Messunsicherheit und Messfehler sind grundlegende Konzepte der Metrologie und werden von Metrologen häufig verwendet. Sie stehen in direktem Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit der Messergebnisse sowie der Genauigkeit und Konsistenz der Wertübertragung. Aufgrund unklarer Konzepte werden die beiden jedoch oft verwechselt oder falsch angewendet. Dieser Artikel nutzt die Erkenntnisse aus dem Kurs „Bewertung und Darstellung von Messunsicherheit“, um die Unterschiede zwischen Messunsicherheit und Messfehler zu verdeutlichen. Zunächst muss der konzeptionelle Unterschied zwischen Messunsicherheit und Messfehler geklärt werden.
Die Messunsicherheit charakterisiert die Bewertung des Wertebereichs, in dem der wahre Wert des Messwerts liegt.Sie gibt das Intervall an, in dem der wahre Wert mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit liegen kann. Dies kann die Standardabweichung oder ein Vielfaches davon sein, oder die halbe Breite des Intervalls, die das Konfidenzniveau angibt. Es handelt sich nicht um einen spezifischen wahren Fehler, sondern lediglich um einen quantitativen Ausdruck des Teils des Fehlerbereichs, der nicht durch Parameter korrigiert werden kann. Er ergibt sich aus der unvollständigen Korrektur zufälliger und systematischer Fehler und ist ein Streuungsparameter zur Charakterisierung der Messwerte. Die Unsicherheit wird je nach Ermittlungsmethode in zwei Arten von Bewertungskomponenten, A und B, unterteilt. Die Bewertungskomponente A ist die Unsicherheitsbewertung durch die statistische Analyse von Beobachtungsreihen, während die Bewertungskomponente B auf Erfahrungswerten oder anderen Informationen basiert und eine Unsicherheitskomponente annimmt, die durch eine approximative „Standardabweichung“ repräsentiert wird.
In den meisten Fällen bezieht sich der Begriff „Fehler“ auf einen Messfehler, dessen traditionelle Definition die Differenz zwischen dem Messergebnis und dem wahren Wert des Messwertes ist.Fehler lassen sich üblicherweise in zwei Kategorien einteilen: systematische und zufällige Fehler. Der Fehler existiert objektiv und sollte einen bestimmten Wert haben. Da der wahre Wert jedoch in den meisten Fällen unbekannt ist, kann der wahre Fehler nicht exakt bestimmt werden. Wir suchen daher die bestmögliche Annäherung an den wahren Wert unter bestimmten Bedingungen und bezeichnen dies als den üblichen Wahrheitswert.
Durch das Verständnis des Konzepts können wir erkennen, dass es im Wesentlichen folgende Unterschiede zwischen Messunsicherheit und Messfehler gibt:
1. Unterschiede in den Bewertungszwecken:
Die Messunsicherheit soll die Streuung des Messwertes angeben;
Der Zweck der Messfehlerangabe besteht darin, das Ausmaß anzugeben, in dem die Messergebnisse vom wahren Wert abweichen.
2. Der Unterschied zwischen den Auswertungsergebnissen:
Die Messunsicherheit ist ein vorzeichenloser Parameter, der durch die Standardabweichung, ein Vielfaches der Standardabweichung oder die halbe Breite des Konfidenzintervalls ausgedrückt wird. Sie wird von Personen auf der Grundlage von Informationen wie Experimenten, Daten und Erfahrungswerten bewertet. Sie kann quantitativ durch zwei Arten von Bewertungsmethoden, A und B, bestimmt werden.
Der Messfehler ist ein Wert mit positivem oder negativem Vorzeichen. Er ergibt sich aus dem Messwert abzüglich des gemessenen wahren Wertes. Da der wahre Wert unbekannt ist, kann er nicht exakt bestimmt werden. Verwendet man stattdessen den konventionellen wahren Wert, erhält man lediglich einen Schätzwert.
3. Der Unterschied der Einflussfaktoren:
Die Messunsicherheit wird von Menschen durch Analyse und Bewertung ermittelt und hängt daher mit dem Verständnis der Messgröße, der Einfluss auf die Messgröße und den Messprozess zusammen;
Messfehler existieren objektiv, werden nicht von externen Faktoren beeinflusst und ändern sich nicht mit dem Verständnis der Menschen;
Daher müssen bei der Durchführung einer Unsicherheitsanalyse verschiedene Einflussfaktoren umfassend berücksichtigt und die Unsicherheitsbewertung überprüft werden. Andernfalls kann die geschätzte Unsicherheit aufgrund unzureichender Analyse und Abschätzung groß ausfallen, obwohl das Messergebnis sehr nahe am wahren Wert liegt (d. h. der Fehler ist gering), oder die angegebene Unsicherheit kann sehr klein sein, obwohl der Messfehler tatsächlich groß ist.
