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不确定度体系的弊病与错误(3)
B类评定公式的错误
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史锦顺
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3 统计方式的基本知识
统计,是对随机变量的通用处理方法。要点是采样方式。
1)按同一条件重复采样
2)对采样值编号得采样系列
3)统计平均值是
X平=(1/N)∑Xi (3.1)
4) 按贝塞尔公式计算单值的σ
σ =√[∑(Xi-X平)2 / (N-1)] (3.2)
5) 平均值的σ平
σ平 = σ /√N (3.3)
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3.1 时域统计
按时刻顺序采样并对采样值按时刻顺序编号,统计变量的变化,体现在时间领域中,称“时域统计”。
信号源的频率稳定度、稳压电源的电压稳定度、恒温器的温度稳定度,都是时域统计量。
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3.2 台域统计
多台仪器,按台编号。着眼的统计变量随台号而变化,统计特性体现在各台之间,称“台域统计”。
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3.3 各态历经性
时域统计是时间轴的纵向统计;台域统计是时间轴的横向统计。如果某一随机变量,纵向统计与横向统计等效或近似等效,称此变量有各态历经性。
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4 B类不确定度评定之统计方法错误
4.1 混淆时域统计与台域统计
一种型号的测量仪器,误差范围的指标值相同。随机误差是统计变量,认为同一型号的随机误差范围,有近似的各态历经性,不是很严格,但尚大体差不多。对系统误差,则绝不存在“各态历经性”的可能。就是说,一种型号的各台仪器,系统误差的符号取正、取负,绝对值在误差范围内的取大、取小,不存在“各态历经性”。时域统计与台域统计,截然不同。
用仪器进行测量,对仪器进行计量,都是针对单台仪器。对单台仪器的统计是时域统计。
通常的实用的情况,测量是用单台仪器进行多次重复测量,计量是对单台仪器重复测量,都是时域统计。能用的测量仪器,其性能必须有稳定性,就是其性能的长期的变化,远小于仪器的误差范围指标值。
仪器的稳定性体现在:随机误差的表征量σ稳定,变化不超过1/3,系统误差值稳定,寿命期内(或至少1年的检定周期内)变化量不超过1/10.
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4.2 混淆系统误差与随机误差
测量仪器的误差量,有随机误差,更有系统误差。对随机误差,用统计的方法,可以而且必须。而对系统误差,不能用一般的统计方法。因为系统误差是恒值(或基本是恒值)。常量的方差是零。必须正视这一点,否者就出错。
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现行的不确定度的B类评定,混淆了恒值的系统误差与随机变化的随机误差的区别,把正确的处理随机误差的方法,用在恒值的系统误差上,就形成了严重的错误。
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4.3 错误的分布、错误的计算公式
GUM的B类不确定度评定,把测量仪器的误差范围指标值,除以根号3,就算是评定出的B类不确定度。这是根本性的错误。错误有以下几点:
1)错把恒值的系统误差,当成随机误差处理。仪器的指标值,包含有随机误差,但主要是系统误差。把整个指标值,都当系统误差处理,是可以的,保守些,但符合保险原则。而把系统误差当随机误差处理,这不符合误差量的上限性特点,违反误差处理的保险原则,不行。
2)在时域统计中,恒值的系统误差,是什么分布?是“窄脉冲分布”(有人称为δ分布)。绝不是“均匀分布”。
3)常量的方差是零。对系统误差,可以取“方根”,不能取“方差”。请注意:量值的随机偏差σ(统计量,方差的根)等于随机变化量(或随机误差)的“方根”。
正确的路,是对随机误差、系统误差“取方根”。而“取方差”,不能贯通系统量与随机量。
4)“误差范围值除以根号3”,评定的不确定度uB, 错误。
uB = MPEV /√3 (3.4)
当前,(3,4)应用十分普遍。(3.4)是错误公式。所有用此式进行的计算,都是不对的。
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4.4 “均匀分布”之说的根源
崔伟群先生指出,有两种测量。
第一种,用一台仪器测量一个量。重复测量N次(如20次)
第二种,用多台仪器(如20台仪器)同时测量一个量。
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“均匀分布”之说,适用于第二种测量。如生产厂生产同一型号的测量仪器20台,对其性能进行测量统计。各台仪器的系统误差不同,在误差指标内,呈均匀分布。这是“台域统计”,说系统误差“均匀分布”是对的。但出厂检验、应用测量、计量,都是针对单台仪器而言的。20台仪器,已经分处于五湖四海,统计仅仅是“时域统计”,而不再是“台域统计”。
应用的情况是第一种,用一台仪器测量一个量。重复测量N次(如20次)。这是时域统计。在时域统计中,系统误差是恒值。不存在“台域统计”,不可能是“均匀分布”。
“均匀分布”之说,仅仅适应于第二种情况。第二种情况在测量计量中不存在。也就是说,在测量计量中,公式(3.4)不成立,是错误的。
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