Erro de medição

Um erro de medição , em linguagem comum, é "a diferença entre o valor dado pela medição e o valor exato (muitas vezes desconhecido) de uma quantidade" .

Exemplos usuais e fictícios de acordo com esta definição:

  1. a indicação de uma balança doméstica para uma massa certificada de 1  kg é de 990  g . O erro de medição é –10  g .
  2. a distância entre duas paredes, dada por um telêmetro a laser, é de 4,485  m , um valor considerado aqui como exato. O valor medido, no mesmo local, com fita métrica é de 4,5  m . O erro de medição, com a fita métrica, é de 0,015  m ou 1,5  cm .
  3. a diferença em 24 horas entre um relógio controlado por rádio e um relógio de pulso é de 3  s . O erro de indicação do relógio é de 3  s . É provável que seu lead seja de 6  s em dois dias e de 1  min em 20 dias ...

Fontes diferentes da citada fornecem diferentes definições de erro de medição, levando a dificuldades de interpretação.

Diante dessa confusão e do crescimento do intercâmbio de mercadorias em nível global, organismos internacionais ( ISO , BIPM, etc.) propõem, desde 1984, um vocabulário internacional de metrologia , o VIM, que define e especifica os termos a serem usado em metrologia . O erro de medição está incluído neste vocabulário; esta é a principal referência do artigo.

Definição

Em metrologia , em uma medição , um erro de medição é a “diferença entre o valor medido de uma quantidade e um valor de referência” .

NOTA 1 "O conceito de erro pode ser usado quando há um único valor de referência para se relacionar, o que ocorre se uma calibração é realizada usando um padrão cujo valor medido tem incerteza de medição insignificante [em comparação com o resultado esperado] ..." (VIM 2.16 )

NOTA 2 “Erro de medição não deve ser confundido com erro de produção ou erro humano” (VIM 2.16).

Causas de erros

Durante a implementação de um processo de medição, levando a um valor medido, ocorrem erros elementares que afetam o resultado.

Esses erros básicos podem ser revelados pela experiência.

Fatores de erros.

Erro de análise

Expressão

O erro de medição é expresso pela relação

Exemplo:

Uma única medição individual
Valor medido de um bloco padrão com um micrômetro X = 25,012  mm
Valor de referência único do bloco padrão R = 25  mm
Erro de medição Δ = X - R Δ = 0,012  mm

Este erro de medição compreende dois componentes: um componente aleatório Δ A e um componente sistemático S Δ .

A partir de relações anteriores, extraímos

Erro aleatório

“Componente de erro de medição que, em medições repetidas, varia de forma imprevisível.

NOTA 1 O valor de referência para um erro aleatório é a média que resultaria de um número infinito de medições repetidas do mesmo mensurando ... ”

Erro sistemático

“Componente de erro de medição que, em medições repetidas, permanece constante ou varia de forma previsível.

NOTA 1 O valor de referência para um erro sistemático é um valor verdadeiro , um valor medido de um padrão cuja incerteza de medição é insignificante ... ”

Nota: também existe a terminologia “erro de precisão” ou “viés” que é a estimativa de um erro sistemático.

Exemplo

Exemplo industrial fictício: calibração parcial de uma coluna de medição, em um calço classe 1 de 100  mm (padrão de referência). Os desvios de indicação de medições repetitivas do valor de referência 100 são dados em μm.


Cinco medidas individuais
Não. Medido Erro Δ E. Δ A aleatório E. sistemático Δ S
Valor # 1 100,0025 2,5 - 0,4 2,9
Valor # 2 100,0030 3 0,1 2,9
Valor # 3 100,0035 3,5 0,6 2,9
Valor # 4 100,0030 3 0,1 2,9
Valor # 5 100,0025 2,5 - 0,4 2,9
Valor médio 100,0029 2,9 0 2,9

Notamos neste exemplo intencionalmente simplificado que o erro sistemático é constante. Pode ser devido a diferentes causas (indicativas aqui): colocação do bloco padrão na placa e / ou má calibração e folga ou curvatura do apalpador na aproximação da peça e / ou velocidade programada de movimento do apalpador, etc.

Correções

Abordagem estatística

No caso de uma medição, que compreende várias medições individuais, o erro de medição é uma variável aleatória. As leis da estatística podem ser aplicadas a esta medição.

