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[概念] 稳压电源的性能指标该怎样表达?

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发表于 4 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式

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                              稳压电源的性能指标该怎样表达
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                                                                                                      史锦顺
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       本论坛的计量咨询栏目,近日有《不确定度求教》一文。所提出的问题,有规矩湾锦苑等人的回答,都是按GUM法计算,回答符合所问。但我认为,因为不确定度体系错了,就实际工作的需求来说,这些回答是错误的。争议在本版块比较合适,故在这里刊出我的主张,欢迎争论。
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(一)测量仪器的分类
       1 表类仪器
       表类仪器是给出测得值的仪器。如卡尺、千分尺、电压表、频率计等。
       2 源类仪器
       提供单一量值,如砝码、量块、稳压电源、频率源、温度源等。(有人称实物量具,不准确;因为表类仪器也是“实物”。)
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       表类仪器多数内置源类仪器,一般所称的“测量仪器”,指“表类仪器”。源类仪器不能单独完成测量。但有时需要给出源类仪器的表达,如本题就是。
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       把仪器区分为“表类”与“源类”,有一定客观性。老史提出的区分两类测量的方法,就更严格、更有实用价值。
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(二)测量的分类      
       1 基础测量
       被测量近似常量,着眼点是测量仪器误差,称基础测量(或常量测量)。测得值的随机变化由测量仪器引起,这是手段的问题。手段可以改进,σ除以根号N,用σ来表征随机误差系统误差β与随机误差范围3σ按“方和根”求得误差范围R。
       测量场合,因系统误差β未知(没有计量标准),只知道仪器的误差范围值R指标(MPEV,准确度、准确度等级、极限误差、福禄克U99),测量结果为:
                   LZ = M±R指标                                                                   (1)
       公式(1)的物理意义是:被测量的真值LZ 的最佳表征值是测量值的平均值M(M称为测得值)。被测量的真值可能小些,但不会小于M-R指标;被测量的真值可能大些,但不会大于M+R指标
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       2 统计测量
       统计测量的被测对象是统计变量。测量的对象,是大的常量叠加一个小的变量。如果测量仪器的误差范围远小于这个小变量,仪器误差可略,这就是统计测量。统计测量的分散性的表征量是单值标准偏差,就是σ,不允许除以根号N。因为被测量的分散性σ是客观存在,不随测量次数的多少而变化,与测不测没关系,测量仅仅是对它的认识,认识要符合客观,而不能改变客观。随机变化范围是3σ。
       源类仪器的测量与表征,在测量场合,通常是统计测量。本例用高档次电压表测量稳压电源,就是统计测量。合规格的统计测量,仪器的误差应可略,否则,可把仪器误差范围计入测得值的偏差范围中。此时被测量的偏差范围包括系统偏差值β,随机误差范围3σ,仪器的误差范围R标准,取各项的范围合成源类仪器的表征量:偏差范围。
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(三)原题与偏差项目分析
       直流稳压电源,输出显示值100.0V,用标准电压表在重复性条件下测量得到 100.06、100.08、100.09、100.10、100.13、100.15、100.10、100.05、100.05、100.08(单位V);标准电压表的MPEV:0.05%.
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       偏差项目:稳压电源的电压值的系统偏差、随机偏差、分辨力偏差;测量仪器的误差范围。
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(四)基本计算
数据 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
系统偏差值 β =100.09V-100.0V=0.09V
σ = 0.033V
3σ= 0.10V
σ= 0.033/√10 = 0.01V
=0.03V
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(五)史法表达
       分析1  测量性质判别

       3σ=0.10V,随机变化范围大于测量仪器误差范围(0.05V),可定性为统计测量。(如果电源电压为常量,则数据变化范围不会超过仪器指标的2/3,即0.033V.)此处随机变化范围达0.10V,可见变化量主要由稳压电源引起。
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分析2  是否修正判别
       电源输出电压的系统偏差      
                  β =100.09V-100.0V
                     =0.09V
       测定系统偏差时的误差范围
                 Rβ = (3σ)2 + 分辨力误差2 + MPEV仪器2
                     =√(0.03V2 + 0.1V2 + 0.05V2)  
                     = 0.12V
       系统偏差的测定误差比系统偏差本身还大,修正得不偿失,不能修正。
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【性能表达】
      
