,通过闸门选择开关加到门控电路去控制主闸门的开放时间τ(称闸门时间)。被测信号F经放大整形变成所需极性的脉冲。如果在τ时间内有N个脉冲通过主闸门进入计数电路,则被测信号的频率为F=N/τ,式中:F是被测频率;τ是闸门时间又称取样时间;N是计数器所记脉冲数。通常电子计数器直接显示被测信号的频率值。
(1)由时基频率不准引入的相对标准不确定度u(τ)/τ
计数器的时基是指所选闸门时间τ,它的不确定度主要取决于晶振。一般计数器所用晶振为5MHz或10MHz。晶振频率的最大允许误差(习惯上称频率准确度)为
±Δf/f.假设晶振频率的可能值在f+Δf到f-Δf区间内的概率分布为均匀分布,则取包含因子k1为根号3,则
u(τ)/τ=u(f)/f=δf/k1
(2)由计数不准引入的相对不确定度u(N)/N
计数不准主要是由于计数器量化引起。最大量化误差在一个最低位有效数字之内。最低位可在计数器面板上选取。设频率在F(1±ΔF1/2F)区间内为均匀分布,可选择包含因子k2为根号3
频率测量结果的不确定度通常用扩展不确定度表示
U=2u(k=2,p=95%)
用电子计数器HP5314A测量标称值为1MHz的信号频率,实测结果为
1.000534MHz,问测量不确定度多大?
查所用计数器的技术指标及记录的测量条件得,计数器内部晶振为10MHz,老化率1×10E-7/月,温度在0—40℃内的频率稳定度±1×10E-6(-6是10的指数,下同),电源电压变化±10%引起的频率稳定度±1×10E-8.测量时选用分辨率为10Hz。测量时温度为22℃,电源电压(220±22)V
测量不确定度的评定
(1)时基频率10MHz,其标准不确定度由三个分量组成:老化率、温度变化引入的频率变化和电源电压变化引入的频率变化。由于实际测频时间仅需1∽2分钟,因此老化率引起的漂移小于10E-11/分。所以可以忽略不计,其他两项频率偏差均为均匀分布,取k为根号3
1×10E-6除以根号3、1×10E-8除以根号3,二者各自平方相加,再将和数开方,得u(τ)/τ=0.58×10E-6
(2)分辨力为10Hz,所以相对于1MHz信号时
u(N)/N等于1×10E-5除以2,再除以根号3,等于2.9×10E-6
合成标准不确定度u为上述两项0.58×10E-6与2.9×10E-6的平方和,再将此和开方,得
u=2.96×10E-6
扩展不确定度为
U=2u=5.9×10E-6(k=2)
测量结果:标称值为1MHz的信号,其频率的测量结果为1.000534MHz,测量扩展不确定度为5.9×10E-6(k=2,p=95%).
【史评】不确定度论由“真值不可知”这个观念出发,否定经典测量学的基本概念:真值、误差和准确度,抛弃误差分析的基本方法,另立一套不确定度评定方法与规则。本人对不确定度论持批评态度,认为它概念含糊、逻辑混乱、公式错误、表达混沌。网上发几篇文章后,有几位网友表示赞成,但多数人不以为然,总觉得老史思想怪异,人家八个国际组织决议推广,国家计量领导部门在宣传贯彻,你不该说三道四。各位看官,老史自认为是个坚守信念的人,见错就要说。指错是尽责,而改错就是进步。这里郑重声明:本人的批评所针对的是科技界的莠草不确定度论,而不是具体的哪位专家。
例子“用电子计数器HP5314A测量标称值为1MHz的信号频率,实测结果为1.000534MHz”,告诉我们:A测量仪器进口的属世界较高水平的计数式频率计;B测量对象标称值为1MHz的信号源;D测量结果为1.000534MHz;E这是实测,不是编的。
1测量结果为1.000535MHz——天哪,出这样数据,还评什么不确定度?一见这个数据,就该知道,不是信源坏了就是频率计坏了。如果信号源是LC振荡器,不会有如此肯定的一个数据,况且如果是若干数据的平均值,按不确定度理论该首先进行A类评定,又有标称值1MHz,可见应是一台晶体频标,至低是台晶振。出10的-4次方的频率偏差,第一时间判断应是仪器出了故障(被测晶振或频率计内标晶振的恒温槽故障),该去修理,还谈什么评定。不确定度论不分前提,见数据拉过来就评,这是其先天的不足。(换台频率计,或换台晶振,一比较便知那台坏了。以下讨论假定已证实频率计正常。)
2“分辨力10Hz”,这就怪了,数据明明最低位是1Hz,怎么说分辨力10Hz?频率计上确有取样时间0.1秒档,置于此档,分辨力当然是10Hz,但此时的数据该是只有十位上的数,而没有个位上的数。数据给出的个位数5哪来的?如果你辩称那是10个数平均来的,但10个数的平均值的分辨力误差该怎样算?并未体现。况且现成的1秒取样(分辨力1Hz)为什么不用?总之,数据如果是真的,取样时间即分辨力是虚构的。
3计数式仪表的正负1误差,误差范围是-1到+1,半宽度是1。本题目分辨力-10Hz到+10Hz,半宽度是10Hz,不该再除以2.
