Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Software zur Berechnung von Messunsicherheiten

Ansprechpartner: Norbert Greif, FB 8.5

Der internationale Leitfaden „Guide to the expression of uncertainty in measurement“ (GUM, ISO/IEC Guide 98-3:2008) ist weltweit zur Grundlage der Messunsicherheitsbestimmung geworden. Er regelt die mathematischen Verfahren, jedoch nicht deren Implementierung als Software. Deshalb ist es wichtig, dass Software, die den Anspruch erhebt, eine Implementierung des GUM zu sein, einer entsprechenden Validierung unterzogen wird. Diese Validierung muss insbesondere dann besonders gründlich erfolgen, wenn die Software den Charakter einer Referenz erhalten soll. Das trifft in der Regel auf Software zu, die in metrologischen Staatsinstituten, z.B. für Primärkalibrierungen, verwendet wird.

In den letzten Jahren hat sich das Angebot solcher Software verbreitert und in der Folge zu wiederholten Validierungsaufträgen geführt. Um die Softwarebewertung mit gleicher Methodik durchzuführen, die Ergebnisse vergleichbar zu machen und eine Bestätigung der GUM-Konformität vornehmen zu können, ist eine diesen Zielen entsprechende  produktunabhängige Testumgebung einschließlich einer universellen Testdatenbasis entwickelt worden.

Die Entwicklung beinhaltete insbesondere

• den Entwurf eines Datenmodells, das sämtliche für die Messunsicherheitsberechnungen benötigten Angaben enthält, einschließlich begleitender Informationen wie z.B. numerische Fehlergrenzen, die Anzahl signifikanter Stellen oder Zahlenformate;
• die Umsetzung des Datenmodells in ein XML-Format auf der Basis einer speziell erarbeiteten Grammatik sowie die Implementierung eines entsprechenden Parsers für das XML-Format;
• den Aufbau einer universellen Testdatenbasis mit Gruppen von Testfällen, die jeweils bestimmten Abschnitten des GUM zugeordnet sind und mit Hilfe des entwickelten XML-Formats spezifiziert sind;
• die Programmierung mehrerer Konverter, die die universellen Testfälle so konvertieren, dass ein bestimmtes zu prüfendes Programm damit versorgt werden kann. Dabei geht es nicht nur um die technischen Parameter der Prüfung (Anpassung an die Art der Benutzungsoberfläche oder an das Betriebssystem), sondern auch um fachliche Spezifika des zu prüfenden Programms (Programmoptionen, die vor dem Testen gesetzt werden müssen, Art der Zahlendarstellung, etc.).

Die wichtigsten Merkmale der entstandenen Testumgebung sind

• Nutzbarkeit der universellen Testfälle für prinzipiell jede Art von Softwareprodukten zur Berechnung von Messunsicherheiten, unabhängig vom verwendeten Betriebssystem oder der verwendeten Benutzungsoberfläche,
• strikte Rückführbarkeit jedes einzelnen Testfalls (und damit der dazugehörigen Testergebnisse) auf den zutreffenden Abschnitt des GUM,
• Klassifizierung und Filterung der Testfälle nach positiven und negativen Testfällen, nach Testfällen zu formalen oder informellen Abschnitten des GUM und nach fachlichen Themenkreisen (z.B. Behandlung von Typ A-Größen, Berechnung von Sensitivitäts­koeffizienten) und damit verbunden die Möglichkeit, nur Testfälle zu bestimmten Themen zu verwenden.

Mit der entwickelten Testumgebung sind in der PTB bisher drei Softwarepakete für die Berechnung von Messunsicherheiten einer Validierung unterzogen worden. Das Bild illustriert verschiedene Fragestellungen der Validierung.