Messunsicherheit

Zu einem Messergebnis als Näherungswert für den wahren Wert einer Messgröße soll immer die Angabe einer Messunsicherheit gehören. Diese grenzt einen Wertebereich ein, innerhalb dessen der wahre Wert der Messgröße mit einer anzugebenden Wahrscheinlichkeit liegt (üblich sind Bereiche für ungefähr 68 % und ungefähr 95 %). Dabei soll der als Messergebnis verwendete Schätzwert oder Einzelmesswert bereits um bekannte systematische Abweichungen korrigiert sein.^[1]

Die Messunsicherheit ist positiv und wird ohne Vorzeichen angegeben.^[1][2] Messunsicherheiten sind selbst auch Schätzwerte. Die Messunsicherheit kann auch kurz Unsicherheit genannt werden. Der früher in ähnlichen Zusammenhängen gebräuchliche Begriff Fehler ist nicht mit dem Konzept der Messunsicherheit synonym.

In aller Regel liegt eine Normalverteilung vor, und die Messunsicherheit legt einen zum Schätzwert der Messgröße symmetrisch liegenden Wertebereich fest.

Ermittlung der Messunsicherheit

Eine Messunsicherheit ergibt sich aus der Kombination von einzelnen Beiträgen (Komponenten) der Eingangsgrößen einer Messung. Laut GUM kann eine Komponente der Messunsicherheit auf zwei Weisen ermittelt werden:^[3][4][5]

• Typ-A: Ermittlung aus der statistischen Analyse mehrerer statistisch unabhängiger Messwerte aus einer Messwiederholung.
• Typ-B: Ermittlung ohne statistische Methoden, beispielsweise durch Entnahme der Werte aus einem Kalibrierschein, aus der Genauigkeitsklasse eines Messgeräts oder aufgrund persönlicher Erfahrungen und vorangegangener Messungen. Auch die Fehlergrenze kann zur Ermittlung der Messunsicherheit vom Typ-B herangezogen werden,^[6] wobei man von einer Rechteckverteilung ausgeht.^[7][8] Es handelt sich um eine A-priori-Verteilung.^[9]

Beide Methoden beruhen auf Wahrscheinlichkeitsverteilungen. Bei Typ-A wird die Varianz durch Messwiederholungen bestimmt und bei Typ-B wird auf andere Quellen zurückgegriffen.^[5] Die Ermittlungsmethode Typ-A folgt der frequentistischen und Typ-B der bayesschen Interpretation der Wahrscheinlichkeit.^[9] Die Ermittlungsmethode Typ-B basiert auf der Bayes-Laplace-Theorie.^[7]

Metrologische Bedeutung

Die Messunsicherheiten in Wissenschaft und Technik sollen drei Aufgaben erfüllen.

• Sie sollen Messresultate objektivieren, indem sie festlegen, in welchem Intervall der wahre Wert der Messgröße zu erwarten ist. Nach klassischer Diktion waren das Konfidenzintervalle, deren Längen von der Höhe eines Vertrauensniveaus abhingen. Die klassische Fehlerrechnung muss um sogenannte unbekannte systematische Messabweichungen erweitert werden. Daher kann der Messunsicherheit nicht auf dieselbe Weise eine Wahrscheinlichkeit zugewiesen werden, wie es bei ausschließlich statistischen Abweichungen möglich ist.

• Das auf diese Weise geschaffene Netz physikalischer Konstanten muss in sich widerspruchsfrei sein, d. h. berechnete man anhand einer gegebenen Verknüpfungsfunktion aus einer Teilmenge von Konstanten eine andere, numerisch bereits bekannte Konstante, so muss die aus der Unsicherheitsfortpflanzung hervorgehende Messunsicherheit wiederum den wahren Wert dieser Konstanten lokalisieren. Messunsicherheiten müssen also der Forderung nach „Rückverfolgbarkeit der wahren Werte“ genügen.

• Messunsicherheiten sollen Theorie und Experiment objektiv vergleichbar machen. Sie werden als Mittel verwendet, eine zur Debatte stehende neue Theorie entweder zu verwerfen oder sie zu bestätigen.

