Mõõtemääramatus

Mõõtemääramatus on mõõtetulemuse omadus, mis iseloomustab mõõtesuuruse juhuslikust iseloomust tingitud kahtlust mõõtetulemuse kehtivuses. Mõõtemääramatus väljendub füüsikalise suuruse mõõtetulemuse esitamisel hinnanguna selle mõõtetulemuse kvaliteedile. Mõõtemääramatus näitab mõõtesuurusele põhjendatult omistatavate väärtuste tõenäosusjaotust. Mõõtemääramatus ei ole mõõtmisviga ega mõõtehälve. Mõõteviga on mõõtetulemuse erinevus tegelikust suurusest. Kuna tegelik suurus pole teada, siis on ka mõõteviga ebatäpne ning seetõttu on tegemist ideaalmõistega. Mõõtehälve on mõõtetulemuse ja tugiväärtuse (nt etaloni suuruse) vahe. Erinevalt mõõtevea ja mõõtehälbe hindamisest lähtutakse mõõtemääramatuse hindamisel teadmisest, et mõõtetulemus on mõõtesuuruse väärtuse parim hinnang. Varem oli laialt levinud mõiste suuruse tõeline väärtus ja mõõteviga, millest lähtus mõõtetulemuse analüüs. Mõõtemääramatuse hindamine on metroloogias suhteliselt uus kontseptsioon. Mõõtetulemuse määramatuse hindamine on oluline nii teaduslikes uuringutes kui ka tehnika ohutuse tagamises.
Mõõtemääramatuse allikad.
Mõõtemääramatuse hindamisel lähtutakse eelkõige sellest, et mõõtetulemus mõõtepiirides on mõõtesuuruse parim hinnang. Mõõtemääramatuse hindamisel peab arvesse võtma kõik mõõtetulemust iseloomustavad komponendid. Määramatuse komponente võidakse jaotada juhuslikeks ja süstemaatilisteks, kuid selline jaotus pole selgepiiriline. Juhuslik viga võib muutuda süstemaatiliseks, seega selguse mõttes on eelistatum jaotada määramatuse hindamise meetodeid, mitte komponente. Mõõtetulemust mõjutav komponent, mis on väljaselgitamata, annab oma panuse veasse. Seetõttu ka pärast tuntud süstemaatiliste hälvete kõrvaldamist esineb mõõtemääramatus. Mõõtemääramatuse allikateks on:
Määramatuse allikaid on isegi rohkem ja nad võivad olla omakorda üksteisest sõltuvad.
Viga.
Varem eelistati mõõtetulemuse analüüsil vea analüüsimist. Viga formula_1 on mõõtetulemuse "xm" erinevus tema tegelikust suurusest "xt" ,(formula_1 = xm – xt). Seda suurust me tegelikult ei tea, seepärast tarvitatakse veahinnanguna piirviga, milleks nimetatakse vähimat suurust "Δx", mille puhul võib kindel olla, et see on võrdne või suurem kui definitsiooni kohane viga formula_3). Piirviga ei saa mõõta ega välja arvutada, kuid teda saab vähem või rohkem põhjendatult hinnata. Piirviga ei tohi vaadata kui absoluutselt kindlat mõõtevea ülempiiri. Piirvea täpsust iseloomustab tõenäosus, mida nimetatakse usaldusnivooks "α". Piirveaga esitatakse mõõtetulemus järgmiselt: "x= xm± Δxα". Suurust "Δxα" nimetatakse absoluutpiirveaks, mille suhet omakorda mõõtetulemusse, "Ex=Δxα/( xm )×100%", nimetatakse suhtpiirveaks. Mõõteriista puhul nimetatakse absoluutpiirviga ka näiduhälbeks või lihtsalt absoluutveaks.
Mõõtemääramatuse hindamise meetodid.
Mõõtemääramatuse hindamisel hinnatakse määramatuse komponente. Osasid komponente saab hinnata mõõdiste statistilisest jaotusest lähtudes, ning neid saame iseloomustada mõõtmise käigus leitud eksperimentaalse standardhälbega. Sellist lähenemismeetodit nimetatakse A-tüüpi hindamismeetodiks. B-tüüpi hindamismeetodiks nimetatakse komponente, mida saab ka iseloomustada eksperimentaalse standardhälbega, kuid mille tõenäosusjaotust teame kogemuslikult või kindlate allikate põhjal. Mõlemad meetodid põhinevad tõenäosusjaotusel ja mõlema abil saadud mõõtemääramatuse komponendid esitatakse kas dispersiooni või standardhälbe hinnanguna. Selline esitusviis rõhutab, et kõik mõjurid, mis annavad oma panuse mõõtetulemuse määramatusesse, on juhuslikud suurused.
Standardmääramatus.
Standardmääramatuseks nimetatakse määramatust, mis antakse standardhälbe kujul.
Standardmääramatuse A-tüüpi hindamine.
