不确定度评定认错对象

  史锦顺 ·  2013-04-07 09:39  ·  57237 次点击
**不确定度评定认错对象**
史锦顺
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不确定度论出世20年了。当前,不确定度论在计量界的主要用场,是评定计量检定业务的资格。通常情况是,某人作个样板评定,众人照抄照办。计量是严格的科学,严格的工作,本不该马虎。我们该认真考察一下不确定度评定本身的合理性。
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**(一)计量的误差**
用测量仪器测量被测量,称测量。测量仪器的示值,是测得值。测量仪器示值与被测量真值的差,是示值误差,简称误差。测量仪器给出的指标是误差范围,它是误差元绝对值的最大可能值。误差范围恒正。
计量是对测量仪器误差范围的抽样检查。标准的量值已知;计量的具体操作就是用被检测量仪器去测量标准,得到的测得值与标准的标称值之差,就当做被检仪器的误差元。所得到的误差元构成误差范围实验值。误差范围实验值小于或等于测量仪器的误差范围指标值,判断此仪器合格,否则不合格。
计量这样做是有前提的,那就是把标准的标称值当做真值。但标准的值不完全等于其真值,这就形成了计量的误差。计量过程的量值关系,具体推导如下。
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计量时,用被检仪器“测量”计量标准,得仪器的示值M(测)。标准的标称值为B。
1误差元关系:
M(测)–Z=M(测)–B+(B–Z)
ΔM(测真)=ΔM(测)+ΔB(真)(1)
ΔM(测)是测得值的经测量得到的误差(以标准的标称值为参考);ΔM(测真)是仪器测得值的真误差(以真值为参考的误差,Z是真值);ΔB(真)是标准的真误差。(1)式体现计量标准在计量中形成的计量误差。
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2误差范围关系:
│ΔM(测真)│max=│ΔM(测)+ΔB(真)│max
R(测真)=│ΔM(测)│max+│ΔB(真)│max
R(测真)=R(测)+R(B)(2)
(2)式是误差范围的关系式,即:测得值的真误差范围,等于测得值的实测误差范围加上标准的误差范围。误差范围是恒正的量。计量时,以R(测)替代R(测真),由此产生的计量误差R(计量),等于所用标准的误差范围R(B):
R(计量)=R(测真)-R(测)=R(B)(3)
(3)式表明,计量的误差,取决于计量标准的误差(辅助测量仪器的误差不能忽略时要计及)。注意:计量的误差与被检测量仪器的性能及指标无关。
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设被检测量仪器的误差范围指标是R(标称)。选计量标准满足条件:
R(B)/R(标称)≤q
R(B)是计量标准的误差范围指标。时频界取q为1/10,其他界可取q为1/4,q不可大于1/3。如果计量时需要辅助仪器,要将辅助仪器的误差加入到计量标准的误差中。
计量时,用被检测量仪器“测量”计量标准,则测得的误差范围(实验)值R(测)为:
R(测)=│ΔM(测)│max
由(2)式知,测量仪器的真误差范围是
R(测真)=R(测)+R(B)
如果
R(测真)≤R(示标称)(4)
则仪器合格,否则不合格。R(示标称)是测量仪器示值误差范围的标称值(指标值)。
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由上,按误差理论进行计量检定,理论根据与操作方法都是完备的。已有几百年的历史,误差理论指导下的计量实践是成功的。不确定度论的提出,毫无道理,毫无必要。不理它还好,算上它,就出错。
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**(二)不确定度论的作法**
误差理论指导下的计量资格条件是:
R(B)/R(标称)≤1/3(5)
R(B)是计量标准的误差范围,R(标称)是被检测量仪器的误差范围的标称值。
不确定度论的计量资格条件是:
U95/R(标称)≤1/3(6)
U95是计量的扩展不确定度,它由不确定度评定给出,其中包括计量标准的误差、被检仪器的示值的重复性、漂移、分辨力以及温度等环境条件引入的误差。
当条件(6)满足时,可忽略不确定度。合格的判别条件是:
R(测)≤R(测标称)
当条件(6)不满足时,合格的判别条件是:
R(测)≤R(测标称)-U95(7)
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B类测量不确定度,GUM的作法是对被检仪器的测得值函数做泰勒展开,以计算各项误差,再均方合成为标准不确定度,乘2得扩展不确定度U95。
