Выбор коэффициента охвата k при вычислении расширенной неопределенности

4.10.1 В общем случае коэффициент охвата k выбирают в соответствии с формулой

, (11)

где - квантиль распределения Стьюдента с эффективным числом степеней свободы и доверительной вероятностью (уровнем доверия) p. Значения коэффициента приведены в приложении Г.

4.10.2 Эффективное число степеней свободы определяют по формуле

, (12)

где - число степеней свободы при определении оценки i-й входной величины, при этом:

- для вычисления неопределенностей по типу А;

- для вычисления неопределенностей по типу В.

4.10.3 Во многих практических случаях при вычислении неопределенностей результатов измерений делают предположение о нормальности закона распределения возможных значений измеряемой величины и полагают:

k = 2 при и k = 3 при .

При предположении о равномерности закона распределения полагают:

k = 1,65 при и k = 1,71 при .

4.11 При представлении результатов измерений Руководство рекомендует приводить достаточное количество информации для возможности проанализировать или повторить весь процесс получения результата измерений и вычисления неопределенностей измерений, а именно:

- алгоритм получения результата измерений;

- алгоритм расчета всех поправок и их неопределенностей;

- неопределенности всех используемых данных и способы их получения;

- алгоритмы вычисления суммарной и расширенной неопределенностей (включая значение коэффициента k).

 

5 Соответствие между формами представления результатов измерений, используемыми в НД ГСИ по метрологии, и формой, используемой в Руководстве

5.1 При проведении совместных работ с зарубежными странами в работах, проводимых под эгидой МКМВ и его Консультативных комитетов, при подготовке публикаций в зарубежной печати, при публикациях работ по определению физических констант и в других случаях, связанных с выполнением международных метрологических работ, целесообразно руководствоваться нижеприведенными схемами.

5.1.1 При вычислении неопределенности измерений следует придерживаться последовательности, показанной на рисунке 1.

 

 

 

Рисунок 1

 

5.2 Сопоставление способов оценивания доверительных границ погрешности и вычисления расширенной неопределенности измерений приведено в таблице 1.

Таблица 1

 

НД ГСИ по метрологии
, ,
где ; , здесь k = 1,1 при p = 0,95 и k =1,4 при p =0,99 и m >4
Руководство ,   где ,   причем - для неопределенностей, вычисленных по типу А; - для неопределенностей, вычисленных по типу В
Для большинства практических случаев в предположении: - нормального закона распределения U0,95 = ni - 1, U0,99 = 3uc; - равномерного закона распределения U0,95 = 1,65uc, U0,99 = 1,71 uc

 

5.3 При сопоставлении оценок характеристик погрешности и неопределенностей результатов измерений рекомендуется использовать следующую схему (с учетом пояснений А..5 и А.6 приложения А):

 

СКО, характеризующее случайную погрешность Стандартная неопределенность, вычисленная по типу А
СКО, характеризующее неисключенную систематическую погрешность Стандартная неопределенность, вычисленная по типу В
СКО, характеризующее суммарную погрешность Суммарная стандартная неопределенность
Доверительные границы погрешности Расширенная неопределенность

 

5.4 Если отсутствует достаточная информация для вычисления неопределенности u в соответствии с Руководством (раздел 4 настоящей рекомендации), то ее оценка может быть получена на основании оценок характеристик погрешности по приведенным ниже схемам. Схемы 1 и 2 соответствуют двум различным способам представления результатов измерений, принятым в НД ГСИ по метрологии. Необходимо отметить, что оценки неопределенностей, полученные таким образом, в ряде случаев не совпадают со значениями неопределенностей, полученными в соответствии с Руководством (см. приложение В).

 

Схема 1

 

y – результат измерений; S – СКО случайной погрешности; q(p) - доверительные границы неисключенной систематической погрешности результата измерений; m – число входных величин; fэф - оценка эффективного числа степеней свободы, fэф = n -1 -при прямых измерениях (где n – число измерений) y = результат измерений; - оценка стандартной неопределенности, вычисленной по типу А; - оценка стандартной неопределенности, вычисленной по типу В, при этом: k = 1,1 - при p = 0,95 и k = 1,4 - при p = 0,99и m > 4; - оценка суммарной стандартной неопределенности; - оценка эффективного числа степеней свободы; - оценка расширенной неопределенности  
   

 

Схема 2

 

y – результат измерений; Dp - доверительные границы погрешности измерений; p – доверительная вероятность   y – результат измерений; - оценка расширенной неопределенности; - оценка суммарной стандартной неопределенности; - квантиль нормального распределения

 

Оценить неопределенности uA и uB по отдельности, зная толькоDp, невозможно.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А

(справочное)

 

Сравнительный анализ двух подходов к выражению характеристик точности измерений

 

A.1 Целью измерений является получение оценки истинного значения измеряемой величины. Понятие погрешности измерений как разности между результатом измерений и истинным (действительным) значением измеряемой величины используется для описания точности измерений в НД ГСИ по метрологии. Говоря об оценивании погрешности, в метрологической практике государств - участников Соглашения подразумевают оценивание ее характеристик.

