Почему проблема измерять низкую влажность

Периодически к нам обращаются за влагомерами, которые бы измеряли низкую влажность до 5 % и даже до 2 %. Поэтому возникла надобность прояснить ситуацию по данному вопросу. Развенчать иллюзии. Разложить ситуацию по пунктам.
Если кратко – точный результат при использовании переносных влагомеров, без наличия специальных режимов, для указанных низких диапазонов вы не получите.
Почему ?!

Маркетинговый ход

Даже в инструкциях на приборы сплошь и рядом можно встретить цифру нижней границы измерения 0… Уже в самом этом смелом утверждении производителя кроется ~~ложь~~ маркетинговый ход. И мы преисполнены намерения разоблачить этот “нижний ноль”.
Небольшое отступление.
Ноль это пустота. Вакуум в прямом и переносном смысле. Начало всего. Его нельзя измерить ! Поэтому он и не может быть нижней границей диапазона.

Строго математически диапазон измерения должен быть в виде в виде строгого неравенства, где нижняя граница должна быть >0.

Маркетологи же производителей убеждают своих технических писаталей в инструкциях писать ≥0, т.е. включая ноль, который является критической или граничной точкой нижнего диапазона.
И эта цифра (НОЛЬ) которую указывают в паспортах в качестве нижней границы диапазона является исключительно маркетинговым ходом, потому что НЕЛЬЗЯ ИЗМЕРИТЬ НОЛЬ, ЕСЛИ ПОГРЕШНОСТЬ ПРИБОРА НЕНУЛЕВАЯ. Это абсурд.
Возвращаемся в тему.
Кроме диапазона измерения влажности, есть такой показатель как погрешность измерения, которая в лучшем случае составляет 0,5 %, а бывает, что и хуже +-1%. Во всяком случае для бытовых и бывает, что даже для профессиональных приборов, предлагаемых на рынке.

Погрешность это степень метрологической неопределенности.

То есть, если на экране влагомера мы видим цифру влажности 5 %, и заявленная погрешность прибора составляет +/-0,5 %, это означает, что истинное значение не обязательно равняется 5% (а может и равняется !), а может составлять и 4,5 и 5,5 %.
Жить без погрешностей невозможна. Любые электроприборы, питающиеся от 220 В имеют допустимые пределы по питанию. Например от 210 до 230 В. Потому что учитывается непредсказуемые колебания напряжения в сети из-за изменения отбираемой мощности подключенной нагрузкой, износа проводов, аварий в генерации, в электросетях и т.д.
Еще один животрепещущий пример. Если представитель патрульной полиции просит подуть в алкотестер, то он тоже имеет собственную погрешность. Не инспектор, а прибор. И если на кону лишение прав или штраф в десятки тысяч гривень, а на экране 0,25-0,3 промилле, то есть на грани как Закона (норма 0,2 промилле), так и чувствительности прибора, то есть смысл щедро отлистать адвокату, чтобы он погрузился в метрологические изыскания, дебри сертификации и калибровки, доказывая, что предполагаемая степень опьянения не может считаться истинной, а значит не есть доказательством вины водителя.
Таким образом, имеем “зазоры” в виде погрешностей во всех сферах жизни. Что является следствием не идеальности нашого мира.

Откуда берется погрешность

"Зазор" же в измерительных приборах определяется несовершенством технологии их производства. Каждый транзистор, резистор, микроконтроллер, являющие собой электронную схему, которая и осуществляюет "магию преобразования" физической величины от датчика, сначала в электрический ток, а потом и в цифры на дисплее, вносит свою лепту в увеличение погрешности. Которая и выливается в общую цифру погрешности в паспорте прибора.
А теперь - внимание, вопрос ! Пусть погрешность составляет +/-1%. Что подразумевает отклонение как в плюсовую так и в минусовую сторону на 1 %. И на самом деле не так уж и плохо. Для большинства измерительных задач, исключая высокопрецизионные, вполне норм. И мы хотим измерить влажность материала с пределом до 2 %. Но тогда с учетом погрешности на экране мы можем увидеть как 2-1=1 % так и 2+1=3 %. Полная чепуха ! Принять решение на основании цифры с таким огромных разбегом не представляется возможным.

Соизмеримость

"Но простите" – можете вы возразить. "Получается, что мы не можем получать достоверные цифры влажности при погрешности 1 % ?"

