มาตรฐานการวัด

มาตรฐานการวัด

มาตรฐานการวัดเป็นปัจจัยสำคัญยิ่งในระบบการวัด หน่วยวัดที่เป็นที่ยอมรับกันระหว่างประเทศ รวมกับมาตรฐานการวัดที่เท่าเทียมกันมีความสำคัญต่อระบบการค้าและความร่วมมือระหว่างประเทศ ระดับความเชื่อมั่นในความเท่าเทียมกัน ของมาตรฐานการวัด ย่อมได้มาจากการทำการเปรียบเทียบระหว่างกัน และจากความสามารถของผู้ปฏิบัติการที่ทำการวิจัยอยู่ในห้องปฏิบัติการต่างๆ ซึ่งผลก็คือ ความเชื่อถือในมาตรฐานการวัดเหล่านี้ สามารถถ่ายทอดมาสู่ผู้ใช้งานได้ โดยผ่านลูกโซ่ ของความสามารถสอบกลับได้ทางการวัด

การจัดลำดับขั้นของมาตรฐานเป็นไปตามที่กำหนดใว้ในเอกสารคำศัพท์ด้านมาตรวิทยาสากล (International Vocabulary of Metrology : VIM) ดังต่อไปนี้
 

• มาตรฐานการวัดปฐมภูมิ (Primary Measurement Standard) หมายถึง มาตรฐานการวัดที่กำหนดโดยใช้วิธีการวัดอ้างอิงปฐมภูมิหรือเป็นสิ่งที่กำหนดขึ้นมา ซึ่งเลือกโดยการตกลงกันในการประชุม
• มาตรฐานการวัดทุติยภูมิ (Secondary Measurement Standard) หมายถึง มาตรฐานการวัดที่ได้มาจากการเทียบมาตรฐานกับการวัดปฐมภูมิของปริมาณเดียวกัน
• มาตรฐานการวัดระหว่างชาติ (International Measurement Standard) คือ มาตรฐานการวัดที่เป็นที่ยอมรับโดยประเทศผู้ลงนามในสัญญาในความตกลงกันระหว่างประเทศ และเพื่อใช้กันทั่วไป
• มาตรฐานการวัดแห่งชาติ (National Measurement Standard) คือ มาตรฐานการวัดที่เป็นที่ยอมรับของทางราชการในประเทศหนึ่งๆ เพื่อใช้ในประเทศหรือระบบเศรษฐกิจของประเทศนั้นๆ เป็นรากฐานในการกำหนดค่าปริมาณให้กับมาตรฐานการวัดอื่นของปริมาณที่เกี่ยวข้อง
• มาตรฐานการวัดอ้างอิง (Reference Measurement Standard) คือ มาตรฐานการวัดที่กำหนดสำหรับการสอบเทียบมาตรฐานการวัดอื่นที่จะใช้สำหรับการวัดปริมาณที่ต้องการในหน่วยงานหรือสถานที่ใดสถานที่หนึ่ง 
• อุปกรณ์การวัดเพื่อถ่ายทอด (Transfer Measurement Device) คือ อุปกรณ์ที่ใช้เป็นตัวกลางในการเปรียบเทียบระหว่างมาตรฐานการวัดหลายๆ มาตรฐาน
• มาตรฐานการวัดขั้นใช้งาน (Working Measurement Standard) คือ มาตรฐานการวัดที่ใช้ประจำสำหรับเทียบมาตรฐาน หรือตรวจสอบเครื่องมือวัดหรือระบบวัด

มาตรฐานการวัดขั้นใช้งานจะสอบเทียบกับมาตรฐานอ้างอิงเสมอ และมาตรฐานขั้นใช้งานนี้อาจใช้สำหรับงานประจำ เพื่อให้มั่นใจว่า การวัดที่กระทำเป็นไปอย่างถูกต้อง ในบางครั้งจึงมีการเรียกมาตรฐานการวัดขั้นใช้งานนี้ว่า มาตรฐานตรวจสอบ (Check Standard)

เพื่อพัฒนาโครงสร้างระบบมาตรวิทยาของชาติให้มีความเข้มแข็งและมีประสิทธิภาพ พร้อมสำหรับรองรับกิจกรรมการสอบเทียบเครื่องมือวัดของห้องปฏิบัติการสอบเทียบ ห้องปฏิบัติการวิเคราะห์และทดสอบ และภาคอุตสาหกรรม รวมทั้งเพื่อให้สอดคล้องกับวัตถุประสงค์ของพระราชบัญญัติพัฒนาระบบมาตรวิทยาแห่งชาติ พ.ศ. ๒๕๔๐ สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติจึงได้เร่งรัดจัดหาและพัฒนาระบบมาตรวิทยาของชาติอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้ในปัจจุบันสามารถเก็บรักษามาตรฐานแห่งชาติ และได้ลงประกาศในราชกิจจานุเบกษา เล่มที่ ๑๒๓ เมื่อวันที่ ๒๘ กันยายน พ.ศ. ๒๕๔๙ ดังนี้

