KON-C3004 Kone- ja rakennustekniikan laboratoriotyöt 17.11.2017 Mittausepävarmuus ja raportointi Panu Kiviluoma
Mittausepävarmuus Mitä virhelähteitä mittauksessa on? Miten virheet saadaan kvantitatiiviseen muotoon? Miten virheitä voisi pienentää?
Mittausepävarmuus Virhearvio? Kaikkiin mittauksiin sisältyy virheitä! Virhearvioinnin avulla voidaan poistaa virhelähteitä tai vähentää niiden vaikutusta Kuvaa mittausten laatua ja luotettavuutta Auttaa ymmärtämään mittausjärjestelmää paremmin Erottelee virhelähteet toisistaan Parantaa mittaustulosten vertailtavuutta Sopimukset, asetukset ja lait vaativat
Mittausepävarmuus Virhearviomenetelmiä Maksimivirhe summaamalla tunnetut ja arvioidut virheet Keskiarvon keskivirhe Maksimivirhe kokonaisdifferentiaalin avulla Maksimivirhe logaritmisen derivoinnin avulla Virhebudjetti Tulokseen liittyvä epävarmuus
Mittausepävarmuus Virhe = mitattu arvo todellinen arvo Todellinen arvo =? Mitattu arvo - Likiarvo, estimaatti Yleensä keskiarvo - Sisältää virheitä Menetelmä Laitteisto Ympäristö Käyttäjä Mittauskohde Oikea arvo Mitattu arvo Todellinen arvo Absoluuttista virhettä mahdoton määritellä Mittausepävarmuus Mittaustulosten hajonta Millä todennäköisyydellä tulos on jossain rajoissa Mittasuure Mittaväline Ympäristö
Mittausepävarmuus Virhetyypit Karkeat virheet - Laiteviat, luku-/kirjausvirheet, pilkkuvirheet, ulkoiset häiriöt, väärät skaalat jne. Poistetaan tuloksista Systemaattiset virheet - Vääristää tulosta toistuvasti tiettyyn suuntaan - Esim. väärä käyttötapa, olosuhteet, ryömintä, menetelmä, Kalibrointi, (mittausjärjestelyn/mittaajan/mittalaitteen muutos) Satunnaiset virheet - Satunnaista, tilastollista vaihtelua - Esim. resoluutio, kohina, huojunta, värähtely, olosuhteet, Mittausten toisto ja keskiarvostus, laitevalinta, ammattitaito,
Eurolab, Guide to the Evaluation of Measurement Uncertainty for Quantitative Test Results, 2006
Mittausepävarmuus Mittaustarkkuus Accuracy (tarkkuus, todenmukaisuus) - Ulkoinen tarkkuus - Lukeman poikkeama todellisesta arvosta - esim. % FS tai +/- absoluuttinen arvo Precision (täsmällisyys) - Sisäinen tarkkuus - Toistotarkkuus Repeatibility - Toistuvuus - Samat olosuhteet, havaitsijat, laitteet ja menetelmät Reproducibility - Toistettavuus - Eri olosuhteet, havaitsijat, laitteet ja menetelmät Tunnettu jännite 100 V Neljä mittausta: 104, 103, 105, 105 V Ulkoinen tarkkuus 5% (5V) Sisäinen tarkkuus ±1% (ka. 104 V)
Hiltunen et al. Laadukkaan mittaamisen perusteet, MIKES, 2011
Mittausepävarmuus Kalibrointi Ulkoinen tarkkuus Verrataan tunnettuun arvoon - Primaari mitta esim. kansallinen mittastandardi - Sekundaarinen mitta esim. kalibroitu mittalaite Tarkempi kuin kalibroitava laite - Jokin muu tunnettu arvo Esim. massa, aika,
Mittausepävarmuuden määrittäminen 1. Mittausmenetelmän kuvaus Mittasuureet - Tarvittaessa matemaattisesti muiden suureiden avulla - y=f(x 1, x 2,, x n ) Mittausmenetelmät Mittauslaitteet Mittausympäristö Erityistekijät
Mittausepävarmuuden määrittäminen Esimerkki Mitataan akselin halkaisija 10 mittausta Mittaväline näyttää 0,02 mm liikaa Mittausyhtälö - D=D M + ΔD korj
Mittausepävarmuuden määrittäminen 2. Mittauksiin liittyvien virhelähteiden luettelointi Satunnaiset Systemaattiset Miten mittausten toisto vaikuttaa tulokseen?