4. Von Natur aus bedingte Unterschiede:
Im Allgemeinen ist es nicht notwendig, zwischen den Eigenschaften der Messunsicherheit und ihren Unsicherheitskomponenten zu unterscheiden. Falls eine Unterscheidung erforderlich ist, sollten sie wie folgt ausgedrückt werden: „Unsicherheitskomponenten, die durch Zufallseffekte hervorgerufen werden“ und „Unsicherheitskomponenten, die durch Systemeffekte hervorgerufen werden“.
Messfehler lassen sich anhand ihrer Eigenschaften in zufällige und systematische Fehler unterteilen. Per Definition sind sowohl zufällige als auch systematische Fehler ideale Konzepte im Fall unendlich vieler Messungen.
5. Der Unterschied zwischen der Korrektur der Messergebnisse:
Der Begriff „Unsicherheit“ impliziert einen schätzbaren Wert. Er bezeichnet keinen spezifischen und exakten Fehlerwert. Obwohl er geschätzt werden kann, lässt er sich nicht zur Korrektur des Wertes verwenden. Die durch unvollkommene Korrekturen bedingte Unsicherheit kann nur in der Unsicherheit der korrigierten Messergebnisse berücksichtigt werden.
Ist der Schätzwert des Systemfehlers bekannt, kann das Messergebnis korrigiert werden, um das korrigierte Messergebnis zu erhalten.
Nach der Korrektur eines Messwerts liegt dieser zwar näher am wahren Wert, doch seine Unsicherheit verringert sich dadurch nicht nur nicht, sondern kann sich sogar vergrößern. Dies liegt hauptsächlich daran, dass wir den wahren Wert nicht exakt bestimmen können, sondern lediglich abschätzen können, wie nahe die Messergebnisse am wahren Wert liegen oder wie weit davon entfernt sie sind.
Obwohl Messunsicherheit und Messfehler die oben genannten Unterschiede aufweisen, sind sie eng miteinander verbunden. Der Unsicherheitsbegriff ist eine Anwendung und Erweiterung der Fehlertheorie, und die Fehleranalyse bildet nach wie vor die theoretische Grundlage für die Bewertung der Messunsicherheit. Insbesondere bei der Bestimmung von Bauteilen vom Typ B ist die Fehleranalyse untrennbar mit ihr verbunden. Beispielsweise lassen sich die Eigenschaften von Messgeräten anhand des maximal zulässigen Fehlers, des Anzeigefehlers usw. beschreiben. Der in den technischen Spezifikationen und Vorschriften festgelegte Grenzwert des zulässigen Fehlers eines Messgeräts wird als „maximal zulässiger Fehler“ oder „zulässige Fehlergrenze“ bezeichnet. Es handelt sich dabei um den vom Hersteller für einen bestimmten Gerätetyp festgelegten zulässigen Bereich des Anzeigefehlers, nicht um den tatsächlichen Fehler des jeweiligen Geräts. Der maximal zulässige Fehler eines Messgeräts ist in der Bedienungsanleitung zu finden und wird, wenn er als numerischer Wert angegeben wird, mit einem Plus- oder Minuszeichen versehen. Üblicherweise wird er als absoluter Fehler, relativer Fehler, Referenzfehler oder eine Kombination davon ausgedrückt. Beispielsweise ±0,1 PV, ±1 % usw. Der maximal zulässige Fehler des Messgeräts ist nicht die Messunsicherheit, kann aber als Grundlage für deren Bewertung dienen. Die durch das Messgerät in das Messergebnis eingeführte Unsicherheit kann gemäß dem B-Typ-Bewertungsverfahren anhand des maximal zulässigen Fehlers des Messgeräts bewertet werden. Ein weiteres Beispiel ist die Differenz zwischen dem Anzeigewert des Messgeräts und dem vereinbarten Sollwert des entsprechenden Eingangssignals, die den Anzeigefehler des Messgeräts darstellt. Bei physikalischen Messgeräten ist der Anzeigewert ihr Nennwert. Üblicherweise wird der von einem übergeordneten Messnormal bereitgestellte oder reproduzierte Wert als vereinbarter Sollwert verwendet (oft auch Kalibrierwert oder Standardwert genannt). Bei der Prüfung gilt ein Messgerät als qualifiziert, wenn die erweiterte Messunsicherheit des vom Messnormal angegebenen Standardwerts 1/3 bis 1/10 des maximal zulässigen Fehlers des geprüften Messgeräts beträgt und der Anzeigefehler des geprüften Messgeräts innerhalb des spezifizierten maximal zulässigen Fehlers liegt.
Veröffentlichungsdatum: 10. August 2023