Quantitative Angaben

Ein weiterer Kennwert ist die erweiterte Unsicherheit $ U=k\cdot u $.^[10] Dieser Kennwert kennzeichnet einen Wertebereich, der den wahren Wert der Messgröße mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit enthält. Für den darin enthaltenen Erweiterungsfaktor $ k $ soll vorzugsweise $ k=2 $ verwendet werden.^[10] Bei $ k=2 $ beträgt die Wahrscheinlichkeit ungefähr 95 %.

Im Sonderfall $ k=1 $ spricht man (in Anlehnung an die Bezeichnung Standardabweichung) von einer Standardunsicherheit. Hier beträgt die Wahrscheinlichkeit ungefähr 68 %.

Zur Schreibweise

am Beispiel eines Messergebnisses $ l=23{,}478\,2\;\mathrm {m} $ mit einer Standardmessunsicherheit $ u=0{,}003\,2\;\mathrm {m} $:^[10][11][12]

• Die Angaben werden zusammengefasst zu $ l=(23{,}478\,2\pm 0{,}003\,2)\;\mathrm {m} $,

was gleichbedeutend ist mit einer Spanne von $ 23{,}475\,0\;\mathrm {m} $ bis $ 23{,}481\,4\;\mathrm {m} $.

• Speziell im Zusammenhang mit der Standardunsicherheit gibt es die Kurzschreibweise $ l=23{,}478\,2(32)\;\mathrm {m} $. Hier stehen in Klammern die Ziffern der Standardunsicherheit mit denselben Stellenwerten wie die niederwertigsten angegebenen Ziffern des Messergebnisses. In ^[10][12] findet sich zusätzlich die Schreibweise $ l=23{,}478\,2(0{,}003\,2)\;\mathrm {m} $.

Die Schreibweise mit ± soll bei Unsicherheiten vermieden werden,

wenn nicht klargestellt wird, für welche Kenngröße der Messunsicherheit bzw. für welchen Erweiterungsfaktor sie steht,

weil die Schreibweise mit ± auch für andere Angaben wie den Vertrauensbereich oder Toleranzen verwendet wird.

Hinterfragung der Fehlerrechnung

Die „klassische“ Gauß'sche Fehlerrechnung behandelt ausschließlich zufällige Abweichungen. Indessen hatte schon Gauß auf die Existenz und Bedeutung sogenannter unbekannter systematischer Messabweichungen hingewiesen. Diese entstehen durch zeitkonstante, nach Betrag und Vorzeichen unbekannte Störgrößen, und liegen in der Regel in einer mit den zufälligen Abweichungen vergleichbaren Größenordnung. Unbekannte systematische Messabweichungen müssen mit Hilfe von Intervallen eingegrenzt werden.

Der heutige Mainstream der Metrologie interpretiert den Prozess des Schätzens der Messunsicherheit als „technische Vorschrift“, der einheitlich zu praktizieren ist. Im Bereich des gesetzlichen Messwesens und des Kalibrierdienstes in Deutschland wird empfohlen, Messunsicherheiten nach DIN festzulegen. Dieser Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen entspricht der europäischen Vornorm ENV 13005, welche die Empfehlung der ISO übernimmt; er hat auch unter dem Akronym „GUM“^[12] Bekanntheit erlangt.

DIN V ENV 13005 ist zurückgezogen worden. Der Regelsetzer empfiehlt die Anwendung der „Technischen Regel“ ISO/IEC Guide 98-3:2008-09 Messunsicherheit - Teil 3: Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen.

Exakte Werte

„Exakter Wert“ ist ein Begriff aus der Metrologie. In diesem Kontext haben exakte Werte keine Messunsicherheit und keine systematische Abweichung.

So sind einige fundamentale Naturkonstanten exakt per Definition, andere (noch) nicht, siehe zukünftige Entwicklungen des Einheitensystems. Andere exakte Werte sind (noch) die Masse des Urkilogramms (sie beträgt 1 kg) und die Temperatur am Tripelpunkt des Wassers (273,16 K), siehe Kelvin. Messungen dieser Größen sind schon mit Unsicherheiten verbunden, aber es ist nicht der Zahlenwert unsicher, sondern die Realisierung der durch die Größe und den Zahlenwert definierten Einheit.

Andere exakte Werte sind mathematisch definierte irrationale Zahlen, wie die Kreiszahl $ \pi $ als Verhältnis von Umfang und Durchmesser von Kreisen (in euklidischer Geometrie). Die Verwendung irrationaler Zahlen in Berechnungen führt nicht zu Unsicherheit, aber zu (beherrschbaren) Rundungsfehlern, da sie sich nicht durch Brüche ganzer Zahlen darstellen lassen.

