Основные положения концепции неопределенности измерений

Неопределенность по типу В может быть задана, например, и как некоторое кратное стандартного отклонения, так и как интервал, имеющий 90, 95 или 99 процентный уровень доверия. Если не указано иного, то можно предположить, что использовалось нормальное распределение для вычисления неопределенности. Поэтому стандартную неопределенность можно определить, разделив приведенное значение на соответствующий для нормального распределения коэффициент (см. ниже).

Часто приходится оценивать стандартную неопределенность и(х ), связанную с влияющим фактором Х, значения которого находятся в заданных пределах от х - D до х + D. По имеющейся информации о величине Х необходимо принять некоторое априорное распределение вероятности возможных значений Х внутри заданных пределов. После этого стандартная неопределенность находится делением D на коэффициент k, зависящий от принятой функции распределения: и(х) = D/k. Наиболее типичными случаями при этом являются:

1. известны только пределы, в которых, в которых может находиться значение Х, т.е. 2D;

2. известно значение х_изв и пределы, обычно симметричные, допускаемых значений ±D;

3. известен интервал от (х_изв - D_р) до (х_изв + D_р), охватывающий заданную долю р вероятности.

В первом случае в предположении равномерного распределения значение коэффициента k может быть принято для симметричных границ равным .

Во втором случае из-за известного значения х_изв можно предположить, что вероятность нахождения Х вблизи х_{из в} больше, чем вблизи границ х_изв ± D. Т.е. можно принять треугольное распределение вероятности в качестве некоторого среднего между равномерным (прямоугольным) и нормальным. Значение коэффициента k при этом равно .

В третьем случае распределение вероятности принимается нормальным и значение коэффициента k зависит от заданной вероятности. Например, для р = 0,99 он равен 2,58.

Могут встречаться и другие модификации прямоугольного и нормального распределений, например, в виде равнобедренной трапеции с шириной верхней части, равной 2Db, где b находится в диапазоне от 1 (прямоугольное распределение) до 0 (треугольное распределение). Тогда значение и(х) определяется исходя из формулы и²(х) = D² (1 + b²)/6.

Правильное использование фонда доступной информации для оценивания стандартной неопределенности по типу В требует интуиции, основанной на опыте и общих знаниях, и является мастерством, которое приходит с практикой.

Оценивание неопределенности по типу В позволяет выйти за рамки традиционного статистического подхода, отнесенного к оцениванию по типу А, и находить значения составляющих неопределенности, для которых получение необходимой статистической информации затруднено или невозможно. К описанию же неопределенностей применяют статистический подход, независимо от способа их оценивания (имея в виду, что все поправки на систематические погрешности уже введены). Это видно на способе определения суммарной стандартной неопределенности.

Суммарная стандартная неопределенность u_c(y) – это стандартная неопределенность результата измерения, когда результат получают из значений ряда других величин. Оцененное стандартное отклонение, связанное с выходной оценкой или с результатом измерения y, называют суммарной стандартнойнеопределенностью и обозначают u_c(y ).

Суммарная стандартная неопределенность для некоррелированных входных оценок определяется из формулы:

В этой формуле неопределенность u может определяться как по типу А, так и по типу В.

Суммарная стандартная неопределенность представляет собой оцененное стандартное отклонение и характеризует разброс значений, которые могут быть с достаточным основанием приписаны измеряемой величине Y.

Несмотря на то, что суммарная неопределенность может использоваться для выражения неопределенности результата измерения, в некоторых случаях, например, в торговле или при измерениях, касающихся здоровья или безопасности, часто необходимо дать меру неопределенности, которая указывает интервал для результата измерения, в пределах которого находится большая часть распределения значений измеряемой величины. Для этого используется понятие расширенной неопределенности.

Расширенная неопределенность используется для выражения неопределенности результата измерения в торговле, промышленности, регулирующих актах, при охране здоровья и безопасности в качестве дополнительной меры неопределенности. Расширенную неопределенность U получают путем умножения суммарной стандартной неопределенности u_c(y) на коэффициент охвата k:

Тогда результат измерения выражается как Y = y ± U. Это означает, что наилучшей оценкой значения, приписываемого величине Y, является у, и что интервал от у - U до у + U содержит, как можно ожидать, большую часть распределения значений, которые можно с достаточной уверенностью приписать Y.

Понятия доверительный интервал и доверительный уровень (вероятность) применяются в статистике к интервалу при условии, что все составляющие неопределенности были бы получены из оценивания по типу А, т.е. при статистической обработке результатов наблюдений. В настоящей концепции слово доверие не используется для модификации слова «интервал» при ссылке на интервал, определяемый U. Термин доверительный уровень также не используется в связи с интервалом и более предпочтительным является термин уровень доверия. U рассматривается как задание интервала вокруг результата измерения, который содержит большую часть р распределения вероятностей, характеризуемого результатом и его суммарной стандартной неопределенностью. Таким образом, р является вероятностью охвата или уровнем доверия для этого интервала.

При возможности следует оценивать и указывать уровень доверия р, связанный с интервалом U, хотя умножение u_c(y ) на постоянную величину не дает никакой новой информации, а представляет уже имевшуюся информацию в новом виде. Но следует признать, что уровень доверия р будет неопределенным как из-за ограниченного знания распределения вероятностей у и и_с(у), так и из-за неопределенности самой и_с(у ).

Значение коэффициента охвата k выбирается на основе уровня доверия, требуемого интервалом от у – U до у – U, и обычно имеет значение от 2 до 3. Но он может и выходить за пределы этого диапазона. На практике связь коэффициента k с заданным уровнем доверия нелегко осуществить из-за отсутствия полного знания распределения вероятностей, характеризуемого результатом измерений и суммарной стандартной неопределенностью. Однако, если это распределение вероятностей близко к нормальному, то можно предположить, что принятие k = 2 дает интервал, имеющий уровень доверия около 95 %, а при k = 3 - около 99 %. В предположении равномерного распределения коэффициент охвата имеет, соответственно, значения 1,65 и 1,71.

При представлении результата измерения и его неопределенности следует исходить из принципа, что лучше дать слишком много информации, чем слишком мало. Например, следует:

- описать методы, используемые для вычисления результата измерения и его неопределенности из экспериментальных наблюдений и входных данных;

- перечислить все составляющие неопределенности и показать, как они оценивались;

- дать анализ данных таким образом, чтобы можно было легко повторить вычисление представляемого результата;

- дать все поправки и константы, используемые в анализе, и их источники.

Можно рекомендовать следующую процедуру оценивания и выражениянеопределенности.