Это логическая ловушка-вопрос. Возникающая от недосказанности. От неполной информации. И можно даже сказать - манипуляции. Но в этой ловушке и кроется ответ на вопрос статьи. И мы на этот вопрос ответим, уточняя исходные условия, ликвидируя логическую и метрологическую неопределенность.
Ответ будет такой:
Мы можем получать достоверные цифры (с учетом погрешности !), если измерения производим в более высоком диапазоне.
Основной наш посыл – погрешность должна быть менше в разы от измеряемой величины. И тут нам не обойтись без нового термина: соизмеримость. Или допустимо использовать синоним в данном контексте: сопоставимость.
Имеется в виду, что если погрешность составляет 0,1 %, то даже при измерении 1 % влажности, показатель будет более чем приемлимым. То есть лежать в пределах 1-0,1 %=0,9 % до 1+0,1%=1.1 %. Отличный результат. Есть уверенность в цифре. Потому что в данном случае погрешность больше в 10 раз, чем сама величина (0,1 % и 1%). Понятно, что чем дальше мы идем вверх по диапазону – 5,10, 50 %, тем больше возрастает разница между величиной влажности и погрешностью и этим цифрам можно доверять все больше.
* Важная ремарка. Это справедливо, если погрешность неизменна на всем диапазоне. Но так бывает далеко не всегда. И мы приведем ряд примеров ниже, когда погрешность для поддиапазонов принимает разные значения.
Итак при больших цифрах влажности, результат не соизмерим с погрешностью. Проще говоря, влияние ее является столь мало, что в некоторых случаях можно произнести с полной уверенностю изместную в среде измерителей сакраментальную фразу “погрешностью можно пренебречь”.
А вот когда мы двигаемся назад (или вниз по измерительной шкале – кому как нравится), в сторону влажности, исчисляемой всего лишь единицами процентов, то заходим в терра инкогнито – на зыбкую почву территории неопределенности. Поскольку различить – то ли это погрешность на экране влагомера, то ли сама измеряемая величина, не представляется возможным. Самая что ни на есть типичная метрологическая неопределенность измерительного прибора.

Мы хотим из него выжать больше, чем он способен нам дать. То есть, чтобы выбраться из логической ловушки – вопроса, заданного выше “Получается что мы не можем получать достоверные цифры влажности при погрешности 1 % ?”, метрологически точным ответ будет таким:

Мы можем получать достоверные цифры влажности при погрешности 1 %, на средних и высоких значениях влажности.

Что является "средними" или "высокими" значениями ? Поскольку наше исследование носит общий характер, без привязки к конкретному прибору, будем считать (условно для целей объяснения сути проблемы), что средний диапазон начинается с 5 % (или если Вам угодно - с 2%). Что же касается высокого диапазона : 20 % 50 и даже 70 и 90 %, то такие цифры вообще не имеют отношения к обсуждаемой сегодня проблематике. Потому что повторимся в который уже раз – на высоких диапазонах, соизмеримость погрешности и самой величны практически сходит на нет. Измеряем с полной уверенностью !
А вот измерения крайне низких значений влажности это направление очень рискованное. И мы каждому, кто приходит с запросом ("мне бы до 2 %") честно об этом заявляем.
Если мы видим в паспорте например диапазон измерения 5-70 % это эталон честности и метрологической корректности производителя. В этом диапазоне цифры будут точны (потому что не соизмеримы с погрешностью).

Примеры решения проблемы

Вопрос близости погрешности и самой величины, что приводит к высокой метрологической неопределенности, находит свое место во множестве приборов – не только во влагомерах. И решается разными методами – автоматическими или ручными.

Почти во всех пирометрах, продвинутых тепловизорах, более дорогих шумомерах, диапазон разбит на поддиапазоны и для каждого - своя цифра погрешности. Для чего ? Ответ мы уже знаем. Чтобы сама измеряемая величина и погрешность не были соизмеримы. А кто переключает поддиапазоны ? Да сам прибор и переходит автоматически переходит на то или иной поддиапазон.
В люксметрах. А здесь часто предусмотрено ручное переключение поддиапазона. Это может выполняться кнопками или многопозиционным переключателем.
В некоторых влагомерах существует двухпозиционный переключатель диапазонов (низкая - высокая точность). И это лучшее подтверждение всего изложенного нами выше.

Потому что на “низкой точности” погрешность составляет 0,1 % а на высокой – 0,01 % (!). Почему ? И здесь мы тоже знаем ответ. Чтобы избежать соизмеримости. Чтобы погрешность по своей величине была как можно меньше по сравнению с самой величиной.