看完這篇文章，準確度、誤差和不確定度終于弄懂了
2018-08-28
作者：
瀏覽數：1914
國家計量技術規范JJF1033《計量標準考核規范》對所采用的計量標準器具、配套設備, 以及所開展的檢定/校準項目的準確度指標, 要求填寫“不確定度或準確度等級或最大允許誤差”;JJF1069《法定計量檢定機構考核規范》和實驗室國家認可的校準項目表格也都要求填寫檢定/校準的“不確定度或準確度等級或最大允許誤差”。這幾種表述方式, 表面看來僅僅在文字上有所區別, 而實際上在對這幾個項目如何表達的問題上, 都存在不同的理解。有不少專家提出用不確定度表示測量儀器的特性, 甚至有人提出“測量儀器的不確定度”這個概念, 這根本就是不合適的, 因為不確定度是與結果相關的量, 沒有測量結果無從談起不確定度, 當然這個說法也可以說是測量儀器在校準結果測量不確定度中貢獻的那一部分分量。為了對表述測量儀器的準確度指標有統一的理解, 對儀器準確度等級、最大允許誤差和不確定度的意義和內在聯系進行分析, 是有必要的。
幾種名詞的概念解釋和區分
要區別和理解測量儀器的最大允許誤差, 測量不確定度和準確度等級的關系, 必須要了解它們的概念。最大允許誤差是指技術規范所規定的允許的誤差極限值, 是判定儀器是否合格的一個規定要求。測量不確定度是表征被測量量值分散性的一個參數, 或表達成一個區間或一個范圍, 說明被測量的量值以一定概率落在其中, 它是用于說明測量結果的可信程度的。可見, 最大允許誤差、不確定度和準確度等級具有不同概念。最大允許誤差只是一個允許誤差的確定范圍, 是認為規定的一個區間。并且在文字的表述上, 最大允許誤差是一個術語不要分割, 要規范化, 可以把所指最大允許誤差的對象作為定語放在前面。最大允許誤差前面一定加±號。
填表中的不確定度, 需要填寫的是校準測量能力, 其定義為:“通常提供給用戶的最高校準測量水平, 它用包含因子k=2的擴展不確定度表示”。它是當不確定度概算中所有的不確定度分量都達到可能的最小值時, 實驗室得到的測量不確定度。一般來說都小于平時所出具的測量不確定度。在實驗室認可申報工作中, 必須要求申請認可的實驗室申報該實驗室的校準測量能力, 這個時候是為了評價這個實驗室所能達到的最高測量水平。
1 準確度等級
測量儀器準確度是定性概念。是測量儀器給出接近于真值的響應的能力。必須明確測量儀器準確度是定性概念, 以和國際接軌以及和上面規范保持一致是十分必要的。由于VIM和GUM是以多個國際組織的名義聯合頒布, 國際上各個組織也在逐漸消除這種不規范的表述。對于一些不合適的表達, 如很多老版規程規范還在使用例如“二等活塞壓力計的準確度為±0.05%”, 只能是對標準、規范等文件的修訂逐步改正。但是我們就不要使用不規范的表達了。
測量儀器的準確度等級的表達必須依據計量檢定規程、檢定系統表、OIML國際建議、標準或其它技術文件。通常按最大允許誤差絕對值表示的測量儀器, 其級別用大寫拉丁數字、羅馬數字或阿拉伯數字表示, 必要時還可以用字母附以阿拉伯數字。例如:標準砝碼分為E1, F2等級。按引用最大允許誤差或相對最大允許誤差表示的測量儀器, 用阿拉伯數字表示, 而且常用百分數表示而略去百分符號。例如:工作測力儀, 分為0.1級, 0.5級。按等劃分的測量儀器, 用中文數字或阿拉伯數字表示, 例如, 3等量塊。
但是, 受習慣的影響, 還是有一些人認為準確度等級既然包含數量, 作為定量表示未曾不可。確實, 對于一部分以引用最大允許誤差或相對最大允許誤差表示的測量儀器, 準確度等級與儀器的最大允許誤差有比較直接的對應關系, 如0.5級工作測力儀的最大允許誤差為測量上限的±0.5%。所以有會人以偏概全, 以為全部都是這種情況, 以此出現了諸如“上級標準的準確度為被檢儀器準確度1/3”的錯誤表達。這種觀點顯然不具有普遍的意義, 比如對于F1等級砝碼, 說其準確度的1/3, 會令人不知所云。以數字表達的準確度等級和儀器的最大允許誤差不一定直接對應。把適合于檢定1級材料試驗機的標準測力儀定義為1級測力儀, 這種測力儀的各項技術指標略高于現行的JJG144《標準測力儀檢定規程》中0.3級測力儀。由此看出, 準確度等級在一些時候只是一個檔次的的符號, 不能直接作為一個量。
