FAQ - Grundlagen der Metrologie

Die Genauigkeit einer Messung ist ein qualitativer Hinweis darauf, wie genau das Ergebnis einer Messung dem wahren Wert des gemessenen Parameters entspricht. Da der wahre Wert immer unbekannt ist, handelt es sich bei der Genauigkeit einer Messung immer um eine Schätzung. Eine Angabe zur Genauigkeit hat allein keinen anderen Wert als einen Indikator für die Qualität. Sie besitzt nur dann einen quantitativen Wert, wenn sie von Informationen über die Unsicherheit des Messsystems begleitet wird. Die Genauigkeit eines Messgeräts ist ein qualitativer Hinweis auf die Fähigkeit des Geräts, Antworten zu liefern, die dem wahren Wert der gemessenen Größe nahekommen. Die Genauigkeit ist eine Spezifikation des Designs und kann während der Kalibrierung überprüft werden. Die Genauigkeit der meisten Messgeräte hängt von der Genauigkeit des Geräts oder der für die Kalibrierung verwendeten Methode ab. Im Laufe der Zeit kann sich die Genauigkeit ändern. Um die richtige Genauigkeit zu gewährleisten, ist eine ordnungsgemäße Neukalibrierung der Instrumente oder Werkzeuge innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens erforderlich.

Präzision ist eine Eigenschaft eines Messsystems oder -geräts. Die Präzision ist ein Maß für die Wiederholbarkeit eines Messsystems, d. h. für die Übereinstimmung innerhalb einer Gruppe von wiederholten Messungen der gleichen Größe unter den gleichen Bedingungen. Sie bezieht sich auf den Grad der Übereinstimmung zwischen den Messergebnissen und gibt an, wie konsistent ein Prozess ist. Je besser die Präzision ist, desto geringer ist die Differenz zwischen den Werten, was auf eine hohe Wiederholbarkeit der Ergebnisse hindeutet. Eine hohe Präzision wird nur mit hochwertigen Instrumenten und sorgfältiger Arbeit erreicht. Die Präzision wird in der Regel durch die Abweichung einer Reihe von Ergebnissen vom arithmetischen Mittel der Reihe ausgedrückt.

Präzision und Genauigkeit stehen in keinem Verhältnis zueinander, d. h. man kann sehr präzise sein, aber nicht genau oder umgekehrt. Präzision wird auch als Synonym für die Auflösung der Messung verwendet, z.B. ist eine Messung, die den Unterschied zwischen 0,01 und 0,02 erkennen kann, präziser (hat eine höhere Auflösung) als eine, die nur den Unterschied zwischen 0,1 und 0,2 erkennen kann, auch wenn beide gleich genau oder ungenau sein können.

Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit sind zwei Aspekte der Präzision. Die Wiederholbarkeit beschreibt die minimale Schwankungsbreite der Präzision und gibt die Abweichungen an, die auftreten, wenn die Bedingungen konstant sind und derselbe Bediener dasselbe Instrument innerhalb eines kurzen Zeitraums verwendet. Im Gegensatz dazu beschreibt die Reproduzierbarkeit die maximale Variabilität der Präzision, bei der Variationen über längere Zeiträume mit verschiedenen Instrumenten und verschiedenen Bedienern auftreten.

Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit sind zwei Aspekte der Präzision.

Die Wiederholbarkeit beschreibt die minimale Variabilität der Präzision und identifiziert die Schwankungen, die auftreten, wenn die Bedingungen konstant sind und derselbe Bediener dasselbe Instrument am selben Ort innerhalb eines kurzen Zeitraums verwendet. Die Wiederholbarkeit wird in den folgenden statistischen Größen ausgedrückt: Mittelwert, Standardabweichung oder Standardabweichung des Mittelwerts. Je kleiner die Zahl ist, desto höher ist die Wiederholbarkeit und desto zuverlässiger sind die Ergebnisse.

