Wann immer eine Messung durchgeführt wird, ist das Ergebnis nie exakt. Unabhängig davon, wie sorgfältig oder wissenschaftlich sie ist, ist jede Messung anfällig für Fehler und Unsicherheiten. Eine Messung ist die beste quantitative Schätzung einer Beobachtung, die durch einen oder mehrere begrenzende Faktoren eingeschränkt ist. Diese Einschränkungen begründen Zweifel am beobachteten Ergebnis und führen das Konzept der Unsicherheit ein.
Labore und Hersteller weltweit führen täglich Messungen durch. Die Ergebnisse der Messungen und die daraus abgeleiteten Schlussfolgerungen wirken sich auf die Qualität und Sicherheit der von den Verbrauchern genutzten Produkte und Dienstleistungen aus. Daher ist die Aufklärung und das Bewusstsein für Unsicherheiten bei der Messung wichtiger denn je.
Quantitative Messdaten werden häufig verwendet, um Entscheidungen zu beeinflussen und zu treffen. Mit jeder Entscheidung geht eine Anerkennung und Akzeptanz des Risikos einher. Die Unsicherheit ist ein Parameter, der die Qualität von Messdaten aussagt. Das Verständnis der Bedeutung und Anwendung von Unsicherheit wird dazu beitragen, das Vertrauen in die Entscheidungsfindung zu stärken.
Die folgenden Informationen sollen den Lesern das Konzept der Unsicherheit in Messergebnissen näherbringen. Weitere Informationen zur Messunsicherheit und Unsicherheitsanalyse finden Sie in unserer technischen Bibliothek.
Was ist Messunsicherheit?
Gemäß der Ausgabe 2012 des BIPM-Vokabulars für Metrologie (VIM) ist der Begriff Unsicherheit definiert als ein nicht-negativer Parameter, der die Streuung der Mengenwerte charakterisiert, die einer Messgröße auf der Grundlage der verwendeten Informationen zugeschrieben werden.
Im Wesentlichen ist die Unsicherheit eines Messergebnisses der Zweifel, der mit dem Messergebnis verbunden ist. Unabhängig davon, wie sorgfältig oder wissenschaftlich sie sind, unterliegen alle Messungen Fehlern und Unsicherheiten. Wir können nie absolut sicher sein, dass ein Messergebnis wahr oder endlich ist. Daher müssen wir eine Grenze festlegen, bei der wir sicher sind, dass das Messergebnis dazwischen liegen wird.
Fehler vs. Unsicherheit
Irrtum und Unsicherheit sind zwei Begriffe, die in der Vergangenheit synonym verwendet wurden. Die Bedeutung der einzelnen Begriffe ist jedoch deutlich unterschiedlich.
• Unsicherheit ist eine Quantifizierung des Zweifels, der mit einem Messergebnis verbunden ist. Im Wesentlichen sagt es etwas über seine Qualität aus.
• Fehler ist die Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem wahren Wert dessen, was gemessen wird.
Das Dunkelheitsprinzip besagt, dass nicht alles über ein System gewusst werden kann. Wo wir in der Lage sind, Fehler durch empirische Experimente zu quantifizieren, können wir eine Korrektur vornehmen. Da wir den wahren Wert nicht kennen können, werden wir den Fehler nie erfahren. Jeder Fehler, dessen Wert nicht bekannt ist, ist eine Quelle der Unsicherheit. Deshalb müssen wir berücksichtigen, was wir nicht wissen und was wir nicht quantifizieren können.
Arten von Fehlern
Fehler können in zwei verschiedene Typen eingeteilt werden: zufällig und systematisch. Die Klassifizierungen richten sich danach, wie sich der Fehler auf das Messergebnis auswirkt.
• Ein zufälliger Fehler ist ein zufälliger und unkorrelierter Fehler, der sich auf die Ergebnisse wiederholter Messungen auswirkt. Zufällige Fehlerquellen fügen dem Messergebnis eine Komponente hinzu, die unbekannt ist.
• Ein systematischer Fehler ist ein Fehler, der sich auf alle Messungen in gleicher Weise auswirkt. Wenn zufällige Fehler klein sind, ist es möglich, systematische Fehler zu identifizieren.
Arten von Unsicherheiten
Unsicherheiten können in zwei verschiedene Typen eingeteilt werden: Typ A und Typ B. Die Klassifizierungen werden durch die Art und Weise bestimmt, wie die Unsicherheit geschätzt wird.
