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测量精度:优、劣、及差强人意

原文发表于Manufacturing Business Technology

测量精度是适用于各种类型测量的主观概念。一般来说,精度指测量值贴近真实值的程度。这一定义适用于通常情况,但并非放之四海而皆准。精度的主观性会产生各种技术上可能没问题,但同时又具有误导性的说法。

让我们在相对湿度(RH)测量背景下讨论这一问题。相对湿度(RH)以百分比表示,因此数值范围可为0100%。相对湿度测量设备制造商通常以正负某百分比值的方式表述精度。例如,声称某设备精度达到±3%RH。由于行业竞争性之故,其他设备制造商可能会宣称达到±2 %RH的更高精度。表面上看,在所有其他条件相同的情况下,似乎精度±2%的设备更为优质。但要注意,事实并非始终如此,而且若不深究就会被其误导。

测量特性

精 度参数具有多种表达形式。例如,精度既可能包含也可能不包含其他测量特性。一个特性就是从更高值或更低值接近真实值时,测量值的差异,这也称为迟滞性。如 果测量设备具有较大的迟滞性,这在精度规范里可能被忽视,而且基于测量值总是始于更高值(或更低值)而报告出的精度可被证明是正确的。结果可能准确,但由 于没有体现出测量性能的显著问题,具有一定误导性。

真实值概念
真实值概念是另一个与测量精度有关的问题。在设备校准时,将与被视为真实值的参考标准进行对比。但是,没有完美无缺的参考标准,多多少少都有瑕疵。与我们希望获得的真实值相比始终存在差距。

如果某一参考标准的变动与另一标准存在差异,那该如何?这种情况下,根据某标准进行校准和调整的测量设备可能会达到其规定的精度,但在与另一标准对比时,就可能超出公差范围。这时候就要用到测量不确定性这一概念。

测量不确定性
测 量不确定性可简单(但不全面)地解释为使用同一设备以相同方式进行多次测量的结果不可能完全相同。因此,测量设备可能给出以真实值为中心的测量值范围,或 距该值的偏移量。与此类似,所有参考标准均与真实值或多或少存在差距。由于参考标准不可能与真实值完全相同,在确定任意给定测量设备的综合性能时,必须考 虑这一变量。

在运用测量不确定性时,可以将参考标准与校准过程的不确定性(可变性)视为特定值,如± 0.5% RH。这一概念在统计意义上与仪表精度结合,得出在95%时间内可能正确的测量性能。不论精度如何定义,该值始终大于测量设备的精度值。(注意,这是在校准实验室,并非真实环境。)

其他不确定性
测 量不确定性实际上适用于个别测量。在真实环境下,校准不确定性与设备精度并非某次具体测量的唯一影响因素。其他影响因素包括环境条件(与校准实验室条件的 差异)、操作员误差、操作员之间方法的不一致性;以及其他未知变量。可以将这些真实世界的影响因素以及其他不确定性在统计学意义上归为综合测量性能(若已 知)。总的不确定性值会再次增加。

还有很多其他因素。回到将校准不确定性与设备精度结合的概念,在调节参考标准值获得多个校准点时,该值可能会发生变动。例如,在 25° C 时获得20%RH值可能比在40° C时获得的80% RH值的不确定性更小。与此类似,测量设备的性能在量程两端也会发生变化。如果该项已知,则将其归入不确定性范畴。在设备在工作范围两端条件下工作时,总的测量不确定性几乎肯定增加。

让我们再增加一点复杂性。上述提到的测量不确定性给出了测量值处于参数范围之内的发生频度的统计学概率。如果该值为 95%,那其他5%的测量数据会将如何?使用不同统计模型可能会获得99%的概率,但总的不确定性数值将会增加更多。事实上,该值可能比开始讨论的精度大很多,也许大过数倍。

这里没有指明的是,精度实际上远远不能体现测量性能的全部意义。如果测量性能至关重要,那么要仔细查看设备与制造商的技术参数,有任何不明白或没有完全弄懂的问题就提出来。

若需更多信息,请访问www.ncsli.org 测量不确定性表述方法指导

Jim Tennermann
是维萨拉生命科学部行业经理。他曾在仪表与测量系统领域工作超过15年。


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 Jim Tennerman

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