Niepewność pomiaru

Niepewność pomiaru - w 1995 roku określone zostały międzynarodowe normy, które mają na celu opisywać niepewności pomiarowe. Zdarzenie to miało miejsce z inicjatywy Międzynarodowego Komitetu Miar (CIPM). Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO) wydała "Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement" stanowiący wspólne dzieło siedmiu niezwykle ważnych organizacji międzynarodowych. Dotyczy on dokonanych przez nich uzgodnień. Polska zgodnie z umowami międzynarodowymi zadeklarowała się do zastosowania normy ISO, która dotyczy zapisu oraz obliczania niepewności pomiarów, a także do obowiązku użytkowania jednostek układu SI. W 1999 roku Główny Urząd Miar wydał Polską wersje normy ISO. Jej tytuł jest następujący: "Wyrażanie niepewności pomiaru. Przewodnik" (A. Kubiaczyk 2018, s. 1). Definicja niepewności pomiaru według tej pozycji jest następując: "niepewność pomiaru - parametr związany z wynikiem pomiaru, charakteryzujący rozrzut wartości, który można w uzasadniony sposób przypisać wielkości mierzonej (Główny Urząd Miar 1999)".

TL;DR

Artykuł omawia wytyczne dotyczące niepewności pomiarowych i różnicę między niepewnością a błędem. Wskazuje, że pomiar zawsze jest obarczony pewną niepewnością, która wynika z ograniczeń przyrządów, metody pomiarowej i innych czynników. Opisuje metody obliczania niepewności w zależności od rodzaju pomiaru. Podkreśla, że wynik pomiaru powinien być zawsze podany wraz z niepewnością.

Niepewność pomiaru a błąd

Obowiązująca norma ISO formułuje rozróżnienie między pojęciami "niepewność pomiaru" a "błędem" oraz przyjmuje jednolitą terminologię, a także metody określania niepewności pomiaru. Do tej pory słowo "błąd" miało dwojakie znaczenie. Pierwszym z nich była nazwa dla zdarzenia, gdy wynik pomiaru przyjmuje różną wartość od wartości prawdziwej. Drugim znaczeniem słowa "błąd" była jego liczbowa miara (A. Kubiaczyk 2018, s. 1).

W "Wyrażanie niepewności pomiaru. Przewodnik" zostały określone dokładnie dwa znaczenia słowa "błąd". Znaczenie ilościowe będące różnicą (także nieznaną) między wartością zmierzoną, a wartością prawdziwą oraz jakościowe, które często używane jest w następujących terminach: błąd systematyczny, przypadkowy oraz gruby (A. Kubiaczyk 2018, s. 1).

"Wyniki pomiarów wielkości fizycznych i chemicznych wraz z informacją ilościową o jakości pomiarów, pozwalają na porównanie ich z wartościami odniesienia podanymi w specyfikacjach lub normach a także do oszacowania ich wiarygodności w porównaniu z wynikami uzyskanymi przez inne laboratoria. Niepewność jest nierozerwalnie związana z wynikami pomiarów i badań. Wszelkie wyniki pomiarów pozbawione oceny ich dokładności są w istocie tylko wskazaniami. W ostatnich latach zaczęto przywiązywać znaczącą uwagę do niepewności pomiarów - zarówno w odniesieniu do typowych pomiarów laboratoryjnych i przemysłowych, jak też przy analizach innych wyników (np. kontroli jakości dostaw detali do produkcji) (H. Terenowski 2010, s. 77)".

Przyczyny powstawania

Dla laboratoriów i ich klientów oraz wszystkich pozostałych instytucji, które wykorzystują wyniki badań w swojej działalności znajomość niepewności pomiarów może się okazać niezwykle kluczowym elementem. Rodzaj użytych metod, sprzęt, a także jednostki wykonujące pomiar są elementami, które wnoszą pewną niepewność do wyniku (H. Terenowski 2010, s. 77). Według dr inż. P. Burnosa "otrzymany na drodze doświadczalnej wynik pomiaru dowolnej wielkości fizycznej zawsze różni się od wartości rzeczywistej tej wielkości (P. Burnos 2010, s. 3)". Pojęcie wartości rzeczywistej jest tak naprawdę abstrakcją i nie jest znana dla eksperymentu (w innym wypadku pomiar nie byłby potrzebny). Zatem kluczem do odnalezienia przybliżonej wartości wielkości mierzonej jest pomiar, którego każdorazowy wynik jest obarczony niepewnością. Wynika to z czynników takich jak

• ograniczona dokładność przyrządów pomiarowych,
• niedoskonałość zmysłów obserwatora,
• barier wynikających z zastosowanej metody pomiarowej oraz
• wpływ innych zmiennych zakłócających pomiar (P. Burnos 2010, s. 3).

