آشنایی با عدم قطعیت

تعربف عدم قطعیت

امروزه نتایج آزمون و کالیبراسیون‌هایی که در آزمایشگاه انجام می‌شود؛ بسیار حائز اهمیت است. به‌منظور حصول اطمینان از اعتبار و کیفیت نتایج به‌دست آمده در آزمایشگاه‌های کالیبراسیون و تأیید صلاحیت شده، می‌توان از مفاهیم و ابزارهایی همچون عدم قطعیت اندازه‌گیری و تضمین کیفیت نتایج استفاده کرد.

 

 

 

 

اندازه گیری چیست ؟

اندازه گیری راجع به خاصیت چیزی سخن  می گوید . ممکن است این ویژگی سنگینی یک جسم، گرما و یا طول آن باشد اندازه گیری، عددی را به آن خاصیت نسبت می دهد . اندازه گیریها همیشه با ابزاری مانند خط کش، کرونومتر، ترازو  و دماسنج و … انجام می گیرند به طور طبیعی ، نتیجه یک اندازه گیری از دو قسمت یعنی عدد و واحد اندازگیری  تشکیل شده است.

 

 

 چه چیزهایی یک اندازه گیری محسوب نمی شوند:

بعضی فرآیندها ممکن است یک اندازهگیری به نظر آیند ولی در واقع چنین چیزی نیست. به عنوان نمونه، مقایسه دو رشته ریسمان جهت تعیین ریسمان بلندتر واقعاً یک اندازه گیری محسوب نمی شود. طبیعتا شمارش هم اندازه گیری نیست.

غالبا یک آزمون که به طور طبیعی منجر به جواب بله / خیر یا رد/قبول می شود اندازه گیری به شمار نمی آید. با وجود این ممکن است اندازه گیری ها قسمتی از فرآیندی باشد که به پاسخ یک تست منجر می شود.

 

 

عدم قطعیت اندازه گیری چیست :

عدم قطعیت به عنوان یک مفهوم عمومی اصطلاحی است که عدم اطمینان انسان را در مورد برخی اشخاص یا اشیا منعکس می‌نماید، و بازه‌ی باز میان اطمینان کامل و عدم اطمینان محض را در بر می‌گیرد.

در این بررسی عدم قطعیت یک عامل همراه با نتیجه اندازه‌گیری‏ است که محدوده مقادیری را معین می‌کند که نتیجه اندازه‌گیری‏ می‌تواند داشته باشد و مقدار آن نشان‌ دهنده سطح اطمینانی است که مقدار واقعی مورد اندازه‌گیری‏ شده در محدوده تعیین شده، قرار می‌گیرد.

هدف از محاسبه عدم قطعیت در آزمایشگاه آزمون و کالیبراسیون ایجاد اطمینان از صحت و دقت نتایج آزمون کشش مطابق استاندارد ISO/IEC 17025 می باشد. نتایج حاصل از این بررسی نشان می دهد که عدم قطعیت اندازه گیری می تواند باعث کاهش خطای دستگاه و کارکنان انجام آزمون و افزایش کارایی در آزمایشگاه گردد.

 

 

عدم قطعیت اندازه گیری اطلاعاتی راجع به کیفیت ،کمیت مورد اندازه گیری بیان می کند در حقیقت، عدم قطعیت شک و گمانی است درباره نتیجه هر اندازه گیری پدید می آید.

عدم قطعیت نتیجه اندازه‌گیری از دانش ناقص ما از مقدار نتیجه آزمون و عوامل تأثیرگذار بر آن تشکیل می‌شود. به‌طور کلی کلمه عدم قطعیت با فرضیه عمومی تردید مرتبط است.

عدم قطعیت اندازه‌گیری بیانگر تردید در خصوص اعتبار اندازه‌گیری نمی‌باشد، بلکه وجود دانش در خصوص عدم قطعیت بیانگر اطمینان بیشتر در مورد اعتبار نتیجه اندازه‌گیری است.

همیشه در بسیاری از اندازه گیری ها حتی دقیق ترین آنها جای شک و تردید وجود دارد. در زبان محاوره ای این تردید به صورت عبارت کم و زیاد بیان می شود. مثلا می گوییم این عصا تقریبا ۲ متر است با  سانتی متر کم و زیاد.

