2024-01-30 14:08:51, 张增元
测量不确定度知识简介
长期以来,对实验测量数据的质量,是以传统误差理论进行评定的,误差越小,测量数据的质量越高,误差越大,测量数据的质量越差。但是随着行业内学者对测量认识的不断深入和研究,认识到测量 误差的局限性,从而提出了更为科学的测量不确定度。本文对测量不确定度相关术语的概念、提出和发展应用、测量不确定度的意见及特性等几个方面进行了简单介绍,并就测量不确定评定过程中的难点给出了笔者的经验,希望能让读者对测量不确定度有所了解。
一、术语及基础知识
1.1 测量
是以确定量值为目的的一组操作。任何测量过程都是在一定的技术条件,一定的认识条件和一定的环境条件下,由人来具体完成的操作。
注1:测量过程不可避免的要受到实验条件的影响和制约。
注2:被测量的特定量(被测量)也不是理想中的量,而是物质在具体的现实条件下的一种表现。
注3:对被测量不能仅用一个值来说明,还应对此量进行描述。
注4:原理上讲,没有无穷多信息量,被测量就不可能被完全描述。
1.2 被测量
拟测量的量(受到测量的量)。
注1:测量不确定度评估的对象是被测量,即能用数值表示的结果。不能用数值表示的结果不用评定测量不确定度。例如:“阳性”。
1.3 真值
与给定的特定量的定义一致的值。
注1:通过严谨的无限多次的测量,得到的平均值,趋近于真值。
注2:实际上,进行的测量仅是有限多次。因此,“真值”按其实际是不可知的。
1.4 测量误差
测量值与真值之差。误差非正即负,不用正负号(±)表示。
1.5 允差
通常在技术标准、技术规范、规程中规定其误差的极限值,或称其允许误差限。
注1:在实际应用时要注意的是测量仪器、器皿及测量方法的允差不是其不确定度,它只是在一定概率水平不确定度表达的特例,但可作为测量不确定度评估的依据。
1.6测量结果
与其他有用的相关信息一起赋予被测量的一组量值。当认为测量不确定度可以忽略不计或不确定度较小,测量结果可以表示为单个被测量量值。
1.7 重复性
在一组重复测量条件下的测量精密度。也即,在重复性测量条件下,对同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性或分散性。
注1:重复性条件是指:相同的测量程序、相同的观测者、在相同的条件下使用相同的测量仪器、相同地点、在短时间内的重复测量。
注2:重复性可以用测量结果的分散性来定量地表示,通常用在重复性条件下重复观测结果的实验标准差来表示。
1.8 测量不确定度
利用可获得的信息,表征赋予被测量量值分散性的非负参数。
注1:不确定度是表征测量的真值所处量值范围的评定,被测量的真值是客观存在的,但是不确定的;真值以一定的置信概率(如95%)分布在一定的置信区间内;置信区间的半宽度就是被测量结果的不确定度。
注2:不确定度恒为正值,由多个分量组成。
1.9 标准不确定度
以标准差表示的测量不确定度。
1.10 相对标准不确定度
标准不确定度除以测量结果的绝对值(这里的绝对值一般指多次测量的平均值)。
1.11 合成标准不确定度
由在一个测量模型中各输入量的标准测量不确定度获得的输出量的标准测量不确定度。
1.12 扩展不确定度
合成标准不确定度与一个大于1的数字因子的乘积。
1.13 A类不确定度评定
对在规定测量条件下测得的量值用统计分析的方法进行的不确定度分量的评定
1.14 B类不确定度评定
用不同于A类不确定度评定的方法对量不确定度分量进行的评定。
二、测量不确定度的提出及应用
根据上文中“真值”的定义,我们可以知道,真值是理想值,不可能测量,在测量过程中只能通过严谨的无限多次的测量,尽可能地使测得量值趋近于真值。但现实的测量过程中,我们只能进行有限多次的测量。
由于真值不可能得到,所以,测量误差也是个不可知量(理论值),那么用测量误差来评定测量数据的质量就显得很不严谨,也不准确。