4时基即晶振老化率的影响估计严重错误,错到什么程度?差两万倍!你不信,咱们算一算。一小时60分钟,一天1440分,一个月43200分,6个月259200分,同你那几分钟(就算10分钟)相比,可不,差两万多倍。频率计的检定周期为一年,我这里说6个月,才一半。
老化率即频率漂移率,每月1乘10的负7次方,一年下来,频差即为1.2乘10的负6次方,。正是这个频率偏差造成频率计测量频率的主误差。上述不确定度评估中竟把这主误差忽略,是根本性的错误。也许有人说这是评定者的个人问题,我不这样看,是不确定度论模糊了人们的视线。这是否定真值、否定误差的结果。
5看问题,做事,都应该分辨主次,要抓主要矛盾。数字式频率计(即上边的计数器),准确性的最主要问题是时基即晶振的准确度,也就是频率漂移即老化率问题。上述评定中,老化率被忽略,而主角成了分辨力,5.9中占到5.8,真是主次颠倒。
6不确定度的评定必须用到分布规律,以便取k值。似乎很高深,但使用中怎样确定分布规律,还不是假设一通,照抄一通。科学讲究实际,假设、照抄算什么?
7温度变化引入偏差这一项,在通用测量仪器误差分析中有普遍意义。由于对温度的敏感性,精密长度计量,要求在恒温条件下进行。如果恒温控制指标是正负0.5摄氏度,那实际温度可能是在1摄氏度范围内均匀分布的。而对0到40摄氏度这个范围来说,实际的温度(室温)可能近似于三角分布。假设温度分布是不确定度评定的要求,对误差论或统计论来说,只论误差范围或变化范围,不计分布,省事而可靠(概率100%)。
8研究基准的人,研制标准与测量仪器的人,考虑误差分布规律,有时是必要的。而广大计量人员,特别是一般人所进行的测量,讲什么分布规律,多此一举。假定分布,目的是得到作为除数的因子,求扩展不确定度又要乘个因子,转一圈,差不多。似乎已对偏差的均方合成自圆其说,其实,对系统偏差来说,取分布、均方合成都是说不通的。不确定度论的基本出发点是系统误差已修正,这个基本前提对测量仪器来说是不存在的。系统误差是一般测量仪器的主要矛盾。不确定度论大厦建在忽视系统误差的沙滩上,不垮才怪。
9问曰:你批了人家8条,你来评定一下,看你有什么本事。
史答:老史的本事是大风不迷眼,下边以一个正常使用者的身份来估算一下这台仪器的准确性。看说明书,得知仪器分项指标同上。查验检定标记,未过期。
(1)检定时校准频差范围:1×10E-7(原评漏项)
(2)老化率引入频差范围:月老化率乘12,得1.2×10E-6
(3)温度引入频差范围1×10E-6
(4)电源电压引入频差范围1×10E-8
(5)频率计分辨力,即正负1误差,测1MHz,1秒采样,1×10E-6;10秒采样1×10E-7(例中用0.1秒采样,是不当使用;10秒采样是常用采样,下面计算用它)
(6)1/2/是系统误差范围,二者之和为总系统误差范围1.3×10E-6
(7)3/4/5/各项是随机性误差范围,取均方合成,即三者各自的平方相加,再开方,得总随机误差范围1.0×10E-6
总误差范围为6/7/二项之和2.3×10E-6
10老史称赞此例评定的总体构思,即只评频率计的测量不确定度,而不评被测对象的测量不确定度,即根本不理所谓的不确定度A类评定。这是违反不确定度的规则的,但这样做是对的,这就避免了测量工具的性能与被测量变化二者的混淆。且看GUM上测量温度的例子,温度计的误差与温箱温度变化搅在一起,真是混沌。庆贺本样板评定跳出两类评定的洋框框!