Ein Konzept auch für die beobachtenden Wissenschaften?

Transkript

1 "Messunsicherheit" Ein Konzept auch für die beobachtenden Wissenschaften? Ulrich Kurfürst Vortrag anlässlich der Verabschiedung als Professer am FB Oe der Hochschule Fulda 12. Oktober 2011

2 1. Konzept der Messunsicherheit in den "exakten Wissenschaften" o o o o o o Messunsicherheit und Genauigkeit Zufällige und systematische Abweichungen Ermittlung von Messunsicherheiten (DIN/ISO) Beispiel: Messung der Körpergröße Definition "Messunsicherheit" "Richtige Werte" und "Fehler" Beispiel "Repräsentative Probe von Ackerböden" Die 2 unterschiedlichen Wege zur Messunsicherheit 2. Überlegungen zur Übertragbarkeit auf die "beobachtenden Wissenschaften"

3 Messunsicherheit ein quantitative Maß für "Genauigkeit" "Genauigkeit" ist unscharf: sehr genau ziemlich genau ungenau "Messunsicherheit" meint einen definierten Bereich:

4 Messunsicherheit - Voraussetzung für wiss. begründete Entscheidungen Beispiel: Belastung Fischmuskel mit Dioxinen EU-Grenzwert: 4.0 pg/g Analysenergebnis: 3,2 pg/g ± 1,5 pg/g Grenzwert möglicherweise überschritten 4,7 Grenzwert sicher unterschritten 2,5 4,0 Konz. pg/g

5 Genauigkeit Präzision & Richtigkeit Beispiel: Genauigkeit eines "Schützen" präzise & richtig präzise & unrichtig unpräzise & richtig unpräzise & unrichtig

6 Messung: Die "Zielscheibe" ist nicht bekannt! präzise! richtig unrichtig? unpräzise! richtig unrichtig? Erkennbar bei Messwiederholungen: Nicht erkennbar bei der Messung: zufälligen Abweichungen system. Abweichungen

7 Erkennung von system. Abweichungen nur durch zusätzliche "Informationen"! Misst die Waage richtig? Messung des (Ur-) Kilogramms (Referenzobjekt, "Standard") Erkannte (!) systematische Abweichungen können korrigiert werden

8 DIN "Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen" 1. Spezifizierung der Meßgröße z.b. Messobjekt, Ziel der Messung, Meßbedingungen, Meßvorschriften geforderte "Genauigkeit" 2. Benennung der Einflussgrößen Erkennbare zufällige und systematische Abweichungen 3. Evaluation der Unsicherheits-Komponenten Wiederholungsmessungen, Standards, Literatur, Experten, 4. Aufstellung der Modellfunktion Berücksichtigung aller signifikanten Einflußgrößen 5. Verknüpfung Einzel-Unsicherheiten zur Gesamtunsicherheit 6. Ergebnis der Messung Meßwert ± Meßunsicherheit 7. Protokollierung und Dokumentation Nachprüfbarkeit und Validierung

9 Messunsicherheit am Beispiel Körpergröße von Hannes 1. Spezifizierung der Meßgröße: Körpergröße morgens (nach 8 Std. Bettruhe) Entspannte, gerade Haltung an einer Wand Messung mit einem beliebigen Zollstock Übertragung der Höhe mittels eines Buches (barfuss)

10 2. Benennung der Einflussgrößen 3. Evaluation der Unsicherheits-Komponenten Zufällige Abweichungen Körperhaltung (nicht berücksichtigt) Ausrichtung Buch Annahme: max.± 5 Systematische Abweichungen Länge des Zollstocks (nom. 2 m) Vergleich mit anderen Zollstöcken: max. ±1,5mm Endkappen auf "Null" Messung bei versch. Zollstöcken: max.± 0,5mm?

11 4. Aufstellung der Modellfunktion L real L mess Lbeob L 0 L nom a cos 5. Verknüpfung aller Standard-Unsicherheiten U L = 0,7 mm

12 6. Ergebnis der Messung L = 135,2 cm ± 0,7 cm oder Die Körpergröße von Hannes liegt (mit hoher Wahrscheinlichkeit) zwischen 134,5 cm und 135,9 cm

13 Die Messunsicherheit ist ein Kennwert, der einen Bereich um das Messergebnis kennzeichnet, von dem erwartet werden kann, dass er einen großen Anteil der Werte umfasst, die der Messgröße vernünftigerweise zugeordnet werden könnten. Definition aus: Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, ISO 1993 Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen, DIN 1995 Diese Definition bedeutet einen Paradigmenwechsel im Verständnis von Genauigkeit!

14 Zwei vertraute Begriffe tauchen im "GUM" nicht auf: "Fehler" Stattdessen wird die "unzureichende Kenntnis" von Werten der Messgröße untersucht "Richtiger Wert" oder "Wahrer Wert Stattdessen wird ein Bereich von Werten ermittelt, die der Messgröße "zugeordnet" werden können.

