Technisches Glossar

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In unserem Glossar finden Sie Erläuterungen zu relevanten Abkürzungen und Fachbegriffen rund ums Prüfen, Messen und Analysieren.

Messunsicherheit

Als Messunsicherheit wird die Differenz bezeichnet zwischen dem gemessenen Wert einer Messung (Istwert) und der oberen und der unteren Grenze einer zu erwartenden Abweichung von diesem.

Dieser Messwert wird anschließend mit dem Sollwert (Erwartungswert) der Messaufgabe in Korrelation gesetzt und kann mittels einer Definition und Betrachtung von Toleranzgrenzen unter Berücksichtigung von vereinbarten Entscheidungsregeln beurteilt werden.


Inhaltsverzeichnis

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Was versteht man unter Messunsicherheit?

Definition nach der ISO-Norm ISO/IEC 98-3 (dem so genannten Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement „GUM“):
“Messunsicherheit: Parameter, der mit dem Ergebnis einer Messung verbunden ist und der die Streuung der Werte charakterisiert, die vernünftigerweise der Messgröße zugeordnet werden können.“

Den tatsächlichen Wert einer Messung, zum Beispiel den pH-Wert einer Flüssigkeit oder den Durchmesser eines Prüfstückes, bezeichnet man als Messwert oder Istwert. Dieser ist in seiner Maßeinheit (z. B. in Zentimeter [cm]) angegeben. Der einzuhaltende Wert wird Sollwert bzw. wahre Wert genannt.

Es liegt in der Natur aller physischer Materie, dass sie niemals exakt gleich und exakt wie vorgegeben verhält. Aufgrund dieser nicht genau quantifizierbarer bekannten und unbekannten Abweichungen kann der wahre Wert in der Praxis somit niemals mit absoluter Genauigkeit bestimmt werden. Vielmehr ergeben sich bei mehreren Messungen leicht voneinander abweichende Ergebnisse. Dies bezeichnet man als Streuung. Die Messwerte unterliegen also eine Messabweichung (Zufallsfehler) und sind um dies vom Sollwert/wahren Wert entfernt. Die Streuung oder Standardabweichung ist also ein Maß für die zufällige Verteilung der Messergebnisse um den Mittelwert. Das Ausmaß der Streuung gibt die Präzision der Messungen bzw. genauer des Messverfahrens an. Die Abweichung der tatsächlichen Messergebnisse zum wahren Wert wird hingegen als Richtigkeit bezeichnet.

Genauigkeit ist als Oberbegriff für Präzision und Richtigkeit anzusehen und setzt sich aus einer Kombination der systematischen und der zufälligen Messabweichung zusammen.

MESSFEHLER, MESSUNSICHERHEIT und Messabweichung

Was unterscheidet die Begriffe Messfehler, Messunsicherheit und Messabweichung?

Messfehler

Messfehler ist ein älterer Begriff, der manchmal synonym zu dem Begriff der Messunsicherheit verwendet wird, manchmal wird aber auch die Messabweichung als Messfehler bezeichnet. Auch benennt er grob fahrlässige Fehler, wie zum Beispiel die falsche Handhabung der Probe durch den Anwender, Fehler bei der Kalibrierung eines Prüfgeräts oder eine fehlerhafte Justierung.
Der Begriff Messfehler ist also mehrdeutig und wird darum in offiziellen Normen nicht mehr verwendet.

Dennoch findet er im Alltagsgeschehen weiterhin Verwendung. Jedes Messverfahren, jede Art einer Messwertaufnahme beinhalte eine systembedingte Messabweichung. Diese ist immer gleich, hat keinen Einfluss auf die Präzision eines Wertes und verschiebt die Richtigkeit jedoch auf immer gleiche Weise und Entfernung vom wahren Wert weg. Dies wird im Alltagsgebrauch als Systemischer Fehler bezeichnet (korrekt wäre der Begriff „Systematische Abweichungen“).
Als Folge dessen sind für eine Vergleichbarkeit unterschiedlicher Messreihen als Metainformation die Messmethode und/oder die Messgeräte von Nöten.

Hier ein Beispiel:

Um die Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums (wird z. B. in der Luft Wind genannt, bei Flüssigkeiten wird gerne von Durchflussgeschwindigkeit gesprochen) zu ermitteln, gibt es zwei gängige Messmethoden.

A) Die wohl bekannteste ist das Flügelrad: Das Medium treibt kleine Flügelräder an, diese drehen das Messrad, aus der Drehgeschwindigkeit ermittelt sich die Strömungsgeschwindigkeit.