 

 

 بیان کردن عدم قطعیت اندازه گیری:

چون ترید در هر اندازه گیری وجود دارد لذا پاسخ به سوالات زیر ضروری به نظر می رسد:

• میزان شک و تردید در اندازه گیری چقدر است؟
• این شک تا چه اندازه نادرست و بی اعتبار است؟

بنابراین برای تعیین عدم قطعیت اندازهگیری به دو عدد یکی فاصله و دیگری سطح اطمینان ( یعنی میزان اطمینانی که مقدار واقعی اندازه گیری در داخل فاصله قرار می گیرد) نیازمندیم.

بعنوان مثال ممکن است بگوییم که طول چوبی در سطح اطمینان ۹۵% برابر ۲۰ سانتی متر، ۱+ می باشد. این نتیسجه را می توان به صورت مقابل نوشت : در سطح اطمینان ۹۵% ، cm 1 +  cm20 . این عبارت بدین معنی است که با اطمینان ۹۵% طول چوب بین ۱۹ و ۲۱ سانتی متر خواهد بود.

 

 

خطا در مقابل عدم قطعیت :

در اندازه گیری کمیت های فیزکی خطا اجتناب ناپذیر است و یا بهتر است گفته شود خطا جزء جدا نشدنی اندازه گیری به شمار می آید. از این رو در اندازه گیری کمیتها به اندازه و نیز منابع خطا باید همواره توجه شود.

به عبارت دیگر مطالعه و شناخت خطا ما را در یافتن روش های کاهش آن برای دستیابی به نتایج بهینه یاری می دهد. به این ترتیب از میزان خطا تا به اندازه ای می توان کاست که از اثر آن بر نتایج به دست آمده از اندازه گیری ، بتوان چشم پوشی کرد.

نکته مهم ان است که اصطلاحات خطا و عدم قطعیت نباید با هم اشتباه شوند. خطا اختلاف بین مقدار اندازه گیری شده و مقدار واقعی کمیت مورد اندازه گیری است . در صورتی که عدم قطعیت تعیین شک و تردید راجع به نتیجه اندازه گیری است. با این حال سعی مان بر این است که تا حد امکان در هر زمانی خطاهای شناخته شده را تصحیح کنیم .

در نتیجه خطا در آزمون یعنی تفاوت بین مقدار اندازه‌گیری شده با مقدار واقعی در صورتی که عدم قطعیت یعنی کمی نمودن تردید درباره اندازه‌گیری. به عنوان نمونه این تصحیحات براساس گواهینامه های کالیبراسیون قابل انجام است. اما هر خطایی که معلوم نباشد منبع عدم قطعیت خواهد بود.

 

 

 

 به طور کلی سه نوع خطا در سیستم به شرخ ذیل تعریف شده است:

 

خطای عمده:

این خطا عمدتا مربوط به خطای انسانی است و در فرایند اندازه گیری این خطا اجتناب ناپذیر است.

خطای سیستماتیک:

میانگین نتایج حاصل از انجام تعداد نامحدودی اندازه گیری یک اندازه ده در شرایط تکرارپذیر منهی مقدار واقعی آن اندازه ده. خطای سیستماتیک از روشهای ناقص، تجهیزات کالیبره نشده یا برخی از متغیرها که نتیجه ی اندازه گیری را هر بار با مقدار ثابتی تغییر می دهند، ناشی می شود.

خطای سیستماتیک می تواند شناخته یا ناشناخته باشد. یک خطای سیستماتیک معلوم یا معین، بایاس نامیده میشود. دو مثال بارز از خطای سیستماتیک، خطای دستگاه اندازه گیری و خطای روش اندازه گیری است.

خطای تصادفی:

نتیجه ی اندازه گیری منهای میانگین نتایجی که از انجام تعداد نامحدودی اندازه گیری یک اندازه ده در شرایط تکرارپذیر به دست می آید.خطای تصادفی از شرایط کنترل ناپذیر آزمایش و منابع ناشناخته ناشی میشود. این خطا در هر بار اندازه گیری، نتیجه ی اندازه گیری را با مقداری متفاوت تغییر می دهد.

دیده شده است که نتایج اندازه گیری حتی پس از درنظر گرفتن تمام خطاهای سیستماتیک از یک خوانده به خوانده ی دیگر تغییر میکند.

چرا عدم قطعیت اندازه گیری مهم است:

به منظور درک بهتر نتایج اندازه گیری و بدست آوردن اندازه گیری های با کیفیت بالا، ممکن است علاقه مند به محاسبه عدم قطعیت اندازه گیری باشیم. با وجود این دلایل خاص دیگری برای محاسبه و گزارش عدم قطعیت وجود دارد.

