У чому складність з вимірюванням низької вологості ?

Періодично до нас звертаються за вологомірами, які вимірювали б низьку вологість до 5% і навіть до 2%. Тому виникла потреба прояснити ситуацію з цього питання. Позбавити ілюзій. Розкласти ситуацію по поличках.
Якщо коротко – точний результат при використанні переносних вологомірів, без спеціальних режимів, для вказаних низьких діапазонів ви не отримаєте.
Оце так ! Чому ?!

Маркетинговий хід і спрощення

Навіть в інструкціях на прилади часто-густо можна зустріти цифру нижньої межі вимірювання 0… Уже в самому цьому сміливому твердженні виробника криється маркетинговий хід. І ми сповнені намірів викрити цей “нижній нуль”.
Невеликий відступ.
Нуль це порожнеча. Вакуум у прямому та переносному сенсі. Початок всесвіту. Його не можна виміряти! Тому він і не може бути нижньою межею діапазону.

Строго математично діапазон вимірювання повинен бути у вигляді у вигляді суворої нерівності, де нижня межа має бути >0.

Маркетологи ж виробників переконують своїх технічних письменників вказувати в інструкціях ≥0, тобто включаючи нуль, який є критичною або граничною точкою нижнього діапазону.
І ця цифра (НУЛЬ), яку вказують у паспортах як нижня межа діапазону є виключно маркетинговим ходом, тому що НЕ МОЖНА ВИМІРИТИ НУЛЬ, ЯКЩО ПОХИБКА ПРИЛАДУ НЕНУЛЬОВА. Це абсурд. Єдине, чим можна виправдати "нуль" у керівництві користувача, це банальне спрощення. Дійсно ж, не будуть вони писати 0.0000001 нижня межа. Простіше нуль. Хоча не коректно.
Повертаємось до теми.
Крім діапазону вимірювання вологості, є такий показник, як похибка вимірювання, яка в кращому випадку становить 0,5%, а буває, що гірше +-1%. У всякому разі, такі цифри притаманні для побутових і буває, що навіть для професійних приладів, що пропонуються на ринку.

Похибка це ступінь метрологічної невизначеності.

Тобто, якщо на екрані вологоміра ми бачимо цифру вологості 5%, і заявлена похибка приладу становить +/-0,5%, це означає, що справжнє значення не обов'язково дорівнює 5% (а може й дорівнює!), а може становити і 4,5 і 5,5%.
Жити без похибок неможливо. Будь-які електроприлади, що живляться від 220 В, мають допустимі межі живлення. Наприклад від 210 до 230 В. Тому що враховується непередбачувані коливання напруги в мережі через зміну потужності, що відбирається, підключене навантаження, знос проводів, аварії у генерації, в електромережах і т.д.
Ще один актуальний приклад. Якщо представник патрульної поліції просить подути в алкотестер, то він теж має власну похибку. Не інспектор, а прилад. І якщо є вірогідність позбавлення прав керування авто або накладення штрафу у десятки тисяч гривень, а на екрані 0,25-0,3 проміле, тобто на межі як Закону (норма 0,2 проміле), так і чутливості приладу, є сенс заплатити адвокату, щоб він поринув у метрологічні дослідження, і тонкощі сертифікації, тому що ступень сп'яніння не може вважатися істинною, а отже, не є доказом провини водія.
Таким чином, маємо похибки у всіх сферах життя. Що є наслідком не ідеальності нашого світу.

Звідки береться похибка

Похибка у вимірювальних приладах визначається недосконалістю технології їх виробництва. Кожен транзистор, резистор, мікроконтролер, що складають електронну схему, яка і здійснює "магію перетворення" фізичної величини від датчика, спочатку в електричний струм, а потім і цифри на дисплеї, вносить свій внесок у збільшення похибки. Яка і формує загальну цифру похибки у паспорті приладу.
А тепер - увага, питання! Нехай похибка становить +/-1%. Що має на увазі відхилення як у плюсову так і в мінусову сторону на 1%. І насправді не так уже й погано. Для більшості вимірювальних завдань, крім високопрецизійних, цілком норм. І ми хочемо виміряти вологість матеріалу з межею до 2%. Але тоді з урахуванням похибки на екрані ми можемо побачити як 2-1=1%, так і 2+1=3%. Повна нісенітниця! Прийняти рішення на підставі цифри з таким величезним розбігом неможливо.

Сумірність

"Але вибачте" - можете ви заперечити. "Виходить, що ми не можемо отримувати достовірні цифри вологості при похибці 1 % ?"