B) Das Hitzdraht bzw. Hitzkugelanämometer: Ein geheizter Draht /Kugel wird in die Strömung gehalten. Ein geschützt gehaltener zweiter Draht /Kugel liegt mit gleicher Aufheizung im Gerät verborgen. Die Umströmung des Mediums bewirkt am Draht /Kugel eine Abkühlung. Aus der Temperaturdifferenz ermittelt sich die Geschwindigkeit.
Systembedingt haben beide Messmethoden ihren eigenen charakteristischen systematischen Messfehler.

Bei Methode A bewirken die Massenträgheit und Reibungseffekte, dass immer eine minimal langsamere Geschwindigkeit angegeben wird. Bei Methode B hat die Umgebungstemperatur einen im Verhältnis zu Methode A bedeutend größeren Einfluss auf das Ergebnis.

Werden nun die Messwerte von Methode A und Methode B an ein und derselben Stelle zum gleichen Moment miteinander verglichen, so wird immer eine merkbare Differenz zwischen den Messungen herrschen. Für eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse gilt dann: Egal mit welcher Methode gemessen wurde, ich vergleiche immer nur mit Werten die mittels gleicher Methode erfasst wurden.
Beide Methoden haben ihre Berechtigung, es obliegt dem beauftragten Messpersonal bzw. dem jeweiligen Qualitätsprüfer, welche Methode im Einzelfall sinnvoller anzuwenden ist.

Messunsicherheit

Die Messunsicherheit beschreibt den Näherungswert, der den Istwert vom wahren Wert unterscheidet. Sie wir immer positiv und ohne Vorzeichen angegeben. I.d.R. liegt sie in der Normalverteilung vor und kann mittels statistischen Methoden und/oder vergleichenden Ringversuchen/Eignungsprüfungen von Laboren untereinander ermittelt werden.

MESSABWEICHUNG

Die Messabweichung ist definiert als die Differenz zwischen dem aktuellen Istwert und dem wahren Wert. Anders ausgedrückt: Der aktuelle Istwert setzt sich zusammen aus dem wahren Wert zuzüglich systematische(n) Abweichung(en) zuzüglich Zufallsfehler. Dabei ist zu beachten, dass die Messunsicherheit immer positiv angegeben wird. Bei den Berechnungen muss also beachtet werden, ob dieser Wert dazugezählt oder abgezogen werden muss.

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Souveräner Umgang mit Messunsicherheiten

Die Messunsicherheit ist also ein inhärenter Faktor jeder Messung, der bei jeder Ermittlung von Messgrößen, wie beispielsweise Fertigungsmaßen, berücksichtigt werden muss. Die Methoden zu ihrer Bestimmung basieren entweder auf rein statistischen Berechnungen (Typ A) oder auf Erfahrungen, und Angaben aus Kalibrierscheinen und Handbüchern (Typ B). Die sichere Einordnung dieser Informationen erfordert praktische Erfahrung. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn bei Messunsicherheiten vom Typ B auf allgemeine Erfahrungen zum Verhalten oder den Eigenschaften des Materials der Probe Bezug genommen wird.

Ein akkreditiertes Prüflabor wie Quality Analysis ist in der Lage, Messunsicherheiten korrekt zu bestimmen und Ihnen die Sicherheit zu geben, die Sie brauchen. In allen Fachbereichen blicken wir auf langjährige Erfahrung zurück. Davon profitieren unsere Kunden selbstverständlich dann in ganz besonderem Maße, wenn die Ermittlung der Messunsicherheit nach einem Verfahren des ISO/IEC Guide 98-3 Typ B erfolgen soll, bei welcher ein fundiertes Wissen über die Eigenschaften des Prüfmaterials und der Prüfmethodik unerlässlich ist.

Um die Erwartungen unsere Kunden bezüglich einer möglichst geringen Messunsicherheit erfüllen zu können, können wir bei Quality Analysis auf langjähre Erfahrung durch alle Fachbereiche hindurch zur Auswahl von Prüfverfahren und Messgeräten zurückgreifen. Diese Kompetenz, im Zusammenhang mit unseren modernen und hochpräzisen Prüfgeräten, sorgen für präzise und richtige Ergebnisse mit den kleinstmöglichen Messunsicherheiten.

Wie wird die Messunsicherheit ermittelt?

