الفرق بين عدم اليقين في القياس وخطأ القياس

يُعدّ عدم اليقين في القياس والخطأ من المفاهيم الأساسية التي تُدرس في علم القياس، كما أنهما من المفاهيم المهمة التي يستخدمها فاحصو القياس. ويرتبطان ارتباطًا مباشرًا بموثوقية نتائج القياس ودقة واتساق نقل القيمة. مع ذلك، يخلط الكثيرون بينهما أو يسيئون استخدامهما بسبب غموض المفاهيم. تجمع هذه المقالة بين خبرة دراسة "تقييم عدم اليقين في القياس والتعبير عنه" للتركيز على الفروق بينهما. أول ما يجب توضيحه هو الفرق المفاهيمي بين عدم اليقين في القياس والخطأ.

عدم اليقين في القياس هو ما يميز تقييم نطاق القيم التي تقع فيها القيمة الحقيقية للقيمة المقاسة.يُحدد هذا المقياس النطاق الذي قد تقع فيه القيمة الحقيقية وفقًا لاحتمالية ثقة معينة. ويمكن أن يكون الانحراف المعياري أو مضاعفاته، أو نصف عرض النطاق الذي يُشير إلى مستوى الثقة. وهو ليس خطأً حقيقيًا محددًا، بل يُعبّر كميًا عن جزء من نطاق الخطأ الذي لا يُمكن تصحيحه في صورة معلمات. وهو مُشتق من التصحيح غير الكامل للتأثيرات العرضية والمنهجية، ويُعدّ مُعامل تشتت يُستخدم لوصف القيم المقاسة التي تُنسب بشكل معقول. يُقسم عدم اليقين إلى نوعين من مُكوّنات التقييم، أ و ب، وفقًا لطريقة الحصول عليهما. مُكوّن التقييم من النوع أ هو تقييم عدم اليقين الذي يتم من خلال التحليل الإحصائي لسلسلة الملاحظات، بينما يُقدّر مُكوّن التقييم من النوع ب بناءً على الخبرة أو معلومات أخرى، ويُفترض وجود مُكوّن عدم يقين مُمثل بانحراف معياري تقريبي.

في معظم الحالات، يشير الخطأ إلى خطأ القياس، وتعريفه التقليدي هو الفرق بين نتيجة القياس والقيمة الحقيقية للقيمة المقاسة.يمكن تقسيم الأخطاء عادةً إلى فئتين: الأخطاء المنهجية والأخطاء العرضية. الخطأ موجود بشكل موضوعي، وينبغي أن تكون له قيمة محددة، ولكن بما أن القيمة الحقيقية غير معروفة في معظم الحالات، فلا يمكن معرفة الخطأ الحقيقي بدقة. نسعى فقط إلى إيجاد أفضل تقريب للقيمة الحقيقية في ظل شروط معينة، ونسميها القيمة الحقيقية المتعارف عليها.

من خلال فهم المفهوم، يمكننا أن نرى أن هناك اختلافات رئيسية بين عدم اليقين في القياس وخطأ القياس، وهي كالتالي:

1. الاختلافات في أغراض التقييم:

يهدف عدم اليقين في القياس إلى الإشارة إلى مدى تشتت القيمة المقاسة؛

إن الغرض من خطأ القياس هو الإشارة إلى مدى انحراف نتائج القياس عن القيمة الحقيقية.

2. الفرق بين نتائج التقييم:

عدم اليقين في القياس هو مُعامل غير مُوَقَّع يُعبَّر عنه بالانحراف المعياري أو مضاعفاته أو نصف عرض فترة الثقة. ويتم تقييمه من قِبَل الأفراد بناءً على معلومات مثل التجارب والبيانات والخبرة. ويمكن تحديده كميًا بنوعين من طرق التقييم، أ و ب.

خطأ القياس هو قيمة موجبة أو سالبة، وقيمته هي الفرق بين نتيجة القياس والقيمة الحقيقية المقاسة. ولأن القيمة الحقيقية غير معروفة، فلا يمكن الحصول عليها بدقة. وعند استخدام القيمة الحقيقية المتعارف عليها بدلاً من القيمة الحقيقية، لا يمكن الحصول إلا على القيمة المقدرة.

3. اختلاف العوامل المؤثرة:

يتم الحصول على عدم اليقين في القياس من قبل الناس من خلال التحليل والتقييم، لذلك فهو مرتبط بفهم الناس للكمية المقاسة، مما يؤثر على الكمية وعملية القياس؛

توجد أخطاء القياس بشكل موضوعي، ولا تتأثر بالعوامل الخارجية، ولا تتغير بتغير فهم الناس؛

لذا، عند إجراء تحليل عدم اليقين، ينبغي مراعاة جميع العوامل المؤثرة بشكل كامل، والتحقق من تقييم عدم اليقين. وإلا، فقد يكون عدم اليقين المُقدَّر كبيرًا بسبب عدم كفاية التحليل والتقدير، حتى وإن كانت نتيجة القياس قريبة جدًا من القيمة الحقيقية (أي أن الخطأ صغير)، أو قد يكون عدم اليقين المُعطى صغيرًا جدًا عندما يكون خطأ القياس كبيرًا في الواقع.