• มาตรฐานแห่งชาติด้านมวล คือ ตุ้มน้ำหนัก ๑ กิโลกรัมต้นแบบ หมายเลข ๘๐
• มาตรฐานแห่งชาติด้านความดัน คือ เครื่องวัดความดันมาตรฐานแบบเพรสเชอร์บาลานซ์ (Pressure Balance) ทั้งแก๊สและไฮดรอลิก
• มาตรฐานแห่งชาติด้านสุญญากาศ คือ เครื่องวัดสุญญากาศมาตรฐานแบบแคแพซิแทนซ์ไดอะแฟรมเกจ (Capacitance Diaphragm Gauge) สปินนิงโรเตอร์เกจ (Spinning Rotor Gauge) และไอออไนเซชันเกจ (Ionization Gauge)
• มาตรฐานแห่งชาติด้านแรง คือ เครื่องกลมาตรฐานวัดแรงแบบน้ำหนักตายตัว (Dead Weight Force Standard Machine : DWM)
• มาตรฐานแห่งชาติด้านความแข็ง คือ เครื่องวัดความแข็งร็อกเวลล์ระดับปฐมภูมิ และเครื่องวัดความแข็งวิกเกอร์สระดับปฐมภูมิ
• มาตรฐานแห่งชาติด้านแรงบิด คือ เครื่องกลทอร์กแบบน้ำหนักตายตัวระดับปฐมภูมิ (Primary Deadweight Torque Machine)
• มาตรฐานแห่งชาติด้านอัตราการไหล คือ เครื่องมือวัดอัตราการไหลของน้ำแบบลูกสูบ (Piston Prover) และชุดวัดอัตราการไหลของแก๊สแบบโซนิกนอซเซิล (Sonic Nozzle) และแบบแลมินาร์ (Laminar)
• มาตรฐานแห่งชาติด้านความต่างศักย์ไฟฟ้า คือ ชุดมาตรฐานความต่างศักย์ไฟฟ้าแบบรอยต่อโจเซฟสัน (Josephson Junction Voltage Standard)
• มาตรฐานแห่งชาติด้านความต้านทานไฟฟ้า คือ มาตรฐานด้านความต้านทานไฟฟ้ากำหนดจากกลุ่มตัวต้านทานไฟฟ้ามาตรฐาน ๑ โอห์ม
• มาตรฐานแห่งชาติด้านเวลา คือ นาฬิกาซีเซียม (Caesium Atomic Clock)
• มาตรฐานแห่งชาติด้านอุณหภูมิ คือ ชุดเซลล์กำเนิดอุณหภูมิ ณ จุดคงที่ (Fixed Point Cell)
• มาตรฐานแห่งชาติด้านความยาว คือ ความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์ที่ได้จากอุปกรณ์กำเนิดแสงเลเซอร์จากแก๊สฮีเลียมนีออน และควบคุมเสถียรภาพของความยาวคลื่นด้วยแก๊สไอโอดีน (Iodine Stabilized Helium Neon Laser)
• มาตรฐานแห่งชาติด้านเสียง คือ เครื่องมือมาตรฐานด้านเสียงระดับปฐมภูมิ
• มาตรฐานแห่งชาติด้านการสั่นสะเทือน คือ ชุดเครื่องมือมาตรฐานการสั่นสะเทือนระดับปฐมภูมิ
• มาตรฐานแห่งชาติด้านวัสดุอ้างอิงความเป็นกรด-ด่างของสารละลาย คือ ระบบเตรียมสารละลายมาตรฐานความเป็นกรด-ด่าง โดยวิธีวัดความเป็นกรด-ด่างระดับปฐมภูมิ (Primary Method of pH Measurement : Harned Cell)

การสอบเทียบ (Calibration)

นิยาม

การสอบเทียบ คือ การปฏิบัติการภายใต้เงื่อนไขจำเพาะ ในขั้นแรกเป็นการสร้างความสัมพันธ์ระหว่างค่าปริมาณกับความไม่แน่นอนของการวัดที่ได้จากมาตรฐานการวัด และตัวบ่งชี้ที่เกี่ยวข้อง พร้อมกับความไม่แน่นอนของการวัด และในขั้นที่สอง ใช้ข้อสารสนเทศนี้ สร้างความสัมพันธ์เพื่อให้ได้ผลการวัดจากตัวบ่งชี้

