穩(wěn)壓電源的性能指標(biāo)該怎樣表達(dá)？

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                              穩(wěn)壓電源的性能指標(biāo)該怎樣表達(dá)？
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                                                                                                      史錦順
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       本論壇的計(jì)量咨詢欄目，近日有《不確定度求教》一文。所提出的問題，有規(guī)矩灣錦苑等人的回答，都是按GUM法計(jì)算，回答符合所問。但我認(rèn)為，因?yàn)椴淮_定度體系錯(cuò)了，就實(shí)際工作的需求來說，這些回答是錯(cuò)誤的。爭議在本版塊比較合適，故在這里刊出我的主張，歡迎爭論。
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（一）測量儀器的分類
       1 表類儀器
       表類儀器是給出測得值的儀器。如卡尺、千分尺、電壓表、頻率計(jì)等。
       2 源類儀器
       提供單一量值，如砝碼、量塊、穩(wěn)壓電源、頻率源、溫度源等。（有人稱實(shí)物量具，不準(zhǔn)確；因?yàn)楸眍悆x器也是“實(shí)物”。）
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       表類儀器多數(shù)內(nèi)置源類儀器，一般所稱的“測量儀器”，指“表類儀器”。源類儀器不能單獨(dú)完成測量。但有時(shí)需要給出源類儀器的表達(dá)，如本題就是。
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       把儀器區(qū)分為“表類”與“源類”，有一定客觀性。老史提出的區(qū)分兩類測量的方法，就更嚴(yán)格、更有實(shí)用價(jià)值。
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（二）測量的分類      
       1 基礎(chǔ)測量
       被測量近似常量，著眼點(diǎn)是測量儀器誤差，稱基礎(chǔ)測量（或常量測量）。測得值的隨機(jī)變化由測量儀器引起，這是手段的問題。手段可以改進(jìn)，σ除以根號N，用σ_平來表征隨機(jī)誤差。系統(tǒng)誤差β與隨機(jī)誤差范圍3σ_平按“方和根”求得誤差范圍R。
       測量場合，因系統(tǒng)誤差β未知（沒有計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)），只知道儀器的誤差范圍值R指標(biāo)（MPEV，準(zhǔn)確度、準(zhǔn)確度等級、極限誤差、福祿克U₉₉），測量結(jié)果為：
                   L_Z = M_平±R_{指標(biāo)}                                                                   （1）
       公式（1）的物理意義是：被測量的真值L_Z 的最佳表征值是測量值的平均值M_平（M_平稱為測得值）。被測量的真值可能小些，但不會(huì)小于M_平-R_{指標(biāo)}；被測量的真值可能大些，但不會(huì)大于M_平+R_{指標(biāo)}。
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       2 統(tǒng)計(jì)測量
       統(tǒng)計(jì)測量的被測對象是統(tǒng)計(jì)變量。測量的對象，是大的常量疊加一個(gè)小的變量。如果測量儀器的誤差范圍遠(yuǎn)小于這個(gè)小變量，儀器誤差可略，這就是統(tǒng)計(jì)測量。統(tǒng)計(jì)測量的分散性的表征量是單值標(biāo)準(zhǔn)偏差，就是σ，不允許除以根號N。因?yàn)楸粶y量的分散性σ是客觀存在，不隨測量次數(shù)的多少而變化，與測不測沒關(guān)系，測量僅僅是對它的認(rèn)識，認(rèn)識要符合客觀，而不能改變客觀。隨機(jī)變化范圍是3σ。
       源類儀器的測量與表征，在測量場合，通常是統(tǒng)計(jì)測量。本例用高檔次電壓表測量穩(wěn)壓電源，就是統(tǒng)計(jì)測量。合規(guī)格的統(tǒng)計(jì)測量，儀器的誤差應(yīng)可略，否則，可把儀器誤差范圍計(jì)入測得值的偏差范圍中。此時(shí)被測量的偏差范圍包括系統(tǒng)偏差值β，隨機(jī)誤差范圍3σ，儀器的誤差范圍R_{標(biāo)準(zhǔn)}，取各項(xiàng)的范圍合成源類儀器的表征量：偏差范圍。
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（三）原題與偏差項(xiàng)目分析
       直流穩(wěn)壓電源，輸出顯示值100.0V，用標(biāo)準(zhǔn)電壓表在重復(fù)性條件下測量得到 100.06、100.08、100.09、100.10、100.13、100.15、100.10、100.05、100.05、100.08（單位V）；標(biāo)準(zhǔn)電壓表的MPEV：0.05%.
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       偏差項(xiàng)目：穩(wěn)壓電源的電壓值的系統(tǒng)偏差、隨機(jī)偏差、分辨力偏差；測量儀器的誤差范圍。
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（四）基本計(jì)算
數(shù)據(jù) 100.06、100.08、100.09、100.10、100.13、100.15、100.10、100.05、100.05、100.08
平均值 100.09V
系統(tǒng)偏差值 β =100.09V-100.0V=0.09V
σ = 0.033V
3σ= 0.10V
σ_平= 0.033/√10 = 0.01V
3σ_平=0.03V
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（五）史法表達(dá)