A dispersão das medidas é caracterizada pelo estimador de seu desvio padrão , também conhecido como desvio padrão experimental.

e a dispersão na média pelo estimador de seu desvio padrão


Isso dá para o exemplo, apresentado acima, da calibração parcial da coluna

s = 0,42  µm es Xbar = 0,19  µm .

Com um fator de cobertura igual a 2 (comumente usado no valor da metrologia francesa) temos a dispersão das medidas D e a dispersão do erro médio Δ avg , isso por 5 medidas consecutivas

D = ± 0,84  µm e Δ avg = 2,9  µm ± 0,38  µm .

Esta informação estatística só tem a importância que queremos dar. Pode-se simplesmente apontar que quanto maior o número de medições individuais, melhor será a precisão do erro de medição; aqui, por exemplo: para a única medição n o  1, Δ 1 = 2,5 ± 0,84  µm  ; para a única medida n o  3, Δ 3 = 3,5 ± 0,84  mícrons  ; para as 5 medições consecutivas, Δ avg = 2,9 ± 0,38  µm .

Formulários

No domínio público em geral, alguns exemplos foram dados na introdução; poderíamos acrescentar outros, os atuais, como o erro de medição de termômetros médicos de ouvido; o erro de medição na distância ou velocidade instantânea de um computador de bicicleta ajustado incorretamente; o erro de localizar o GPS do carro na bifurcação da estrada ...

No campo industrial, a busca por erros encontra seu lugar:

Deve-se notar que na produção (ou em análises de laboratório), o erro de medição é "transparente" nas medições: a produção, em conjunto com o departamento de Qualidade, requer meios de medição cuja incerteza (mais raramente o erro) deve ser conhecida e relacionada às tolerâncias das especificações a serem respeitadas. Isso é chamado de capacidade dos meios de medição .

Prospectivo

As aplicações parecem ser cada vez mais limitadas no campo da verificação de instrumentos. Na verdade, o erro de medição é uma abordagem restritiva sobre a dúvida que se pode ter sobre os resultados das medições. Nós negligenciamos, como vimos, os erros relacionados ao padrão e outros erros elementares relacionados aos fatores que influenciam o ambiente. A busca pela incerteza de medição , que tenta levar em conta todas as causas da variabilidade, tende, por sua generalização, a suplantar a busca do erro mais tradicional.

Erro de medição (versão antiga)

Devemos considerar três fontes de erro ( incerteza em inglês):

o erro total sendo Δ = Δ 1 + Δ 2 + Δ 3

Se fizermos a comparação com flechas que atiramos em um alvo:

Metáfora para incerteza de medição: a) dispersão estatística e erro sistemático são pequenos;  b) a dispersão estatística é alta, mas o erro sistemático é baixo;  c) a dispersão estatística é baixa, mas o erro sistemático é alto.


Metáfora para incerteza de medição: a) dispersão estatística e erro sistemático são pequenos; b) a dispersão estatística é alta, mas o erro sistemático é baixo; c) a dispersão estatística é baixa, mas o erro sistemático é alto.

Precisão de medição

O termo "  precisão  " não faz mais parte dos termos de metrologia.

Em um dispositivo analógico, a primeira limitação é a distância entre as graduações; isso pode ser melhorado com um vernier , como em um paquímetro ou certos goniômetros, ou com um parafuso micrométrico como em um palmer . Em um dispositivo digital, essa precisão é dada pelo número de dígitos no display.

Δ 1 é o espaçamento entre as graduações, ou o valor de uma unidade do último dígito do display

Mas pode ser que o fenômeno seja instável ou perturbado por um fenômeno externo aleatório. Então, veremos a agulha oscilar ou os últimos dígitos do display digital mudarem. Isso reduz a precisão da medição, só podemos considerar a parte estável do número obtido. Veja o artigo Relação sinal-ruído .

Ao usar publicações muito antigas para avaliar um evento não reproduzível (o objeto desapareceu ou foi alterado, ou é um único evento), às vezes temos que recorrer a uma escala empírica, como a escala de Mercalli ou Rossi-Forel para terremotos ou a escala de Mohs para a dureza de um material, a avaliação de Δ 1 então se torna difícil; isso só é possível se pudermos nos relacionar com uma escala "moderna" baseada em medições físicas. Por exemplo, tentamos estabelecer uma correspondência entre os danos de um terremoto descrito em escritos antigos e a energia das ondas sísmicas.

