Що означає «точність» та «невизначеність» у вимірах
Вимір - це порівняння невідомого значення величини зі стандартною одиницею тієї ж величини та вираз результату у вигляді частки або кратного числа цієї одиниці. Це порівняння, зроблене за допомогою вимірювального інструменту, ніколи не буває досконалим. Інструмент є точним до певної міри і точність його самого є певною лише в тих межах, які виражаються кількісно як невизначеність. Це можна проілюструвати наступним прикладом: одиниця маси, кілограм, визначається його міжнародним еталоном, металевим циліндром, що зберігається у Міжнародному бюро заходів та ваг (МБМВ). Копії цього еталона використовуються як національні еталони кілограма.
Копії не є досконалими та їх маси трохи відрізняються від міжнародного зразка. Припустимо, що маса копії X дорівнює 1 кг + 0,01 мг, тому точність копії – 0,01 мг. Але ця інформація не є повною, тому що різниця між значеннями маси еталона та його копії була визначена вимірювальним інструментом (вагами), і процес вимірювання також недосконалий. Завжди є якісь випадкові відмінності (наприклад, маленькі відхилення в умовах довкілля) та деяка недосконалість вимірювальних приладів.
Виміри, що повторюються, за явно ідентичних умов показуватимуть (злегка) різні результати. Замість 1 кг + 0,01 мг ваги можуть показати 1 кг + 0,009 мг або 1 кг + 0,011 мг або інші значення. Невизначеність виміру можна оцінити застосовуючи статистичні методи, наведені в «Посібнику з виразу невизначеності виміру» (GUM). Повний результат маси копії X показує: т = 100000001 кг ± 0002 мг. Значення невизначеності ± 0,002 мг показує, що вимірювання,зроблені за явно ідентичних умов будуть давати результат в інтервалі від 1,000 000 01 кг - 0,002 мг до 1,000 000 01 кг + 0,002 мг з певною ймовірністю (зазвичай 95%). Передбачається, що 95 зі 100 вимірювань будуть перебувати в даному інтервалі.
Оцінка невизначеності виміру має зростаючу важливість, оскільки вона дає можливість тим, хто використовує результати виміру, оцінити надійність цих результатів. Без такої оцінки результати вимірювання не можна порівняти ні між собою, ні з еталонними, наведеними в специфікаціях або стандартах. Припустимо, що маса копії X була визначена з використанням інших ваг в іншому місці та отримано результат т(Х) = 1,000 000 кг. Чи означає це 1 кг? Можливо, чутливість цих ваг не така висока як чутливість інших? Яка різниця між двома цими результатами? На ці питання не можна відповісти, тому що відсутня інформація щодо невизначеності.
Для того, щоб отримати порівняні результати з оцінок невизначеності виміру, експерти з семи міжнародних організацій, що займаються метрологією або стандартизацією, розробили «Посібник із виразу невизначеності виміру» (GUM). Керівництво встановлює основні правила для оцінки та вираження невизначеності у вимірі, яка може бути дотримана на різних рівнях точності та в різних сферах застосування, від магазину до фундаментальних досліджень. Деякі базові ідеї, закладені у концепції, наведено нижче. Однак, як говориться в Керівництві: «Оцінка невизначеності - це рутинне, ні суто математичне завдання, вона залежить від детальних знань природи величини (яку необхідно виміряти) і самого вимірювання».
Важливо знати точність вимірювальних інструментів для того, щобзробити правильний вибір. Точність вимірювального інструменту - тобто його здатність давати міру, близьку до «істинного» значення, представленого стандартом, - часто виражається як відсоток меж вимірювань. Це значення використовують для характеризування класу точності інструменту. Вольтметр класу 1 означає, що помилка показання інструменту має бути не більше ніж 1% вимірюваного інтервалу. Якщо інтервал, що вимірюється, від 0 до 100 В, то можна очікувати похибку в 1 В для будь-якого інструменту в даному інтервалі вимірювань. Вимірювання в області нижньої межі вимірювань будуть призводити до більш високої відносної неточності, наприклад, точність вимірювання 5 дорівнює 20%. Це ставить питання про те, чи є точність в 1 для вимірювання 5 В достатньої для застосування в потрібному випадку.
Якщо ні, то потрібно використовувати інший вимірювальний інструмент або інший інтервал вимірювань для того самого інструменту. Припустимо, що можна встановити інтервал вимірювань від 0 до 10 В. Точність в цьому інтервалі буде 0,1 В. Тоді показання приладу в 5 будуть точними до 0,1 В або 2% від 5 В.