       分析1  測量性質(zhì)判別
       3σ=0.10V，隨機(jī)變化范圍大于測量儀器誤差范圍（0.05V），可定性為統(tǒng)計(jì)測量。（如果電源電壓為常量，則數(shù)據(jù)變化范圍不會(huì)超過儀器指標(biāo)的2/3，即0.033V.）此處隨機(jī)變化范圍達(dá)0.10V，可見變化量主要由穩(wěn)壓電源引起。
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       分析2  是否修正判別
       電源輸出電壓的系統(tǒng)偏差      
                  β =100.09V-100.0V
                     =0.09V
       測定系統(tǒng)偏差時(shí)的誤差范圍
                 Rβ = (3σ_平)² + 分辨力誤差² + MPEV_儀器²
                     =√(0.03V² + 0.1V² + 0.05V²)  
                     = 0.12V
       系統(tǒng)偏差的測定誤差比系統(tǒng)偏差本身還大，修正得不償失，不能修正。
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【性能表達(dá)】
       1 電源輸出電壓的穩(wěn)定度（波動(dòng)性）
                  R_W = 3σ
                      = 0.10V
       2 準(zhǔn)確度（偏差范圍）
                 r = 系統(tǒng)誤差+隨機(jī)誤差+分辨力誤差（電壓源分辨力）+Ｒ_標(biāo)
              誤差范圍
                 R =√[β² + (3σ)² + 分辨力誤差²+Ｒ_標(biāo)^２]
                    =√(0.09V² + 0.10V² + 0.1V²＋0.05V²)
                    = 0.18V
                    ≈0.2V
       3 穩(wěn)壓電源的電壓輸出值表征
                V_輸出 = 100.0V ± 0.2V
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附錄：不確定度體系處理此問題的誤區(qū)
1  A類評定混淆兩類測量，錯(cuò)誤地除以根號N
       對常量的測量，是測量問題。著眼點(diǎn)是測量儀器的誤差。對變量與準(zhǔn)變量（大常量加小變量，變化范圍大于儀器誤差范圍）的測量是統(tǒng)計(jì)測量。
       統(tǒng)計(jì)測量的隨機(jī)變化的表征量是σ，而不是σ_平。除以根號N是錯(cuò)誤的。明明測量10次，拐到誰規(guī)定測幾次、或應(yīng)用中實(shí)測幾次，是曲解。一經(jīng)按σ_平處理，就沒法恢復(fù)成σ。
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2  B類評定，統(tǒng)計(jì)方式錯(cuò)誤
       測量計(jì)量是用一臺儀器測量一個(gè)量。測量計(jì)量中的統(tǒng)計(jì)（重復(fù)測量的計(jì)算），是“時(shí)域統(tǒng)計(jì)”。所謂“均勻分布、無偏正態(tài)分布”都是“臺域統(tǒng)計(jì)”的結(jié)果，適用于用多臺儀器測量同一量的情況?！芭_域統(tǒng)計(jì)”在儀器生產(chǎn)廠可能有，但儀器出廠后，所有的測量計(jì)量工作，都是一臺儀器測量一個(gè)量，因而，不是臺域統(tǒng)計(jì)，而必須是時(shí)域統(tǒng)計(jì)。測量儀器的誤差分布，是“有偏正態(tài)分布”。偏倚值是系統(tǒng)誤差，σ表征隨機(jī)誤差。必須注意系統(tǒng)誤差的恒值性。對系統(tǒng)誤差不能取方差。置信系數(shù)k只能乘在σ上，而不能乘在系統(tǒng)誤差上。因u_C包含有系統(tǒng)誤差，k乘在u_C上是錯(cuò)誤的。
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3 所給出的結(jié)果與基本定義的比較
3.1 史法給出的表達(dá)
                      V_輸出 = 100.0V ± 0.2V                                                      （2）
       表達(dá)式（2）包含實(shí)測得出的10個(gè)數(shù)據(jù)100.06、100.08、100.09、100.10、100.13、100.15、100.10、100.05、100.05、100.08（單位V）。
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3.2  U95與實(shí)驗(yàn)不符
       GUM法給出的區(qū)間半寬，U=0.062V，太小了。電源按本身指示設(shè)定為100.0V，輸出值，大致如（1）限定，是可信賴的表示法；而不確定度體系給出的U95，大部分輸出值不在此區(qū)間內(nèi)，還有什么用？號稱“可信性”，其實(shí)是不可信、不可用！
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說明：
       直流穩(wěn)壓源作為獨(dú)立測量儀器或量值標(biāo)準(zhǔn)，要給出準(zhǔn)確度。但大多數(shù)場合，穩(wěn)壓電源是設(shè)備中的部件，只要求穩(wěn)定度高，對準(zhǔn)確度要求不高，此時(shí)可以只給出穩(wěn)定度。
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不確定度給出結(jié)果應(yīng)該是  V輸出 = 100.0V+0.09V±0.062V,這個(gè)0.062是平均值100.09V這一測量結(jié)果的不確定度。V輸出 = 100.0V ± 0.2V很明顯給出的范圍是過大的。。。至少-0.2V這個(gè)從數(shù)據(jù)看明顯是不合適的。
至于除以根號10之后的這一結(jié)果的實(shí)用性確實(shí)不是很好，我更傾向于不除以根號10，即求取單個(gè)測試結(jié)果的不確定度，而非這個(gè)平均值的不確定度。