Da mesma forma, quando a medição consiste em classificar um fenômeno em uma categoria (por exemplo, o caso de uma pesquisa de opinião ou o inventário de patologias), não é possível definir Δ 1 .

Dispersão estatística

Se o mesmo fenômeno for medido várias vezes com um dispositivo suficientemente preciso, um resultado diferente x i será obtido a cada vez . Isso se deve a fenômenos perturbadores ou, para medições extremamente precisas, à natureza aleatória do fenômeno (caos, incerteza quântica).

Entre os fenômenos disruptivos, podemos contar:

Em um grande número de medidas, podemos considerar que temos uma probabilidade cuja distribuição é gaussiana. O resultado da medição será então a média empírica Ê dos resultados

o quadrado do desvio padrão σ 2 do Gaussiano pode ser avaliado com a variância empírica corrigida  :

O erro devido à dispersão estatística é então estimado por

k sendo uma constante dependendo do nível de confiança , ou seja, do erro admissível.

Em física, geralmente tomamos k = 3, que corresponde a um intervalo de confiança de 99,73%, ou seja, 99,73% dos valores x i estão entre Ê  - Δ x e Ê  + Δ x e 0,27% estará fora desse intervalo; de 1000 medições, apenas três estarão fora do intervalo. Em muitos casos, ficamos felizes em obter k = 2, ou um nível de confiança de 95% (5 medições fora do intervalo por cem medições). Para uma empresa com uma produção enorme, 0,27%, e ainda mais para 5%, ainda pode ser.

Por exemplo, imagine que uma empresa produz peças cujo comprimento ℓ deve ter uma dada precisão ℓℓ; a ferramenta de produção, após o ajuste, produz peças com uma dispersão σ em ℓ;

Veja também os artigos Critérios de dispersão e distribuição normal .

Se houver poucas amostras, um coeficiente maior deve ser usado para levar em consideração o erro cometido na determinação de Ê e de (ver lei estatística de Student ). Também podemos escolher voluntariamente um intervalo de confiança maior ou menor e, portanto, obter um coeficiente maior ou menor. Por exemplo :

Lei do aluno: desvio padrão e nível de confiança
Nível de confiança 5 medidas 10 medidas 20 medidas > 100 medições
(lei normal)
50% 0,73⋅σ 0,70⋅σ 0,69⋅σ 0,67⋅σ
68% 1⋅σ
70% 1,16⋅σ 1,09⋅σ 1,06⋅σ 1,04⋅σ
87% 1,5⋅σ
90% 2.02⋅σ 1,81⋅σ 1,73⋅σ 1,65⋅σ
95% 2,57⋅σ 2,23⋅σ 2.09⋅σ 1,96⋅σ
99% 4,03⋅σ 3,17⋅σ 2,85⋅σ 2,56⋅σ
99,7% 3⋅σ
99,9% 6,87⋅σ 4,59⋅σ 3,85⋅σ 3,28⋅σ
99,999 999 8% 6⋅σ
Nota: os valores são arredondados

Em um gaussiano, a largura total na metade do máximo (FWHM) representa um intervalo de confiança de cerca de 76% (ou 3/4) para um grande número de medições.

No caso de medições físicas ou químicas, a dispersão estatística é avaliada por medições de repetibilidade e reprodutibilidade e, possivelmente, por medições cruzadas interlaboratoriais:

Se a precisão da medição for menor que a dispersão estatística, então o mesmo resultado é sempre medido (exceto para erros de leitura ou uso), cf. infra .

Nota  : No caso de um fenômeno aleatório ( processo estocástico , por exemplo o caso da pesquisa de opinião), não buscamos saber um valor e um erro, mas sim conhecer a distribuição estatística dos valores. Veja também a Lei dos grandes números .

Propagação de erro

O resultado de uma medição é freqüentemente usado para fazer cálculos. Por exemplo, no caso de um radar rodoviário ( velocímetro ), uma mudança de frequência é medida e essa mudança é usada para calcular a velocidade do veículo, com a lei Doppler-Fizeau . É necessário, portanto, a partir do erro cometido na medição do deslocamento de frequência, estimar o erro na velocidade.

Em geral, medimos um valor x e calculamos um valor y = ƒ ( x ); queremos estimar Δ y a partir de Δ x .

Teste de erro e aceitação

A medição é frequentemente utilizada em testes de aceitação, ou seja, o valor medido determina se o objeto atende aos critérios prescritos. Essa noção é bastante ampla:

Em geral, considera-se que um método só pode ser usado se a dispersão estatística for pelo menos 5 ou 10 vezes menor que o valor limite.

