本帖最后由 史锦顺 于 2014-2-10 15:47 编辑
讨论:不确定度评定的基本公式错误 - 史锦顺 - 笔者认为:不确定度评定的基本公式是错误的。这是个重大话题。鉴于此论点的基础性与严肃性,特加讨论二字,意在征询有关专家学者及网友的意见。 - 推行不确定度论以来,不确定度评定用得最多的场合是检定装置的评定。国外常称为校准评定。以下统称为“计量评定”。 已发表的大量的不确定度样板评定,基本是计量评定。我认为:不确定度论的计量评定是错误的。其基本错误是对象与手段的混淆。而其错误的根源是基本公式错误。 - (一)不确定度计量评定所本公式 GUM评定的主要方法是对测得值函数作泰勒展开。 欧洲的样板评定,直接写出偏差公式,这是测得值函数泰勒展开的简化形式。 中国的样板评定,与国际上的通用方式是一致的。 本文将各种评定归并于如下的形式,统称不确定度计量评定,简称计量评定。 - 不确定度计量评定的基本公式(又称数学模型) EX= X―B (1) EX(0)+ΔEX=X(0)+ΔX(分辨)+ΔX(重复)+ΔX(其他)―[B(0)+ΔB(标)] (2) 本体部分为 EX(0) = X(0)―B(0) (3) 变化部分为 ΔEX =ΔX(分辨)+ΔX(重复)+ΔX(其他)―ΔB(标) (4) X是被测量,B是标准量,EX是差值,加(0)表示无计量误差时的量。 ΔEX是被评定的不确定度(元),ΔX(分辨)表示被检仪器分辨力因素,ΔX(重复)表示“用测量仪器测量计量标准”时读数的重复性,ΔX(其他)是被检仪器其他因素的作用;ΔB(标)是标准的误差。 依据(4)式进行不确定度评定,就是把等号右端各项均方合成(有一套按分布规律除以因子以及乘因子的办法)。这是当前计量不确定度评定的常规。中国的评定如此,欧洲的评定也是如此。其本质就是GUM的泰勒展开法。 - (二)计量的不确定度评定是错误的 史锦顺判断:不确定度论的计量评定是错误的。 1 被检仪器的误差因素,包括ΔX(分辨),ΔX(重复),ΔX(其他)都必然体现在测量仪器的示值X与标准的标称值B的差值之中。不该对测得值X作拆分。拆分的结果是重计、错计。 2 ΔX(分辨)、ΔX(重复)、ΔX(其他)是计量的对象,不能把它们算在检定能力上;这几项的作用已体现在仪器的示值与标准值的差别中,不能重计。 3 不确定度计量评定所依据的基本公式(4)是错误的。公式错,实际操作皆错(例见附录一:游标卡尺校准不确定度评定的错误)。 基本公式错误,是不确定度理论与不确定度评定的要害,关乎其存废。下面详细分析。 - (三)不确定度计量评定的公式错误 (1)误差理论意义下的检定误差分析 这里先讲一下误差理论指导下的检定误差分析。明白正确分析,便于看出不确定度计量评定的问题。 检定是计量的主要形式。计量工作者都懂得,检定必须选用误差范围比被检仪器误差范围小到1/4(有些取1/3,而时频要求为1/10)的计量标准。计量误差就是标准的误差(当标准有辅助装置时,后者的误差要计入到标准的误差中)。 检定的误差公式推导如下。 必须认清:求什么,用什么。物理公式必须物理意义确切。物理公式必须是意义明确的“构成公式”。 - 测量是用测量仪器测量被测量,以求得被测量的值。而检定是用被检仪器来测量已知量值的标准,以求得测量仪器的误差,看是否合格。检定是测量的逆操作。测量仪器的误差,是检定的认识对象。检定的目的是求得仪器的误差,而得到的是仪器示值与标准标称值之差;计量的误差分析,就是求得这二者的差别。 设测得值为X,标准的标称值为B。 设仪器的误差元(以真值为参考)为r(仪),检定得到的仪器测得值与标准的标称值之差值为r(示),计量标准的标称值为B,标准的真值为Z,标准的误差元为r(标)。 1 检定得到仪器的视在误差元为: r(示) = X―B 2 测量仪器的误差元为: r(仪) = X―Z 3 标准的误差元(根据《JJF1180-2007》)为 r(标) = Z―B 4 检定的计量误差元为: r(计) = r(示)―r(仪) 综上,有 r(计) = r(示)―r(仪) = X―B ―(X―Z) = Z―B = r(标)