15 Puristen der Metrologie meinen: Es gibt keinen "richtigen Wert"! Beispiel Messgröße: Ackerboden 20 cm tief Ideales Modell Untersuchungsgebiet ( 10 9 kg) Probenahmeplan Probenahmestandort ( 10 5 kg) Probenahme Stichproben Realität 20 cm? Feldprobe ( 10 0 kg) Probenvorbereitung Laborprobe ( 10-1 kg) Probenteilung Testportion ( 10-2 kg) Extraktion Messmenge ( 10-5 kg) Massenverkleinerung Analyse C = 245 mg/kg Analysenergebnis

16 Beispiel: Probennahme auf einem Acker (5 ha) durch 18 Probennehmer Spezifizierung der Messgröße: - Repräsentative Mischprobe aus min. 20 Einstichen - Tiefe 30 cm - geeigneter Weg über das Feld Wege der Probennehmer (Beispiele):

17 Bereich der 18 Messergebnisse Diese Messergebnisse müssen der Messgröße vernünftigerweise zugeordnet werden. Sie sind also alle "richtig"! Die Bereiche entsprechen damit der Messunsicherheit!

18 Die 4 Wege zur Messunsicherheit Aus:... Alternative approaches to uncertainty evaluation..., euorlab 2007

19 Was läßt sich vom Konzept der "Messunsicherheit" auf die beobachtenden Wissenschaften übertragen? Überlegungen und Vorschläge

20 Charakteristika der "beobachtenden Forschung" Messinstrument: Zufälliger Einfluss: System. Einfluss: Fragebogen z.b. Wahl der Probanden (Stichprobe) z.b. falsche "Selbsteinschätzung" der Probanden Diese Einflussgrößen können nicht quantitativ "modelliert" werden Für den Messwert gibt es keinen "goldenen Standard" "Messunsicherheit" kann nur aus dem Vergleich verschiedener Studien geschätzt werden.

21 Für die "Mess-Unsicherheit" sollte ein spezieller Begriff für die beobachtenden Wissenschaften gefunden werden. z.b. "Aussage-Unsicherheit"

22 In jeder Untersuchung/Studie sollte eine "Spezifizierung der Messgröße" vorangestellt werden - Erläuterung des Ziels konkret, detailliert, realistisch - Benennung der Grenzen und Einschränkungen durch das experimentelle Design

23 Alle erkannten (!) zufälligen und systematischen Einflussgrößen sollten benannt werden. - Über welche Einflussgrößen liegen "Informationen" vor? - Welche Einflussgrößen sind unter "statistischer Kontrolle" - und welche nicht? - Benennung der Grenzen und Einschränkungen durch das experimentelle Design

24 Das Ergebnis einer einzelnen Studie sollte nicht als Grundlage von "Empfehlungen" dienen. Eine einzelne Studie kann unerkannte zufällige und systematische Einflussgrößen nicht aufdecken. Nur bei bekannter "Aussage-Unsicherheit" können angemessene Empfehlungen formuliert werden.

25 "Widersprüche" zwischen unterschiedlichen (seriösen) Studien können als Aussage-Unsicherheit interpretiert werden. Annahme: Die Aussage-Unsicherheit ergibt sich aus unerkannten systematischen Einflussgrößen mit unterschiedlicher Richtung "Verzufälligen" von system. Einflüssen Beispiel: "Absolventenbefragung" Zwei systematische Einflüsse: wenig erfolgreiche Absolventen haben keine Lust zu antworten sehr erfolgreiche Absolventen haben keine Zeit zu antworten Es wird angenommen, dass sich die beiden systematischen Einflussgrößen weitgehend aufheben!

26 "Empfehlungen" müssen die Aussage-Unsicherheit angeben und berücksichtigen.

27 Die Interpretation von Untersuchungsergebnissen sollte sich nicht auf die Schimäre einer letztlich erkennbaren Wahrheit ("richtiger Wert") beziehen.

28 Nimmt man die Unwissenheit zum Maßstab, die Unfassbarkeit der vielfältigen Zusammenhänge, die Unermesslichkeit der niemals ganz aufzudeckenden Lebensbezüge, dann verschwindet das dürre Gerüst wissenschaftlicher Regelwerke... hinter dem Bild des großen unbegreiflichen Gartens. Jürgen Dahl Der unbegreifliche Garten und seine Verwüstung Klett Kotta, 1984

29 Ich danke ganz herzlich meinen KollegInnen für die gute und produktive Zusammenarbeit,... allen Mitarbeitern, die diesen herausragenden Fachbereich entscheidend mit geprägt haben,... insbesondere Annette Niedling und Heike Hollenbach für ihre große Unterstützung meiner wissenschaftlichen Arbeit,... den StudenInnen meiner Veranstaltungen, - vor allem denen in "meinen" Projekten deren Enthusiasmus, Wissbegier und stetig wachsende Kompetenz für mich immer Ansporn und Belohnung waren.