Standardmääramatuse arvutamiseks viiakse läbi mitmeid kordusmõõtmisi samades mõõtmistingimustes. Mõõdetava suuruse mõjurite muutumine on juhuslik ja seetõttu on kordusmõõtmiste tulemused üldjuhul erinevad. Mida suurem on kordusmõõtmiste arv, seda väiksem on määramatus. A-tüüpi hindamismeetodi abil saadud määramatuskomponenti iseloomustab jaotuskõvera laiuse ehk dispersiooni hinnang "u2". Dispersioon hinnangu saab arvutada mõõteseeriast eksperimentaalse dispersiooni "s2 kujul", mis avaldub valemist formula_4). Eelmine valem iseloomustab mõõteväärtuste hajusust aritmeetilise keskmise suhtes, mille parim hinnang avaldub valemiga formula_5, kus "uA" tähistab A-tüüpi mõõtemääramatust.
Standardmääramatuse B-tüüpi hindamine.
B-tüüpi hindamismeetodi puhul eeldatakse, et vastav suurus allub tõenäosusjaotusele. Selle dispersiooni arvkarakteristikule leitakse hinnang toetudes kättesaadavale infole suuruse võimalike väärtuste muutumise kohta. Vajalik informatsioon on näiteks üldteadmised materjali või mõõteriista omaduste kohta, kogemuslikud teadmised, mõõtevahendite kasutusjuhendid ning mõõtmisega seotud dokumentides esitatud andmed. B-tüüpi määramatuse leidmiseks arvutatakse välja mõõteriista absoluutpiirviga, mille arvutusvalem on enamasti kirjas mõõteriista kasutusjuhendis. Täiendavalt on vaja teha kindlaks, kuidas mõõdised konkreetse mõõteriista puhul jaotuvad. Vastav informatsioon on üldjuhul kättesaadav mõõteriista juhendis või põhineb kogemuslikel teadmistel varasematest mõõtmistest. Mõõteriistade puhul eeldatakse, et mõõtetulemused jaotuvad ühtlase jaotuse alusel. B-tüüpi määramatus avaldub ühtlase jaotuse korral valemiga formula_6 on absoluutpiirviga ja formula_7 väljendab ühtlase jaotuse standardhälvet.
Liitmõõtemääramatus.
Liitmõõtemääramatust nimetatakse vahel ka C-tüüpi määramatuseks (C tuleneb ingliskeelsest sõnast "combined" – kombineeritud). Liitmõõtemääramatus "uC" saadakse A- ja B-tüüpi määramatuste liitmisel. Liitmääramatuse mõiste eesmärgiks on eristada mõõtetulemuse määramatust teistest mõõtefunktsioonis esinevate suuruste määramatusest. Liitmõõtemääramatus avaldub lihtsamal juhul valemiga formula_8. Üldisem valem sõltumatute sisendsuuruste korral formula_9, kus formula_10 on "i"-nda mõõtetulemuse "y" dispersioon. Omavahel sõltuvate sisendsuuruste puhul tuleb arvestada nende suuruste vahelist korrelatsioonimäära, mida väljendab korrelatsioonikordaja. Kahe korreleeruva sisendsuuruse Xi ja Xk liitmääramatuse hinnang avaldub valemiga formula_11, kus "ci" on "i"-nda mõõtesuuruse tundlikkustegur, "u(xi )" ja "u(xk )" vastavalt "i"-nda ja "k"-nda suuruse standardmääramatus ning formula_12 "xi" ja "xk" vaheline korrelatsioonitegur.
Laiendmääramatus.
Mõõtepraktikas on liitmääramatus määramatushinnangu esmane esitusviis. Määramatuse täiendavat mõõtu, mis annab mõõtesuuruse teatud usaldatavusega vahemikuna, nimetatakse laiendmääramatuseks U. See avaldub liitmääramatuse formula_13 ja katteteguri "k" korrutisena formula_14. Kattetegur iseloomustab väljundvahemiku usaldatavustaset. Tavaliselt kuulub "k" vahemikku 2–3. Kõige parem oleks valida "k" vastavalt kindlale usaldatavustasemele nagu 95% ja 99%. Katteteguri valikut lihtsustavad kogemuslikud teadmised mõõtetulemuse rakendustest. Laiendmääramatus on oluline ohutus- ja tervishoiunõuete tagamisel aga ka tööstus- ja teadusvajaduste rahuldamiseks.
Esitamine.
Tulemuste esitamine sõltub kasutussihist, kuid tasub lähtuda põhimõttest, et informatsiooni liigsus on parem kui selle puudulikkus. Määramatuse hinnangu esitamisel tuleks:
Mõõtetulemus ise esitatakse kujul 
"x" = mõõtetulemus(mõõtemääramatus) mõõtühik.
Näiteks terasplaadi paksus "l" = 10,02(0,35) mm.