การสอบเทียบ หมายถึง การตัดสิน และจัดทำเอกสารแสดงการเบี่ยงเบนของค่าชี้บอกของเครื่องมือวัด หรือค่าที่ระบุของวัสดุที่ใช้ในการวัด หรือวัสดุอ้างอิงทางการวัดจากค่าจริงที่ยอมรับร่วมกันของปริมาณที่ถูกวัด ค่าจริงที่ยอมรับร่วมกันคือ ค่าจริงที่มีความไม่แน่นอนของการวัดที่เหมาะสมกับการใช้งาน ซึ่งในที่นี้คือ ค่ามาตรฐานที่สามารถสอบกลับได้สู่มาตรฐานแห่งชาติ หรือมาตรฐานระหว่างประเทศ

การสอบเทียบประกอบด้วยกิจกรรมหลักดังต่อไปนี้

• การตัดสินความสัมพันธ์ระหว่างค่าที่ชี้บอกของเครื่องมือวัดกับมาตรฐาน ภายใต้สภาวะที่กำหนด และ ณ วัน เวลาที่ระบุ
• การออกใบรายงานผลการสอบเทียบที่รายงานทั้งค่าเบี่ยงเบนหรือค่าแก้ พร้อมกับค่าความไม่แน่นอนของการวัด

ความสามารถสอบกลับได้ทางการวัด (Measurement Traceability)

นิยาม

ผลการวัดจะไม่มีความหมายถ้าไม่สามารถโยงหรืออ้างอิงสู่มาตรฐานแห่งชาติ สมบัติดังกล่าวของผลการวัด เรียกว่า ความสามารถสอบกลับได้ทางการวัด ซึ่งได้รับการนิยามไว้ว่า "สมบัติของผลการวัดที่สามารถโยงไปยังมาตรฐานอ้างอิงโดยผ่านการสอบเทียบอย่างไม่ขาดช่วง เป็นห่วงโซ่ที่ทำเป็นหลักฐานด้วยเอกสาร และการสอบเทียบแต่ละครั้งก็ทำให้เกิดความไม่แน่นอนของการวัด" ดังนั้นความสามารถสอบกลับได้จึงเป็นการส่งต่อหน่วยวัดตามนิยามเอสไอ จากจุดเริ่มต้นจนถึงผู้ใช้งาน ความสามารถสอบกลับได้ ของผลการวัด จึงต้องได้รับการถ่ายทอดผ่านห้องปฏิบัติการสอบเทียบหลายระดับจนกว่าจะถึงผู้ใช้งาน ซึ่งหากพิจารณาจากความหมายของความสามารถสอบกลับได้ จะเห็นว่า มีปัจจัยหลายอย่างด้วยกัน ที่ทำให้เกิดห่วงโซ่ของการเปรียบเทียบโดยไม่ขาดตอนได้

ความไม่แน่นอนของการวัด (Measurement Uncertainty)

นิยาม

ความไม่แน่นอนของการวัด หมายถึง พารามิเตอร์ที่บ่งบอกลักษณะเฉพาะของการกระจายของค่าปริมาณของสิ่งที่วัด

จากนิยามข้างต้น สามารถกล่าวได้ว่าความไม่แน่นอนของการวัด คือ ตัวชี้วัดเชิงปริมาณของคุณภาพของผลการวัด หรือค่าที่แสดงระดับความเชื่อมั่นในความถูกต้องของผลการวัด หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ สิ่งที่ชี้บอกความไม่สมบูรณ์ในความรู้ของปริมาณที่ถูกวัด ความไม่แน่นอนของการวัดเกิดขึ้นทุกครั้งในการถ่ายทอดความถูกต้องของการวัด ไม่ว่าจะเป็นขั้นตอนไหนของความสามารถสอบกลับได้ ซึ่งในแต่ละระดับของการวัดจะเกิดความไม่แน่นอนของการวัดสะสมขึ้นเรื่อยๆ จะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับความสามารถในการถ่ายทอดการวัดของแต่ละห้องปฏิบัติการ ซึ่งความไม่แน่นอนอาจเกิดขึ้นจากหลายสาเหตุ เช่น วิธีการวัด เครื่องมือวัด ผู้ปฏิบัติการ สภาวะแวดล้อมในการวัด ความไม่แน่นอนของการวัดต้องคำนวณโดยวิธีที่เป็นที่ยอมรับอย่างเป็นสากล โดยทั่วไปจะต้องรายงานที่ระดับความเชื่อมั่นร้อยละ ๙๕ การคำนวณความไม่แน่นอนของการวัดในแต่ละขั้นตอนของการถ่ายทอดความถูกต้องนั้นจะต้องจัดทำไว้เป็นเอกสาร เพื่อให้สามารถทวนสอบความถูกต้องได้โดยผู้เกี่ยวข้อง

