MITTAUS JA VIRHELÄHTEET MITTAAMINEN MITTAAMISEEN LIITTYVIÄ KÄSITTEITÄ. Hanna-Riitta Kymäläinen

Transkriptio

1 MITTAUS JA VIRHELÄHTEET Hanna-Riitta Kymäläinen Helsingin yliopisto Maatalous-metsätieteellinen tiedekunta Agroteknologian laitos MITTAAMINEN Mitä mittaaminen on? Aiemmin määritellyn standardin ja mitattavan kohteen vertailua Havaintoaineiston tuottamista: numeerinen, sanallinen, kuva Millä voidaan mitata? Esimerkkejä: Fyysisellä mittavälineella, esim mittanauha Fyysisellä mittalaitteella, esim. vaaka Aistinvaraisesti käyttämällä kuvaa. tms vertailuapua: esim. harmaa-asteikko, mallitaulut Ihmistieteen menetelmin: esim. haastattelulomakkeen avulla MITTAAMISEEN LIITTYVIÄ KÄSITTEITÄ Mittaamiseen, sen tarkkuuteen ja virheisiin (epävarmuuteen) liittyy suuri määrä käsitteitä Käsitteitä on moneen käyttötarkoitukseen ja monesta näkökulmasta Mittaamiseen tyypillisesti liittyvän teknisen aspektin vuoksi monet niistä ovat insinöörikieltä (vastavasti kemia) Käsitteissä on päällekkäisyyttäkin Muutama tärkeä käsite on esitetty sanastossa luennon lopussa Et välttämättä tule tarvitsemaan kaikkia käsitteitä, mutta on silti hyvä olla tietoinen niiden olemassaolosta (termisanasto) Standardien ym. testausohjeiden ymmärtämisessä Testausselosteiden ymmärtämisessä ja tulkinnassa Mittalaitteiden käytössä Testauksen ja kokeellisen tutkimuksen suunnittelussa, toteutuksessa, raportoinnissa ja arvioinnissa 1

2 DATASTA YMMÄRRYKSEEN Data Sarja havaintoja tai mittaustuloksia Tieto (information) Hyödyllinen tieto Data, jota voidaan käyttää johonkin Tulokset, jotka saadaan datan käsittelyn jälkeen (tilastollinen tulkinta, vertaaminen esim. käyrässä) Tietämys (knowledge) Edellyttää ymmärryksen Tiedon ymmärtäminen, soveltaminen Selittäminen, ennustaminen, mallinnus MITTAUKSEN LUOTETTAVUUDEN PERUSKÄSITTEET a b Validiteetti (suom. kelpoisuus, oikeellisuus) Mitataanko oikeaa asiaa? Mittalaitteen tai menetelmän soveltuvuus halutun asian mittaamiseen Reliabiliteetti (suom. luotettavuus, käyttövarmuus) Ovatko mittaustulokset toistettavia? Yleistermi menetelmän toimivuudelle, luotettavuudelle, tarkkuudelle Reliabiliteettiin liittyviä käsitteitä on runsaasti, ks. sanasto KAIKISSA TUTKIMUSPROSESSIN VAIHEISSA VOI TAPAHTUA VIRHEITÄ 1. Tutkimuksen tavoitteen ja laajuuden määrittäminen 2. Koemateriaalin hankinta 3. Otanta ja näytteenotto 4. Huolittelu 5. Puhdistaminen ja lisäaineiden poisto 6. Merkitseminen 7. Esi-ilmastointi ja ilmastointi 8. Esikokeet 9. Testin suoritus 10.Raportointi 2

3 MITTAUSVIRHE Mikä on (mittaus)virhe? = oikeastaan epätarkkuus = mittaustuloksen ja oikean arvon välinen ero Tuloksen epävarmuus ilmoittaa ääriarvot, joiden välissä oikea tulos on tietyllä todennäköisyydellä Oikea arvo = 297 mm Mitattu arvo 300 mm 1,5 mm 1,5 mm VIRHEIDEN TYYPIT 1. Karkeat virheet eli kömmähdykset eli mokat Johtuvat huolimattomuudesta tai epäkuntoisista mittalaitteista Pyrittävä eliminoimaan 2. Systemaattiset virheet Johtuvat yleensä mittalaitteiden tai mittausmenetelmän puutteista Pyrittävä eliminoimaan 3. Satunnaiset virheet (nimitetään joskus kohinaksi) Kaikkeen mittaamiseen välttämättä kuuluvat tilastolliset vaihtelut Virheiden tyyppejä datan käsittelyssä Absoluuttinen virhe = tarkan (297 mm) ja likimääräisen arvon (300 mm) erotus (= 3 mm) Suhteellinen virhe = absoluuttinen virhe suhteessa tarkkaan arvoon (3 mm / 297 mm 1,0 %) 297 mm 300 mm 5,865 5,9 5,8 6 Pyöristysvirhe (ja katkaisu) Lasku(kaava)virhe Ohjelmavirhe 5 3