吳下阿蒙 發(fā)表于 2017-11-14 15:25
不確定度給出結(jié)果應(yīng)該是  V輸出 = 100.0V+0.09V±0.062V,這個(gè)0.062是平均值100.09V這一測量結(jié)果的不確定度 ...

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       先生帖中說“除以根號10之后的這一結(jié)果的實(shí)用性確實(shí)不是很好，我更傾向于不除以根號10，即求取單個(gè)測試結(jié)果的不確定度，而非這個(gè)平均值的不確定度”。這是一個(gè)正確的、也是很重要的認(rèn)識。表明先生思考方法對路，不囿于條條框框，不迷信權(quán)威。雖然還不夠堅(jiān)定，但初學(xué)就有所領(lǐng)悟、入門便有見解，好，贊一個(gè)。
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       先生步入計(jì)量領(lǐng)域，時(shí)逢不確定度體系盛行，受些影響是難免的。習(xí)慣于不確定度體系的狹窄視角，對老史的分析，不大習(xí)慣，也是正常的。例如，先生之“至少-0.2V這個(gè)從數(shù)據(jù)看明顯是不合適的”一語，表現(xiàn)了對老史的主帖分析的藐視。在儀器性能表征、誤差量的特點(diǎn)等問題上，望先生突破不確定度體系的藩籬，深入想一想，就會(huì)體會(huì)到老史對“穩(wěn)壓電源性能指標(biāo)”給出的±0.2V是適當(dāng)?shù)摹?br /> -
       儀器性能指標(biāo)的表達(dá)，著眼點(diǎn)是被測量本身的性能，是統(tǒng)計(jì)測量，不能局限于所謂“測量結(jié)果”。
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       1 要用單值的σ，不能除以根號N.這一點(diǎn)我們已達(dá)共識。
       2 要老老實(shí)實(shí)求“系統(tǒng)誤差”，并明確“測定系統(tǒng)誤差時(shí)的誤差”。測定系統(tǒng)誤差時(shí)的誤差有三項(xiàng)：σ_平、標(biāo)準(zhǔn)儀器誤差范圍、被測儀器（穩(wěn)壓電源）的量值設(shè)置分辨力。僅穩(wěn)壓電源量值設(shè)置能力，受機(jī)帶電壓表分辨力的限制，僅能調(diào)到±0.1V,這是不可忽略的！  
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       穩(wěn)壓電源的電壓值設(shè)置能力，僅有±0.1V,把穩(wěn)壓電源的準(zhǔn)確度指標(biāo)分析（具體計(jì)算）到±0.2V，不能說“明顯是不合適”。這里說的不是通常要求的穩(wěn)壓電源的短期穩(wěn)定度（波動(dòng)性）。文中已說，穩(wěn)定度是3σ，0.10V。
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       先生既然認(rèn)為該用σ，而不該用σ_平，那就應(yīng)該勇敢地說：對統(tǒng)計(jì)測量，A類不確定度的除以根號N，是錯(cuò)誤的！
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史錦順 發(fā)表于 2017-11-15 09:24
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       先生帖中說“除以根號10之后的這一結(jié)果的實(shí)用性確實(shí)不是很好，我更傾向于不除以根號10，即求取 ...