اندازه گیری ها ممکن است قسمتی از یکی از موارد زیر باشند:

کالیبراسیون : عدم قطعیت اندازه گیری باید در گواهینامه کالیبراسیون گزارش شود.

آزمون : برای تعیین قبولی یا رد نتیجه آزمون می بایست عدم قطعیت اندازه گیری محاسبه و گزارش شود.

تلرانس : ممکن است قبل از اینکه تصمیم گرفته شود که آیا تلرانس مورد نظر بدست آمده نیازمند به دانستن عدم قطعیت باشیم

 

 

منابع خطا و عدم قطعیت

خطاها و عدم قطعیت ها از کجا ناشی می شوند: موارد بسیاری می تواند منجر به اشکال در یک اندازه گیری شود. این عیوب در اندازه گیری ممکن است قابل رویت یا غیرقابل دیدن باشند.

از آنجایی که اندازه گیری ها واقعی هرگز تحت شرایط کاملی بدست نمی آیند لذا منابع ایجاد خطاها و عدم قطعیت ها اندازه گیری از موراد زیر ناشی می شوند:

منابع خطا و عدم قطعیت

ابزار اندازه گیری :

ابزار اندازه گیری ممکن است از خطاهایی مانند اریبیی (تمایل به یک طرف)، تغییرات ناشی از طول عمر، پوسیدگی، خوردگی، سایش یا انواع دیگر انحراف، ناخوانا بودن، اغتشاش و سر و صدا ( در وسایل الکتریکی ) و بسیاری از مشکلات دیگر دچار خرابی شوند.

 جسم مورد اندازه گیری :

ممکن است جسم، پایدار و ثابت نباشد. تصور کنید می خواهید اندازه یک مکعب یخی را در هوای گرم اندازه گیری کنید.

فرآیند اندازه گیری :

ممکن است انجام خود اندازه گیری با مشکلاتی همراه باشد. به عنوان نمونه مشکلات خاص مربوط به اندازه گیری ابعاد یک جسم خیلی کوچک را در نظر بگیرید.

عدم قطعیت های ورودی :

معمولا عدم قطعیت مربوط به کالیبراسیون ابزار اندازه گیری با عدم قطعیت اندازه گیری های بدست آمده ترکیب خواهد شد. قابل ذکر است که عدم قطعیت ناشی از کالیبره نکردن ابزار بسیار مضر می باشد.

 مهارت اپراتور :

بعضی از اندازه گیری ها به مهارت و قضاوت اپراتور بستگی دارد. ممکن است در کار حساس تنظیم کردن و اندازه گیری، دقت شخصی نسبت به دیگری بیشتر بوده یا در خواندن اندازه ها با چشم، جزئیات را بهتر گزارش دهیم.

مثلا استفاده از ابزاری مانند کرنومتر به زمان عکس العمل اپراتور بستگی دارد. قابل ذکر است که این اشتباهات بزرگ و فاحش که از طرف اپراتور ناشی می شود ( خطای اپراتور) جزء منابع ایجاد عدم قطعیت اندازه گیری محسوب نخواهد شد.

 روش نمونه گیری :

اندازه گیری هایی که انجام می دهیم می بایست نماینده شایسته ای از فرآیند مورد ارزیابی باشد. به عنوان مثال اگر قصد اندازه گیری درجه حرارت محیط کار را داریم نباید از دماسنج نصب شده روی دیوار که در نزدیکی تهویه مطبوع قرار دارد استفاده کنیم. همچنین اگر برای اندازه گیری قصد انتخاب نمونه هایی از خط تولید را داریم نباید نمونه های انتخابی از ۱۰ محصولی که در صبح روز اول هفته تولید شده انتخاب گردند.

محیط :

درجه حرارت ، فشار هوا ، رطوبت و شرایط بسیار دیگری می تواند بر ابزار اندازه گیری یا جسم مورد اندازه گیری تاثیر بگذارد.

 

 

تذکرات کلی :

در مواردی که اندازه و اثر خطا معلوم باشد ( مثلا از گواهینامه کالیبراسیون ) می بایست تصحیحی برابر و با علامت مخالف بر روی نتیجه اندازه گیری اعمال کرد. به عنوان مثال اگر خطای دستگاه در گواهینامه کالیبراسیون ۰٫۰۱ و نتیجه ۲ باشد با اعمال تصحیح یاد شده مقدار اندازه گیری شده برابر با ۱٫۹۹ خواهد شد.