Die Reproduzierbarkeit ist ein wichtiger Bestandteil der Schätzung der Messunsicherheit. Sie beschreibt die maximale Variabilität der Präzision, wenn Abweichungen über längere Zeiträume mit verschiedenen Instrumenten, an verschiedenen Orten oder von verschiedenen Bedienern auftreten. Sie misst die Fähigkeit, die Ergebnisse anderer zu replizieren. Mit anderen Worten: Eine Reproduzierbarkeitsmessbedingung ist eine weitere Wiederholbarkeitsprüfung, bei der eine oder mehrere Messbedingungen geändert wurden, um die Auswirkungen auf die Messergebnisse zu bewerten.

Die messtechnische Rückführbarkeit ist eine Eigenschaft eines Messergebnisses, bei der das Ergebnis durch eine dokumentierte, ununterbrochene Kette von Kalibrierungen, die jeweils zur Messunsicherheit beitragen, mit einer Referenz in Verbindung gebracht werden kann. Vereinfacht ausgedrückt ist die Rückführbarkeit die Reihe von Vergleichen der Messergebnisse des Messgeräts (Messwert und Messunsicherheit) mit dem Wert eines höheren Genauigkeitsnormals, das mit einem genaueren Normal verknüpft ist, bis es internationale Standards oder SI erreicht.

Die metrologische Kette der Rückführbarkeit ist "die Abfolge von Messnormalen und Kalibrierungen, die verwendet werden, um ein Messergebnis mit einer Referenz in Beziehung zu setzen". Sie verknüpft jedes in einem Auftrag verwendete Bezugsnormal von hohen zu niedrigen Genauigkeitswerten, bis sie die unterste Kette erreicht. Wenn eine Kette auf dem Weg unterbrochen wird, wird auch die Rückverfolgbarkeit in diesem Teil unterbrochen. Eine Rückverfolgung bis zur obersten Kette ist dann nicht mehr möglich.

Die Rückverfolgbarkeitspyramide zeigt die Hierarchie der einzelnen Bezugsnormale und die Größe der angegebenen Unsicherheit. Je höher die Position des Referenznormals in der Pyramide ist, desto geringer ist die Messunsicherheit, die es liefern kann, und desto genauer ist das Normal. Hinweis: Die Rückführbarkeit bezieht sich auf das "Messergebnis", nicht auf das Gerät, den Standard oder sogar die durchgeführte Kalibrierung.

Unter Kalibrierung versteht man den Prozess der Einstellung eines Instruments oder Messsystems, um sicherzustellen, dass es genaue und zuverlässige Ergebnisse liefert. Die Kalibrierung erfolgt in der Regel durch den Vergleich der Messwerte des Geräts oder Systems mit bekannten oder rückführbaren Standards und die Vornahme der erforderlichen Anpassungen, um die Messwerte mit den Standards in Übereinstimmung zu bringen. Der Zweck der Kalibrierung besteht darin, sicherzustellen, dass das Gerät oder System innerhalb seiner spezifizierten Genauigkeit arbeitet und Messunsicherheiten minimiert werden. Die Kalibrierung wird mit dem zu kalibrierenden Gerät in seiner normalen Betriebskonfiguration durchgeführt - so wie es der normale Bediener verwenden würde.

Das Ergebnis einer Kalibrierung ist eine Bestimmung der Leistungsqualität des Geräts in Bezug auf die gewünschten Spezifikationen. Dies kann in Form einer Pass/Fail-Entscheidung, der Bestimmung oder Zuweisung eines oder mehrerer Werte oder der Festlegung einer oder mehrerer Korrekturen erfolgen. Die Kalibrierung erfolgt nach einem festgelegten dokumentierten Kalibrierverfahren, unter festgelegten und kontrollierten Messbedingungen und mit einem festgelegten und kontrollierten Messsystem.

In der Metrologie ist der Fehler (oder Messfehler) eine Schätzung der Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem wahrscheinlichen wahren Wert des Messobjekts. Der Fehler kann nie genau bekannt sein; es handelt sich immer um eine Schätzung. Der Fehler kann systematisch und/oder zufällig sein.

