3.1 มาตรวิทยา (Metrology)
มาตรวิทยา หมายถึง ศาสตร์แห่งการวัด หรือวิชาที่ว่าด้วยเรื่องของการวัดไม่ว่าจะเป็นสาขาใดก็ตาม เป็นการวัดที่รวมเอาทั้งทฤษฎีและทุกมิติของการปฏิบัติมาประยุกต์ใช้ เพื่อให้สามารถวัดได้อย่างถูกต้องตามความต้องการ และสามารถรายงานค่าของผลการวัดได้ โดยการรายงานนั้นได้รวมเอาการประเมินความไม่แน่นอนของการวัดไว้ด้วย
มาตรวิทยาได้รวมถึงการกำหนดให้มีหน่วยของการวัด โดยการทำให้เป็นจริงขึ้นจากนิยามด้วยวิธีทางวิทยาศาสตร์ เช่น การทำหน่วยเมตร โดยใช้ปรากฏการณ์ของแสงที่เคลื่อนที่ในสุญญากาศ นอกจากนี้ยังรวมปึงการจัดให้มีโซ่ของความสามารถสอบกลับได้ของการวัด (Traceability) โดยการสอบเทียบ (Calibration) และการทำเอกสารที่แสดงค่าที่ได้จากการวัดพร้อมกับความไม่แน่นอน (Uncertainty) ของการวัดอีกด้วย
3.2 มาตรฐานการวัด
มาตรฐานการวัดเป็นปัจจัยอันสำคัญยิ่งในระบบการวัด หน่วยวัดที่เป็นที่ยอมรับกันระหว่างประเทศรวมกับมาตรฐานการวัดที่เท่าเทียมกัน มีความสำคัญต่อระบบการค้าและความร่วมมือระหว่างประเทศ ระดับความเชื่อมั่นในความเท่าเทียมกันของมาตรฐานการวัดย่อมได้มาจากการทำการเปรียบเทียบระหว่างกัน (comparison) และความสามารถของผู้ปฏิบัติการที่ทำการวิจัยอยู่ในห้องปฏิบัติการต่างๆ ซึ่งผลคือความเชื่อถือในมาตรฐานการวัดเหล่านี้สามารถ่ายทอดมาสู่ผู้ใช้งานได้โดยผ่านลูกโซ่ของการสอบกลับได้ (Chain of Traceability) การจัดลำดับขั้นของมาตรฐานในที่นี้ได้จาก International Vocabulary of Basic and General Terms in Metrology (VIM) ซึ่งได้นิยามไว้ดังนี้
มาตรฐานปฐมภูมิ (Primary Standard)
มาตรฐานปฐมภูมิ หมายถึง มาตรฐานที่ได้กำหนดไว้ หรือเป็นที่ยอมรับอย่างกว้างขวางว่ามีคุณสมบัติทางมาตรวิทยาสูงสุด และมีค่าเป็นที่ยอมรับโดยปราศจากการอ้างอิงถึงมาตรฐานอื่นที่เป็นปริมาณเดียวกัน (Standards that is designated or widely acknowledged as having the highest metrological qualities and whose value is accepted without reference to other standards of the same quantity : VIM 6.4)
มาตรฐานปฐมภูมิ (Primary Standard)
มาตรฐานปฐมภูมิ หมายถึง มาตรฐานที่ได้กำหนดไว้ หรือเป็นที่ยอมรับอย่างกว้างขวางว่ามีคุณสมบัติทางมาตรวิทยาสูงสุด และมีค่าเป็นที่ยอมรับโดยปราศจากการอ้างอิงถึงมาตรฐานอื่นที่เป็นปริมาณเดียวกัน (Standards that is designated or widely acknowledged as having the highest metrological qualities and whose value is accepted without reference to other standards of the same quantity : VIM 6.4)
มาตรฐานทุติยภูมิ (Secondary Standard)
มาตรฐานทุติยภูมิ หมายถึง มาตรฐานที่ได้ค่ามาจากการเปรียบเทียบกับมาตรฐานปฐมภูมิของปริมาณเดียวกัน (Standard whose value is assigned by comparison with a primary standard of the same quantity : VIM 6.4)
มาตรฐานการวัดระหว่างชาติ (International Measurement Standards)
มาตรฐานการวัดระหว่างชาติ คือ มาตรฐานที่เป็นที่ยอมรับโดยความตกลงกันระหว่างประเทศ เพื่อเป็นฐานในการกำหนดค่าของมาตรฐานอื่นของปริมาณที่เกี่ยวข้อง (Standard recognized by an international agreement to serve internationally as the basis for assigning values to other standards of the quantity concerned : VIM 6.2)