Mittausepävarmuuden määrittäminen 3. Virhetekijöiden suuruuden mittaaminen, laskeminen tai arvioiminen Spesifikaatiot, valmistajan tiedot Kalibrointitodistukset Omat mittaukset ja vertailut Kokemusperäiset arviot
Mittausepävarmuuden määrittäminen 4. Eliminoidaan karkeat ja systemaattiset virheet Aina systemaattisia virheitä ei voida tai haluta poistaa - otetaan mukaan määritettäessä kokonaisepävarmuutta Jätetään merkityksettömät epävarmuuskomponentit pois (~10 kertaa < suurin komponentti)
Mittausepävarmuuden määrittäminen 5. Epävarmuuskomponenttien suuruuden laskeminen Eri virhetekijöiden keskihajonta - Usein normaali- tai tasajakauma - Helpointa käyttää suhteellisia epävarmuuksia Tyyppi A: Epävarmuus voidaan arvioida käyttäen toistettavien mittausten tilastollisia menetelmiä Tyyppi B: Epävarmuus arvioidaan muilla menetelmillä, esim. kalibrointitodistus
Mittausepävarmuuden määrittäminen a
Mittausepävarmuuden määrittäminen Esimerkki Tyyppi A: Epävarmuus voidaan arvioida käyttäen toistettavien mittausten tilastollisia menetelmiä D M s = u = 10 1 10 1 D 10 Mi ( D DM ) Mi n 1 s 3 ( DM ) = = 4,16 10 mm 10 = 20,042 mm D=D M + ΔD korj (keskiarvo) (otoskeskihajonta) (keskiarvon keskihajonta) Mittaukset 20,04 20,05 20,02 20,06 20,05 20,04 20,03 20,04 20,06 20,03
Mittausepävarmuuden määrittäminen Esimerkki Tyyppi B: Epävarmuus arvioidaan muilla menetelmillä, esim. kalibrointitodistus D=D M + ΔD korj a a 0,015 0,02 0,025 Dkorj = 0,02mm 0,015 D < 0,025 korj u a 0,005 ( D ) = = = 2,89 10 3 mm korj 3 3
Mittausepävarmuuden määrittäminen 6. Kokonaismittausepävarmuuden laskeminen Mittausyhtälön perusteella Suhteellisten epävarmuuskomponenttien neliösumma (toisistaan riippumattomilla epävarmuuskomponenteilla) c 2 2 2 ( u + u + u ) u = + 1 2... n Laajennettu epävarmuus U=ku c k = kattavuuskerroin (2 ~ 95% luotettavuus)
Mittausepävarmuuden määrittäminen Esimerkki Estimaatti D = D D = 20,042 mm 0,02mm M + korj = 20,022 mm Yhdistetty epävarmuus u u u c c c 2 ( ) D ( M ) D D = u D + u( Dkorj) D M D ( ) korj 2 2 ( D) = ( u( DM ) + ( u( Dkorj ) 3 2 3 ( D) = ( 4,16 10 mm) + ( 2,89 10 mm) 2 3 ( ) = 5,07 10 mm 2
Mittausepävarmuuden määrittäminen Esimerkki Laajennettu epävarmuus U ( D) = k u ( D) = 0,01mm k = 2 c Mittaustulos D = D + U ( D) = 20,022 ± 0,01mm k = 2, P = 95%
GUM workbench
GUM workbench
GUM workbench
GUM workbench
GUM workbench
GUM workbench
GUM workbench
Mittausepävarmuuden määrittäminen Lisätietoja: ISO: Guide to the expression of uncertainty in measurement GUM Workbench: www.metrodata.de
Raportointi
Tutkimusraportti Mikä on tutkimusraportin tehtävä? Miksi sellainen tehdään? Kenelle se tehdään? Millä edellytyksillä se toteutuu? Millainen on hyvä tutkimusraportti?