4. الاختلافات بطبيعتها:

ليس من الضروري عموماً التمييز بين خصائص عدم اليقين في القياس ومكونات عدم اليقين. إذا لزم التمييز بينهما، فينبغي التعبير عنهما على النحو التالي: "مكونات عدم اليقين الناتجة عن التأثيرات العشوائية" و"مكونات عدم اليقين الناتجة عن تأثيرات النظام"؛

يمكن تقسيم أخطاء القياس إلى أخطاء عشوائية وأخطاء منهجية وفقًا لخصائصها. وبحسب التعريف، فإن كلا النوعين من الأخطاء، العشوائية والمنهجية، يُعتبران مفهومين مثاليين في حالة وجود عدد لا نهائي من القياسات.

5. الفرق بين تصحيح نتائج القياس:

يشير مصطلح "عدم اليقين" في حد ذاته إلى قيمة قابلة للتقدير، ولا يدل على قيمة خطأ محددة ودقيقة. ورغم إمكانية تقديره، إلا أنه لا يمكن استخدامه لتصحيح القيمة. ولا يمكن اعتبار عدم اليقين الناتج عن التصحيحات غير الكاملة إلا ضمن عدم اليقين في نتائج القياس المصححة.

إذا كانت القيمة المقدرة لخطأ النظام معروفة، فيمكن تصحيح نتيجة القياس للحصول على نتيجة القياس المصححة.

بعد تصحيح القيمة، قد تقترب من القيمة الحقيقية، لكن عدم اليقين فيها لا يقل فحسب، بل قد يزداد أحيانًا. ويعود ذلك أساسًا إلى أننا لا نستطيع معرفة القيمة الحقيقية بدقة، وإنما نستطيع فقط تقدير مدى قرب أو بُعد نتائج القياس عن القيمة الحقيقية.

على الرغم من وجود اختلافات بين عدم اليقين في القياس والخطأ المذكور أعلاه، إلا أنهما مرتبطان ارتباطًا وثيقًا. يُعد مفهوم عدم اليقين تطبيقًا وتوسيعًا لنظرية الخطأ، ولا يزال تحليل الخطأ الأساس النظري لتقييم عدم اليقين في القياس، وخاصةً عند تقدير مكونات النوع B، حيث يكون تحليل الخطأ جزءًا لا يتجزأ من العملية. على سبيل المثال، يمكن وصف خصائص أجهزة القياس من حيث الحد الأقصى المسموح به للخطأ، وخطأ المؤشر، وما إلى ذلك. تُسمى القيمة الحدية للخطأ المسموح به لجهاز القياس، والمحددة في المواصفات الفنية واللوائح، "الحد الأقصى المسموح به للخطأ" أو "حد الخطأ المسموح به". وهو النطاق المسموح به لخطأ المؤشر الذي يحدده المصنّع لنوع معين من الأجهزة، وليس الخطأ الفعلي لجهاز معين. يمكن العثور على الحد الأقصى المسموح به للخطأ لجهاز القياس في دليل الجهاز، ويُشار إليه بعلامة زائد أو ناقص عند التعبير عنه كقيمة عددية، وعادةً ما يُعبّر عنه كخطأ مطلق، أو خطأ نسبي، أو خطأ مرجعي، أو مزيج منها. على سبيل المثال، ±0.1PV، ±1%، إلخ. لا يُعدّ الحد الأقصى المسموح به لخطأ جهاز القياس هو عدم اليقين في القياس، ولكنه يُمكن استخدامه كأساس لتقييم عدم اليقين في القياس. يُمكن تقييم عدم اليقين الذي يُدخله جهاز القياس في نتيجة القياس وفقًا للحد الأقصى المسموح به لخطأ الجهاز، وذلك باستخدام طريقة التقييم من النوع B. مثال آخر هو الفرق بين القيمة المُشار إليها من جهاز القياس والقيمة الحقيقية المُتفق عليها للمدخل المُقابل، وهو ما يُعرف بخطأ الإشارة لجهاز القياس. بالنسبة لأدوات القياس الفيزيائية، تُمثل القيمة المُشار إليها قيمتها الاسمية. عادةً ما تُستخدم القيمة المُقدمة أو المُعاد إنتاجها بواسطة معيار قياس أعلى مستوى كقيمة حقيقية مُتفق عليها (تُسمى غالبًا قيمة المعايرة أو القيمة القياسية). في عملية التحقق، عندما يكون عدم اليقين المُوسع للقيمة القياسية المُقدمة من معيار القياس من 1/3 إلى 1/10 من الحد الأقصى المسموح به لخطأ الجهاز المُختبَر، ويكون خطأ الإشارة للجهاز المُختبَر ضمن الحد الأقصى المسموح به المُحدد، يُمكن اعتباره مُطابقًا للمواصفات.