มาตรฐานการวัดแห่งชาติ (National Measurement Standards)
มาตรฐานการวัดแห่งชาติ คือ มาตรฐานที่ได้รับการกำหนดโดยทางราชการในประเทศหนึ่งๆ เพื่อใช้เป็นพื้นฐานในการกำหนดค่าของมาตรฐานอื่นของปริมาณที่เกี่ยวข้อง (Standard recognized by a national decision to serve, in a country, as the basis for assigning value to other standards of the quantity concerned : VIM 6.3)
มาตรฐานอ้างอิง (Reference Standard)
มาตรฐานอ้างอิง คือ มาตรฐานที่โดยทั่วไปมีคุณสมบัติทางมาตรวิทยาสูงสุดที่สามารถมีได้ ณ จุดใช้งาน หรือในหน่วยงาน ซึ่งการวัดที่กระทำในหน่วยงานได้มาจากมาตรฐานนี้ (Standard, generally having the highest metrological quality available at given location or in a given organization, from which measurements made there are derived : VIM 6.6)
มาตรฐานถ่ายทอด (Transfer Standard)
มาตรฐานถ่ายทอด คือ มาตรฐานที่ใช้เป็นตัวกลางในการเปรียบเทียบระหว่างมาตรฐานหลายๆ ตัว (A standard used as an intermediary to compare standards : VIM 6.8)
มาตรฐานขั้นใช้งาน (Working Standard)
มาตรฐานขั้นใช้งาน คือ มาตรฐานที่ใช้สำหรับการสอบเทียบ หรือการตรวจสอบกับวัสดุ เครื่องมือวัด หรือวัสดุอ้างอิง (Standard that is used to calibrate or check material measure, measuring instruments or reference materials : VIM 6.7)
มาตรฐานขั้นใช้งานจะสอบเทียบกับมาตรฐานอ้างอิงเสมอ และมาตรฐานใช้งานนี้อาจใช้สำหรับงานประจำ เพื่อให้มั่นใจว่าการวัดที่กระทำเป็นไปอย่างถูกต้อง บางครั้งจึงมีการเรียกมาตรฐานขั้นใช้งานนี้ว่า มาตรฐานสำหรับตรวจสอบ (Check Standard)
3.3 การสอบเทียบ
3.3.1. นิยาม
การสอบเทียบ คือ “ชุดของการดำเนินการเพื่อหาความสัมพันธ์ระหว่างค่าที่ชี้บอกโดยเครื่องมือวัด หรือระบบการวัด หรือค่าที่แสดงโดยเครื่องวัดที่เป็นวัสดุกับค่าสมนัยที่รู้ของปริมาณที่วัดภายใต้เงื่อนไขที่กำหนดไว้” (Set of operations that establish, under specified by a measuring instrument or measuring system, or value represented by a material measure or a reference material, and the corresponding values realized by standards : VIM 6.11)
การสอบเทียบ หมายถึง การตัดสิน และทำเอกสารแสดงความบ่ายเบนของค่าชี้บอกของเครื่องมือวัดหรือค่าที่ระบุของวัสดุวัดจาก ค่าจริงที่ยอมรับร่วมกันคือ ค่าจริงที่มีความไม่แน่นอนของการวัดที่เหมาะสมกับการใช้งาน ซึ่งในที่นี้คือ ค่ามาตรฐานที่สามารถสอบกลับได้สู่มาตรฐานแห่งชาติ หรือมาตรฐานระหว่างประเทศ
การสอบเทียบ ประกอบด้วยกิจกรรมหลักดังต่อไปนี้
- การตัดสินความสัมพันธ์ระหว่างค่าที่ชี้บอกของเครื่องมือวัดกับมาตรฐานภายใต้สภวะที่กำหนด และ ณ วัน เวลาที่ระบุ
- การออกใบรายงานผลการสอบเทียบที่รายงานทั้งค่าความบ่ายเบน หรือค่าแก้พร้อมกับความไม่แน่นอนของการวัด
3.4 ความสามารถสอบกลับได้
3.4.1. นิยาม