包含實(shí)測得出的10個(gè)數(shù)據(jù)100.06、100.08、100.09、100.10、100.13、100.15、100.10、100.05、100.05、100.08（單位V）。從這10個(gè)測試結(jié)果，很明顯得出的結(jié)論就是這個(gè)電源實(shí)際輸出電壓值是偏大的。。。。所以您這個(gè) V輸出 = 100.0V ± 0.2V  還以100為中心是否不合適？這和不確定度沒關(guān)系吧，看了數(shù)據(jù)大致就知道了。。我無意藐視前輩的分析，也沒有這個(gè)資格，只是感覺這個(gè)結(jié)論非常的好得出，難道不是嘛？

3.2  U95與實(shí)驗(yàn)不符
       GUM法給出的區(qū)間半寬，U=0.062V，太小了。電源按本身指示設(shè)定為100.0V，輸出值，大致如（1）限定，是可信賴的表示法；而不確定度體系給出的U95，大部分輸出值不在此區(qū)間內(nèi)，還有什么用？號稱“可信性”，其實(shí)是不可信、不可用！
V輸出 = 100.0V+0.09V±0.062V，這10個(gè)數(shù)據(jù)，哪一個(gè)不在此區(qū)間呢？

吳下阿蒙 發(fā)表于 2017-11-15 14:22
包含實(shí)測得出的10個(gè)數(shù)據(jù)100.06、100.08、100.09、100.10、100.13、100.15、100.10、100.05、100.05、100. ...

