評論對象:國家計量技術法規統一宣貫教材《測量不確定度評定與表征指南》
有下劃線的是原文摘抄,無下劃線的是史錦順的評論。
問題的提出 現有標稱溫度示值被調控到400℃的工業容器,測量人員選用帶K型熱電偶的數字式溫度計來測量該容器內部某處的實際溫度。
從制造廠說明書查知數字溫度計的分辨力為0.1℃。準確度為±0.6℃。K型熱電偶每年校準一次,今年的校準證書表明其不確定度為2.0℃(置信水準為99%),在400℃時的修正值為0.5℃。當恒溫容器的指示器表明調控到示值400℃時,穩定半小時后從數字溫度計上重復測得10個顯示值di,如下(單位℃):
401.0;400.1;400.9;399.4;398.8;400.0;401.0;402.0;399.9;399.0
修正后的測量結果為
t=400.2℃+0.5℃=400.7℃
分析的主要點
平均值400.42℃
算殘差 殘差的平方和 按貝塞爾公式算單值的標準偏差
σ(d)= 1.03 ℃
平均值的標準偏差為σ(d)除以根號N,(N=10)得
σ(d平)= 0.33℃
主要不確定度來源及計算(單位℃)
來源 類型 原不確定度 得標準不確定度
測量重復性s(d平) A 0.33 0.33
儀表準確度mpe B 0.6 0.35
熱電偶校準 B 2.0 0.78
u(均方合成) 0.92
測量不確定度U=2u=1.8℃
測量結果 t=400.7℃ U=1.8℃
【史評】此項評定樣板,有類似的例(見GUM4.4.3)。這里更詳細。此例評定,嚴格地按不確定度評定規則辦事,表現出不確定度評定的本來面目,比較全面地體現了不確定度論的弊病。如是,老史的評論就來勁了:我評的是不確定度論本身!
1表達混沌
計量與測量,對象是量。量分兩種:常量與變量。于是測量也就有兩類:常量測量與變量測量。
物理量的變化量遠小測量儀器誤差范圍的情況是常量測量,即經典測量,其理論被稱作誤差論。
測量儀器誤差范圍遠小于物理量變化量的情況是變量測量,又稱統計測量,要用統計理論。例如,當今頻率界的頻率穩定度測量就是統計測量。兩類測量交叉,產生一種特殊測量,那就是物理常數測量。用當時世界上最準確的測量儀器去測量宇宙間最穩定的量值,區分不開物理量的變化與測量儀器的誤差,只能二者混在一起。非當代最高水平的測量,即一般的精密測量,必須清楚自己是兩類中的哪一類,不得混沌地表達。因為兩類測量該用的σ,相差根號N倍!
當今,時頻測量計量界,無論測量與計量,分清這兩類,人們已形成習慣。或者選擇誤差滿足要求即誤差可忽略的頻率測量儀器,去測量信號源的頻率值及其變化量;或者選誤差范圍可略的頻率標準,被待考核的頻率計測量,以考查頻率計的指標,產生的偏差與變化量都算頻率計的。如果有人用10的-6次方的頻率計去測量10的-6次方級的晶振,那將被認為是不懂測量,因為這樣給出的表征量,無法確定該歸屬哪一方。頻率測量易精確,時頻界常取10比1;電子測量難精確,電子計量界一般取3比1.
回到本例,這是一筆混沌帳。表征量是恒溫容器的,還是測量儀器的,說不清。不知測量目的是什么,是容器的溫度控制水平還是考查測量儀器誤差?都不像。不明確測量目的,不根據需要選擇符合要求的測量儀器,拉過來就測,測了就評,也不管評的結果干什么用。這是不確定度論的弊病之一。本例體現了這一點。
2 概率錯位
統計理論是一門科學。它處理的對象是隨機事件或隨機變量。量值的隨機偏差,或者是測量的隨機誤差,應當用統計理論處理,但系統誤差是不能用統計方法處理的。對系統誤差找分布,求概率,特別是按處理隨機誤差的方式處理,是不對的,概率錯位了。系統誤差代表標準與測量儀器的水平,減小系統誤差是計量測量研究的主要任務。不確定度論忽視系統誤差,錯誤地處理系統誤差,是它的又一個弊病。
3 錯取標準偏差
表征隨機變量的分散成度的量是σ,即單值的標準偏差;而不是平均值的標準偏差σ(平)。統計測量的前提是測量儀器的誤差可略,測得值的每一個都是實際值,按貝塞爾公式算出的σ,是單值的標準偏差,正是它,是量值分散性的表征量。不確定度理論取平均值的標準偏差作為表征量(即有除以根號N的操作),這是個帶根本性的錯誤。也許有人說,國際組織,而且是八大國際組織有權作決定,就得用平均值的標準偏差做表征量。應知,權大不過理,人們一旦明白,還是認理的。著名的阿侖方差就是單值的表征量。經典測量理論可以用σ(平),因為隨機誤差可以減小而且應當減小。統計測量中,偏差是量的客觀屬性,人為地縮小對客觀量的表征,是錯誤的。不確定度定義是“分散性”,卻將分散性人為地低估根號N倍,這是一個極大的錯誤。
4 不要準確度
不確定度論從否定真值出發,否定誤差,否定準確度。目的是用不確定度一統測量計量領域,可惜不確定度沒那個本事,表達不了該表達的事。此例中一個重要的指標,即溫度控制的準確度,不確定度論沒法說,本例也就不說。不確定度理論不包含標稱值的事,因此該容器在這里標多少是沒關系的。此評定居然不用400攝氏度這個量!