Ein systematischer Fehler ist der Mittelwert einer großen Anzahl von Messungen desselben Wertes abzüglich des (wahrscheinlichen) wahren Wertes der gemessenen Größe. Der systematische Fehler bewirkt, dass der Durchschnitt der Messwerte vom wahren Wert abweicht. Der systematische Fehler ist ein Maß für die Größenordnung und kann korrigiert werden. Der systematische Fehler wird auch als Verzerrung bezeichnet, wenn er sich auf ein Messgerät bezieht.

Systematische Fehler

• Erzeugen Werte, die immer in die gleiche Richtung gehen, z.B. 50 g, 1% oder 77 mm zu lang oder zu klein.
• Beeinflussen die Genauigkeit. Die Genauigkeit eines Instruments kann erheblich verbessert werden, wenn der systematische Fehler minimiert oder kompensiert wird.
• Kann nicht durch mehr Wiederholungen (und Mittelwertbildung der verschiedenen Messergebnisse) verringert werden.
• Kalibrierung und Justierung können den systematischen Fehler verringern.
• Kann errechnet werden, wenn das Modell bekannt ist.
• Kann nicht leicht erkannt oder modelliert werden.
• Kann durch Software oder Hardware kompensiert (korrigiert) werden
• Mögliche Quellen: Verzerrungen im Messsystem, Kalibrierungsprobleme oder unsachgemäßer Versuchsaufbau.

Die Zufallsabweichung ist das Ergebnis einer einzelnen Messung eines Wertes abzüglich des Mittelwertes einer großen Anzahl von Messungen desselben Wertes. Die zufällige Messabweichung verursacht Streuungen in den Ergebnissen einer Reihe von Messungen und ist daher ein Maß für die Dispersion.

Zufällige Fehler:

• Erzeugen unterschiedliche Werte in zufälligen Richtungen. Die Ergebnisse sind unvorhersehbar und können nicht reproduziert werden.
• Beeinflussen vor allem die Präzision. Die Wiederholbarkeit eines Instruments kann erheblich verbessert werden.
• Kann durch Mittelwertbildung aus mehreren Messwiederholungen reduziert werden.
• Erfordern statistische und probabilistische Analysen.
• Kann mit Hilfe eines (Positions-)Sensors leicht festgestellt werden.
• Können nicht kompensiert werden (es sei denn, es werden Echtzeit-Fehlerkompensationsmethoden mit einem geschlossenen Regelkreis verwendet).
• Mögliche Quellen: elektronisches Rauschen, Umgebungsbedingungen oder Einschränkungen des Messgeräts.

Die Messunsicherheit ist der nicht-negative Parameter, der die Dispersion der einer Messgröße zugeordneten Größenwerte auf der Grundlage der verwendeten Informationen charakterisiert. Einfacher ausgedrückt, ist die Messunsicherheit die Schätzung des Wertebereichs, in den der wahre Wert einer Messgröße wahrscheinlich fällt. Messunsicherheit und Genauigkeit sind eng miteinander verbunden, aber unterschiedliche Konzepte. Die Genauigkeit bezieht sich darauf, wie nahe ein gemessener Wert am wahren Wert liegt, während die Messunsicherheit eine Schätzung ist, wie stark der gemessene Wert aufgrund von Faktoren wie zufälligen Fehlern, systematischen Fehlern und Beschränkungen der Messmethode oder des Messgeräts vom wahren Wert abweichen kann. Eine Messung kann genau sein, aber eine hohe Unsicherheit aufweisen, wenn der Bereich der möglichen Werte groß ist. Andererseits kann eine Messung weniger genau sein, aber eine geringere Unsicherheit haben, wenn der Bereich der möglichen Werte klein ist.

Um die Messunsicherheit zu bestimmen, müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden.