• Unsicherheiten vom Typ A sind solche, die mit statistischen Methoden als Ergebnis empirischer Experimente bewertet werden.
• Unsicherheiten des Typs B sind solche, die mit anderen als statistischen Methoden bewertet werden; Vergangene Experimente, Kalibrierdaten, Herstellerangaben, etc.
Fehlerquellen und Unsicherheiten
Ein Messergebnis ist nie perfekt. Interne und externe Faktoren beeinflussen die Fähigkeit, die idealen Messergebnisse zu erzielen. Diese Faktoren werden als Unsicherheitsquellen identifiziert.
Einige häufige Ursachen für Unsicherheit sind:
•Zufällige Fehler: Wiederholbarkeit, Reproduzierbarkeit und Stabilität
•Systematische Fehler: Genauigkeit, Verzerrung, Drift usw.
•das Messsystem
•das zu prüfende Gerät
•Auflösung der Ausrüstung
•Rückführbarkeit: Unsicherheit bei der Kalibrierung
•den Messprozess
•Bediener-Kompetenz
•Umgebungsbedingungen: Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Druck usw.
Ausbreitung von Unsicherheit
Einige physikalische Messungen können nicht mit einer einzigen direkten Messung durchgeführt werden. Daher wird die Messung durch die direkte Messung von zwei oder mehr unabhängigen Variablen berechnet. Wenn ein Messergebnis zwei oder mehr Schritte erfordert, erfordert die Schätzung der Unsicherheit zwei oder mehr Schritte. Die folgenden Methoden sollten verwendet werden, um zu bestimmen, wie sich die Unsicherheiten indirekter Messungen durch die Berechnungen ausbreiten, um eine Unsicherheit im Endergebnis zu erzeugen.
Schätzen von Unsicherheiten
Die Schätzung der Unsicherheit wird durch die Kombination und Erweiterung mehrerer beitragender Faktoren erreicht, die zu Unsicherheiten im Messergebnis führen. Die Metrologieindustrie betrachtet in der Regel die im "ISO Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement" beschriebenen Methoden als den Standard, den alle nach ISO 17025 akkreditierten Laboratorien einhalten müssen.
Unsicherheitsfaktoren werden mit der Methode der Wurzelsumme der Quadrate kombiniert. Nach dem zentralen Grenzwertsatz nimmt die Wahrscheinlichkeitsverteilung der kombinierten Unsicherheit die Form einer Gaußschen oder Normalverteilung an. Anschließend wird die kombinierte Unsicherheit auf ein gewünschtes Konfidenzniveau erweitert. In der Messtechnik ist es üblich, die Unsicherheit auf ein Konfidenzintervall von 95,45 % zu erweitern, wobei k = 2,00 ist.
Unsicherheit ausdrücken
Laut NIST ist ein Messergebnis nur dann vollständig, wenn es mit einer zugehörigen Schätzung der Messunsicherheit berichtet wird. Daher sollten alle quantitativen Messergebnisse mit einem geschätzten Unsicherheitswert ausgedrückt werden. Die International Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) hat eine Richtlinie entwickelt und eingeführt, an die sich nach ISO 17025 akkreditierte Laboratorien bei der Angabe von Messunsicherheiten halten müssen. Bei dem Dokument handelt es sich um die ILAC P-14:12/2010, die "Richtlinie für Unsicherheit bei der Kalibrierung".
Referenzen
1. Taylor, B. N. und Kuyatt, C. E. Nist Technical Note 1297, "Richtlinien für die Bewertung und Formulierung der Ergebnisse von Unsicherheitsmessungen. Gaithersburg : NIST, 1994.
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3. Kirkup, Les und Frenkel, Bob. Eine Einführung in die Messunsicherheit. Cambridge : Cambridge University Press, 2006.
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5. Gemeinsamer Ausschuss für Leitfäden in der Metrologie. Internationales Vokabular in der Metrologie – grundlegende und allgemeine Konzepte und zugehörige Begriffe. Sèvres Cedex : Bureau International des Poids et Mesures, 2012.
6. Akkreditierungsdienst des Vereinigten Königreichs. M3003: Der Ausdruck von Unsicherheit und Vertrauen in die Messung. Feltham : Akkreditierungsdienst des Vereinigten Königreichs, 2007.
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