Пронкин Н.С. Метрология, стандартизация и сертификация в атомной отрасли

Глава 10. Обработка результатов измерений на основе концепции неопределенности измерений (ред. №8)

____________________________________________________________

Неопределенность – понятие, характеризующее

наши не достаточно полные знания

о параметре объекта в результате измерения

Глава 10. Обработка результатов измерений на основе концепции неопределенности измерений

10.1. Общие замечания

В 1997 году от имени семи авторитетных международных организаций

- Международного комитета мер и весов (МКМВ);

- Международной электротехнической комиссии (МЭК);

- Международной организации по стандартизации (ИСО);

- Международной организации по законодательной метрологии; (МОЗМ)

- Международного союза по чистой и прикладной физике (ИЮПАП);

- Международного союза по чистой и прикладной химии (ИЮПАК);

- Международной федерации клинической химии (МФХК)

было опубликовано «Руководство по выражению неопределенности измерения» (далее по тексту – Руководство), которое определило новую концепцию оценки точности измерений [71]. В качестве рекомендаций по метрологии в РФ введен в действие документ РМГ 43-2001¹, Применение «Руководства по выражению неопределенности измерений» [6].

Как уже отмечалось выше (гл.6), существуют два подхода к оцениванию параметров (характеристик) точности измерений. Один подход основан на терминах и понятиях, используемых в Руководстве, а другой – на понятиях и терминах, применяемых в основополагающих НД ГСИ в области метрологии.

Можно отметить, что опыт применения этой концепции неопределенности, вот уже в течение более чем 15 лет показал, что она привела к большому положительному эффекту, способствуя обеспечению достоверности количественного представления результатов измерений, проведенных, в разных странах и организациях, т.е. в конечном итоге к основной цели метрологии – обеспечению единства измерений.

Что же явилось причиной перехода к новой концепции, в то время, когда классическая концепция погрешности измерения, была довольно детально разработана к этому времени?

Разработка новой концепции обусловлена, прежде всего, современной необходимостью достижения ряда целей, изложенных в Руководстве, в том числе:

- обеспечение полной информации о том, как составлять отчеты о неопределенностях измерений;

- предоставления основы для международного сопоставления результатов измерений²;

- предоставление универсального метода для выражения и оценивания неопределенности измерений, применимого ко всем видам измерений и всем типам данных, которые используются при измерениях;

- упрощение расчетов, связанных с обработкой данных измерений.

Концепция неопределенности измерений сформировалась в результате появления целого ряда новых областей метрологической деятельности (переработка газа, нефти, химическая технология и др.), в которых осуществляются практические измерения, не получившие своего обоснования и поддержки в рамках использования концепции погрешности измерения.

Примечание. Следует отметить, что понятие неопределенности давно используется в науке для характеристики некоторых процессов и явлений, которые не поддаются точным количественным оценкам и могут быть описаны, как правило, вероятностными характеристиками. По-видимому, впервые понятие неопределенности было использовано в квантовой механике в соотношении неопределенности Гейзенберга.

Термином неопределенность в теории информации обозначают недостаточное знание источника дискретной и непрерывной информации. Устранение или уменьшение неопределенности при передаче информации является основной задачей теории информации. Мерой неопределенности в теории информации является энтропия.

Переход к новой концепции оценки точности измерений иногда связывают с неудачной терминологией, обозначающей точность измерения [5] и характеризующей качество продукции. Действительно, для количественного обозначения погрешности использовались the error (англ.), erreur (франц.) – ошибка, просчет. В свете требований к обеспечению качества производства проведение измерений с ошибками и просчетами является неприемлемым и этот термин пытались заменить, иногда используя термины precision (точность) и variation (вариация). Однако точность – это качественная оценка результата измерений, а вариация – параметр, характеризующий относительный разброс результатов измерений. Понятие неопределенности измерения (uncertainty of measurement), которое и ранее использовалось в измерительной практике, и определение которого приводится уже в 1993 году в Международном словаре основных и общих терминов в метрологии (VIM-93) [59], явилось наиболее удачным для характеристики рассеяния результатов измерений. Тем не менее, необходимо подчеркнуть, что физический смысл неопределенности измерений не соответствует понятию погрешности измерений.

В метрологии в основе концепции неопределенности лежит неполное знание значения измеряемой величины, которые представлено оператору в виде ряда величин, полученных в результате измерительного эксперимента и каким-то образом характеризующих измеряемую величину. При оценке результатов измерений не используются понятия истинного и действительного значений ФВ, а также погрешности измерения. Вводится понятие неопределенности измерения [6], которое трактуется как параметр, связанный с результатом измерений и характеризующий рассеяние значений, которые обоснованно могли бы быть приписаны измеряемой величине. Заметим также, что в новой концепции вместо понятия «физическая величина» используется понятие «величина»³.

Также как и для классической теории измерения, в качестве характеристик неопределенности используется среднеквадратическое отклонение (СКО) и доверительный интервал, которые в концепции неопределенности называются стандартная неопределенность и расширенная неопределенность. О них мы остановимся более подробно ниже, а вначале посмотрим: чем же отличаются погрешность и неопределенность?

Погрешность однократных измерений – это разность между результатом измерения X_i, и неизвестным действительным значением физической величины Q, т.е _i=X_i. – Q.

Неопределенность однократных измерений (n – отклонений) представляется как разность между однократным измерением и средним арифметическим значением L, полученным в результате n измерений, т.е. u_i=X_i – L.

Случайная погрешность результатов многократных измерений будет равна λ=L – Q и она уменьшается с увеличением числа измерений. Среднее арифметическое L стремится к истинному значению Q, при условии, что устранены все систематические погрешности. При этом разность между _i и u_i будет стремиться к нулю и, следовательно, математические закономерности поведения совокупностей _i и u_i должны быть подобны. Обе концепции дополняют друг друга, позволяя более всесторонне представить оценить результат измерения.

Следует подчеркнуть, что оператор, осуществляющий измерение имеет в своем распоряжении только набор одиночных измерений и он должен, исходя из этого набора, сформировать ожидаемый (оцениваемый) результат измерения относительно измеряемой величины характеристики объекта измерения. Ему неведомы ни истинное, ни действительное значения величины.