ผลการวัดจะไม่มีความหมายถ้าไม่สามารถโยงหรืออ้างอิงสู่มาตรฐานแห่งชาติ คุณสมบัติดังกล่าวของผลการวัด เรียกว่า ความสามารถสอบกลับได้ (Traceability) ความสามารถสอบกลับได้ ได้รับการนิยามไว้ว่า “สมบัติของผลการวัดที่สามารถโยงไปกับมาตรฐานแห่งชาติที่เป็นที่ยอมรับโดยการเปรียบเทียบกันอย่างไม่ขาดช่วงเป็นลูกโซ่ และจะต้องรายงานค่าความไม่แน่นอนของการวัดไว้ด้วย” (Property of the result of a measurement or the value of a standard whereby if can be related to state references, usually national or international standards, through an unbroken chain of comparisons all having state uncertainties : VIM 6.10) ดังนั้น ความสามารถสอบกลับได้จึงเป็นการส่งต่อหน่วยวัดตามนิยาม SI จากจุดเริ่มต้นจนถึงผู้ใช้งาน ความสามารถสอบกลับได้ของผลการวัดจึงต้องได้รับการถ่ายทอดผ่านห้องปฏิบัติการสอบเทียบหลายระดับจนกว่าจะถึงผู้ใช้งาน ซึ่งถ้าพิจารณาจากความหมายของความสามารถสอบกลับได้ จะเห็นว่ามีปัจจัยหลายอย่างด้วยกันที่จะทำให้เกิดห่วงโซ่ของการเปรียบเทียบโดยไม่ขาดตอนได้
3.5 ความไม่แน่นอนของการวัด
3.5.1. นิยาม
ความไม่แน่นอนของการวัด หมายึง พารามิเตอร์ที่ร่วมมากับผลของการวัดที่บอกลักษณะการกระจายของค่า ซึ่งสามารถอ้างได้อย่างสมเหตุสมผลว่าเป็นของปริมาณที่ถูกวัดนั้น (Parameter, associated with the result of a measurement, that characterizes the dispersion of the values that could reasonably be attributed to the measurand : VIM 3.9)
จากนิยามข้างต้น สามารถให้ความหมายของความไม่แน่นอนของการวัดได้ว่า ความไม่แน่นอนของการวัด คือ สิ่งที่ชี้บอกความไม่สมบูรณ์ในความรู้ของปริมาณที่ถูกวัด ความไม่แน่นอนของการวัดเกิดขึ้นทุกครั้งในการถายทอดความถูกต้องของการวัด ไม่ว่าจะเป็นขั้นตอนไหนของความสามารถสอบกลับได้ ซึ่งในแต่ละระดับของการวัดจะเกิดความไม่แน่นอนของการวัดสะสมขึ้นเรื่อยๆ จะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับความสามารถในการถ่ายทอดการวัดของแต่ละห้องปฏิบัติการ ความไม่แน่นอนอาจเกิดขึ้นจากหลายสาเหตุ เช่น วิธีการวัด เครื่องมือวัด ผู้ปฏิบัติการ และสภาวะแวดล้อมในการวัด เป็นต้น ความไม่แน่นอนของการวัดจะต้องคำนวณโดยวิธีที่เป็นที่ยอมรับอย่างเป็นสากล และโดยทั่วไปจะต้องรายงานที่ระดับความเชื่อมั่น 95% การคำนวณความไม่แน่นอนของการวัด ในแต่ละขั้นตอนของการถ่ายทอดความถูกต้องนั้น จะต้องจัดทำไว้เป็นเอกสารเพื่อให้สามารถทวนสอบความถูกต้องได้โดยผู้เกี่ยวข้อง
เพื่อเป็นการยืนยันความสามารถสอบกลับได้ของการวัด ค่าความไม่แน่นอนของการวัดจะถูกรายงานร่วมกับค่าความคลาดเคลื่อนของการวัด ในใบรายงานผลการสอบเทียบโดยห้องปฏิบัติการสอบเทียบ และค่าที่รายงานนี้จะเป็นจริงก็เฉพาะ ณ เวลาที่ทำการสอบเทียบและภายใต้เงื่อนไขของการสอบเทียบที่ระบุเท่านั้น การใช้เครื่องมือวัดภายใต้เงื่อนไขเดียวกันกับผลการสอบเทียบ แต่ในเวลาที่ต่างออกไป หรือยิ่งกว่านั้นคือการใช้เครื่องมือวัดในเงื่อนไขที่ต่างออกไปจากผลการสอบเทียบก็จะยิ่งทำให้ค่าความคลาดเคลื่อน และความไม่แน่นอนของการวัดยิ่งมีค่ามากเกินกว่าที่ระบุไว้ในรายงานผลการสอบเทียบ ซึ่งบางครั้งอาจจะเกินกว่าที่จะยอมรับได้