既然不能用测量误差来评定测量结果,这就造成实际操作中定量的困难,因此就有了不确定度(实际值)的概念,并且于1963年由原美国国家标准局(NBS)-现标准和技术研究院(NIST)的数理统计学者埃森哈特在《仪器校准系统精密度和准确度评定》中首次提出了测量不确定度的概念。
通过下图1可以看出测量不确定度与测量误差的区别。
2.2测量不确定度的发展应用
不确定度概念提出后,各国的学者们认识到了不确定度的科学性和重要性,分别投入了大量的分析研究工作。为了统一不确定度概念,1993年ISO以7个国际组织的名义发布了《测量不确定度表示指南》,简称GUM,1995年又作了修订,在全世界各领域推广应用。
2.2.1 测量不确定度在CNAS的应用
1) CNAS-GL10:2006《材料理化检验测量不确定度评估指南及实例》;
2) CNAS-GL05:2011《测量不确定度要求的实施指南》;
3) CNAS-CL01-G003《测量不确定度的要求》;
4) CNAS-GL006:2018《化学分析中不确定度的评估指南》;
5) CNAS-GL016:2018《石油石化领域理化检测测量不确定度评估指南及实例》;
6) CNAS-TRL-010:2019测量不确定度在符合性判定中的应用。
2.2.2测量不确定度在中国的应用
1) GB/T 27418-2017《测量不确定度评定与表示》;
2) JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》;
3) JJF1059.2-2012《用蒙特卡洛法评定测量不确定度》;
4) JJF 1135-2005《化学分析测量不确定度评定》;
5) RB/T214-2017《检验检测机构资质认定能力评价检验检测机构通用要求》。
三、标准对测量不确定度的要求
《测量不确定度表示指南》要求:今后在出具的任何校准证书、鉴定报告、测试报告、学术报告、技术规范、产品标准,合同、协议等文件中的实验测量结果,都必须有与《指南》一致的不确定度说明,才可被承认为有效结果。
在CNAS-CL07、CNAS-CL01-G003、GB/T 27418-2017、JJF1059.1-2012、RB/T214-2017中也对测量不确定度提出了明确的要求:
1) 检测实验室应按检测类别给出不确定度评估程序;
2) 检测实验室必须有能力对每一项有数值的检测结果进行评定;
3) 自行研制、偏离、修改标准方法、必须提供不确定度评定报告;
4) 采用新的检测方法,要重新评估不确定度;
5) 结果不是用数值表示(阴性/阳性,合格/不合格,视觉定性)不要求不确定度。但鼓励讨论不确定度的分量;
6) 在用户要求时,必须提供测量结果的不确定度及其评定报告;
7) 检测结果处于值临界时,必须给出不确定度;
8) 能力验证和测量审核必须给出不确定度;
9) 政府下达的检测任务,必须给出不确定度;
10) 司法鉴定,必须给出不确定度;
11) 只要检测条件不变,不确定度评估程序就可以继续使用。
根据上述的要求,作为第三方检测机构,必须有能力识别影响测量结果及其测量不确定度的因素;必须掌握测量不确定度的评定技术和方法;必须能够正确使用不确定度。
四、测量不确定度的意义及特性
4.1测量不确定度的意义
不确定度它表示由于测量误差的存在而对被测量值不能肯定的程度,意味着测量结果可信性、有效性的怀疑程度或不肯定程度,是定量说明测量结果质量的一个参数。
“测量不确定度”字面上的意思是“测量结果的不确定程度”,是对测量结果准确性的一种怀疑,但正相反,测量不确定度一词没有对测量有效性怀疑的意思,正是因为确定了对测量结果的不确定程度,对测量结果有效性的信心增加了。
一个完整的测量结果,不仅要表示其量值的大小,还需给出测量不确定度,表示了被测量真值在一定概率水平所处的范围。
测量不确定度愈小,其测量结果的可信度愈大,测量的质量就愈高,测量数据的使用价值愈高。
4.2测量不确定度的特性
测量不确定度是表征赋予被测量量值分散性的非负参数,因此其特性就是“分散性”。