เพื่อเป็นการยืนยันความสามารถสอบกลับได้ทางการวัด ค่าความไม่แน่นอนของการวัดจะถูกรายงานร่วมกับค่าคลาดเคลื่อน (Error) ของการวัดในใบรายงานผลการสอบเทียบโดยห้องปฏิบัติการสอบเทียบ และค่าที่รายงานนี้จะเป็นจริงก็เฉพาะ ณ เวลาที่ทำการสอบเทียบ และภายใต้เงื่อนไขของการสอบเทียบที่ได้ระบุไว้เท่านั้น การใช้เครื่องมือวัดภายใต้เงื่อนไขเดียวกันกับผลการสอบเทียบแต่ในเวลาที่ต่างออกไป และยิ่งกว่านั้นคือ การใช้เครื่องมือวัดในเงื่อนไขที่ต่างออกไป จากผลการสอบเทียบก็จะยิ่งทำให้ค่าคลาดเคลื่อนและความไม่แน่นอนของการวัดยิ่งมีค่ามากเกินกว่าที่ระบุไว้ในรายงานผลการสอบเทียบ ซึ่งบางครั้งอาจเกินกว่าที่จะยอมรับได้

ค่าความไม่แน่นอนของการวัดที่ระบุไว้ในใบรายงานผลการสอบเทียบ จะได้รับการยอมรับว่า มีความสัมพันธ์กับมาตรฐานแห่งชาติได้ ก็ต่อเมื่อใบรายงานผลการสอบเทียบนั้น ออกให้โดยห้องปฏิบัติการที่ได้รับการรับรองความสามารถจากองค์กรให้การรับรองความสามารถซึ่งเป็นที่ยอมรับระหว่างประเทศ

บางครั้งใบรายงานผลการสอบเทียบจะรายงานความเป็นไปตามข้อกำหนดจำเพาะทางมาตรวิทยาของปริมาณที่ถูกวัด ในกรณีเช่นนี้ค่าที่วัดได้เมื่อรวมกับความไม่แน่นอนของการวัดจะต้องไม่ขยายเกินกว่าขีดจำกัดหรือเกณฑ์ยอมรับที่ระบุของปริมาณที่ถูกวัดนั้นๆ

• องค์การระหว่างประเทศสำหรับการกำหนดมาตรฐาน (International Organization for Standardization: ISO)

ใน  พ.ศ. ๒๕๓๓ (ค.ศ. ๑๙๙๐) องค์การระหว่างประเทศสำหรับการกำหนดมาตรฐานร่วมกับสำนักงานชั่งตวงวัดระหว่างประเทศ (BIPM) ได้แนะนำให้ใช้ความไม่แน่นอนของการวัด เป็นมาตรการในการบอกความน่าเชื่อถือของผลการวัด และได้เสนอแนวทางในการประเมินความไม่แน่นอนของการวัด (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement : GUM) ซึ่งมีแนวคิดดังนี้

ปริมาณที่ถูกวัด "Y" ซึ่งเป็นผลที่ได้จากการวัดจะขึ้นอยู่กับปริมาณนำเข้า (Input) ที่เกี่ยวข้องในกระบวนการวัด x1 , x2 , x3 , …, xn
 

ในทางปฏิบัติไม่สามารถทราบค่าที่แท้จริงของปริมาณนำเข้าเหล่านั้นได้ ทั้งนี้ ปริมาณนำเข้าที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการวัด จะมีความไม่แน่นอนติดมาด้วยเสมอ ดังนั้นผลการวัด "Y" จึงเป็นเพียงค่าประมาณ"y" พร้อมกับความไม่แน่นอนของการวัด ที่เกิดจากปริมาณนำเข้าเหล่านั้นด้วย

ในการรายงานผล ปริมาณที่ถูกวัดจะอยู่ในรูป 
 

ความไม่แน่นอน "U" ได้มาจากการประเมินองค์ประกอบรวมทั้งหมดของความไม่แน่นอนในรูปแบบที่เป็น Type A และ Type B การประเมิน Type A เป็นผลมาจากการประเมินทางสถิติที่อยู่ในรูปของส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน และการประเมิน Type B จะใช้วิธีอื่นๆ ที่มิใช่การประเมินทางสถิติ แต่จะอยู่ในรูปของส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานที่ได้มาจากใบรับรองการสอบเทียบ หรือข้อกำหนดจำเพาะของเครื่องมือ

ตัวอย่างของการรายงานผลการวัด เช่น ผลการวัดความต้านทานของตัวต้านทานที่มีค่าระบุ 1 kΩ  คือ 1.000 001 kΩ มีค่าความไม่แน่นอนจากการวัด 0.001 kΩ  การรายงานผลการวัดจะอยู่ในรูป 1.000 kΩ  ± 0.001 kΩ ที่ระดับความเชื่อมั่นร้อยละ ๙๕