Manche glatte Zahlen in Berechnungen sind exakte Werte, etwa die willkürlich definierten Umrechnungsfaktoren 12 zwischen Troy Pound und Feinunze und 90 zwischen der Größe rechter Winkel und dem Winkelgrad.

Andere glatte Werte sind nur scheinbar exakt, wie der Faktor $ {\frac {1}{2}} $ in der Formel für die kinetische Energie, wobei es sich jedoch um die (meist ausreichend genaue) klassische Näherung handelt.

Siehe auch

• Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement
• Fehler
• Fehlerrechnung
• Messabweichung
• Messgeräteabweichung
• Messunsicherheitsbudget

Literatur

• DIN 1319 „Grundlagen der Messtechnik“

Teil 1: Grundbegriffe (Ausgabe: 1995-01)

Teil 2: Begriffe für Messmittel (Ausgabe: 2005-10)

Teil 3: Auswertung von Messungen einer einzelnen Meßgröße, Meßunsicherheit (Ausgabe: 1996-05)

Teil 4: Auswertung von Messungen; Meßunsicherheit (Ausgabe: 1999-02)

• DIN, Deutsches Institut für Normung e. V. (Hrsg.): Leitfaden zur Angabe der Messunsicherheit beim Messen. 1. Auflage. Beuth Verlag GmbH, Berlin 1995, ISBN 3-410-13405-0
• DIN V ENV 13005:1999-06, Ausgabe 1999-06 „Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen“ Deutsche Fassung ENV 13005:1999, Beuth Verlag GmbH, Berlin
• DIN ISO 5725 „Genauigkeit (Richtigkeit und Präzision) von Messverfahren und Messergebnissen“

Teil 1: Allgemeine Grundlagen und Begriffe (ISO 5725-1 : 1994) (Ausgabe: 1997-11)

Teil 2: Grundlegende Methode für Ermittlung der Wiederhol- und Vergleichpräzision eines vereinheitlichten Messverfahrens (ISO 5725-2:1994 einschließlich Technisches Korrigendum 1:2002) (Ausgabe: 2002-12)

Teil 3: Präzisionsmaße eines vereinheitlichten Messverfahrens unter Zwischenbedingungen (ISO 5725-3:1994 einschließlich Technisches Korrigendum 1:2001) (Ausgabe: 2003-02)

Teil 4: Grundlegende Methoden für die Ermittlung der Richtigkeit eines vereinheitlichten Messverfahrens (ISO 5725-4:1994) (Ausgabe: 2003-01)

Teil 5: Alternative Methoden für die Ermittlung der Präzision eines vereinheitlichten Messverfahrens (ISO 5725-5:1998) (Ausgabe: 2006-04)

Teil 6: Anwendung von Genauigkeitswerten in der Praxis [ISO 5725-6:1994 einschließlich Technisches Korrigendum 1:2001] (Ausgabe 2002-08)

• Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, ISO, Internationale Organisation für Normung
• ISO 21748 „Guidance for the use of repeatability, reproducibility and trueness estimates in measurement uncertainty estimation” (Ausgabe: 2010-10)
• Weise, Klaus; Wöger, Wolfgang: Meßunsicherheit und Meßdatenauswertung. Weinheim: Wiley-VCH 1999. ISBN 3-527-29610-7

Weblinks

GUM

• Allgemeinverständliche Erläuterung der Messunsicherheit (PDF-Datei; 92 kB)
• Guidelines for Evaluating and Expressing the Uncertainty of NIST Measurement Results
• Praxisfibel Messunsicherheit – Grundlagen, Bestimmung nach GUM, Übungen (PDF-Datei; 3,42 MB)

Kritik am GUM und Alternativer Ansatz

• Grabe, M. Ten Theses for a New GUM (PDF-Datei; 236 kB)
• Grabe, M. Gedanken zur Revision der Fehlerrechnung (PDF-Datei; 225 kB)
• Grabe, M. Proposal for a New Error Calculus
• Grabe, M. Measurement Uncertainties in Science and Technology, Springer 2005
• Grabe, M. Generalized Gaussian Error Calculus, Springer 2010 als eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche

Einzelnachweise