Wskazanie przyrządu, a wynik pomiaru - cz. 1

Artykuł publikowany w piśmie POMIAR nr 4/2007

Bardzo często musimy rozstrzygać problemy wynikające z różnicy wskazań przyrządów i to nawet takich, które mają ważne świadectwa wzorcowania. Problem polega w niezrozumieniu pojęcia pomiar i wskazanie przyrządu. W związku z tym postanowiliśmy napisać czteroczęściowy cykl artykułów, w których postaramy się wyjaśnić różnice zasygnalizowane w tytule, przedstawić zasady rozmieszczania czujników w pomieszczeniach, w których przeprowadzany jest monitoring warunków środowiskowych, opiszemy współzależności pomiędzy temperaturą i wilgotnością, a na koniec omówimy program kalkulacyjny opracowany w firmie LAB-EL, służący do przeliczania jednostek oraz wyliczania wartości wielkości pośrednich.

Trudno sobie wyobrazić dziedzinę życia, w której pojęcie pomiaru byłoby bezużyteczne, niekonieczne. Nawet będąc na bezludnej wyspie w myślach mierzymy odległość do najbliższego lądu. Tak więc, cała otaczająca nas materia podlegająca prawom fizyki, podlega prawom metrologii. Czym zatem jest owa metrologia? Jest to nauka zajmująca się sposobami dokonywania pomiarów oraz zasadami interpretacji uzyskanych wyników. Wyróżnia się metrologie: ogólną, stosowaną, teoretyczną, a także prawną. Podstawą metrologii są jednostki miar poszczególnych wielkości fizycznych. Jednostki grupowane są w układy. Obecnie najpowszechniej używanym standardem jest międzynarodowy układ jednostek miar SI. Metrologia zajmuje się również narzędziami służącymi do pomiaru, czyli narzędziami pomiarowymi. Wg. definicji: „Pomiar to proces oddziaływania przyrządu z badanym obiektem, zachodzący w czasie i przestrzeni, którego wynikiem jest uzyskanie informacji o własnościach obiektu”. Pomiar jest więc czynnością porównania odpowiedniej cechy badanego obiektu z wzorcem tej cechy. W efekcie takiego porównania otrzymuje się wynik pomiaru. (def.: „jest to wartość przypisana wielkości mierzonej uzyskana drogą pomiaru”). W warunkach rzeczywistych wynik pomiaru jest tylko pewnym przybliżeniem lub estymatą (oszacowaniem) wartości wielkości mierzonej. Wynik pomiaru jest pełny, jeśli podana zostaje także niepewność pomiaru. Interpretacja uzyskanych wyników, głównie pod względem ich dokładności i poprawności, oparta jest o rachunek błędów. Wszelkie wyniki pomiarów pozbawione dyskusji błędów, a zwłaszcza określenia błędu pomiarowego, są w istocie wyłącznie wskazaniami. Brak zrozumienia tego zagadnienia metrologicznego skutkuje nieporozumieniami, kiedy to dwa przyrządy mierzące tę samą wielkość fizyczną, w tych samych warunkach środowiskowych wskazują inaczej, a wyniki pomiarów są poprawne. Aby wynik pomiaru był wiarygodny, należy określić przedział, w którym wartość mierzona powinna się znaleźć. Szerokość tego przedziału nazywany jest niepewnością pomiaru, która jest swoistym ryzykiem uzyskania błędnego wyniku pomiaru i charakteryzuje rozrzut wartości (szerokość przedziału), który można w uzasadniony sposób przypisać wartości mierzonej i wewnątrz którego można z zadowalającym prawdopodobieństwem usytuować wartość wielkości mierzonej. Takim parametrem może być na przykład odchylenie standardowe (lub jego wielokrotność), albo połowa szerokości przedziału mającego ustalony poziom ufności.

W tabeli Tab. 1 przedstawiono przykładowe wyniki wzorcowania termohigrometru. Dla potrzeb zastosowań przemysłowych i handlowych wprowadza się tzw. niepewność rozszerzoną pomiaru – jest to wielkość definiująca przedział wokół wyniku pomiaru, który zgodnie z oczekiwaniami może obejmować dużą część rozkładu wartości wielkości mierzonej. Niepewność rozszerzoną U otrzymuje się przez pomnożenie niepewności standardowej pomiaru uc(y) przez współczynnik rozszerzenia k:

U=k*uc(y)

Tworzy ona pewien margines bezpieczeństwa wymaganego w powyższych dziedzinach i dla ochrony życia i zdrowia.

Rys. 1 Przedział niepewności rozszerzonej dla przykładowego punktu wzorcowania higrometru.