Metrologia
Budżet niepewności pomiaru krok po kroku: jak uczciwie podać dokładność czujnika
„Dokładność ±0,1” na pierwszej stronie noty katalogowej to dopiero początek. Pokazujemy, jak zbudować budżet niepewności zgodnie z przewodnikiem GUM: od listy źródeł niepewności do niepewności rozszerzonej.
Każdy, kto porównywał noty katalogowe czujników, zna ten problem: jeden producent podaje „dokładność typową”, drugi „maksymalną”, trzeci „rozdzielczość”, a czwarty nie informuje, w jakich warunkach obowiązują te liczby. Tymczasem użytkownika interesuje jedno: w jakim przedziale leży prawdziwa wartość mierzonej wielkości. Odpowiedź na to pytanie daje niepewność pomiaru, wyznaczana według międzynarodowego przewodnika GUM.
Błąd a niepewność
Błąd to różnica między wynikiem a wartością prawdziwą. Nie znamy go, bo nie znamy wartości prawdziwej. Niepewność to parametr opisujący rozrzut wartości, które można w uzasadniony sposób przypisać wielkości mierzonej. Znane błędy systematyczne (np. przesunięcie zera wyznaczone podczas kalibracji) koryguje się, a niepewność obejmuje to, czego skorygować się nie da.
Krok 1. Model pomiaru
Zapisz, jak wynik zależy od wielkości wejściowych. Dla prostego czujnika temperatury z korekcją kalibracyjną może to być: T = Todczyt + Kkal + δrozdz + δdryf + δmontaż. Każdy składnik to osobne źródło niepewności. Składniki o wartości oczekiwanej równej zeru często wpisuje się do modelu tylko po to, by nie zapomnieć o ich rozrzucie.
Krok 2. Lista źródeł
Typowe źródła niepewności w budżecie czujnika:
- powtarzalność (rozrzut kolejnych odczytów w tych samych warunkach);
- niepewność wzorca użytego do kalibracji;
- rozdzielczość przetwornika;
- dryf długoterminowy między kalibracjami;
- wpływ temperatury otoczenia, wilgotności i napięcia zasilania;
- wpływ montażu i sposobu kontaktu z obiektem (często największy, a mimo to pomijany).
Krok 3. Niepewności standardowe
Każde źródło trzeba wyrazić jako niepewność standardową (odpowiednik odchylenia standardowego):
- Metoda typu A – z serii pomiarów: odchylenie standardowe średniej, s/√n.
- Metoda typu B – na podstawie innych informacji: świadectwa wzorcowania, noty katalogowej, doświadczenia. Jeśli wiemy tylko, że błąd mieści się w granicach ±a, i zakładamy rozkład prostokątny, niepewność standardowa wynosi a/√3. Dla rozdzielczości przetwornika q przyjmuje się zwykle q/(2√3).
Jeśli świadectwo wzorcowania podaje niepewność rozszerzoną U przy k = 2, niepewność standardowa wzorca to U/2.
Krok 4. Współczynniki wrażliwości i złożenie
Każdą składową mnoży się przez współczynnik wrażliwości, czyli pochodną cząstkową wyniku względem danej wielkości wejściowej. Na przykład wpływ temperatury otoczenia na czujnik ciśnienia wyraża się w paskalach na stopień. Dla wielkości nieskorelowanych niepewność złożona to pierwiastek z sumy kwadratów składowych: uc = √(Σ (ci·ui)²). Jeśli źródła są skorelowane (np. dwa czujniki kalibrowane tym samym wzorcem), trzeba uwzględnić kowariancje.
Krok 5. Niepewność rozszerzona
Na koniec mnoży się niepewność złożoną przez współczynnik rozszerzenia k. Najczęściej k = 2, co dla rozkładu zbliżonego do normalnego odpowiada poziomowi ufności około 95%. Wynik podaje się w postaci: wartość ± U (k = 2).
| Źródło | Typ | Rozkład | ui | Udział |
|---|---|---|---|---|
| Powtarzalność | A | normalny | 0,010 °C | mały |
| Wzorzec (U = 0,03 °C, k = 2) | B | normalny | 0,015 °C | średni |
| Rozdzielczość 0,01 °C | B | prostokątny | 0,003 °C | pomijalny |
| Dryf roczny ±0,05 °C | B | prostokątny | 0,029 °C | duży |
| Gradient przy montażu ±0,08 °C | B | prostokątny | 0,046 °C | dominujący |
W tym przykładzie (liczby są ilustracyjne) niepewność złożona wynosi około 0,057 °C, a rozszerzona U ≈ 0,12 °C (k = 2). Od razu widać, że droższy czujnik niewiele by zmienił. Największy udział ma montaż, a w dalszej kolejności dryf.
Po co to wszystko? Budżet niepewności pokazuje, gdzie opłaca się inwestować: w lepszy czujnik, częstszą kalibrację, inną mechanikę czy kompensację temperaturową. Jest też rzetelną podstawą do deklarowania klientom parametrów urządzenia.
Źródła
- JCGM 100:2008. Evaluation of measurement data – Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM). BIPM. bipm.org
- JCGM 200:2012. International vocabulary of metrology – Basic and general concepts and associated terms (VIM), wyd. 3. BIPM.
- EA-4/02 M:2022. Evaluation of the Uncertainty of Measurement in Calibration. European co-operation for Accreditation.
Pracujesz nad podobnym zagadnieniem? Porozmawiajmy o metodzie pomiaru, elektronice albo prototypie. Pierwsza konsultacja jest bezpłatna.
Umów konsultację