1 电源输出电压的稳定度(波动性)
                  RW = 3σ
                      = 0.10V
       2 准确度(偏差范围)
                 r = 系统误差+随机误差+分辨力误差(电压源分辨力)+R
              误差范围
                 R =√[β2 + (3σ)2 + 分辨力误差2+R]
                    =√(0.09V2 + 0.10V2 + 0.1V2+0.05V2)
                    = 0.18V
                    ≈0.2V
       3 稳压电源的电压输出值表征
                V输出 = 100.0V ± 0.2V
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附录:不确定度体系处理此问题的误区
1  A类评定混淆两类测量,错误地除以根号N
       对常量的测量,是测量问题。着眼点是测量仪器的误差。对变量与准变量(大常量加小变量,变化范围大于仪器误差范围)的测量是统计测量。
       统计测量的随机变化的表征量是σ,而不是σ。除以根号N是错误的。明明测量10次,拐到谁规定测几次、或应用中实测几次,是曲解。一经按σ处理,就没法恢复成σ。
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2  B类评定,统计方式错误
       测量计量是用一台仪器测量一个量。测量计量中的统计(重复测量的计算),是“时域统计”。所谓“均匀分布、无偏正态分布”都是“台域统计”的结果,适用于用多台仪器测量同一量的情况。“台域统计”在仪器生产厂可能有,但仪器出厂后,所有的测量计量工作,都是一台仪器测量一个量,因而,不是台域统计,而必须是时域统计。测量仪器的误差分布,是“有偏正态分布”。偏倚值是系统误差,σ表征随机误差。必须注意系统误差的恒值性。对系统误差不能取方差。置信系数k只能乘在σ上,而不能乘在系统误差上。因uC包含有系统误差,k乘在uC上是错误的。
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3 所给出的结果与基本定义的比较
3.1 史法给出的表达
                      V输出 = 100.0V ± 0.2V                                                      (2)
       表达式(2)包含实测得出的10个数据100.06、100.08、100.09、100.10、100.13、100.15、100.10、100.05、100.05、100.08(单位V)。
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3.2  U95与实验不符
       GUM法给出的区间半宽,U=0.062V,太小了。电源按本身指示设定为100.0V,输出值,大致如(1)限定,是可信赖的表示法;而不确定度体系给出的U95,大部分输出值不在此区间内,还有什么用?号称“可信性”,其实是不可信、不可用!
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说明:
       直流稳压源作为独立测量仪器或量值标准,要给出准确度。但大多数场合,稳压电源是设备中的部件,只要求稳定度高,对准确度要求不高,此时可以只给出稳定度。
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发表于 4 天前 | 显示全部楼层
本帖最后由 吴下阿蒙 于 2017-11-14 15:29 编辑

不确定度给出结果应该是  V输出 = 100.0V+0.09V±0.062V,这个0.062是平均值100.09V这一测量结果的不确定度。V输出 = 100.0V ± 0.2V很明显给出的范围是过大的。。。至少-0.2V这个从数据看明显是不合适的。
至于除以根号10之后的这一结果的实用性确实不是很好,我更倾向于不除以根号10,即求取单个测试结果的不确定度,而非这个平均值的不确定度。
 楼主| 发表于 3 天前 | 显示全部楼层
本帖最后由 史锦顺 于 2017-11-15 09:33 编辑
吴下阿蒙 发表于 2017-11-14 15:25
不确定度给出结果应该是  V输出 = 100.0V+0.09V±0.062V,这个0.062是平均值100.09V这一测量结果的不确定度 ...



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       先生帖中说“除以根号10之后的这一结果的实用性确实不是很好,我更倾向于不除以根号10,即求取单个测试结果的不确定度,而非这个平均值的不确定度”。这是一个正确的、也是很重要的认识。表明先生思考方法对路,不囿于条条框框,不迷信权威。虽然还不够坚定,但初学就有所领悟、入门便有见解,好,赞一个。
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       先生步入计量领域,时逢不确定度体系盛行,受些影响是难免的。习惯于不确定度体系的狭窄视角,对老史的分析,不大习惯,也是正常的。例如,先生之“至少-0.2V这个从数据看明显是不合适的”一语,表现了对老史的主帖分析的藐视。在仪器性能表征、误差量的特点等问题上,望先生突破不确定度体系的藩篱,深入想一想,就会体会到老史对“稳压电源性能指标”给出的±0.2V是适当的。
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       仪器性能指标的表达,着眼点是被测量本身的性能,是统计测量,不能局限于所谓“测量结果”。
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       1 要用单值的σ,不能除以根号N.这一点我们已达共识。
       2 要老老实实求“系统误差”,并明确“测定系统误差时的误差”。测定系统误差时的误差有三项:σ、标准仪器误差范围、被测仪器(稳压电源)的量值设置分辨力。仅稳压电源量值设置能力,受机带电压表分辨力的限制,仅能调到±0.1V,这是不可忽略的!  
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       稳压电源的电压值设置能力,仅有±0.1V,把稳压电源的准确度指标分析(具体计算)到±0.2V,不能说“明显是不合适”。这里说的不是通常要求的稳压电源的短期稳定度(波动性)。文中已说,稳定度是3σ,0.10V。
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       先生既然认为该用σ,而不该用σ,那就应该勇敢地说:对统计测量,A类不确定度的除以根号N,是错误的!
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发表于 3 天前 | 显示全部楼层
本帖最后由 吴下阿蒙 于 2017-11-15 15:06 编辑
史锦顺 发表于 2017-11-15 09:24
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       先生帖中说“除以根号10之后的这一结果的实用性确实不是很好,我更倾向于不除以根号10,即求取 ...