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       你的質(zhì)疑，表面上看很有道理。如果囿于不確定度體系的說教，結(jié)論就是：老史說法是錯(cuò)誤的。
       這正是不確定度體系蒙人的地方：似是而非。
       必須清楚，給出表達(dá)和運(yùn)用表達(dá)，必須貫通。正常的情況是，給出的表達(dá)，能應(yīng)用；不確定度體系下的表達(dá)，僅能自圓其說，一旦聯(lián)系實(shí)際運(yùn)用，就暴露其弊病。
       主帖的主題是“怎樣表達(dá)穩(wěn)壓電源的指標(biāo)”，因此我說的“不包含”，是指不修正的、按100.0V±U 這個(gè)區(qū)間來說的。
       誤差理論下，廠家、計(jì)量給出的誤差范圍（準(zhǔn)確度、MPEV）是隨機(jī)誤差與系統(tǒng)誤差的合成結(jié)果。對統(tǒng)計(jì)測量，就是隨機(jī)偏差與系統(tǒng)偏差的合成結(jié)果。系統(tǒng)部分是主項(xiàng)。不確定度體系的U，不包含系統(tǒng)偏差（誤差）部分，是不完整的表達(dá)。VIM說：“U是包含真值（統(tǒng)計(jì)問題是期望值）區(qū)間的半寬”。而實(shí)際上，U不包含系統(tǒng)誤差（偏差），真值可能在區(qū)間之外，這個(gè)定義是不成立的。
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       生產(chǎn)廠要給出穩(wěn)壓電源的性能指標(biāo)，計(jì)量要公證這個(gè)指標(biāo)。測量，是給出、公證指標(biāo)的基礎(chǔ)。測量的結(jié)果，是為事后的應(yīng)用服務(wù)的，因此不能僅僅限于測量本身的表達(dá)。
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       測量給出的“偏差范圍”必須是就穩(wěn)壓電源的“電壓指示值”的。用戶的應(yīng)用情況，是調(diào)整電壓值，使電源的指示值為100.0V。
       問：應(yīng)用現(xiàn)場設(shè)置的100.0V，實(shí)際值還是原來測量時(shí)的值嗎？
       指示表的分辨力一項(xiàng)，就可能近于0.1V的差異。
       我說的不確定度給出的范圍，是指測量者可知的范圍，即“顯示值±Ｕ₉₅”。因?yàn)橹魈逊治?，此題修正的條件不成立，不能修正。在不修正的條件下，沒法加入+0.09V那一項(xiàng)。況且，電源指示分辨力僅有0.1V，+0.09V復(fù)現(xiàn)的概率很小。
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       當(dāng)前的校準(zhǔn)，有一條，就是對被校對象給出“校準(zhǔn)值”，被校儀器具有被校準(zhǔn)時(shí)的量值和不確定度。以后按校準(zhǔn)值應(yīng)用。這樣做，僅僅對砝碼、量塊等單值量具才對。其成立的條件是：1 單值；2 量值唯一確定；3 極其穩(wěn)定。而對通用的測量儀器來說，以上三條不能滿足，是不行的。
       結(jié)合本例來說，這種作法就是直接給出
                  V_輸出=100.0V+0.09V±0.062V                                          （1）
       這種表達(dá)，本質(zhì)是直接修正了，連修正的得失都未分析。
       修正，必須老老實(shí)實(shí)給出修正值，確定測定修正值時(shí)的誤差范圍，判斷該不該修正。
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       修正值有替代誤差。示值差別較大時(shí)要計(jì)及。但在很小的示值帶內(nèi)，修正值可以通用。例如，如果對100.0V的修正值是+0.5V，對101.0V，修正值可仍用+0.5V。輸出設(shè)置為101.0V，就沒法利用示值校準(zhǔn)值了，因?yàn)樾?zhǔn)時(shí)沒測量這個(gè)示值點(diǎn)。
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史錦順 發(fā)表于 2017-11-16 10:01
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       你的質(zhì)疑，表面上看很有道理。如果囿于不確定度體系的說教，結(jié)論就是：老史說法是錯(cuò)誤的。
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附件是我使用不確定度評定出的范圍。
1  A類評定混淆兩類測量，錯(cuò)誤地除以根號N
       對常量的測量，是測量問題。著眼點(diǎn)是測量儀器的誤差。對變量與準(zhǔn)變量（大常量加小變量，變化范圍大于儀器誤差范圍）的測量是統(tǒng)計(jì)測量。
       統(tǒng)計(jì)測量的隨機(jī)變化的表征量是σ，而不是σ平。除以根號N是錯(cuò)誤的。明明測量10次，拐到誰規(guī)定測幾次、或應(yīng)用中實(shí)測幾次，是曲解。一經(jīng)按σ平處理，就沒法恢復(fù)成σ。
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2  B類評定，統(tǒng)計(jì)方式錯(cuò)誤
       測量計(jì)量是用一臺儀器測量一個(gè)量。測量計(jì)量中的統(tǒng)計(jì)（重復(fù)測量的計(jì)算），是“時(shí)域統(tǒng)計(jì)”。所謂“均勻分布、無偏正態(tài)分布”都是“臺域統(tǒng)計(jì)”的結(jié)果，適用于用多臺儀器測量同一量的情況。“臺域統(tǒng)計(jì)”在儀器生產(chǎn)廠可能有，但儀器出廠后，所有的測量計(jì)量工作，都是一臺儀器測量一個(gè)量，因而，不是臺域統(tǒng)計(jì)，而必須是時(shí)域統(tǒng)計(jì)。測量儀器的誤差分布，是“有偏正態(tài)分布”。偏倚值是系統(tǒng)誤差，σ表征隨機(jī)誤差。必須注意系統(tǒng)誤差的恒值性。對系統(tǒng)誤差不能取方差。置信系數(shù)k只能乘在σ上，而不能乘在系統(tǒng)誤差上。因uC包含有系統(tǒng)誤差，k乘在uC上是錯(cuò)誤的。

