计量测量的不确定度详解

传感器技术 2019-03-28 10:44


测量是科学技术、工农业生产 、国内外贸易以致日常生活各个领域中不可缺的一项工作。测量的目的是确定被测量的值并获取测量结果。测量结果的质量往 往会直接影响国家和企业的经济利益,测量结果的质量也是科学实验成败的重 要因素之一 。因此在报告测量结果时,必须对其质量给出定量的说明 。以确定 测量结果的可信程度 。


流量计的流量测量


测量不确定度,是近年来对测量结果的误差表述。大家知道,任何测量都不可能绝对准确,都必然有误差,而误差也不可能准确知道。因此测量不确定度是对被测量的真值所处范围的评定结果,所以在进行测量的说明和使用测量结果时,都必须考虑测量不确定度。


测量不确定度


根据国家计量技术规范:JJF1059-2012《测量不确定度评定与表示》中定义是:“表征合理地赋予被测量之值的分散性,与测量结果相联系的参数”。


此参数可以是诸如标准偏差,或其倍数,或说明了置信水平的区间的半宽度。


测量不确定度由多个分量组成。其中一些分量可用测量列结果的统计分析估算,并用实验标准偏差表征。另一些分量则可用基于经验或其它信息的假定概率分布估算,也可用标准偏差表征。


测量结果应理解为被测量之值的最佳估计,而所有的不确定度分量均贡献给了分散性,包括那些由系统效应引起的(如与修正值和参考标准有关的)分量。


这就是说,测量不确定度是一个估计值,用它来表征被测量真值所处的量值范围。换言之,它表示测量结果附近的一个范围或区间,而被测量真值以一定的概率落于其中。所以,它是对测量结果质量优劣的一种评定:测量结果愈接近真值,其质量愈高,则测量不确定度愈小,反之,测量结果愈远离真值,其质量愈低,则测量不确定度愈大。


从计量学的观点看,一切测量结果不但要附有计量单位,而且还必须附有测量不确定度,才算是完整的测量报告,没有单位的数据不能表征被测量的大小,没有不确定度的测量结果不能判定测量技术的水平和测量结果的质量,从而失去或减弱测量结果的可比性。


测量不确定度与测量误差的关系


“测量不确定度”是合理地表征被测量分散程度的一个参数。它与误差紧密相连但却有区别:


测量误差定义为测量结果与其真值之差,这是一个理想化的概念,因它的真值常常不能确切地知道,假如知道它的修正值(或更精确的近似值),则可修正该测量结果,使其更接近真值。


测量不确定度是对影响产生误差的分散性的估计,即它是用以表示测量结果分散区间的量值,也就是描述未定误差特征的量值,是可以用估计方法求出的。“不确定度”不是指具体的、确切的误差值,虽可估计出,但却不能用于修正量值。

 

测量误差与测量不确定度的主要区别

 


不确定度相关联词的定义


标准不确定度:

用标准偏差表示的测量结果的不确定度,称为标准不确定度。


按照估计方法的不同,它可分为两类:用统计方法计算者,称为A类标准不确定度,或称为标准不确定度的A类估算法;不同于A类的其它方法计算者,称为B类标准不确定度,或称为标准不确定度的B类估算法。


将标准不确定度区分为A类和B类的目的,只说明计算方法的不同,以便于研究,并非表明两种方法得到的分量在本质上存在差异,两种方法均基于概率分布。


合成标准不确定度:

根据其它一些量值的测量结果的标准不确定度求出被测结果的标准不确定度,它等于各项分量标准不确定度的平方和的正平方根,即通常所说的方和根。


扩展不确定度,又称总不确定度:

是指定义测量结果区间的有关量,即被测量的值以某一可能性(即置信水平)落入该区间中。扩展不确定度一般是该区间的半宽,我们过去常说误差界限与此类似。


覆盖因子:

为获得控制不确定度,作为合成标准不确定度乘数的数字因子。亦可以说,它是扩展不确定度与合成标准不确定度的比值,过去用3σ表示极限误差,其中的“3”有些类似于覆盖因子。


测量不确定度的分类


1、按测量不确定度的表示方法分为:


  • 标准不确定度;


  • 合成标准不确定度;


