看完這篇文章，準(zhǔn)確度、誤差和不確定度終于弄懂了
2018-08-28
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國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范JJF1033《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》對(duì)所采用的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具、配套設(shè)備, 以及所開(kāi)展的檢定/校準(zhǔn)項(xiàng)目的準(zhǔn)確度指標(biāo), 要求填寫(xiě)“不確定度或準(zhǔn)確度等級(jí)或最大允許誤差”;JJF1069《法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)考核規(guī)范》和實(shí)驗(yàn)室國(guó)家認(rèn)可的校準(zhǔn)項(xiàng)目表格也都要求填寫(xiě)檢定/校準(zhǔn)的“不確定度或準(zhǔn)確度等級(jí)或最大允許誤差”。這幾種表述方式, 表面看來(lái)僅僅在文字上有所區(qū)別, 而實(shí)際上在對(duì)這幾個(gè)項(xiàng)目如何表達(dá)的問(wèn)題上, 都存在不同的理解。有不少專(zhuān)家提出用不確定度表示測(cè)量?jī)x器的特性, 甚至有人提出“測(cè)量?jī)x器的不確定度”這個(gè)概念, 這根本就是不合適的, 因?yàn)椴淮_定度是與結(jié)果相關(guān)的量, 沒(méi)有測(cè)量結(jié)果無(wú)從談起不確定度, 當(dāng)然這個(gè)說(shuō)法也可以說(shuō)是測(cè)量?jī)x器在校準(zhǔn)結(jié)果測(cè)量不確定度中貢獻(xiàn)的那一部分分量。為了對(duì)表述測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度指標(biāo)有統(tǒng)一的理解, 對(duì)儀器準(zhǔn)確度等級(jí)、最大允許誤差和不確定度的意義和內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行分析, 是有必要的。
幾種名詞的概念解釋和區(qū)分
要區(qū)別和理解測(cè)量?jī)x器的最大允許誤差, 測(cè)量不確定度和準(zhǔn)確度等級(jí)的關(guān)系, 必須要了解它們的概念。最大允許誤差是指技術(shù)規(guī)范所規(guī)定的允許的誤差極限值, 是判定儀器是否合格的一個(gè)規(guī)定要求。測(cè)量不確定度是表征被測(cè)量量值分散性的一個(gè)參數(shù), 或表達(dá)成一個(gè)區(qū)間或一個(gè)范圍, 說(shuō)明被測(cè)量的量值以一定概率落在其中, 它是用于說(shuō)明測(cè)量結(jié)果的可信程度的。可見(jiàn), 最大允許誤差、不確定度和準(zhǔn)確度等級(jí)具有不同概念。最大允許誤差只是一個(gè)允許誤差的確定范圍, 是認(rèn)為規(guī)定的一個(gè)區(qū)間。并且在文字的表述上, 最大允許誤差是一個(gè)術(shù)語(yǔ)不要分割, 要規(guī)范化, 可以把所指最大允許誤差的對(duì)象作為定語(yǔ)放在前面。最大允許誤差前面一定加±號(hào)。
填表中的不確定度, 需要填寫(xiě)的是校準(zhǔn)測(cè)量能力, 其定義為:“通常提供給用戶(hù)的最高校準(zhǔn)測(cè)量水平, 它用包含因子k=2的擴(kuò)展不確定度表示”。它是當(dāng)不確定度概算中所有的不確定度分量都達(dá)到可能的最小值時(shí), 實(shí)驗(yàn)室得到的測(cè)量不確定度。一般來(lái)說(shuō)都小于平時(shí)所出具的測(cè)量不確定度。在實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可申報(bào)工作中, 必須要求申請(qǐng)認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)室申報(bào)該實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)測(cè)量能力, 這個(gè)時(shí)候是為了評(píng)價(jià)這個(gè)實(shí)驗(yàn)室所能達(dá)到的最高測(cè)量水平。
1 準(zhǔn)確度等級(jí)
測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確度是定性概念。是測(cè)量?jī)x器給出接近于真值的響應(yīng)的能力。必須明確測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確度是定性概念, 以和國(guó)際接軌以及和上面規(guī)范保持一致是十分必要的。由于VIM和GUM是以多個(gè)國(guó)際組織的名義聯(lián)合頒布, 國(guó)際上各個(gè)組織也在逐漸消除這種不規(guī)范的表述。對(duì)于一些不合適的表達(dá), 如很多老版規(guī)程規(guī)范還在使用例如“二等活塞壓力計(jì)的準(zhǔn)確度為±0.05%”, 只能是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等文件的修訂逐步改正。但是我們就不要使用不規(guī)范的表達(dá)了。