2 準確度的量化
準確度中等和級的概念：等是指標準計量器具的實際值的擴展不確定度檔次, 以等劃分的儀器使用實際值或依據檢定/校準結果對示值修正使用;級則是計量器具示值最大允許誤差大小的檔次, 以級劃分的儀器直接使用示值, 即使用其標稱值, 不需要修正。
當測量儀器沒有劃分準確度等別, 或者考慮給準確度等別予以量化時, 直接給出實際值的擴展不確定度, 即上級對其檢定/校準的測量結果不確定度;當測量儀器沒有劃分準確度級別, 或者考慮給準確度級別予以量化時, 直接給出其示值最大允許誤差。
有些測量儀器只能按等劃分, 例如標準硬度塊;有些測量儀器只能按級劃分, 例如測力儀。對應到不確定度或最大允許誤差意義為, 以等使用的測量儀器可以用準確度等別表示, 也可以用實際值或修正值的不確定度表示;以級使用的測量儀器可以用準確度級別表示, 也可以用最大允許誤差表示, 所以填寫測量儀器“準確度等級或不確定度或最大允許誤差”, 存在不同的選擇。
具體實施當中出現的問題
首先, 在存在準確度等級的前提下, 只填寫準確度等級是最簡單明了。對于多參數和分部檢定的測量儀器, 如砝碼、測力儀, 填寫準確度等級是最合適的。這類儀器使用時, 必須從計量檢定規程等技術文件中找出該準確度等級所對應的不確定度或最大允許誤差。
其次, 用最大允許誤差表示時, 對于用相對誤差或引用誤差表示的儀器, 其整個量程最大允許誤差一般是相同的;而對于用絕對誤差表示的儀器, 其整個量程最大允許誤差是不同的, 這樣, 只能給出儀器測量上下限對應的允許誤差。這類儀器使用時, 由于不進行修正, 儀器帶來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應于儀器的使用的準確度, 通常可以假設儀器的示值誤差在最大允許誤差范圍內均勻分布對儀器帶來的不確定度進行計算。
然后, 對于使用實際值或者依據示值誤差對指示值進行修正的儀器, 必須填寫實際值不確定度。這類儀器由于修正使用, 儀器帶來的不確定度主要是對該儀器進行檢定/校準的測量不確定度。所以不確定度這個參數對儀器使用的準確度影響是最直接的。
對不確定度的總結
對于校準實驗室所開展的項目, 因為校準不一定作出符合性判斷, 這時測量不確定度成為衡量實驗室能力的唯一指標。填寫校準測量能力是有必要的, 但校準測量能力并不是簡單的不包括由被測對象所引入的不確定度分量的測量不確定度。測量不確定度是針對測量結果進行的評定, 對其簡單的分解, 無論在理論還是實際都是行不通的。被檢定/校準對象和各個不確定度分量之間的關系是相關聯的, 被檢定/校準對象對于不確定度的計算是不能排除在外, 只是可以計算被測對象處于一個正常而影響最小的狀態, 不能不做考慮, 這時就是校準測量能力。
對于檢定工作, 由于依據檢定規程開展工作時, 測量不確定度必然不超出一個合理的控制范圍, 一般是不超過被測儀器最大允許誤差絕對值的三分之一, 測量不確定度是表示可以符合檢定系統的要求。
另外, 對于比較簡單的檢定系統, 除了基準、標準器具可能只有一個等級, 工作器具也可能只存在一個等級, 如金屬布氏硬度計, 是用國家基準檢定標準硬度塊, 再用標準硬度塊檢定工作硬度計, 標準塊和工作硬度計分別只有一個等別和級別, 由于標準硬度塊的測量不確定度和工作硬度計最大允許誤差和壓頭、試驗力等有關, 只能給出一個范圍, 表述起來相當復雜和不便, 對這種情況, 只要在不會引起混淆, 硬度塊的準確度等級可用標準級表示, 硬度計的準確度等級用可工作級表示, 而不需要填寫硬度塊的不確定度以及硬度計的最大允許誤差。
由此, 可以看出測量儀器不確定度指標在法定計量技術機構進行計量標準考核、機構考核, 實驗室認可中的涵義應該是統一的, 雖然有不同的側重點, 但是概念應該統一。
