Blog

Metrologia to nauka o pomiarach. Rzetelność i dokładność pomiarów to jej fundament – na nich opiera się cała działalność metrologiczna.

Dlatego kluczowym dla metrologów jest odpowiedź na pytanie, skąd biorą się błędy pomiarowe i jak je minimalizować?

W literaturze ,,Metrologia: definicje i pojęcia podstawowe” dr inż. Paweł Zalewski z Akademii Morskiej w Szczecinie definiuje błąd pomiaru następująco:
„Błąd pomiaru to różnica pomiędzy wynikiem pomiaru a wartością prawdziwą wielkości mierzonej.”[1] Wyjaśnia także jakie błędy wyróżniamy: błąd systematyczny[2], błąd przypadkowy[3], błąd nadmierny (in. błąd gruby).[4]

Każdy z powyższych błędów ma inną istotę.  Błędy systematyczne można (przy stosownej wiedzy o źródle ich pochodzenia) skorygować, co zaś się tyczy błędów przypadkowych, to można je zredukować poprzez powtarzanie pomiarów i analizę statystyczną. W przypadku wyników pomiaru obarczonych błędem nadmiernym konieczne jest ich całkowite wyeliminowanie – zaznacza dr inż. Paweł Zalewski.

W publikacji ,,Laboratorium metrologii. Analiza błędów i niepewności wyników pomiarowych” dr inż. Piotr Burnos z Akademii Górniczo-Hutniczej również wymienia błędy systematyczne, przypadkowe i grube, a także wskazuje możliwość ich zmniejszenia.  

Naukowiec podkreśla, że błędami systematycznymi możemy nazwać błędy powtarzające się w sposób przewidywalny i związane chociażby z warunkami pomiarowymi. Gdy się je zidentyfikuje, można je skorygować. Metody eliminacji takich błędów to przede wszystkim eliminacja źródła błędu lub odpowiednia kompensacja.[5]

Autor podaje definicję błędów przypadkowych wskazując, że występują one losowo, a ich wartość trudno przewidzieć. Wynikają z wpływu wielu drobnych czynników, takich jak: wahania warunków środowiskowych, nieidealna reakcja aparatury na mierzony sygnał, subiektywna ocena obserwatora. Można je zredukować powtarzając pomiary i uśredniając wyniki czy też stosując dokładniejsze instrumenty pomiarowe.[6]

Trzeci rodzaj błędów to błędy grube, czyli pojedyncze, znacznie odbiegające od wartości rzeczywistej. Zazwyczaj wynikają one z pomyłki ludzkiej lub awarii sprzętu.
Przykłady to błędny odczyt wartości przez operatora czy usterka sprzętu (np. zerwane połączenie czujnika). Można je wyeliminować poprzez porównywanie wyników z wartościami oczekiwanymi i wykorzystanie metod statystycznych do wykrywania wartości odstających.[7]

Analiza błędów obejmuje obliczenia statystyczne oraz propagację niepewności

Dla precyzji pomiarów niezwykle istotne jest przeprowadzenie analizy otrzymanych wyników, w tym również błędów, ponieważ pozwala to na zidentyfikowanie wpływu różnych czynników na wynik pomiaru oraz na podjęcie kroków związanych ze zwiększeniem dokładności pomiarów. Aby określić jak duży jest błąd pomiarowy stosuje się różne miary, wśród nich można wymienić m.in.: różnice między wartością zmierzoną a rzeczywistą czy stosunek błędu bezwzględnego do wartości rzeczywistej.

Jako że błędy przypadkowe są trudne do przewidzenia, do ich analizy stosuje się metody statystyczne, oblicza się średnią arytmetyczną wyników z kilku pomiarów, odchylenie standardowe, czyli miarę rozrzutu wyników pomiarów, czy też weryfikuje się, czy rozkład badanej zmiennej jest zgodny z rozkładem normalnym (Gaussa). Wiele błędów przypadkowych charakteryzuje właśnie rozkład normalny, co pozwala przewidywać prawdopodobieństwo wystąpienia określonego błędu.

Jeśli na wynik pomiaru składa się kilka czynników, to błędy poszczególnych składowych wpływają na wynik końcowy. Propagację błędów wyznacza się za pomocą pochodnych.[8]

Niepewność pomiaru pozwala określić dokładność wyniku

Niepewność pomiaru określa rozrzut wyników, który można w uzasadniony sposób przypisać wartości mierzonej. Jakie niepewności możemy wyróżnić? Mówimy o niepewności standardowej obliczanej na podstawie odchylenia standardowego, niepewności rozszerzonej z uwzględnieniem współczynnika rozszerzenia (np. k=2 dla α = 0,05) i niepewności złożonej pochodzącej z poszczególnych źródeł błędów.[9]

Warsztaty metrologiczne jako odpowiedź na wyzwania przed jakimi stoi metrologia

Wiemy jak ważny jest prawidłowy pomiar, dlatego też przygotowując pierwszą edycję warsztatów metrologicznych organizowanych przez PUM, skoncentrowaliśmy się na zagadnieniach dotyczących pomiarów.

Wykłady i zajęcia praktyczne przeprowadził doświadczony pracownik wiodącego ośrodka –Laboratorium Metrologii Współrzędnościowej Politechniki Krakowskiej, dr inż. Wiktor Harmatys, którego zainteresowania naukowe obejmują optyczne systemy pomiarowe oraz mgr inż. Karol Stroński, doktorant na Wydziale Mechanicznym Politechniki Krakowskiej

Pierwsze szkolenie rozpoczęło się wykładem na temat techniki współrzędnościowej, po którym odbyły się warsztaty dotyczące budowy i działania maszyn pomiarowych – uczestnicy samodzielnie kalibrowali końcówki pomiarowe, co jest kluczowe dla precyzji pomiarów. Dzień zakończył się zajęciami o metodach oceny dokładności maszyn. Drugiego dnia skupiono się na praktycznej obsłudze urządzeń: analizie rysunku, tworzeniu programu i wykonaniu pomiaru obiektu.

Podczas drugiej edycji warsztatów uczestnicy wysłuchali wykładów „Metody oceny dokładności maszyny współrzędnościowej” oraz ,,Metody szacowania niepewności”,  oraz odbyli zajęcia praktyczne ,,Program pomiarowy z normą ISO 10360”.

Metrologia współrzędnościowa to nie tylko nauka precyzyjnych pomiarów, ale także klucz do rozwoju nowoczesnego przemysłu, w którym dokładność i niezawodność są fundamentem innowacji – podkreślił prowadzący drugą edycję warsztatów dr inż. Wiktor Harmatys. Niech te słowa stanowią podsumowanie, ukazujące, że pomiar jest kluczem do rozwijania nauki.

[1] Dokument: Metrologia: definicje i pojęcia podstawowe dr inż. Paweł Zalewski, Akademia Morska w Szczecinie
Link: docplayer.pl/220551-Metrologia-definicje-i-pojecia-podstawowe-dr-inz-pawel-zalewski-akademia-morska-w-szczecinie.html (źródło: strona 5)

[2] (źródło: strona 11)

[3] (źródło: strona 11)

[4] na stronie 15 opisano błędy nadmierne

[5] ,,Laboratorium metrologii. Analiza błędów i niepewności wyników pomiarowych” dr inż. Piotr Burnos

[6] J.w.

[7] ,,Laboratorium metrologii. Analiza błędów i niepewności wyników pomiarowych” dr inż. Piotr Burnos

[8] J.w.

[9] J.w.