測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度等級(jí)的表達(dá)必須依據(jù)計(jì)量檢定規(guī)程、檢定系統(tǒng)表、OIML國(guó)際建議、標(biāo)準(zhǔn)或其它技術(shù)文件。通常按最大允許誤差絕對(duì)值表示的測(cè)量?jī)x器, 其級(jí)別用大寫(xiě)拉丁數(shù)字、羅馬數(shù)字或阿拉伯?dāng)?shù)字表示, 必要時(shí)還可以用字母附以阿拉伯?dāng)?shù)字。例如:標(biāo)準(zhǔn)砝碼分為E1, F2等級(jí)。按引用最大允許誤差或相對(duì)最大允許誤差表示的測(cè)量?jī)x器, 用阿拉伯?dāng)?shù)字表示, 而且常用百分?jǐn)?shù)表示而略去百分符號(hào)。例如:工作測(cè)力儀, 分為0.1級(jí), 0.5級(jí)。按等劃分的測(cè)量?jī)x器, 用中文數(shù)字或阿拉伯?dāng)?shù)字表示, 例如, 3等量塊。
但是, 受習(xí)慣的影響, 還是有一些人認(rèn)為準(zhǔn)確度等級(jí)既然包含數(shù)量, 作為定量表示未曾不可。確實(shí), 對(duì)于一部分以引用最大允許誤差或相對(duì)最大允許誤差表示的測(cè)量?jī)x器, 準(zhǔn)確度等級(jí)與儀器的最大允許誤差有比較直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 如0.5級(jí)工作測(cè)力儀的最大允許誤差為測(cè)量上限的±0.5%。所以有會(huì)人以偏概全, 以為全部都是這種情況, 以此出現(xiàn)了諸如“上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度為被檢儀器準(zhǔn)確度1/3”的錯(cuò)誤表達(dá)。這種觀點(diǎn)顯然不具有普遍的意義, 比如對(duì)于F1等級(jí)砝碼, 說(shuō)其準(zhǔn)確度的1/3, 會(huì)令人不知所云。以數(shù)字表達(dá)的準(zhǔn)確度等級(jí)和儀器的最大允許誤差不一定直接對(duì)應(yīng)。把適合于檢定1級(jí)材料試驗(yàn)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀定義為1級(jí)測(cè)力儀, 這種測(cè)力儀的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)略高于現(xiàn)行的JJG144《標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀檢定規(guī)程》中0.3級(jí)測(cè)力儀。由此看出, 準(zhǔn)確度等級(jí)在一些時(shí)候只是一個(gè)檔次的的符號(hào), 不能直接作為一個(gè)量。
2 準(zhǔn)確度的量化
準(zhǔn)確度中等和級(jí)的概念：等是指標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具的實(shí)際值的擴(kuò)展不確定度檔次, 以等劃分的儀器使用實(shí)際值或依據(jù)檢定/校準(zhǔn)結(jié)果對(duì)示值修正使用;級(jí)則是計(jì)量器具示值最大允許誤差大小的檔次, 以級(jí)劃分的儀器直接使用示值, 即使用其標(biāo)稱(chēng)值, 不需要修正。
當(dāng)測(cè)量?jī)x器沒(méi)有劃分準(zhǔn)確度等別, 或者考慮給準(zhǔn)確度等別予以量化時(shí), 直接給出實(shí)際值的擴(kuò)展不確定度, 即上級(jí)對(duì)其檢定/校準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果不確定度;當(dāng)測(cè)量?jī)x器沒(méi)有劃分準(zhǔn)確度級(jí)別, 或者考慮給準(zhǔn)確度級(jí)別予以量化時(shí), 直接給出其示值最大允許誤差。
有些測(cè)量?jī)x器只能按等劃分, 例如標(biāo)準(zhǔn)硬度塊;有些測(cè)量?jī)x器只能按級(jí)劃分, 例如測(cè)力儀。對(duì)應(yīng)到不確定度或最大允許誤差意義為, 以等使用的測(cè)量?jī)x器可以用準(zhǔn)確度等別表示, 也可以用實(shí)際值或修正值的不確定度表示;以級(jí)使用的測(cè)量?jī)x器可以用準(zhǔn)確度級(jí)別表示, 也可以用最大允許誤差表示, 所以填寫(xiě)測(cè)量?jī)x器“準(zhǔn)確度等級(jí)或不確定度或最大允許誤差”, 存在不同的選擇。
具體實(shí)施當(dāng)中出現(xiàn)的問(wèn)題
