Fehlergrenze

In der praktischen Messtechnik sind die Fehlergrenzen gemäß DIN 1319-1:1995-01, Nr. 5.12, vereinbarte oder garantierte Höchstwerte für positive oder negative Abweichungen der Anzeige (Ausgabe) einer Messeinrichtung vom richtigen Wert. Fehlergrenzen sind begrifflich streng zu unterscheiden von den Messfehlern und der Messunsicherheit.

Beim Kauf eines Messgerätes werden im Allgemeinen die tatsächlichen Abweichungen nicht angegeben, wohl aber werden bei einem seriösen Hersteller in der Regel deren Höchstwerte unter festgelegten Bedingungen garantiert. Fehlergrenzen hängen vom technischen Aufwand und von prinzipiellen Grenzen ab.

In einer neueren messtechnischen Norm (DIN EN 60751:2009-05) wird statt des Begriffs Fehlergrenze der Begriff Grenzabweichung verwendet. Außerhalb der Messtechnik entspricht dem Begriff Fehlergrenze der Begriff Abweichungsgrenzbetrag (DIN 55350-12:1989:03 „Begriffe der Qualitätssicherung und Statistik – Merkmalsbezogene Begriffe“).

Definitionen

Es gibt eine obere und eine untere Fehlergrenze, die meistens gleich groß sind. Man spricht dann von symmetrischen Fehlergrenzen G , die stets als Betrag anzugeben sind.

Es gilt für die (absolute) Abweichung bzw. den (absoluten) Fehler F

$\mid F \mid \le G$

Entsprechend gibt es eine relative Fehlergrenze g derart, dass für die relative Abweichung bzw. den relativen Fehler f gilt

$\mid f \mid \le g$

Die Bezugsgröße für die relative Fehlergrenze ist wie beim relativen Fehler der richtige Wert x_r ;

$\quad g = G/|x_r|$

Schreibweise

Der angezeigte (ausgegebene) Wert x_a liegt dann in einem Bereich

$x_r -G\le x_a \le x_r +G$ .

Dieses wird verkürzt zur Schreibweise

$x_a = x_r \pm\!\; G$ ,

was keineswegs so gedeutet werden darf, als ob x_a nur zwei Werte annehmen könnte.

Soll die relative Fehlergrenze im Ergebnis vorkommen, so ist das möglich, indem man x_r ausklammert

$x_a = x_r \left( 1\pm \frac{G}{x_r } \right) = x_r (1 \pm g)$

Keineswegs darf $x_r \pm\!\, g$ geschrieben werden, weil dann ein Wert mit Einheit und ein Wert ohne Einheit zu addieren wären.

Quantitative Angaben

Bei der quantitativen Angabe von Unsicherheiten und Fehlergrenzen sollte man die Qualität einer Angabe im Blick behalten.

• Beisp.: Eine Angabe „5 %“ dürfte eine Schätzung beinhalten und für „etwa 5 %“ stehen; die „5“ ist in diesem Zusammenhang niemals mathematisch exakt, dass man ihr nach dem Komma beliebig viele Nullen anhängen könnte. Eine Angabe „4,8 %“ wird kaum ein Indiz erhöhter Sorgfalt sein.

Aus einer „groben“ Ausgangsposition sollte man keine „feinen“ Ergebnisse ableiten, denn aus den Regeln zur Fehlerfortpflanzung von Fehlergrenzen bei voneinander unabhängigen Werten ergibt sich (siehe unten: Rechnen mit Fehlergrenzen):

Man kann nie genauer werden als das, was man hineinsteckt. (Eine Ausnahme gilt bei zufälligen Fehlern: Hier wird nach wiederholten Messungen der Mittelwert genauer als der Einzelmesswert).

• Beisp. : 5 %·15,6 V = 0,8 V und nicht 0,78 V,

es sei denn, man kann 5,0 % verantwortlich angeben.

Diese Forderung entspricht der Forderung in DIN 1333: Unsicherheiten werden mit einer signifikanten Stelle angegeben, ausgenommen bei den Ziffern 1 oder 2, dann werden zwei signifikante Stellen angegeben.

• Beisp. : 5 %·35,6 V = 1,8 V und nicht 2 V.

Eine führende Null ist nicht signifikant.

• Beisp. : Die Angabe 0,8 V enthält nur eine signifikante Stelle.

Es liegt im Begriff des Grenzwertes, dass nur auf- und nicht abgerundet werden darf; entsprechendes gilt für die Unsicherheit nach DIN 1333. Eigentlich wäre eine Fehlergrenze 5 %·6,2 V = 0,31 V auf 0,4 V auf- und nicht auf 0,3 V abzurunden; doch sollte man hier ein gewisses Augenmaß behalten, denn bereits 4,8 %·6,2 V < 0,3 V.

Selbstverständlich sollte man in Zwischenschritten genauer rechnen, damit sich Rundungsfehler nicht aufschaukeln.

Angaben und Beispiele zu Messgeräte-Fehlergrenzen findet man

• für analoge elektrische Messgeräte unter Genauigkeitsklasse gemäß DIN EN 60051,
• für digitale elektrische Messgeräte unter Digitalmultimeter, Messgerätefehler.

Rechnen mit Fehlergrenzen

Kann man ein Messergebnis y erst aus mehreren voneinander unabhängigen Messwerten x_i ausrechnen, so ist mathematisch gesagt y eine Funktion von mehreren unabhängigen Variablen x_i

$y=y(x_1 ,\ x_2 ,\ \cdots )$

Änderungen der unabhängigen Variablen um ein kleines Δx_i werden mit der Funktion übertragen und führen zu einer Änderung der abhängigen Variablen um ein Δy, und zwar gemäß den Regeln der Mathematik

$\Delta y \approx \frac{\partial y}{\partial x_1 } \Delta x_1 + \frac{\partial y}{\partial x_2 }\Delta x_2 +\cdots$.

Kennt man nicht die Änderungen (Messfehler oder Messabweichungen) selber, sondern nur ihre Grenzwerte (Fehlergrenzen) G_i , so lässt sich damit auch nur die Fehlergrenze G_y des Ergebnisses angeben; dabei ist im Sinne des Grenzwertes die ungünstigste Vorzeichenkombination der Summanden zu Grunde zu legen

$G_y = \left| \frac{\partial y}{\partial x_1 }\right| G_1 + \left| \frac{\partial y}{\partial x_2 }\right| G_2 + \cdots$

Diese Formel vereinfacht sich für die vier Grundrechenarten zu leicht merkbaren Regeln

• bei Addition und Subtraktion $\quad G_y =G_1 +G_2 + \cdots$ ,

also Summe der absoluten Fehlergrenzen,

und mit Verwendung der relativen Fehlergrenzen $g_i =G_i /|x_i|\ {;} \quad g_y =G_y /|y|$

• bei Multiplikation und Division $\quad g_y =g_1 +g_2 + \cdots$ ,

also Summe der relativen Fehlergrenzen.

Beispiel: Mit dem ohmschen Gesetz U = I · R soll U aus I und R bestimmt werden.

Wenn I = 2 mA · (1 ± 2 %) und R = 12 kΩ · (1 ± 5 %), dann U = 24 V · (1 ± 7 %)

Siehe auch

• Eichfehlergrenze, Verkehrsfehlergrenze