Fouten in de metrologie

Metrologie is de wetenschap die zicht bezighoudt met de studie van maten, meetprocessen en meetfouten. Het begrip omvat de nauwkeurigheid, precisie en de herhaalbaarheid van de meting. Hierbij gaat het om de vergelijking met een standaard of tussen verschillende meetsystemen (NPL, 2020). De nauwkeurigheid heeft betrekking op de afstand tussen het gemeten punt en het te meten punt, wanneer het opgemeten punt zeer kort bij of volledig overeenstemt met het te meten punt spreekt men van een zeer hoge nauwkeurigheid. Precisie daarentegen heeft betrekking op het verschil in meetwaarde. Een hoge precisie wordt bekomen wanneer verschillende metingen, van hetzelfde punt, zeer kort bij elkaar liggen. Hieruit blijkt dat een meting met een zeer hoge precisie kan worden gemeten, maar dat het te meten punt toch ver verwijderd ligt van de gemeten punten. Vanhoutven (2018) geeft in Figuur 2 schematisch het verschil weer tussen de nauwkeurigheid en de precisie van een meting. Hieruit blijkt dat de meetresultaten niet overeen stemmen met de realiteit, dit is het gevolg van meetfouten (Muls & De Wulf, 2007).

Meetfouten die optreden worden onderverdeeld in drie categorieën: grove fouten (vergissingen), systematische fouten en toevallige fouten.

Grove fouten of vergissingen zijn meetresultaten die buiten het te verwachtte bereik liggen en te wijten zijn aan onoplettendheden van de waarnemer (Muls & De Wulf, 2007). Deze fouten zijn eenvoudig te vinden bij controles tijdens het onderzoek. Deze fouten worden veroorzaakt door de landmeter, door instellingen van het meettoestel en andere variabelen (Coaker, 2009).

Een tweede soort fouten zijn systematische fouten. Deze fouten zijn eigen aan metingen en kunnen in tegenstelling tot grove fouten enkel achterhaald worden wanneer de meetresultaten worden vergeleken met andere onderzoeken of wanneer de proef herhaald wordt met andere meetinstrumenten (Berendsen, 2009). Deze systematische fouten beelden een verstoring van de meetwaarden uit, welke het gevolg zijn van de toestand van het meetinstrument, de houding van de waarnemer of andere uitwendige invloeden waarmee het model geen rekening houdt (Muls & De Wulf, 2007). Voorbeelden hiervan zijn de door slechte kalibratie van het toestel of de weers- en atmosferische invloeden die anders zijn tussen de opstelplaats van het toestel en het te meten voorwerp.

De laatste soort fouten worden ondergebracht onder de groep van toevallige fouten. Willekeurige fouten zijn de reden dat metingen nooit exact zijn (Coaker, 2009). De spreiding worden veroorzaakt door de afleesnauwkeurigheden en fluctuaties door andere oorzaken. Dit type fouten is onvermijdelijk en kan gedeeltelijk gecompenseerd worden door de meting meermaals uit te voeren (Berendsen, 2009).

2.3.1 Instrumentale fouten

Instrumentale fouten zijn fouten die te wijten zijn aan het ontwerp van het meettoestel. Deze instrumentale fouten komen bijgevolg voor bij alle meettoestellen, maar zijn verschillend voor elk meettoestel (Chekole, 2014). In verdere paragrafen wordt per meettoestel dieper ingegaan op de instrumentale fouten.

2.3.2 Voorwerp gerelateerd fouten

Voorwerp gerelateerde fouten zijn fouten die te wijten zijn aan de oppervlakte-eigenschappen van het object en de manier waarop de laserspot invalt op het object. Zo beïnvloedt het oppervlak, waar de laserstraal op invalt, de intensiteit van de teruggekaatste straal. Een oppervlak met een donkere kleur zal het grootste deel van de invallende laserstraal absorberen, wat zorgt voor een zwakke intensiteit van de teruggekaatste straal. Een lagere intensiteit is gevoeliger voor ruis en zorgt bij gevolg voor een minder nauwkeurige meting. Daarnaast kunnen oppervlakken met een zeer hoge reflectiewaarde ook zorgen voor foutieve metingen. Bij oppervlakken met een zeer hoge reflectiewaarde zal de laserstraal volledige worden teruggekaatst. Hierdoor bestaat de kans dat de laserstraal eerst tegen een ander voorwerp botst vooraleer het invalt op de spiegel van de scanner. Door eerst te botsen tegen een ander voorwerp zal de laserstraal langer onderweg zijn en zorgen voor een te grote afstand. Tot slot zijn er nog oppervlakten met een semi-transparante laag. De semi-transparante laag zorgt ervoor dat aan de oppervlakte een deel van de invallende laserstraal wordt weerkaatst en een ander deel wordt geabsorbeerd. De geabsorbeerde straal wordt in het materiaal gereflecteerd (tweede reflectie). Hierdoor zal de scanner twee weerkaatste stralen ontvangen voor één uitgestuurde straal, wat zal zorgen voor een fout op de afstand (Loux & Van der Elst, 2014).

2.3.3 Omgeving gerelateerd fouten

8

Een eerste parameter is de temperatuur, op de eerste plaats zorgt deze voor een verandering van de brekingsindex in de lucht. Verder zal de temperatuur een invloed hebben op de elektronica in het toestel. Binnenin een scanner wordt de temperatuur enerzijds beïnvloed door de interne warmtewinsten die gegenereerd worden door de werking van het toestel en anderzijds door de externe warmtewinsten afkomstig van de zon. De verandering van de temperatuur zorgt voor distorsie van de gemeten gegevens. Daarnaast beïnvloed ook de temperatuur van het te scannen voorwerp de metingen. Bij hoge temperaturen ontstaan achtergrondstralingen die de uitgezonden laserstraal beïnvloeden en zorgen voor ruis op de ontvangen laserstraal (Afeni, 2011).

Een tweede parameter is de atmosfeer, deze heeft net zoals bij een totaalstation invloed op de meetgegevens. Een verandering van de temperatuur, luchtvochtigheid of druk zorgt voor een verandering in de brekingsindex. Een verandering van de brekingsindex heeft een verder gevolg in de snelheid waarmee de laserstraal zich voortbeweegt. Dit zal tot slot een invloed hebben op de berekende afstand. Volgens Walker & Awange (2018) kunnen deze parameters volgend effect op de meting hebben:

- temperatuur (grootste invloed): 1 ppm per graden Celsius - atmosferische druk: 0,3 ppm per hectopascal

- partiële druk van waterdamp: 0,04 ppm per hectopascal.

Een laatste omgeving gerelateerde fout is te wijten aan distorsies. Een distorsie is een verdraaiing van de meetgegevens door een beweging van de scanner of het voorwerp. Een beweging kan veroorzaakt worden door een trilling van het oppervlak waarop het voorwerp of scanner geplaatst is of door een temperatuursverandering. Een beweging van de scanner kan grotendeels vermeden worden door de scanner op een stabiele ondergrond op te stellen die niet beïnvloed wordt door externe factoren (Loux & Van der Elst, 2014)