误差范围是误差元的绝对值的最大可能值。误差范围关系为: │r(计) │max = │r(标) │max 即有 R(计) = R(标) (5) (5)式是计量误差的基本关系式,计量误差由标准的误差决定。计量误差与被检仪器的误差因素无关。 标准选用:设被检测量仪器的误差范围指标是R(仪,标称),若: R(标) ≤ R(仪,标称)/4 (6) 则检定标准符合要求。 合格性判别:只要 │r(示)│max ≤ R(仪,标称)―R(标) (7) 则被检仪器合格。 与(7)式等效的表达式又记为: │Δ│max≤MEPV―R(N) (8) Δ是被检仪器的视在误差元r(示);MEPV是最大允许误差,就是被检仪器误差范围指标值R(仪,标称);R(N)是所用计量标准的误差范围R(标)。 以上这些,并不是老史的新论;不确定度论诞生前,计量界历来就是这样认识的,就是这样干事的。这是科学。是几百年来计量实践所证明了的经典分析。(老史的表达较繁琐,但便于阅读与理解。) - (2)剖析不确定度评定的公式错误 不确定度计量评定的基本公式是 ΔEX =ΔX(分辨)+ ΔX(重复)+ ΔX(其他)―ΔB(标) (4) 不确定度计量评定的基本作法,是对(4)式等号右边各项进行均方合成。 不确定度计量评定的基本公式是错误的。剖析如下: - 1 求解思路不对 不确定度计量评定所依据的基本公式(4)式,是一个差值的分项展开式,没有“求什么”、“用什么”、“哪些是来源量”、“哪个是结果”这些最基本的认识。公式自身是混沌帐,算完也必将混沌。 分析计量(国内称检定,国外称校准;也有人认为检定与校准是两类不同的业务。测量仪器的出厂检验,用户的进货验收,也是这一类性质的业务)的问题,就是分析计量中,得到的值与要求的值的不同,其差异就是计量误差。 计量的认识对象是测量仪器的误差。方法是用被检仪器测量计量标准。 用被检仪器测量计量标准,得到的是视在误差r(视),它等于测得值M减标准的标称值B。而计量的目的是求得测量仪器的以真值为参考值的误差r(仪),它等于测得值减真值。计量分析的目的是求得r(视)与r(仪)的差别r(计)。 测得值是测量仪器的示值,真值就是计量所用标准的真值Z。由于已知标准的标称值与误差范围,这就可以实现用标准的标称值与标准的误差范围对真值的代换。 前述公式(5)的推导过程,所分的4个步骤,就体现了“用什么”“
求什么”“怎样代换”“得到什么结果”这一套计量分析的逻辑思路。这个分析。思路清晰,结论是正确的。 再看(4)式,左端是差值改变量,等号右端是该改变量的构成因素,包括被检仪器的因素与标准的因素。被检仪器的因素又是主要的。被检仪器的问题,并不是计量装置的问题,这里混淆了。 一经比较,易于看出:不确定度计量评定所本的公式(4)是混沌帐。 - 2 基本公式不是物理公式的构成式。 物理公式必须表达所求量的来源,即必须具有构成关系。(4)式表达的差值,只是视在差值的分解,不是计量的误差。(4)式没有表达出计量的误差的构成。(4)式不是物理公式的构成式,没资格做为分析的基础。 - 3 错误地拆分测得值函数。 在测量计量理论中,测量仪器的测得值函数,是非常重要的。测得值函数的最主要的应用场合是测量仪器的研究与制造。研制测量仪器,必须依据并给出测得值函数;制造测量仪器,必须对测得值函数作泰勒展开,知道各项误差因素,以便在生产中控制,以达到总指标的要求。除极个别测量仪器给出分项指标外,一般测量仪器都以总指标做为性能的标志。 测量仪器一经成为产品后,其标志性能就是其误差范围指标值。计量中,计量人员检验、公证测量仪器误差范围指标;测量中,测量人员相信误差范围指标,根据指标选用测量仪器,根据测量仪器指标,分析与给出测得值的误差范围。 在测量仪器的计量与测量应用中,没必要、一般也不可能拆分测得值函数。例如,世界上用指针式电压表的人很多,很少有人能写出指针偏转与被测量的函数关系。除电表设计人员外,测量人员与计量人员既没必要,也不可能对电表的测得值函数作泰勒展开。应用电压表测量,要选用性能指标合乎要求的仪器,要知道使用方法,要满足其应用条件;而无论测量与计量,着眼点都是其整体指标,没必要对其测得值函数作泰勒展开。 测量仪器的误差因素的作用,体现于其总指标中,计量不该拆分测得值函数。如果测量仪器的指标是分项给出的(数量极少,如波导测量线),计量可按分项指标做分项计量。分项指标的“分项”,是生产厂按国家技术规范标志的,不是计量人员的职权。计量的职责是用实测判别各分项误差性能是否符合指标。而凡标有总指标的测量仪器,必须用计量标准进行整体计量。 不确定度论普遍地拆分测得值函数,结果是形成多种错误。 - (转下页)
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