首先, 在存在準(zhǔn)確度等級(jí)的前提下, 只填寫(xiě)準(zhǔn)確度等級(jí)是最簡(jiǎn)單明了。對(duì)于多參數(shù)和分部檢定的測(cè)量?jī)x器, 如砝碼、測(cè)力儀, 填寫(xiě)準(zhǔn)確度等級(jí)是最合適的。這類(lèi)儀器使用時(shí), 必須從計(jì)量檢定規(guī)程等技術(shù)文件中找出該準(zhǔn)確度等級(jí)所對(duì)應(yīng)的不確定度或最大允許誤差。
其次, 用最大允許誤差表示時(shí), 對(duì)于用相對(duì)誤差或引用誤差表示的儀器, 其整個(gè)量程最大允許誤差一般是相同的;而對(duì)于用絕對(duì)誤差表示的儀器, 其整個(gè)量程最大允許誤差是不同的, 這樣, 只能給出儀器測(cè)量上下限對(duì)應(yīng)的允許誤差。這類(lèi)儀器使用時(shí), 由于不進(jìn)行修正, 儀器帶來(lái)的不確定度主要是儀器的示值誤差引起的。所以最大允許誤差對(duì)應(yīng)于儀器的使用的準(zhǔn)確度, 通常可以假設(shè)儀器的示值誤差在最大允許誤差范圍內(nèi)均勻分布對(duì)儀器帶來(lái)的不確定度進(jìn)行計(jì)算。
然后, 對(duì)于使用實(shí)際值或者依據(jù)示值誤差對(duì)指示值進(jìn)行修正的儀器, 必須填寫(xiě)實(shí)際值不確定度。這類(lèi)儀器由于修正使用, 儀器帶來(lái)的不確定度主要是對(duì)該儀器進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度。所以不確定度這個(gè)參數(shù)對(duì)儀器使用的準(zhǔn)確度影響是最直接的。
對(duì)不確定度的總結(jié)
對(duì)于校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室所開(kāi)展的項(xiàng)目, 因?yàn)樾?zhǔn)不一定作出符合性判斷, 這時(shí)測(cè)量不確定度成為衡量實(shí)驗(yàn)室能力的唯一指標(biāo)。填寫(xiě)校準(zhǔn)測(cè)量能力是有必要的, 但校準(zhǔn)測(cè)量能力并不是簡(jiǎn)單的不包括由被測(cè)對(duì)象所引入的不確定度分量的測(cè)量不確定度。測(cè)量不確定度是針對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行的評(píng)定, 對(duì)其簡(jiǎn)單的分解, 無(wú)論在理論還是實(shí)際都是行不通的。被檢定/校準(zhǔn)對(duì)象和各個(gè)不確定度分量之間的關(guān)系是相關(guān)聯(lián)的, 被檢定/校準(zhǔn)對(duì)象對(duì)于不確定度的計(jì)算是不能排除在外, 只是可以計(jì)算被測(cè)對(duì)象處于一個(gè)正常而影響最小的狀態(tài), 不能不做考慮, 這時(shí)就是校準(zhǔn)測(cè)量能力。
對(duì)于檢定工作, 由于依據(jù)檢定規(guī)程開(kāi)展工作時(shí), 測(cè)量不確定度必然不超出一個(gè)合理的控制范圍, 一般是不超過(guò)被測(cè)儀器最大允許誤差絕對(duì)值的三分之一, 測(cè)量不確定度是表示可以符合檢定系統(tǒng)的要求。
另外, 對(duì)于比較簡(jiǎn)單的檢定系統(tǒng), 除了基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)器具可能只有一個(gè)等級(jí), 工作器具也可能只存在一個(gè)等級(jí), 如金屬布氏硬度計(jì), 是用國(guó)家基準(zhǔn)檢定標(biāo)準(zhǔn)硬度塊, 再用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊檢定工作硬度計(jì), 標(biāo)準(zhǔn)塊和工作硬度計(jì)分別只有一個(gè)等別和級(jí)別, 由于標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的測(cè)量不確定度和工作硬度計(jì)最大允許誤差和壓頭、試驗(yàn)力等有關(guān), 只能給出一個(gè)范圍, 表述起來(lái)相當(dāng)復(fù)雜和不便, 對(duì)這種情況, 只要在不會(huì)引起混淆, 硬度塊的準(zhǔn)確度等級(jí)可用標(biāo)準(zhǔn)級(jí)表示, 硬度計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)用可工作級(jí)表示, 而不需要填寫(xiě)硬度塊的不確定度以及硬度計(jì)的最大允許誤差。
由此, 可以看出測(cè)量?jī)x器不確定度指標(biāo)在法定計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核、機(jī)構(gòu)考核, 實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可中的涵義應(yīng)該是統(tǒng)一的, 雖然有不同的側(cè)重點(diǎn), 但是概念應(yīng)該統(tǒng)一。
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