因为测量不确定度是对测量结果的补充描述,因此必须包含测量数据的分散性(A类);同时还需要包在测量过程中使用的容量器皿、天平,力值传感器等量具的示值与其真值的不一致,工作曲线测量的变动性,标准物质其标准值本身的不确定度;在物理测量中,常用的千分尺、游标卡尺、拉力试验机存在的允差等(B类)。根据测量不确定度的“分散性”我们在评定测量不确定度时就有必要评定A类不确定度和B类不确定度。
五、测量不确定度评定的难点
根据JJF 1059.1-2012,不确定度的评定步骤如下图2所示:
根据笔者对标准的理解和评定经验,在测量不确定度评定工作过程中,测量不确定度的来源识别和半宽度的确定是最重要的两点。
注1:半宽度是指被测量可能值区间一半。如某参数的最小可能值为a-和最大可能值为a+,则其半宽度为( a+ - a-)/2。半宽度是B类不确定度评定中的一个重要参数。
5.1 测量不确定度的来源识别
简单的说,凡是能产生误差的地方,凡是进行实验操作的过程,都可能产生不确定度。归纳起来一般来源于:被测对象、测量设备、测量环境、测量人员和测量方法(人、机、料、法、环),如下图3所示。
测量不确定度的具体来源主要有以下几个方面:
1) 取样、制样、样品本身引入的不确定度;
如:标准试验剂的配制(使用了其它仪器)、样品本身特性因环境条件导致变化(液体的热胀冷缩)。
2) 检测过程中使用的仪器设备引入的不确定度;
如:设备进行了校准,校准报告提供了不确定度。
3) 测量条件变化引入的不确定度;
如:容量器具及所盛溶液由于温度的变化而引起体积的变化。
4) 使用标准物质引入的不确定度;
如:标准硬度块,其本身也存在不确定度。
5) 测量方法、测量过程等引入的不确定度;
如:拉力试验机的速率不同导致拉力值变化、称重过程控制不当导致称重值变化。
6) 人为读数引入的不确定度;
如:量筒、机械式卡尺重复读数的不一致。
7) 仪器分辨率引入的不确定度;
如:数显游标卡尺的分辨率为0.01mm。
8) 测量结果的修正(修约)引入的不确定度;
如:一些标准里面要求将测量结果进行修正(修约),从而引入不确定度。
9) 仪器设备示值误差引入的不确定度;
如:拉力试验机、称重装置、数显仪表等都存在示值误差。
10) 测量过程中的随机因素,及随机因素与上述各因素间相互作用引入的不确定度。
如:重复测量条件下引入的不确定度(A类)。
5.2半宽度a的确定
1)制造商提供的技术文件(技术说明书等);
如:生产厂提供的测量仪器的最大允许误差为±△,并经计量部门检定合格,
则半宽度为:a=△
2)校准、检定证书提供的数据;
如:证书给出了其扩展不确定度为U,则a=U。
3) 当测量仪器或实物量具给出准确度等级时,可按检定规程规定的该等级的最大允许误差得到对应a=△。
4) 由相关设计手册查出所用的参考数据,其误差限为±△,则a=△。
5) 由行业内研究技术资料等有关资料查得某参数的最小可能值为a-和最大可能值为a+,则a=( a+ - a-)/2。
图2 测量不确定度评定步骤示意图
图3 不确定度来源分析示意图
六、小结
本文对测量不确定度相关术语的概念、提出和发展应用、测量不确定度的意见及特性等几个方面进行了简单介绍,并就测量不确定评定过程中的难点给出了笔者的经验,希望能让读者对测量不确定度有所了解。
笔者认为,测量不确定度的评定是一个复杂而严谨的过程,开展测量不确定度的技术人员必须熟悉技术标准/规范/规程;必须对大量的测量经验;必须熟练应用测量不确定度评定相关的统计学公式,从而在评定过程中能够建立正确的物理模型和准确识别测量不确定度主要来源。
笔者认为,作为第三方机构,在掌握测量不确定度的评定的同时,还需要能够正确使用不确定度,从而为社会提供科学、准确、可信的测量结果。在这一点上希望与大家一起交流学习。
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