包含实测得出的10个数据100.06、100.08、100.09、100.10、100.13、100.15、100.10、100.05、100.05、100.08(单位V)。从这10个测试结果,很明显得出的结论就是这个电源实际输出电压值是偏大的。。。。所以您这个 V输出 = 100.0V ± 0.2V  还以100为中心是否不合适?这和不确定度没关系吧,看了数据大致就知道了。。我无意藐视前辈的分析,也没有这个资格,只是感觉这个结论非常的好得出,难道不是嘛?

3.2  U95与实验不符
       GUM法给出的区间半宽,U=0.062V,太小了。电源按本身指示设定为100.0V,输出值,大致如(1)限定,是可信赖的表示法;而不确定度体系给出的U95,大部分输出值不在此区间内,还有什么用?号称“可信性”,其实是不可信、不可用!

V输出 = 100.0V+0.09V±0.062V,这10个数据,哪一个不在此区间呢?


 楼主| 发表于 前天 10:01 | 显示全部楼层
本帖最后由 史锦顺 于 2017-11-16 10:15 编辑
吴下阿蒙 发表于 2017-11-15 14:22
包含实测得出的10个数据100.06、100.08、100.09、100.10、100.13、100.15、100.10、100.05、100.05、100. ...

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       你的质疑,表面上看很有道理。如果囿于不确定度体系的说教,结论就是:老史说法是错误的。
       这正是不确定度体系蒙人的地方:似是而非。
       必须清楚,给出表达和运用表达,必须贯通。正常的情况是,给出的表达,能应用;不确定度体系下的表达,仅能自圆其说,一旦联系实际运用,就暴露其弊病。
       主帖的主题是“怎样表达稳压电源的指标”,因此我说的“不包含”,是指不修正的、按100.0V±U 这个区间来说的。
       误差理论下,厂家、计量给出的误差范围(准确度、MPEV)是随机误差与系统误差的合成结果。对统计测量,就是随机偏差与系统偏差的合成结果。系统部分是主项。不确定度体系的U,不包含系统偏差(误差)部分,是不完整的表达。VIM说:“U是包含真值(统计问题是期望值)区间的半宽”。而实际上,U不包含系统误差(偏差),真值可能在区间之外,这个定义是不成立的。
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       生产厂要给出稳压电源的性能指标,计量要公证这个指标。测量,是给出、公证指标的基础。测量的结果,是为事后的应用服务的,因此不能仅仅限于测量本身的表达。
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       测量给出的“偏差范围”必须是就稳压电源的“电压指示值”的。用户的应用情况,是调整电压值,使电源的指示值为100.0V。
       问:应用现场设置的100.0V,实际值还是原来测量时的值吗?
       指示表的分辨力一项,就可能近于0.1V的差异。
       我说的不确定度给出的范围,是指测量者可知的范围,即“显示值±U95”。因为主帖已分析,此题修正的条件不成立,不能修正。在不修正的条件下,没法加入+0.09V那一项。况且,电源指示分辨力仅有0.1V,+0.09V复现的概率很小。
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       当前的校准,有一条,就是对被校对象给出“校准值”,被校仪器具有被校准时的量值和不确定度。以后按校准值应用。这样做,仅仅对砝码、量块等单值量具才对。其成立的条件是:1 单值;2 量值唯一确定;3 极其稳定。而对通用的测量仪器来说,以上三条不能满足,是不行的。
       结合本例来说,这种作法就是直接给出
                  V输出=100.0V+0.09V±0.062V                                          (1)
       这种表达,本质是直接修正了,连修正的得失都未分析。
       修正,必须老老实实给出修正值,确定测定修正值时的误差范围,判断该不该修正。
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       修正值有替代误差。示值差别较大时要计及。但在很小的示值带内,修正值可以通用。例如,如果对100.0V的修正值是+0.5V,对101.0V,修正值可仍用+0.5V。输出设置为101.0V,就没法利用示值校准值了,因为校准时没测量这个示值点。

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发表于 前天 11:21 | 显示全部楼层
史锦顺 发表于 2017-11-16 10:01
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       你的质疑,表面上看很有道理。如果囿于不确定度体系的说教,结论就是:老史说法是错误的。
      ...