Um die Unsicherheit einer Messung zu ermitteln, müssen die einzelnen Komponenten der Eingangsgrößen der Messung jeweils separat ermittelt werden. Dies kann auf zwei Arten geschehen, die in der ISO-Norm ISO/IEC 98-3 (dem so genannten Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement „GUM“) als Typ A und Typ B bezeichnet und beschrieben werden:

TYP A

Bei der Bestimmung der Messunsicherheit nach Typ A handelt es sich um eine statistischen Analyse. Dabei wird eine Messung mehrfach durchgeführt, um mehrere unabhängige Messwerte zu erhalten.

TYP B

Die Bestimmung der Messunsicherheit erfolgt bei Typ B nicht nach statistischen Kenngrößen, sondern auf Erfahrungen von vorherigen Messungen und/oder allgemeines Wissen über die Eigenschaften und das Verhalten von Materialien, Inhomogenität von Proben, Eigenheiten des Prüfverfahrens und der Probenahme, Einflüssen von Umgebungsbedingung (Klima,..) und vieles Mehr. Ebenfalls zum Typ B gehört die Entnahme der entsprechenden Werte aus Unterlagen wie Kalibrierscheinen, Handbüchern oder Herstellerinformationen zur Genauigkeit des Prüfgeräts.

WEITERES VORGEHEN ZUR BERECHNUNG DER MESSUNSICHERHEIT

Um nun aus der Gesamtheit der einzelnen Standard-Messunsicherheiten die Gesamtmessunsicherheit zu bestimmen, müssen die einzelne Unsicherheiten mittels Wahrscheinlichkeitsfunktionen bzw. Statistik-Modellen dargestellt werden. Diese werden dann miteinander in Beziehung gesetzt und unter Berücksichtigung der jeweiligen Sensitivitäten miteinander verrechnet. (Berechnungen für Typ B)

Nach Methode A werden anhand der Messwerte aus vielen Wiederholmessungen mittels des zugrundeliegenden statistischen Modelles die Standardabweichung berechnet. Diese wird mit dem Erweiterungsfaktor k=2 multipliziert und ergibt somit die Gesamtmessunsicherheit.

Zum Beispiel: Eine Messunsicherheit von u=0,1mm bedeutet in der Praxis ±0,1 mm. Multipliziert mit dem Erweiterungsfaktor k=2 ergibt sich daraus die erweiterte Messunsicherheit von U=0,2 mm, welche einem Intervall von ±0,2mm entspricht.

In der Regel wird mit einem Vertrauensbereich von 95 % gearbeitet. Üblicherweise wird von einer Normalverteilung (Gauß-Verteilung) ausgegangen, jedoch sind auch weitere Verteilungen wie z.B. die Student-t-Verteilung üblich.

Welche Bedeutung hat die Messunsicherheit in der Praxis?

Die Messunsicherheit hat Einfluss auf Toleranzen und Bewertungskriterien in Bezug auf die Konformität von Prüfergebnissen und Entscheidungsregeln. Wenn die Messunsicherheit berücksichtig ist, führt es zu einer Einschränkung der Toleranz bei der Konformitätsbewertung.

Da es sich bei der Messunsicherheit immer um ein Intervall handelt, das nach oben und unten vom Erwartungswert abweicht, ist es nicht möglich, die Messunsicherheit einfach aus dem gemessenen Wert „hineinzurechnen“. Stattdessen muss dieses Intervall bei der Festlegung von Toleranzen berücksichtigt werden.

Dazu ein Beispiel: Ausgehend von der Spezifikation eines Motorkolbens legt ein Autohersteller betriebsintern einen bestimmten Durchmesser mit zugehöriger Toleranz für Motorkolben fest. Um in der Praxis die Funktionalität gewährleisten zu können, muss der Autohersteller im Zeichnungseintrag die entsprechende Messunsicherheit zusätzlich berücksichtigen und die Toleranz entsprechend reduzieren. Der Hersteller der Motorkolben muss somit unter leicht verschärften Maß-Anforderung produzieren und liefern. Dabei muss er seine eigene individuelle Messunsicherheit seines Messverfahrens sowie seine und Streuung im Produktionsprozess berücksichtigen. Dies kann zu einer weiteren Reduzierung bei der Maßhaltigkeit beim Hersteller führen.

Summa summarum: Je kleiner die Toleranzen desto teurer ist eine Herstellung. Eine gut kalkulierte kleine Messunsicherheit gibt einem Hersteller mehr Freiheiten bei der Behandlung seiner produktionsbedingten Streuungstoleranzen.

Zur Herausforderung wird dabei vor allem, dass zahlreiche Parameter Einfluss auf die Messunsicherheit nehmen. Eine korrekte Bestimmung bzw. Abschätzung erfordert viel Erfahrung und kann unter Umständen extrem aufwendig werden.

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