Tutkimusraportti Mikä vaikuttaa? Kenelle? Kollegoille Opinnäytteen tarkastajalle Esimiehelle Maallikoille Rahoittajille Tutkimuksen tavoite? Aikaisempien teorioiden ja tutkimusten suhde tutkittavaan asiaan ja löydöksiin Tutkimuksen huolellisuus ja perusteluketjujen aukottomuus Teorian (uuden tai vanhan) testaaminen Uuden innovaation arviointi Ominaisuuksien arviointi Reaalimaailman ja toimenpiteiden elävä kuvaus Tulosten merkitys akateemiselta ja käytännön kannalta
Tutkimusraportti Mitä raportoidaan? Vastaukset asetettuihin tavoitteisiin Ilmiöt, syyt ja seuraukset - Tukevatko mittaukset ja havainnot teoriaa/oletuksia Todisteisiin pohjautuvat tosiasiat - Ei mielipiteitä Imrad - Introduction - Methods - Results And - Discussion
Tutkimusraportti Tutkimusraportin perusrunko: Johdanto (Introduction) Tausta Tutkimusongelma Tutkimuksen tavoite Tutkimuksen rajaukset Tutkimusmenetelmät Työn tulokset Kirjallisuusselvitys Tekniikan taso aihepiirin alueella, aiemmat tutkimukset Menetelmät (Methods) Koelaitteet ja koekappaleet Koemenetelmän kuvaus mitä ja miten Tulokset (Results) Pelkät tulokset, ei niiden pohdintaa tai arviointia Koeolosuhteet Pohdinnat (Discussion) Yhteenveto
Method and device for in situ runout measurement of calender thermo rolls
Tutkimusraportti Kontrolloidun kokeen raportointi 1. Johdanto 2. Metodin valinta, tiedon keruutekniikoiden valinta 3. Taustalla oleva teoria, malli tai viitekehys 4. Tutkimuskohde 5. Koesuunnittelu ja mittareiden valinta, mittarin laatiminen, validointi ja arviointi 6. Tulokset, tulosten pohdinta, yleistäminen 7. Keskustelu Lähde: Järvinen & Järvinen: Tutkimustyön metodeista, 2004
Tutkimusraportti 1. Johdanto 1. Aihepiirin esittely ja tärkeys 2. Aiheen esittely ja tärkeys Merkitys erityisesti käytännön kannalta 3. Aikaisemman tutkimuksen puutteiden tai ristiriitojen esittely Tieteellinen merkitys 4. (Oman) lähestymistavan esittely ja sen etujen perustelu 5. Omien tutkimustavoitteiden täsmällinen esittely 6. Tulokset Millaisia johtopäätöksiä ajatellaan saatavan ja mihin niitä voidaan soveltaa 7. Muun tutkimuksen jakautuminen lukuihin Lähde: Järvinen & Järvinen: Tutkimustyön metodeista, 2004
Tutkimusraportti 7. Keskustelu 1. Tulosten merkitys ja suhteutus - Kokonaiskuva, vertailu muihin tutkimuksiin - Mitä uutta, mitä erilaista? - Saavutettiinko vai ylitettiinkö tavoite? 2. Rajoitukset - Vinoutumat, puutteet, virheet 3. Käytännön suositukset - Sovellettavuusalue 4. Jatkotutkimusaiheet Lähde: Järvinen & Järvinen: Tutkimustyön metodeista, 2004
Menetelmäkuvaus
Menetelmäkuvaus
Tulosten esittämistapa? Rotation frequency 2.2 Hz 60 Amplitude [µm] 40 20 0 0.0 3.1 6.3-20 -40-60 Angle [rad] Amplitude [µm] 30 25 20 15 10 Talyrond LVDT Eddy current Amplitude [µm] 400 350 300 250 200 150 50 C 100 C 150 C 200 C 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Harmonic component 100 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Cross-section
Photocopy Paper Transparent Film Normal Quality Best Quality Normal Quality Best Quality SD SD SD SD Y-Value Content in µg in µg Content in µg in µg Content in µg in µg Content in µg in µg 10 0.33 0.05 0.05 0.03 0.39 0.04 7.09 0.05 25 0.94 0.02 0.67 0.03 1.83 0.14 4.97 0.05 50 7.02 0.05 3.10 0.02 20.18 0.16 11.13 0.13 100 7.80 0.05 12.77 0.05 24.19 0.15 46.45 0.32
Fig. 4. Microscope images of different samples of riboflavin-water-glycerol printed on a polyester film. (A): 100 per cent dose with normal print quaity. (B): 100 per cent dose with best printing quality. (C): 25 per cent dose with normal print quality. (D): 25 per cent dose with best printing quality.
Väitöskirjapalautetta The following list of notations to the thesis should be taken into consideration before publishing. In General The use of colors to separate different curves in diagrams will cause a los of information on black and white copies or prints. Some Figures taken from literature are not in a good quality. In some figures the physical units are not shown. In several cases long texts could have been reduced when completed by figures, schematics and/or formula to improve readability.