اما در حالت کلی ، عدم قطعیت های ناشی از منابع یاد شده و از سایر منابع دیگر هر یک به صورت انفرادی سهمی از عدم قطعیت کلی را به خود اختصاص خواهند داد.

 فرآیند تخمین عدم قطعیت

تخمین عدم قطعیت در اصل ساده می باشد. پاراگرافهایی که در ادامه می آیند کارهای لازم جهت رسیدن به تخمین عدم قطعیت مرتبط با نتیجه اندازه گیری را به طور خلاصه توضیح می دهند.

بخش های بعدی نیز راهنمایی های اضافی و کاربردی در شرایط مختلف را توضیح می دهند، این راهنمایی ها عمدتاً شامل چگونگی استفاده از داده های بدست آمده درون سازمانی و مطالعات صحه گذاری متد مشترک، داده های QC داده های بدست آمده از آزمون مهارت (PT) و استفاده از اصول انتشار عدم قطعیت نرمال می باشند.

 

 

مراحل انجام شده به ترتیب زیر می باشند:

گام ۱ :

تعیین اندازه ده

یک توضیح روشن از آنچه که قرار است اندازه گیری شود را بنویسید. این توضیح میتواند شامل ارتباط بین کمیت اندازه ده و آن دسته از کمیت های ورودی (برای مثال، کمیت های اندازه گیری شونده، ثوابت، مقادیر استاندارد کالیبراسیون و غیره) باشند که اندازه ده به آنها وابسته است.

هر جا که امکان داشته باشد، تصحیح های لازم برای اثرات سیستماتیک شناخته شده را هم لحاظ کنید. اطلاعات مربوط به مشخصات میبایست در روش اجرایی استاندارد (SOP) و یا دیگر تعریفهای متد مرتبط ارائه شده باشند.

گام ۲ :

تعیین منابع عدم قطعیت

منابع احتمالی عدم قطعیت را فهرست کنید. این کار شناسایی منابعی است که میتوانند در عدم قطعیت روی پارامترهای موجود در رابطه ی تعیین شده گام ۱ مشارکت داشته باشند. هر چند منابع دیگری هم ممکن است وجود داشته باشند و در صورت نیاز حتی میبایست منابع احتمالی عدم قطعیت ناشی از فرضهای شیمیایی را نیز لحاظ کرد.

گام ۳ :

تعیین کمی مولفه های عدم قطعیت

اندازه مولفه عدم قطعیت مرتبط با هر منبع احتمالی عدم قطعیت شناسایی شده را تخمین بزنید. اغلب، امکان تخمین یا تعیین یک سهم تک برای عدم قطعیت مرتبط با تعداد زیادی منابع جدا از هم، با استفاده از داده های مطالعات صحه گذاری و دادههای QC و غیره وجود دارد.

استفاده از یک چنین داده هایی، کار لازم برای تخمین عدم قطعیت را به طور قابل ملاحظه ای کاهش می دهد، و چون در انجام این کار از داده های آزمایشگاهی واقعی استفاده می شود، لذا می تواند به تخمین های قابل اعتماد از عدم قطعیت نیز بینجامد.

همچنین مهم است این نکته را در نظر بگیریم که آیا داده های موجود، توضیح کافی در مورد تمام منابع عدم قطعیت را ارائه می دهند یا نه، نکته دیگر آن که بعضی وقتها برای کسب اطمینان از این که آیا تمام منابع عدم قطعیت لحاظ شده اند یا نه به آزمایش ها و مطالعات اضافی دیگری نیاز خواهیم داشت.

گام ۴ :

محاسبه عدم قطعیت مرکب

اطلاعات بدست آمده از گام ۳، چه مرتبط با منابع تک یا مرتبط با اثرات ترکیبی چندین منبع باشند، در هر حالت شامل تعدادی از مولفههای با مقدار معین و سهیم در عدم قطعیت کل خواهند بود.

مقدار هر یک از سهم ها می بایست به شکل انحراف استاندارد بیان و سپس بر اساس قوانین خاصی با یکدیگر ترکیب شده تا منجر به عدم قطعیت استاندارد مرکب شوند. برای رسیدن به عدم قطعیت بسط یافته، فاکتور پوشش مناسب نیز می بایست اعمال شود.