4 VIRHELÄHTEET Tutkittavan materiaalin vaihtelu Testimenetelmästä johtuva vaihtelu Tutkija Lämpötila ja kosteus, valaistus ja muut koeolosuhteet Testauslaitteet, mittalaitteet Näytekoko Mittauksen kesto, nopeus ym. VIRHEIDEN JA EPÄTARKKUUDEN HALLINTAKEINOJA Hyvin suunniteltu on paremmin tehty Aiheeseen perehtyminen, koesuunnittelu, esikokeet ( ) Standardien käyttö ( ) Mittausolosuhteiden hallinta ( ) Soveltuvien mittalaitteiden valinta ( ) Mittalaitteiden (tai mittaajan!) huolto ja kalibrointi ( ) Otantamenetelmät ( ) Huolellinen laboratoriotyöskentely ( ) Toistokokeet ( rinnakkaiskokeet ) ( ) POA, virheanalyysi ja virheiden selvittäminen ( ) Tilastolliset analyysit ( ) Validointi ( ) LOPUKSI Tällä luennolla on käsitelty mittaamista, siihen liittyviä virhelähteitä ja niiden hallintaa. Tämä teema on välttämätön, jos haluaa ymmärtää, mitä testaus pohjimmiltaan on. Lisäksi työ tekijäänsä neuvoo, eli käytännön laboratoriotyöskentely opettaa ja käsitteet muuttuvat havainnollisiksi. On syytä muistaa, että testaus ei pohjaudu virheisiin, vaan tutkimusongelman ratkaisemiseen, siis testauksen tavoitteeseen tähtäämiseen ja pääsemiseen. Virheiden huomioon ottaminen ei tarkoita niiden itsetarkoituksellista korostamista. Ei itseruoskintaa! 4

5 Lähteet Hautala, M Fysiikkaa pellosta pöytään. Helsingin yliopisto, MMTEK-laitos. Holman, J.P Experimental methods for engineers. McGraw-Hill. Jaarinen, S. & Niiranen, J Laboratorion analyysitekniikka. Edita. Karttunen, H Datan käsittely. CSC, Yliopistopaino. Saville, B.P Physical testing of textiles. Woodhead Publishing Ltd, England. Smith, B.F. & Block, I Textiles in perspective. Prentice- Hall, USA. SFS Testaustulosten esittäminen. TEHTÄVIÄ JA HARJOITUKSIA 1. Pohdi, mitkä tekijät vaikuttavat inhimilliseen toimintaan ja inhimillisiin virheisiin a) yleensä, b) testauksessa. 2. Luettele kunkin 3 virhetyypin hallitsemiseen soveltuvia keinoja. 3. Mieti keinoja, joilla voit varmistaa, että mittalaite toimii moitteettomasti. 4. Vertaa viiden samaa asiaa mittaavan mittalaitteen, esim. vaa an tai lämpömittarin tuottamaa mittaustulosta samasta mittauskohteesta. 5. Pohdi, mitä teet, jos testattavaan asiaan a) ei ole standardia, b) on standardi, mutta et voi toteuttaa kaikkia standardissa vaadittavia seikkoja. 6. Pohdi ja selvitä, mitä tarkoittavat laatu ja laadunhallinta. Miten laatu liittyy mittaamiseen ja mittausepävarmuuteen? MITTAAMISEEN JA TARKKUUTEEN LIITTYVIÄ KÄSITTEITÄ precise Täsmällisyys (precision) a) Yleistermi, joka kuvaa testien välistä vaihtelua, toistettavuutta ja uusittavuutta b) Mittarin kyky tuottaa tietty lukema halutulla tarkkuudella. c) Pienin muutos mitattavassa kohteessa, joka tuottaa havaittavan muutoksen mittausignaalissa (inputissa) Tarkkuus (accuracy) Mitatun arvon ja todellisen (tai oletetun) arvon välinen läheisyys tai yhteensopivuus Mittarin kyky mitata oikea arvo Voidaan parantaa kalibroimalla accurate 5

6 MITTAUSSANASTOA Toistettavuus (repeatability) Mittarin kyky antaa sama tulos mitattavasta suureesta Samoissa mittausolosuhteissa, samasta näytteestä, samalla menetelmällä saatujen koetulosten (keski)hajonta Uusittavuus (reproducibility) Samalla menetelmällä, samasta näytteestä muutoin eri olosuhteissa (esim. eri laboratoriossa) saatujen tulosten hajonta MITTAUSSANASTOA Aikavakio (time constant) Aika, jonka mittalaite tarvitsee saavuttamaan lopullisen arvon Sähköisissä mittalaitteissa usein pieni Mekaanisissa laitteissa, esim. elohopealämpömittarissa tai hiushygrometrissä usein suhteellisen suuri Resoluutio (resolution) Precision (täsmällisyys) suhteessa mittalaitteen toiminta-alueeseen (range) Kalibrointi Mittalaitteen outputia (ulostuloa) verrataan mittastandardiin MITTAUSSANASTOA Herkkyys (sensitivity) Mittalaitteen signaalin (outputin, ulostulon) muutoksen suhde pitoisuuden muutokseen (inputiin, syötteeseen) Pienin muutos mitattavassa suureessa, joka tuottaa muutoksen mittarin lukemassa Määritysraja (limit of quantification) Analyytin pienin pitoisuustaso, jolla voidaan tehdä kvantitatiivisia mittauksia tietyllä tilastollisella varmuudella Johdetaan usein toteamisrajan avulla Toteamisraja (limit of detection) Analyytin pitoisuus, jonka antama ilmaisimen signaali on 3x nollanäytteen keskihajonnan suuruinen 6