60 50 Amplitude [µm] 40 30 20 Roll1, 220 C Roll2, 220 C Roll3, 200 C Roll4, 110 C Roll5, 110 C 10 0 TS TS+1 TS+2 TS+3 Middle DS-3 DS-2 DS-1 DS Cross-section
Yleisiä ohjeita Ulkona tuli paljon lunta Satoi paljon lunta Pyrytti Jari Tervo Tiivis ilmaisu Karsi adjektiivit (Ei persoonaa esille tehtiin, mitattiin, voidaan päätellä, ) Käytä kuvia ja kaavioita, taulukoita Älä väistele totuutta tai asioita, joita et itse ymmärrä Luetuta teksti jollain toisella "If I Had More Time, I Would Have Written You a Shorter Letter" Blaise Pascal Kill your darlings" Arthur Quiller-Couch
Kokemuksia Pyrkikää tiiviiseen ja selkeään ilmaisuun Ei pitkiä tarinointeja koelaitteesta, koekappaleista, kokeiden etenemisestä jne. Taulukoikaa, listatkaa, käyttäkää kaavioita jne. Varokaa hajanaista, jäsentelemätöntä kuvausta Tieteellisellä raportillakin voi olla selkeä tarina, logiikka, sekä jonkinlainen draaman kaari eli alku, keskikohta ja loppu. Vastuuta ei voi siirtää aikaisempiin raportteihin Loppuraportin täytyy toimia itsenäisesti. Kuvatkaa tutkimusta jälkeenpäin ikään kuin kaikki olisi ollut tarkoin suunniteltua ja hallittua Ei enää koesuunnitelman kuvausta tai epäonnistumisia tai kokeiluja tai muita murheita ellei niillä ole lopputuloksen kannalta jotain merkitystä.
Kokemuksia Tutkimusongelma ja teoriaosuus Määrittelyssä ja tehtävän motivoinnissa puutteita Teoriaosuudessa suurta vaihtelua aina täysin puuttuvista ylenpalttisiin selostuksiin Jokin osa-alue tarkasteltu hyvin kattavasti ja jokin toinen täysin vailla huomiota Menetelmäosuus Yleensä laitteet on hyvin esitetty mutta varsinainen koeprosessi heikommin Mittalaitteiden speksit!
Kokemuksia Tulokset Ei kannata esittää taulukoittain numeerista dataa, varsinkaan ilman mitään selityksiä Jalostakaa tietoa, käyttäkää kuvaajia Pyrkikää esittämään vertailuja, trendejä tms. Välttäkää liikaa, turhaa tai epäoleellista tietoa Muistakaa itsenäisesti toimivat kuva- ja taulukkotekstit Selittäkää kaikki kuvissa ja kuvaajissa esiintyvät termit, suureet ja käppyrät Virhetarkastelu ehkä selvin yksittäinen puute, nimenomaan kvantitatiivinen tarkastelu Kuinka monta desimaalia lukuarvoissa on tarpeen ja kuinka monella niistä on mitään merkitystä?
Kokemuksia Muotoasiat Lähteet usein köykäisiä ja jos niitä on, ne on merkattu tekstiin miten sattuu Ulkoasun ja tekstin viimeistelyssä puutteita, kirjoitusvirheitä, fonttikoot epäyhtenäisiä Kuvien koot Tyhjät alueet sivujen lopussa Yksiköiden osalta esiintyy puutteita tai virheitä jne. Persoona ja puhekieltä lipsahtaa monella mukaan kerrontaan Tarinan kulku
Vuoden 2016 loppuraporteista Puutteita: muuttujien selitykset aukot järjestelmän tai mittausten kuvauksessa, jätetään lukijan etsittäväksi mittalaitteiden ja koekappaleiden speksit epäyhtenäinen ulkoasu, tekstin, taulukoiden ja kuvaajien asettelu mittaustapahtuman epämääräinen kuvaus, millä hetkellä mitäkin, mistä tiedetään, että jokin tapahtuma/tilanne on saavutettu, määrällinen virhearvio, numeeriset perustelut esim. virhetekijöiden huomioonottamattomuudelle kuvien puute teorian ja mittausjärjestelyiden osalta liialliset tuloskuvaajat lukemien esitystapa (esim. desimaalien määrä) teoriaa ei kytketä mittausten suunnitteluun tai tulosten analysointiin kuvaajien yksiköt mittaukseen kuvauksen systemaattisuus, liikaa tekstiä, liian vähän listoja/taulukoita jne. kehitysehdotusten puuttuminen tulosten yleistettävyyden pohtiminen
Vuoden 2016 loppuraporteista Hyvissä raporteissa: teoria tukee tavoitteen, hypoteesin ja mittausten suunnittelua mittausjärjestely kuvattu selkeästi periaatepiirroksia hyödyntäen tulosten merkitystä ja niihin vaikuttaneita tekijöitä on pohdittu teksti ja tarina ovat ulkoasultaan ja rakenteeltaan siistiä, selkeää ja johdonmukaista