本人1958年在北大半導體廠勞動一個月,用恒溫爐燒制熱敏電阻,最關鍵的是爐溫控制的準確度。在不確定度論的表達中,竟無控溫準確度這一項,要它作甚!
盡管不確定度論否定準確度,但準確度的旗幟仍在我國時頻界飄揚,請看《JJF1180-2007》。此項標準的主起草人是馬鳳鳴。向頂著不確定度論的巨大壓力、勇敢護衛準確度概念的馬先生致敬!感謝批準該項標準的計量司領導!
你說的第4條,很對,誤差論,或稱經典測量學,已不能處理計量與測量的所有問題。在當代科學技術快速發展的情況下,測量學也必然要發展。突破首先在時間頻率界發生。1966年,美國人阿侖博士(當年30歲)提出頻率穩定度的表征方法,次年,阿侖的導師、NBS(現稱NIST)的巴納斯與美籍華人、美國宇航局的紀恩濤等11位權威人士推薦,以阿侖的理論作為表征頻率穩定度的方法,并定名為阿侖方差。很快得到國際上的承認。最初幾年,我國的宣傳、推廣者主要有陸埮(tǎn)、馬鳳鳴、張世萁等人。不確定度理論是90年代才推廣的,GUM明文承認阿侖方差在頻率領域的地位。阿侖方差是測量學理論的一項發展。
本人不才,卻不敢懈怠。孜孜以求,立志發展測量學理論。主要思路是繼承經典測量學的正確的、應用成功的部分,發展其不足的地方。指出阿侖方差該改正的一個因子(1980年計量學會有通報)。拙文“測量方程的新概念”加強了誤差分析出發處的邏輯基礎;“誤差方程的新概念”則給出由誤差范圍實驗值到真誤差范圍的計算方法。(二文載《奇跡文庫》儀器與測量欄)。更重要一些的,是測量的分類概念。把變量的概念引入測量學,提出統計測量的新概念。指出,經典測量學在常量測量的領域是正確、管用的,而對變量測量要用統計測量學,統計測量與經典測量不同的地方有:A 測量儀器誤差可略;B 用單值的標準偏差;C 不準剔除離群值。見《新概念測量學》(已有二十多個網站轉載,易查)。
對待經典測量學的另一種態度是不確定度論。從真值概念、誤差概念、準確度概念到誤差分類、數據合成方法,總之,凡人類幾百年積累起來的測量計量理論,一概予以否定,甚至不許說真值、系統誤差、準確度這些基本詞匯,真是無理之極,霸道之極!而它自身又拿出些什么貨色呢,“不確定度”這個詞就極不確定,一會兒說是不信任程度,一會兒是分散性;不許把不確定度與誤差兩個概念混淆,計算中卻又引用誤差數據。不許定量地表達準確度,卻又用以準確度定量為基礎的準確度等級,真沒見過哪種理論會如此的邏輯混亂!
至于你提到的評定人能力的問題,我不這樣看。評定人是誰?中國計量科學研究院的總工程師!書上明明寫著。我已寫清楚:評定人是完全按不確定度評定規則辦事的,問題出在不確定度論本身。按不確定度辦事,水平再高的人也必然出錯。辦法是有的,那就是以馬鳳鳴先生為榜樣,把不確定度論拋開!
關于兩個偏差該取哪個的問題,我認為我在2號欄已說清楚了,現在講例子。頻率界用的阿侖偏差是被測量的單值的分散性。測量采樣N(一般取100)個,但結果不除以根號N(不除以10)。阿侖方差的重大應用場合是宇航。發射衛星、火箭,測速很重要。測速的最大誤差源是發射機頻率的短期(10毫秒量級)的隨機變化,即單值的分散性,除以根號N是絕不允許的。
通常的情況,就拿恒溫爐的溫度來說吧。燒制熱敏電阻,最關心的就是實際值即單值的波動。要求爐溫800℃±5℃(假設)必須是單值的3σ小于5℃(還要加系統誤差的因素)。按不確定度的評法,溫度表征量用平均值的σ(平),這樣滿足指標要求的爐溫可能變化達±15℃(N取9)甚至達±50℃(N取100),能生產出合格產品才怪。
以上二例說明單純的測量問題與應用的表征問題有重大區別,而測量是為實際應用服務的,不能只在測量的老框框(實際是經典測量的局限,即把測量對象看做是常量)中考慮問題。統計測量(即變量測量)的概念,解決了這個問題。
至于真值、誤差概念的問題,我在本欄目中已發“真值頌”、“誤差辯”、“準確度之歌”三文,就不再重復了。
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