"Podstawowym zadaniem pomiarów jest pozyskanie wiarygodnych informacji jakościowych i ilościowych na temat badanego obiektu, tak aby otrzymane wyniki badań służyły określonemu celowi. Błędne wyniki powodują dezinformacje, co może prowadzić do podejmowania nieprawidłowych decyzji (H. Terenowski 2010, s. 77)".

Metody określania niepewności pomiaru

Metodę jaką wybierzemy do obliczenia niepewności zależy od tego w jaki sposób były wykonywane pomiary. Mogą być one bezpośrednie w sytuacji, gdy wielkość mierzoną możemy bezpośrednio porównać ze wzorcem lub do wykonania pomiaru wykorzystano jeden przyrząd, który od razu podaje gotowy wynik (np. pomiar długości linijką) lub pośrednie, kiedy mamy do czynienia z pomiarami bezpośrednimi jednej lub kilku wielkości fizycznych celem określenia wielkości od nich zależnej (np. wyznaczenie objętości walca na podstawie pomiarów jego średnicy i wysokości). Dla pomiarów bezpośrednich wyróżniamy obliczanie niepewności standardowej typu A (odchylenie standardowej średniej) oraz typu B (jej źródłem jest niedokładność aparatury pomiarowej) i dodawanie niepewności, a dla pomiarów pośrednich obliczamy niepewności złożone (A. Kubiaczyk 2018, s. 3). Wyliczanie niepewności pomiaru bazuje na teorii niepewności zakładającej to, że błąd pomiaru ma cechy zdarzenia losowego. Oznacza to, iż podlega on prawom statystyki (P. Burnos 2010, s. 3).

"Wynik pomiaru zapisuje się zawsze wraz z niepewnością. Obie wielkości należy wyrazić w jednostkach podstawowych układu SI. Prawidłowy zapis wyniku należy rozpocząć od prawidłowego zapisu niepewności. Niepewność zapisuje się z dokładnością (zaokrągla) do dwóch cyfr znaczących. Wynik pomiaru (czyli wartość najbardziej prawdopodobną) zapisuje się z dokładnością określoną przez prawidłowy zapis niepewności, co oznacza, że ostatnia cyfra wyniku pomiaru i niepewności muszą stać na tym samym miejscu dziesiętnym. Zaokrąglenie niepewności i wyniku odbywa się zgodnie z zasadami zaokrągleń w matematyce: cyfry 0-4 zaokrągla się w dół (nie ulega zmianie cyfra poprzedzająca), natomiast cyfry 5-9 zaokrągla się w górę (cyfra poprzedzająca zwiększa się o jeden). Zapis wyniku pomiarów można uzupełnić również o liczbę pomiarów stanowiących podstawę obliczeń niepewności (A. Kubiaczyk 2018, s. 7)".

Niepewność pomiaru — artykuły polecane

Zasada Pareto — Próba — Alfa Cronbacha — Wnioskowanie statystyczne — Błąd względny — Karta kontrolna — Parametr — ANOVA — Estymator

Bibliografia

• Burnos P. (2010), Analiza błędów i niepewności wyników pomiarowych, Laboratorium Metrologii, Katedra Metrologii, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
• Główny Urząd Miar (1999), Wyrażanie niepewności pomiaru. Przewodnik, Warszawa
• Jakubiec W., Płowucha W., Rosner P. (2016), Szacowanie niepewności pomiaru w budowie maszyn.Budżet niepewności, Mechanik, nr 12
• Kubiaczyk A. (2018), Określenie niepewności pomiarów (poradnik do Laboratorium Fizyki), Laboratorium Fizyki, Wydział Fizyki, Politechnika Warszawska
• Terenowski H. (2010), Szacowanie niepewności pomiaru, Problemy Techniki Uzbrojenia, nr 39

Autor: Kamila Sokołowska