附件是我使用不确定度评定出的范围。
1  A类评定混淆两类测量,错误地除以根号N
       对常量的测量,是测量问题。着眼点是测量仪器的误差。对变量与准变量(大常量加小变量,变化范围大于仪器误差范围)的测量是统计测量。
       统计测量的随机变化的表征量是σ,而不是σ平。除以根号N是错误的。明明测量10次,拐到谁规定测几次、或应用中实测几次,是曲解。一经按σ平处理,就没法恢复成σ。
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2  B类评定,统计方式错误
       测量计量是用一台仪器测量一个量。测量计量中的统计(重复测量的计算),是“时域统计”。所谓“均匀分布、无偏正态分布”都是“台域统计”的结果,适用于用多台仪器测量同一量的情况。“台域统计”在仪器生产厂可能有,但仪器出厂后,所有的测量计量工作,都是一台仪器测量一个量,因而,不是台域统计,而必须是时域统计。测量仪器的误差分布,是“有偏正态分布”。偏倚值是系统误差,σ表征随机误差。必须注意系统误差的恒值性。对系统误差不能取方差。置信系数k只能乘在σ上,而不能乘在系统误差上。因uC包含有系统误差,k乘在uC上是错误的。


讲道理,您的两个观点都是正确的。
1.确实不能除以根号10,不过这个在不确定度评定中是有要求的和说明的。
2.这个把K乘在UC上,实际问题不在这,而在于k本身上。就如这个标准表的MPEV先以均匀分布除以了根号3,又以正态分布乘以了3,最终是把这个分量放大了很多,特别如果例中A类不确定度分量很小,标准表的MPEV是主要分量的时候,就非常的明显。之前我在论坛中看到相关的问题。
发表于 前天 11:22 | 显示全部楼层
本帖最后由 吴下阿蒙 于 2017-11-16 11:57 编辑
史锦顺 发表于 2017-11-16 10:01
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       你的质疑,表面上看很有道理。如果囿于不确定度体系的说教,结论就是:老史说法是错误的。
      ...


附件是我使用不确定度评定出的范围。
1  A类评定混淆两类测量,错误地除以根号N
       对常量的测量,是测量问题。着眼点是测量仪器的误差。对变量与准变量(大常量加小变量,变化范围大于仪器误差范围)的测量是统计测量。
       统计测量的随机变化的表征量是σ,而不是σ平。除以根号N是错误的。明明测量10次,拐到谁规定测几次、或应用中实测几次,是曲解。一经按σ平处理,就没法恢复成σ。
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2  B类评定,统计方式错误
       测量计量是用一台仪器测量一个量。测量计量中的统计(重复测量的计算),是“时域统计”。所谓“均匀分布、无偏正态分布”都是“台域统计”的结果,适用于用多台仪器测量同一量的情况。“台域统计”在仪器生产厂可能有,但仪器出厂后,所有的测量计量工作,都是一台仪器测量一个量,因而,不是台域统计,而必须是时域统计。测量仪器的误差分布,是“有偏正态分布”。偏倚值是系统误差,σ表征随机误差。必须注意系统误差的恒值性。对系统误差不能取方差。置信系数k只能乘在σ上,而不能乘在系统误差上。因uC包含有系统误差,k乘在uC上是错误的。


讲道理,您的两个观点都是正确的。
1.确实不能除以根号10,不过这个在不确定度评定中是有要求的和说明的。
2.这个把K乘在UC上,实际问题不在这,而在于k本身上。就如这个标准表的MPEV先以均匀分布除以了根号3,又以正态分布乘以了3,最终是把这个分量放大了很多,特别如果例中A类不确定度分量很小,标准表的MPEV是主要分量的时候,就非常的明显。之前我在论坛中看到相关的问题。
找到了,见附件。不是k不该乘在UC上,而是k值的选择。不确定度的合成理论上是把误差方面的问题转换为纯数学的问题。把一个个分量转化为概率分布,然后分布进行合成。而概率分布合成按1059.2蒙特卡洛法更好,1059.1我认为是简化的更易操作的版本(比如把输入输出量都简化为最基础的几种分布)。
PS:图片中最后是1094中,U不满足1/3时的判断,写错了
不过,正常情况下电源的MPEV是已知量,而且也根本不是根据这种方案得出的=。=!
11.bmp

39扩展不确定度评定中包含因子的确定探讨(《计量技术》2015年第8期).pdf (1).pdf.pdf

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