ค่าความไม่แน่นอนของการวัดที่ระบุไว้ในใบรายงานผลการสอบเทียบ จะได้รับการยอมรับว่ามีความสัมพันธ์กับมาตรฐานแห่งชาติได้ก็ต่อเมื่อใบรายงานผลการสอบเทียบนั้นออกให้โดยห้องปฏิบัติการที่สามารถแสดงความสามารถโดยผ่านกระบวนการรับรองความสามารถโดยองค์กรที่เป็นที่ยอมรับระหว่างประเทศ
บางครั้งใบรายงานผลการสอบเทียบจะรายงานความเป็นไปตามข้อกำหนดจำเพาะทางมาตรวิทยาของปริมาณที่ถูกวัด ในกรณีเช่นนี้ค่าที่วัดได้เมื่อรวมกับความไม่แน่นอนของการวัดจะต้องไม่ขยายเกินไปกว่าขีดจำกัดหรือเกณฑ์ยอมรับที่ระบุของปริมาณที่ถูกวัดนั้นๆ
3.5.2. ความไม่แน่นอนของการวัด (Uncertainty of Measurement)
ความไม่แน่นอนของการวัดคือสิ่งที่บอกได้ถึงคุณภาพของผลการวัด ว่ามีความน่าเชื่อถือเพียงใด การรายงานความไม่แน่นอนของการวัดจะต้องรายงานพร้อมกับผลของการวัดเสมอ เพื่อที่จะให้เปรียบเทียบค่าที่ได้จากการวัดกับข้อกำหนดจำเพาะหรือมาตรฐาน หรือเกณฑ์ยอมรับสำหรับสิ่งที่ถูกวัด (Measurand)
เป็นที่ยอมรับกันว่าการวัดทุกครั้งมีความคลาดเคลื่อน (Error) เกิดขึ้นเสมอ ซึ่งเป็นผลมาจากการที่ผลการวัดมีความแตกต่างจากค่าจริงของสิ่งที่ถูกวัด (True Value) และความไม่แน่นอนของการวัดส่วนหนึ่งได้มาจากการกระจายค่าของผลการวัดนั้นๆ เมื่อทำการวัดหลายๆ ครั้ง มีแนวคิดหลากหลายที่ใช้แสดงความน่าเชื่อถือได้ของผลการวัด อย่างไรก็ตามก็มีความยากลำบากในการใช้วิธีประเมินความน่าเชื่อถือได้ที่ต่างๆ กันเหล่านั้น ในปี ค.ศ.1990 องค์การมาตรฐานระหว่างประเทศ (International Standardisation Organisation, ISO) ร่วมกับ สำนักงาน ชั่ง ตวง วัด ระหว่างประเทศ (BIPM) ได้แนะนำให้ใช้ความไม่แน่นอนของการวัดเป็นมาตรการในการบอกความน่าเชื่อถือของผลการวัดและได้เสนอแนวทางในการประเมินความไม่แน่นอนของการวัด คือ Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) ซึ่งมีแนวคิด ดังนี้
ปริมาณที่ถูกวัด “Y” ซึ่งเป็นผลที่ได้จากการวัดจะขึ้นอยู่กับปริมาณอินพุทที่เกี่ยวข้องในกระบวนการวัด X1, X2, X3, …, Xn
Y = ?(X1, X2, X3, …, Xn)
ในทางปฏิบัติไม่สามารถทราบค่าที่แท้จริงของปริมาณอินพุทเหล่านั้นได้ปริมาณอินพุทที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการวัดจะมีความไม่แน่นอนติดมาด้วยเสมอ ดังนั้นผลการวัด “Y” จึงเป็นเพียงค่าประมาณ “y” พร้อมกับความไม่แน่นอนของการวัดที่เกิดจากปริมาณอินพุทเหล่านั้นด้วย
ในการรายงานผล ปริมาณที่ถูกวัดจะอยู่ในรูป
Y = y ? U
โดยความไม่แน่นอน “U” ได้มาจากการประเมินองค์ประกอบรวมทั้งหมดของความไม่แน่นอนในรูปแบบที่เป็น Type A และ Type B การประเมิณ Type A เป็นผลมาจากการประเมิณทางสถิติที่อยู่ในรูปของส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน และการประเมิณ Type B จะใช้วิธีอื่นๆ ที่มิใช่การประเมิณทางสถิติ ซึ่งอยู่ในรูปของส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานที่ได้มาจากใบรับรองการสอบเทียบ หรือข้อกำหนดจำเพาะของเครื่องมือ เป็นต้น
ตัวอย่างของการรายงานผลการวัด เช่น ผลการวัดความต้านทานของตัวต้านทานที่มีค่าระบุ 1 k? คือ 1,000 001 k? มีค่าความไม่แน่นอนนอกจากการวัด 0,001 k? การรายงานผลการวัดจะอยู่ในรูป
1,000 001 k? ? 0,001 k? ที่ระดับความเชื่อมั่น 95%