Por exemplo :

De um modo geral, a faixa de valores permitidos deve levar em consideração o erro geral. O significado de levar em consideração o erro global depende do tipo de risco que queremos evitar:

Para testar um dispositivo ou procedimento, é verificado se os testes de repetibilidade e reprodutibilidade são compatíveis com a precisão do alvo; para testar um método de medição, é verificado se os testes interlaboratoriais (ou circulares) são compatíveis com a precisão do alvo (veja acima ).

Usando calculadoras

O que acabou de ser feito pode ser feito por cálculo direto com uma calculadora ou planilha (no computador), por meio de gráficos e barras de erro

Tomemos o exemplo do estudo de gases ideais. Se plotarmos P em função de 1 / V, obteremos teoricamente uma linha reta passando pela origem , com a inclinação , ou seja , n e T sendo mantidos constantes (o invólucro ou célula de medição contendo o gás sendo livre de vazamentos controlado termostaticamente com T conhecido a 0,2%), P sendo medido, usando um manômetro , com 5% de erro relativo, e V sendo medido com 2% de erro relativo, para cada ponto de medição experimental (P, 1 / V), extraímos o erro barras que representam o erro absoluto.

PV = nRT.jpg

Um programa de “ajuste” ou ajuste de curva, baseado na ideia de reduzir a distância da reta (ou curva) a todos os pontos experimentais, permite traçar a reta teórica e calcular sua inclinação nRT com um coeficiente de confiança r 2 próximo da unidade, se o ajuste for bom.

É utilizado o " método dos mínimos quadrados ": o programa utilizado soma as distâncias quadradas entre a reta e cada ponto, o mínimo desta soma correspondendo à melhor reta de regressão.

No caso acima, obtemos nRT = 2,54 (1,00 ± 0,07) Joule

Isso permite dizer que em n e T constantes, o experimento confirma que PV é constante dentro de 7% para o gás estudado e que para melhorar este resultado é necessário medir P para melhor que 5% ou V para melhor que 2%.

Notas e referências

Notas

  1. O dicionário indica "erro absoluto" para "erro de medição"; erro absoluto, cujo termo "absoluto" é confuso, não é mais usado em metrologia.
  2. Basta digitar "erro de medição" em um mecanismo de busca para se convencer.
  3. Se a incerteza de medição da norma não for desprezível, é necessário seguir o conceito de incerteza .
  4. a cunha é classe 2, com uma incerteza <± 0,06  µm desprezível aqui.
  5. Se a cunha for simplesmente colocada sobre o mármore, pode haver uma diferença, sensivelmente constante, próxima de um centésimo de mm, em relação a uma cunha "forçada a aderir" à referência, como deve ser feito pelos metrologistas
  6. Veja incerteza de medição
  7. As noções de estatísticas sobre dispersões são consideradas conhecidas; veja os critérios de dispersão
  8. A calibração consiste em corrigir o erro sistemático. Este termo, desaparecido do VIM 2008, ainda está em uso. O termo correto é "ajuste", às vezes também chamado de ajuste.
  9. Deve-se notar que os documentos de verificação industrial, acima, incluem determinações tradicionais de erros, mas também pesquisas por incertezas simplificadas adaptadas às restrições de produção.

Referências

  1. Citação corrigida do dicionário: Le petit Larousse compact ,2000.
  2. Ver o VIM (referenciado na bibliografia) na edição de 1993 (3.10). No VIM 2008, o termo desapareceu.
  3. Coletivo VIM 2008  ; existe uma versão mais atual do VIM, de 2012, com pequenas correções, mas menos fácil de usar.
  4. Coletivo VIM 2008 , p.  22, No. 2.16. ; a definição da edição de 1993 era "Resultado de uma medição menos um valor verdadeiro do mensurando  "
  5. M. Collinet CNAM 1995 , p.  2
  6. Coletivo VIM 2008 , p.  23; n ° 2.19.
  7. Coletivo VIM 2008 , p.  22 n ° 2.17.
  8. Coletivo VIM 2008 , p.  23; n ° 2.18.
  9. De acordo com M. Collinet CNAM 1995 , p.  4
  10. Coletiva AFNOR 1996 , p.  149-173.

Apêndices

Bibliografia

Documento usado para escrever o artigo : documento usado como fonte para este artigo.

Artigos relacionados

links externos