我国的通常作法是取差值,对差值微分。
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**(三)不确定度评定认错对象**
以数字频率计为例,我们很容易看清,不确定度评定的实际效果。数字频率计厂家给出的测得值函数与具体分项指标如下。
频率计示值的相对误差范围是:
W(示)=│δF/F│max=│δN+K(晶)t+K(温)ΔT+δF(校)│max
W(示)=│δN│+│K(晶)t│+│K(温)ΔT│+│δF(校)│(8)
(8)是频率计的示值误差的构成式。数字式频率计的计数误差是±1,而N=Fτ,│δN│=1/(Fτ)。本文以R表绝对误差范围,以W表相对误差范围,都是恒正的量。
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实例
A型号频率计的给定指标是:
(1)晶振日老化率的绝对值的上限
K(晶)=1E-8/日
t为上次校准后到本次检定的时间
(2)时标的温度效应
K(温)=1E-8/℃
ΔT=T-20℃T是工作温度
(3)上一次校准的程度│δF(校)│=1E-8
(4)│δN│=1/(Fτ)是计数的±1个字误差。
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B类不确定度评定,根据如上信息,计算U95。这类题目处理几次,我们自然就明白,所谓B类不确定度评定,就是计算测量仪器的总误差范围,只是在算术合成还是均方合成、乘3还是称2,这些计算方法上与误差分析有所区别。总结果近似相等。也就是U95近似等于测量仪器的误差范围指标的标称值而略小些。
由这里我们得知,不确定度评定的对象,原来就是被检测量仪器的指标(假定标准的误差可略,不可略时要加上。但主要是被检仪器的指标值)。
注意,这里,不确定度评定偷换了概念。本来是评定计量的资格,却成了计算测量仪器的指标。这是认错对象。
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测量仪器性能指标值,是生产厂家的承诺,达到达不到呢,要计量。计量就是通过实测来判别实际性能与性能指标的复合性,也就是合格性。实测的测量仪器的示值,是基本的根据,对测得值的分析,函数展开也好,微分也好,都是画蛇添足,反倒出错。测得值函数、厂家给出的分项指标,仅仅能用来计算测量仪器的指标的标称值,而不可把它混入实际测量的结果。
有些测量仪器,例如指针式电压表、气压表,只有一个误差范围指标,既没有测得值函数,也没有分项指标,搞所谓的B类评定,不过是估计一番,而又是错算,因为误差因素的实际作用已体现于实际的测得值中。不算倒好,算了必错。算的是总指标的合成问题,而总指标已给出,算的结果,能忽略还好,等于没算;不能忽略时,加在哪里都是错。
不确定度评定中,诸如“根据什么,要干什么”、“哪些该算,哪些不该算”、“微分是谁对谁微分”、“物理意义是什么”、“哪些是指标值,哪些是实测值”等种种问题,一概含糊不清,不错才怪!
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**(四)不确定度评定错误根源剖析**
有人说是不确定度论的炮制者们故意骗人,我不这样看。不确定度论者的几个误区,初步剖析如下。
1否定真值的可知性。回避真值概念,什么也谈不清。
2绕开误差分析这条简洁之路。
3计量是实验科学,一切靠数据说话。轻视实测,搞评估,是历史性的到退。
4计量是严肃的检验,要靠独立的实际测量来作判断,不能以厂家的数据为现实的性能。
5把误差范围分解为本源误差、影响误差、随机误差。本来,计量的认识误差就是认识本源误差、影响误差、随机误差构成的总体误差,不确定度论却认为目的是认识本源误差,故而把影响误差、随机误差当做认识本源误差的障碍,于是错把被检测量仪器的影响误差与随机误差当做计量误差。
在典型的常量测量的情况下,例如长度、质量计量,一个量块或一个砝码,其总误差基本等于本源误差(原始的赋值误差)而影响误差、随机误差很小。这时按不确定度评定的方法,大致不影响工作,反正U95是被忽略的,此时的不确定度评定不起作用,是摆设。
现代测量的大量测量是统计测量(快变化量的测量)。有的随机变化大(如微波源、温度源、放射源等);有的影响量大(如晶振),这时,本源误差的比重很小,不确定度评定的方法,用则必错。
如上,不确定度评定可能是无用,可能是出错,总之,是没有用处。
6明晰的减法不用,上来就微分,而又不顾及微分的数学定义与物理意义,以致使本来严谨的数学,变成掩盖错误的遮羞布。
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