Це логічна пастка-питання. Виникає від недомовленості. Від неповної інформації. І можна навіть сказати – маніпуляції. Але в цій пастці і криється відповідь на запитання статті. І ми на це запитання відповімо, уточнюючи вихідні умови, ліквідуючи логічну та метрологічну невизначеність.
Відповідь буде такою:
Ми можемо отримувати достовірні цифри (з урахуванням похибки !), якщо вимірювання проводимо у вищому діапазоні.
Основний наш посил – похибка повинна бути значно меншою від вимірюваної величини. І тут нам не обійтися без нового терміна: сумірність. Або допустимо використовувати синонім у цьому контексті: порівнянність.
Мається на увазі, що якщо похибка становить 0,1%, то навіть при вимірі 1% вологості показник буде більш ніж прийнятним. Тобто знаходитись в межах від 1-0,1 %=0,9 % до 1+0,1%=1.1 %. Чудовий результат. Є впевненість у цифрі. Тому що в даному випадку похибка більша в 10 разів, ніж сама величина (0,1% та 1%). Зрозуміло, що далі ми йдемо вгору діапазоном – 5,10, 50 %, тим більше зростає різниця між величиною вологості та похибкою і цим цифрам можна довіряти дедалі більше.
* Важлива ремарка. Це справедливо, якщо похибка незмінна по всьому діапазоні. Але так буває далеко не завжди. І ми наведемо ряд прикладів нижче, коли похибка для піддіапазонів набуває різних значень. І що з цим робити.
Отже при великих цифрах вологості, результат не можна порівняти з похибкою. Простіше кажучи, вплив її є настільки малий, що в деяких випадках можна вимовити з повною упевненістю доречну в середовищі вимірювачів фразу “похибкою можна знехтувати”.
А ось коли ми рухаємося назад (або вниз за вимірювальною шкалою – кому як подобається), у бік вологості, що обчислюється лише одиницями відсотків, то заходимо в терра інкогніто – на хисткий ґрунт території невизначеності. Оскільки розрізнити – чи це похибка на екрані вологоміра, чи сама вимірювана величина, неможливо. Типова метрологічна невизначеність вимірювального приладу.

Ми хочемо з нього отримати більше, ніж він може нам дати. Тобто, щоб вибратися з логічної пастки – питання, заданого вище “Виходить, що ми не можемо отримувати достовірні цифри вологості при похибці 1% ?”, метрологічно точною відповідь буде така:

Ми можемо отримувати достовірні цифри вологості при похибці 1%, на середніх та високих значеннях вологості.

Що є "середніми" або "високими" значеннями? Оскільки наше дослідження носить загальний характер, без прив'язки до конкретного приладу, вважатимемо (умовно для цілей пояснення суті проблеми), що середній діапазон починається з 5% (або якщо Вам подобається – з 2%). Що ж до високого діапазону: 20% 50 і навіть 70 і 90%, то такі цифри взагалі не мають відношення до обговорюваної сьогодні проблематики. Тому що повторимося вкотре – на високих діапазонах, сумірність похибки і найбільші практично сходить нанівець. Вимірюємо з повною впевненістю!
А ось виміри вкрай низьких значень вологості цей напрямок дуже ризикований. І ми кожному, хто приходить із запитом ("мені б до 2%") чесно про це заявляємо.
Якщо ми бачимо в паспорті наприклад діапазон виміру 5-70%, це еталон чесності та метрологічної коректності виробника. У цьому діапазоні цифри будуть точні (бо не зрівнянні з похибкою).

Приклади вирішення проблеми

Питання близькості похибки і самої величини, що призводить до високої метрологічної невизначеності, знаходить своє місце в багатьох приладах, а не лише у вологомірах. І вирішується різними методами – автоматичними або ручними.

Майже у всіх пірометрах, просунутих тепловізорах, дорогих шумомірах, діапазон розбитий на піддіапазони і для кожного – своя цифра похибки. Для чого? Відповідь ми вже знаємо. Щоб сама вимірювана величина і похибка були сумірні. А хто перемикає піддіапазони? Та сам прилад і переходить автоматично переходить на той чи інший піддіапазон.
У люксометрах. А тут часто передбачено ручне перемикання піддіапазону. Це може виконуватися кнопками чи багатопозиційним перемикачем.
У деяких вологомірах існує двопозиційний перемикач діапазонів (низька - висока точність). І це найкраще підтвердження всього викладеного нами вище.

Тому що на “низькій точності” похибка становить 0,1% а на високій – 0,01% (!). Чому? І тут ми також знаємо відповідь. Щоб уникнути сумірності. Щоб похибка за своєю величиною була якнайменша в порівнянні з самою величиною.