• Zufällige Fehler, d. h. unvorhersehbare Schwankungen im Messprozess, können aus verschiedenen Quellen stammen und werden mit statistischen Methoden bewertet.
• Systematische Fehler hingegen sind konstante Abweichungen vom wahren Wert und können durch Verzerrungen, Kalibrierungsprobleme oder Probleme beim Versuchsaufbau verursacht werden.
• Die Kalibrierung des Messgeräts ist unerlässlich, um seine Genauigkeit zu ermitteln und systematische Fehler zu korrigieren.
• Die Auflösung und die Empfindlichkeit des Messgeräts wirken sich ebenfalls auf die Messunsicherheit aus, wobei sich die Auflösung auf die kleinste nachweisbare Veränderung und die Empfindlichkeit auf die Fähigkeit, auf kleine Veränderungen zu reagieren, bezieht.
• Umweltbedingungen wie Temperatur und elektromagnetische Störungen sollten kontrolliert oder berücksichtigt werden, um ihre Auswirkungen zu minimieren.
• Die Fähigkeit des Bedieners und seine Voreingenommenheit spielen eine Rolle bei der Messunsicherheit, da erfahrene Bediener zufällige Fehler reduzieren und systematische Fehler erkennen können.
• Eine ordnungsgemäße Unsicherheitsanalyse beinhaltet die Identifizierung und Quantifizierung aller signifikanten Unsicherheitsquellen, die Kombination dieser Quellen mit Hilfe statistischer Methoden und die Angabe der Gesamtunsicherheit mit einem Vertrauensniveau.

Richtlinien wie der "Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement" (GUM) bieten einen Rahmen für die Schätzung und Angabe der Messunsicherheit.

Bei der Auswahl des richtigen Messgeräts für eine bestimmte Aufgabe sollten mehrere wichtige Aspekte berücksichtigt werden:

• Genauigkeit: Die Genauigkeit des Messgeräts ist entscheidend, da sie bestimmt, wie genau die Messungen dem tatsächlichen Wert entsprechen. Achten Sie auf die Genauigkeitsspezifikationen des Geräts und stellen Sie sicher, dass diese mit dem für Ihre Messungen erforderlichen Präzisionsniveau übereinstimmen.
• Präzision: Die Präzision bezieht sich auf die Fähigkeit des Geräts, konsistente und wiederholbare Messungen zu liefern. Sie gibt den Grad der Variabilität zwischen mehreren Messungen der gleichen Größe an. Eine höhere Präzision ist wünschenswert, wenn präzise und konsistente Ergebnisse erforderlich sind.
• Auflösung: Die Auflösung bezieht sich auf das kleinste Inkrement oder die kleinste Änderung der gemessenen Größe, die das Gerät erkennen kann. Wählen Sie ein Gerät mit ausreichender Auflösung, um den gewünschten Detailgrad Ihrer Messungen zu erfassen.
• Messbereich: Berücksichtigen Sie den Bereich der Werte, die das Gerät genau messen kann. Vergewissern Sie sich, dass der Messbereich des Geräts den gesamten Wertebereich abdeckt, den Sie in Ihrer speziellen Anwendung erwarten.
• Umgebungsbedingungen: Beurteilen Sie die Umgebungsbedingungen, unter denen das Gerät eingesetzt werden soll. Berücksichtigen Sie Faktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit, Druck und elektromagnetische Störungen. Einige Geräte können auf bestimmte Umgebungsbedingungen empfindlich reagieren, was ihre Leistung beeinträchtigen kann.
• Kalibrierungsanforderungen: Ermitteln Sie den Kalibrierungsbedarf des Geräts. Überlegen Sie, ob das Gerät regelmäßig kalibriert werden muss und ob es einfach kalibriert werden kann oder professionelle Kalibrierungsdienste benötigt. Die Kalibrierung gewährleistet die Genauigkeit des Geräts und sollte in den gesamten Messprozess einbezogen werden.
• Probengröße und Handhabung: Berücksichtigen Sie die Größe und Art der zu messenden Proben oder Objekte. Einige Geräte können bei der Handhabung großer oder kleiner Proben, unregelmäßiger Formen oder empfindlicher Materialien Einschränkungen aufweisen. Wählen Sie ein Gerät, das für die Größe und Art der Proben, mit denen Sie arbeiten, geeignet ist.
• Abtastrate und Geschwindigkeit: Wenn Sie schnell wechselnde oder dynamische Phänomene messen müssen, sollten Sie die Abtastrate und Geschwindigkeit des Geräts berücksichtigen. Geräte mit höheren Abtastraten können schnelle Veränderungen genau erfassen, während langsamere Geräte möglicherweise wichtige Details übersehen.
• Benutzerfreundlichkeit: Beurteilen Sie die Benutzerfreundlichkeit des Geräts. Berücksichtigen Sie Faktoren wie die Benutzeroberfläche, die Bedienelemente, die Anzeige und die allgemeine Ergonomie des Geräts. Ein intuitiv und einfach zu bedienendes Gerät kann die Produktivität steigern und die Gefahr von Bedienungsfehlern verringern.
• Kosten: Berücksichtigen Sie die Budgetvorgaben für das Gerät. Wägen Sie die gewünschte Leistung und die Funktionen mit dem verfügbaren Budget ab. Es ist wichtig, in ein zuverlässiges und genaues Gerät zu investieren, aber auch sicherzustellen, dass es für die spezifischen Messanforderungen einen Mehrwert bietet.
• Verfügbarkeit von Support: Berücksichtigen Sie die Verfügbarkeit von technischem Support, Dokumentation und Schulungen für das Gerät. Vergewissern Sie sich, dass der Hersteller oder Lieferant einen angemessenen Kundensupport und Ressourcen anbietet, um bei Problemen oder Fragen, die während der Nutzung des Geräts auftreten können, zu helfen.
• Kompatibilität: Prüfen Sie die Kompatibilität des Geräts mit vorhandenen Messsystemen oder Software, die Sie möglicherweise besitzen. Überlegen Sie, ob sich das Gerät nahtlos in andere Geräte oder Datenanalysetools integrieren lässt, die Teil Ihres Messworkflows sind.
• Tragbarkeit und Mobilität: Prüfen Sie, ob das Gerät für Ihre spezielle Anwendung tragbar oder mobil sein muss. Einige Messaufgaben erfordern möglicherweise Messungen vor Ort oder im Feld, so dass die Tragbarkeit entscheidend ist. Berücksichtigen Sie die Größe, das Gewicht und den Energiebedarf des Geräts für einen einfachen Transport.
• Künftige Erweiterungen und Aufrüstungen: Berücksichtigen Sie zukünftige Anforderungen und potenzielles Wachstum. Stellen Sie fest, ob das Gerät Erweiterungen oder Upgrades zulässt, z. B. durch zusätzliche Module, Zubehör oder Softwarefunktionen. Diese Flexibilität kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn sich Ihre Messanforderungen im Laufe der Zeit weiterentwickeln.

Ein Pikometer ist eine Längeneinheit im Internationalen Einheitensystem (SI). Es entspricht einem Billionstel (1/1.000.000.000.000) eines Meters oder 10^(-12) Metern. Das Symbol für das Pikometer ist "pm". Es ist unglaublich klein und wird in der Regel verwendet, um die Größe von Atomen, Molekülen und deren Wechselwirkungen zu messen.

Um eine Vorstellung von seiner Größe zu vermitteln:

• Die Größe eines Wasserstoffatoms beträgt ungefähr 53 Pikometer.
• Der Abstand zwischen zwei benachbarten Atomen in einem festen Material kann zwischen einigen Pikometern und einigen Angström liegen (1 Angström entspricht 100 Pikometern).
• Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts reicht von etwa 400 bis 700 Nanometern, was 400.000 bis 700.000 Pikometern entspricht.
• Die Größe einiger Moleküle, wie z. B. der DNA, wird in der Regel in Nanometern bis zu zehn Nanometern gemessen, was Tausenden von Pikometern entspricht.