 

Погрешность Характеристика погрешности Алгоритм оценивания   Оценка характеристики погрешности

 

А.2 В Руководстве для выражения точности измерений вводят понятие неопределенности измерений. Неопределенность измерений понимают как неполное знание значения измеряемой величины и для количественного выражения этой неполноты вводят распределение вероятностей возможных (обоснованно приписанных) значений измеряемой величины. Таким образом, параметр этого распределения (также называемый - неопределенность) количественно характеризует точность результата измерений.

А.3 Сходными для обоих подходов являются последовательности действий при оценивании характеристик погрешности и вычислении неопределенности измерений:

- анализ уравнения измерений;

- выявление всех источников погрешности (неопределенности) измерений и их количественное оценивание;

- введение поправок на систематические погрешности (эффекты), которые можно исключить.

А.4 Методы вычисления неопределенности, так же как и методы оценивания характеристик погрешности, заимствованы из математической статистики, однако при этом используются различные интерпретации закона распределения вероятностей случайных величин. Кроме изложенных в Руководстве и НД ГСИ по метрологии методов вычисления неопределенности и оценивания характеристик погрешности на практике используют и другие методы.

Возможные различия между оценками характеристик погрешности (в соответствии с НД ГСИ по метрологии) и неопределенностями (в соответствии с Руководством) показаны в примерах, приведенных в приложениях Б и В.

Различие двух подходов проявляется также в трактовке неопределенности и характеристик погрешности, основанной на разных интерпретациях вероятности: частотной и субъективной. В частности, доверительные границы погрешности (откладываемые от результата измерений) накрывают истинное значение измеряемой величины с заданной доверительной вероятностью (частотная интерпретация вероятности). В то же время аналогичный интервал трактуется в Руководстве как интервал, содержащий заданную долю распределения значений, которые могли бы быть обоснованно приписаны измеряемой величине (субъективная интерпретация вероятности).

А.5 В общем случае не существует однозначного соответствия между случайными погрешностями и неопределенностями, вычисленными по типу А (а также неисключенными систематическими погрешностями и неопределенностями, вычисленными по типу В). Деление на систематические и случайные погрешности обусловлено природой их возникновения и проявления в ходе измерительного эксперимента, а деление на неопределенности, вычисляемые по типу А и по типу В, - методами их расчета.

А.6 Результаты сравнительного анализа процедур оценивания характеристик погрешности и вычисления неопределенности измерений приведены в таблицах A.1 и А.2.

 

Таблица A.1 - Процедура оценивания характеристик погрешности результата измерений

 

Погрешность x = y - yист Û y = yист + x
Модель погрешности x- случайная величина с плотностью распределения вероятностей p(x; E, s2, …) где E - математическое ожидание, s2 - дисперсия
Характеристики погрешности S- СКО q - границы неисключенной систематической погрешности Dp - доверительные границы
Исходные данные для оценивания характеристик погрешности 1 Модель объекта исследования. 2 Экспериментальные данные xiq, где q = 1, ni; i = 1, …, m 3 Информация о законах распределения. 4 Сведения об источниках погрешностей, их природе и характеристиках составляющих [S(xi), qi], структурная модель погрешности. 5 Стандартные справочные данные и другие справочные материалы
Методы оценивания характеристик: 1 случайных погрешностей ; ;
2 неисключенных систематических погрешностей , где k = 1,1 при p = 0,95 и k = 1,4 при p = 0,99 и m > 4
3 суммарной погрешности
Форма представления характеристик погрешности q(p), S, n, fэф Dp
Интерпретация полученных результатов Интервал (-Dp, +Dp с вероятностью p содержит погрешность измерений, что равносильно тому, что интервал (y - Dp, y + Dp) с вероятностью p содержит истинное значение измеряемой величины.
         

 

Таблица А.2 - Процедура вычисления неопределенности измерений

 

Модель неопределенности (представление знания о значении измеряемой величины) h - случайная величина с плотностью распределения вероятностей p (x,y,u2, …), где y - математическое ожидание, u2 - дисперсия
Неопределенность (количественная мера) Стандартная u Суммарная Расширенная Up = k × uc
Исходные данные для вычисления неопределенности 1 Модель объекта исследования. 2 Экспериментальные данные xiq, где q = 1; …, ni; i = 1, …, m. 3 Информация о законах распределения. 4 Сведения об источниках неопределенности и информация о значениях неопределенности. 5 Стандартные справочные данные и другие справочные материалы
Методы вычисления неопределенности:  
1 по типу А ;  
2 по типу В UB(xi) =
3 расширенной неопределенности Up = tp(veff)×uc, где ; ; U0,95 = 2uc, U0,99 = 3uc - для нормального закона; U0,95 = 1,65uc, U0,99 = 1,17uc - для равномерного закона
Представление неопределенности Uc, up, k, ui, vi
Интерпретация полученных результатов Интервал (y – Up, y + Up) содержит большую долю (p) распределения значений, которые могли бы быть обоснованно приписаны измеряемой величине.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

(справочное)

 

Пример оценивания характеристик погрешности и вычисления неопределенности измерений. Измерения силы электрического тока с помощью вольтметра и токового шунта