  • 扩展不确定度。


2、用统计方法评定的不确定度分量和用其它方法评定的不确定度分量,将不确定度分为:


A类不确定度;B类不确定度。


A类、B类不确定度计算方法都基于概率分布,用统计方法或用其它方法得到的不确定度分量都可用标准偏差或方差定量表示。


在实际应用中,不应将不确定分量分为“随机不确定度”和“系统不确定度”。不确定度的这种分类是含糊的,应尽量避免。在一次测量中不确定度的“随机分量”或“随机不确定度”在第一次测量结果中作为输入数据使用,而在另一次测量中可能成为不确定度的“系统”分量,得出“系统不确定度”。所以,一般只要求对不确定度的评定方法进行分类,而不是对不确定度本身进行划分,两类不确定度合成后乘以包含因子,得到扩展不确定度,也就是总的不确定度。


为了确保测量不确定度在允许的范围内,并与被测参数所要求的测量能力相一致,通过测量设备的测量不确定度的分析、评定,实施测量不确定度的有效控制,达到指导进行测量设备配备,实施检测能力的目的。


哪些方面需进行不确定度分析


1、公司计量标准的建立,复查审核,必须对标准的测量不确定度进行分析、评定,并写出建标或标准复查的技术报告。


2、新产品投产前,必须编制计量器具配备计划,对产品的关键参数的工艺、质量检测进行不确定度分析。


3、客户要求对所出具的检测数据给出不确定度分析时,需进行不确定度分析。


4、如果检测数据不作评定产品或服务质量的最终凭据,或测量精度要求不高,可根据实际需要进行不确定度分析。分析时,可参照《测量设备选用指南》提供的方法进行粗略分析。


5、能源、经营、安全环保和工业卫生有关参数的检测中测量设备计划编制工作时,一般不进行分析。如果所配的测量设备明显偏离有关技术标准的要求,或者要求进行不确定度分析时,应进行不确定度的分析。


6、当采用低值易耗,一次性检定的测量设备进行检测时,除非特殊要求可不进行不确定度分析。


影响测量不确定度的因素


测量中产生误差的因素很多,也就是说,影响测量不确定度的因素很多,这些因素有: 


  • 仪器的误差; 


  • 测量标准带来的误差; 


  • 被测对象本身造成的误差; 


  • 环境的误差; 


  • 测量方法带来的误差; 


  • 操作者带来的误差。


这些误差中,有些已明显的可以估计,有些尚不清楚,有的可以忽略不计。对于那些已被明显的确认了的误差因素,在估计测量不确定度时,必须予以充分考虑。


测量不确定度的来源

  1. 被测量的定义不完善;


  2. 被测量定义复现不理想; 


  3. 测量样本不能代表定义的被测量; 


  4. 没有充分了解环境条件对测量过程的影响,或环境条件测量不完善; 


  5. 模拟或仪表读数时有人为偏移; 


  6. 测量标准或标准物质的值不准确;


  7. 仪器分辨率或鉴别力阈有限; 


  8. 根据外部源得出并在数据简化计算中使用常数及其它参数不准确;


  9. 测量方法和测量过程中引入的近似值及假设; 


  10. 在同一条件下被测量重复测量值中的变化。


上述各不确定度来源之间可能互不相关,亦可相关。当总的不确定度明显危及在误差极限内进行测量的能力时,应采取下列措施: 


1、改变检测方法。比如,引进更为先进的测量方法。


2、引进能满足检测能力的测量设备或外来服务或外借测量设备进行检测。


3、缩短溯源链,提高标准器的等级。


4、缩短测量设备的确认间隔,满足测量设备的检测能力。


5、改善测量设备的检测环境条件及使用环境条件。


6、与客户协商,探讨让步的可能性,争取客户的让步。


测量不确定度,在施工、生产、经营、能源、安全环保、工业卫生的计量检测当中,都时时存在,通过对测量设备的配备,实施检测以及在说明和使用检测结果时对不确定度进行分析,是对测量设备的测量给出接近真值的响应能力能否满足施工、生产的需要的一种评定。


通过此种评定,我们就能在既满足施工、生产的技术要求,又节约资金,达到提高工程产品质量,降低能源消耗,提高测量设备的使用效率,减少因错配、错用测量设备而造成不必要的浪费,争创更好效益的目的。


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