3. Загальні принципи забезпечення єдності вимірювань

3.1. Помилки і невизначеність вимірювань

Термін "помилка" перекочував в класичну метрологію з математики, де він має більш широкий сенс.

Загальновідомо, що результат вимірювань у принципі дає нам тільки наближене значення величини, що виміряється. Тому, строго кажучи, між поняттями "помилка вимірювань" і "погрішність вимірювань" не можна ставити знак тотожності, бо ми виміряємо так, як ми уміємо виміряти, і в цій ситуації некоректно говорити про яку-небудь допущену помилку. Більш правильно говорити про погрішність вимірювань, яка обумовлена відмінністю між значенням зміряної величини і її істинним або дійсним значенням.

Істинне значення фізичної величини ідеальним чином відображає кількісні і якісні властивості об'єкту і тому є об'єктивною характеристикою. Але експериментально ми визначаємо суб'єктивну величину, іменовану дійсним значенням, яке лише в більшому або меншому ступені наближається до істинного значення і може бути використаний в метрологічних оцінках замість нього.

Тому в метрології під погрішністю результатів вимірювань розуміють ступінь (величину) відхилення результатів вимірювань від дійсних значень величини, що виміряється.

Таким чином, погрішність вимірювань стає реальним, доступним для визначення показником якості вимірювань, що зберігає, втім, елементи суб'єктивності, пов'язані з впливом методики, апаратури і оператора.

Залежно від форми вирази розрізняють абсолютну і відносну погрішність вимірювань.

Абсолютною називається погрішність вимірювань (), виражена в тих же одиницях, що і величина, що виміряється (х):

 (3.1)

де - дійсне значення зміряної величини.

Відносна погрішність () є відношенням абсолютної погрішності до дійсного значення величини, що виміряється, і виражається в частках (відсотках ) величини, що виміряється:

(3.2)

Погрішності класифікують на систематичні, випадкові і грубі (промахи).

Систематичні погрішності обумовлені, головним чином, погрішностями засобів вимірювань і недосконалістю самих методів вимірювань, і їх величина істотно не міняється від вимірювань до вимірювання.

Випадкові погрішності обумовлені дією ряду різноманітних неконтрольованих чинників, що приводять до незначної зміни умов вимірювання, які передбачити або врахувати у принципі неможливо.

Промахи зобов'язані своїм походженням різким неконтрольованим змінам умов вимірювань, неправильності відліку, несправності засобів вимірювань.

Складові погрішності вимірювань, залежні від погрішності засобів вимірювань, називаються інструментальними.

До 70-х рр. XX сторіччя вищезгадані уявлення в метрології про помилки вимірювань вважалися канонічними і ніякого незадоволення не викликали.

Проте, поступово традиційний підхід до оцінки якості вимірювань став гальмувати розвиток сучасної теоретичної і практичної метрології.

Річ у тому, що спроба заміни абстрагованого "істинного значення величини", що виміряється, на більш доступне "дійсне значення" не звільнила метрологію від утруднень, пов'язаних з його об'єктивністю і неприступністю. Іншими словами, використовування дійсного значення не рятувало метрологію від фантома істинного значення, а, отже, ставило під сумнів всі похідні метрологічні категорії: погрішність, відносна і абсолютна погрішності і т.д.

В цій ситуації міжнародні метрологічні організації розробили ряд керівних документів, які містять нову концепцію, суть якої зводиться до відмови від поняття "істинне значення величини", що виміряється, і його похідних. Замість нього пропонується ввести поняття "невизначеність вимірювань", яке міжнародним словником загальних метрологічних термінів трактується як "параметр, пов'язаний з результатом вимірювань, який характеризує розсіяння значень, приписуване величині", що виміряється.

Невизначеність вимірювань підрозділяється на дві складові групи: типу А, яка оцінюється на основі статистичного розподілу результатів вимірювань (експериментальним середнім квадратичним відхиленням), і типу В, яка оцінюється іншими методами.

Для оцінки невизначеності типу А використовуються результати попередніх вимірювань, дані про властивості матеріалів і приладів, технічні умови на засоби вимірювань, невизначеність базових даних і т.д.

В Україні ДСТУ 2681-94 "Метрологія. Терміни і визначення" трактує невизначеність вимірювань як оцінку, що характеризує діапазон значень, в якому є істинне значення величини, що виміряється.

У результаті на перший план висувається обчислювально-вимірювальна процедура, а не пошук відвернутою істиною величини.

Невизначеність вимірювань формується з ряду основних чинників: природи об'єкту вимірювань, характеристик і метрологічного стану вживаного устаткування; специфіки методик виконання вимірювань, що використовуються, і т.д. Крім того, певний внесок в невизначеність вимірювань можуть вносити випадкові чинники.

У кожному конкретному випадку розробляється методика і порядок розрахунків або оцінки невизначеності, при цьому вони повинні відповідати всім загальноприйнятим вимогам.

При тлумаченні помилки вимірювань, як величини, що має випадкову складову, істотної суперечності з поняттям невизначеності вимірювань не виникає. Вимагається лише додатково вказати, якою характеристикою вірогідності помилки вимірювань слід оцінювати невизначеність. У зв'язку з цим у ряді робіт вводиться поняття "довірча помилка", яке по значенню ідентично поняттю "невизначеність".

Результати, отримані в різних лабораторіях, можна порівнювати між собою тільки тоді, коли відома невизначеність вимірювань. Тому керівництво ІСО/МЕК наказує, щоб лабораторії у вимірювальних сертифікатах і звітах обов'язково указували на невизначеність вимірювань.