講道理，您的兩個(gè)觀點(diǎn)都是正確的。
1.確實(shí)不能除以根號10，不過這個(gè)在不確定度評定中是有要求的和說明的。
2.這個(gè)把K乘在UC上，實(shí)際問題不在這，而在于k本身上。就如這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)表的MPEV先以均勻分布除以了根號3，又以正態(tài)分布乘以了3，最終是把這個(gè)分量放大了很多，特別如果例中A類不確定度分量很小，標(biāo)準(zhǔn)表的MPEV是主要分量的時(shí)候，就非常的明顯。之前我在論壇中看到相關(guān)的問題。

史錦順 發(fā)表于 2017-11-16 10:01
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       你的質(zhì)疑，表面上看很有道理。如果囿于不確定度體系的說教，結(jié)論就是：老史說法是錯(cuò)誤的。
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附件是我使用不確定度評定出的范圍。
1  A類評定混淆兩類測量，錯(cuò)誤地除以根號N
       對常量的測量，是測量問題。著眼點(diǎn)是測量儀器的誤差。對變量與準(zhǔn)變量（大常量加小變量，變化范圍大于儀器誤差范圍）的測量是統(tǒng)計(jì)測量。
       統(tǒng)計(jì)測量的隨機(jī)變化的表征量是σ，而不是σ平。除以根號N是錯(cuò)誤的。明明測量10次，拐到誰規(guī)定測幾次、或應(yīng)用中實(shí)測幾次，是曲解。一經(jīng)按σ平處理，就沒法恢復(fù)成σ。
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2  B類評定，統(tǒng)計(jì)方式錯(cuò)誤
       測量計(jì)量是用一臺儀器測量一個(gè)量。測量計(jì)量中的統(tǒng)計(jì)（重復(fù)測量的計(jì)算），是“時(shí)域統(tǒng)計(jì)”。所謂“均勻分布、無偏正態(tài)分布”都是“臺域統(tǒng)計(jì)”的結(jié)果，適用于用多臺儀器測量同一量的情況?！芭_域統(tǒng)計(jì)”在儀器生產(chǎn)廠可能有，但儀器出廠后，所有的測量計(jì)量工作，都是一臺儀器測量一個(gè)量，因而，不是臺域統(tǒng)計(jì)，而必須是時(shí)域統(tǒng)計(jì)。測量儀器的誤差分布，是“有偏正態(tài)分布”。偏倚值是系統(tǒng)誤差，σ表征隨機(jī)誤差。必須注意系統(tǒng)誤差的恒值性。對系統(tǒng)誤差不能取方差。置信系數(shù)k只能乘在σ上，而不能乘在系統(tǒng)誤差上。因uC包含有系統(tǒng)誤差，k乘在uC上是錯(cuò)誤的。

講道理，您的兩個(gè)觀點(diǎn)都是正確的。
1.確實(shí)不能除以根號10，不過這個(gè)在不確定度評定中是有要求的和說明的。
2.這個(gè)把K乘在UC上，實(shí)際問題不在這，而在于k本身上。就如這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)表的MPEV先以均勻分布除以了根號3，又以正態(tài)分布乘以了3，最終是把這個(gè)分量放大了很多，特別如果例中A類不確定度分量很小，標(biāo)準(zhǔn)表的MPEV是主要分量的時(shí)候，就非常的明顯。之前我在論壇中看到相關(guān)的問題。
找到了，見附件。不是k不該乘在UC上，而是k值的選擇。不確定度的合成理論上是把誤差方面的問題轉(zhuǎn)換為純數(shù)學(xué)的問題。把一個(gè)個(gè)分量轉(zhuǎn)化為概率分布，然后分布進(jìn)行合成。而概率分布合成按1059.2蒙特卡洛法更好，1059.1我認(rèn)為是簡化的更易操作的版本（比如把輸入輸出量都簡化為最基礎(chǔ)的幾種分布）。
PS：圖片中最后是1094中，U不滿足1/3時(shí)的判斷，寫錯(cuò)了
不過，正常情況下電源的MPEV是已知量，而且也根本不是根據(jù)這種方案得出的=。=！

受益匪淺，不知有沒有關(guān)于這方面的建標(biāo)知識